18. fejezet – Hálózati védelmek és automatikák

18.1 Miért kell hálózati védelem? A védelmi alapkövetelmények

A védelem két megbízója: az ember és a berendezés

A villamos hálózat előbb-utóbb elromlik. Elszakad egy szabadvezeték, átüt egy kábel szigetelése,
ráhajlik egy faág a vezetékre, madár ível át két fázis között, meghibásodik egy transzformátor
tekercselése. Ezekre a hibákra a hálózat mindig ugyanúgy válaszol: a hiba helyén a normálisnak
sokszorosát kitevő zárlati áram indul meg, amely másodperc törtrésze alatt olvasztja a fémet,
és nyomáshullámmal, ívvel, hővel veszélyezteti azt, aki a közelben áll.

A védelem feladata ezért kettős, és a két feladat nem egyenrangú:

1. Az embert védi. A hiba helyén és környezetében megszünteti azt az állapotot, amely égési
   sérülést, áramütést vagy tüzet okozhat.
2. A berendezést védi. A zárlati áram termikus és dinamikus hatásától megóvja a vezetéket, a
   kábelt, a transzformátort és a kapcsolókészüléket – ezeket a hatásokat a 16. fejezetben
   számítottuk ki.

Mindezt egyetlen, tömör mondatban szokás összefoglalni, és ezt a mondatot érdemes szó szerint
megjegyezni, mert a vizsgán ez a definíció.

Két kifejezés van ebben a meghatározásban, amely a fejezet egészét meghatározza. A „leggyorsabban"
azt jelenti, hogy a hiba időtartamát a lehető legrövidebbre kell szorítani, mert a károsodás a hiba
idejével arányosan nő. A „legkisebb kiterjedésben" pedig azt, hogy a lekapcsolás ne büntesse
azokat a fogyasztókat, akiknek semmi közük a hibához. Ez a két követelmény – ahogy mindjárt látni
fogjuk – egymásnak feszül.

A négy alapkövetelmény

A szakképzési szakirodalom négy követelményt támaszt minden védelemmel szemben. Ezek nem
„jó tulajdonságok", hanem minősítési szempontok: egy védelmi koncepciót mind a négy szerint
végig kell gondolni.

Szelektivitás. A védelem „csak a meghibásodott részt kapcsolja le". Ez a legkönnyebben érthető,
és a gyakorlatban a legnehezebben teljesíthető követelmény. A 17. fejezetben a szelektivitást
készülékpárok tulajdonságaként ismertük meg (áram-, idő- és energiaszelektivitás két egymás utáni
kismegszakító között); itt ugyanez a fogalom hálózati szinten, több állomáson át, egymástól
kilométerekre lévő védelmek között jelenik meg.

Gyorsaság. „A gyors lekapcsolás megvédi a hálózatot… a zárlati áram dinamikus és termikus
hatásaitól." A 16. fejezet adiabatikus feltétele – t ≤ (k · S / I)² – közvetlenül megmutatja,
miért: a megengedett idő az áram négyzetével fordítottan arányos. Ha az áram kétszeresére nő, a
megengedett idő a negyedére csökken.

Érzékenység. A védelem „különböző zavaró tényezők ellenére is" felismerje a hibát. Vagyis a
legkisebb előforduló hibaáramot is biztosan érzékelnie kell – azt is, amely a hálózat legtávolabbi
pontján, a legkedvezőtlenebb üzemállapotban, átmeneti (ívellenállásos) zárláson keresztül folyik.
Ennek a követelménynek a számszerű ellenőrzése a minimális zárlati árammal történik; a 16.
fejezetből tudjuk, hogy ez háromvezetős hálózaton jellemzően a kétfázisú zárlat árama.

⭐ Üzembiztonság. A védelem „hiba esetén biztosan működjön, feleslegesen viszont ne működjön".
A szakirodalom ezt nevezi a legfontosabb követelménynek, mert a védelem alapvető feladata a
hibák megszüntetése – ha a védelem maga romlik el, az egész koncepció összeomlik.

Az üzembiztonságnak két, ellentétes irányú hibája van, és a szakma mindkettőt külön néven ismeri:

• elmaradó működés: a védelem nem old ki, pedig kellene – a hibát a tartalékvédelemnek kell
  hárítania, nagyobb kiesett területtel és hosszabb hibaidővel;
• felesleges (téves) működés: a védelem kiold, pedig nincs hiba – például terhelési
  áramlökésre, motorindításra vagy transzformátor bekapcsolási áramlökésére.

⭐ A követelmények egymásnak feszülnek

Ez a fejezet legfontosabb gondolata, és a vizsgán is a legtöbbet kérdezett összefüggés: a négy
követelményt egyszerre, maradéktalanul nem lehet teljesíteni. Nézzük meg, miért.

A szelektivitást hálózati szinten leggyakrabban időlépcsőzéssel valósítjuk meg: a hibához
közelebbi védelem gyorsan old, a mögötte lévő pedig vár egy kicsit, hogy esélyt adjon az elsőnek.
Csakhogy minden várakozás a gyorsaság rovására megy: a táplálás felőli, legterheltebb ponton
lesz a leghosszabb a kioldási idő – éppen ott, ahol a zárlati áram a legnagyobb.

Az érzékenység és az üzembiztonság ugyanígy egymás ellen dolgozik: minél kisebbre állítjuk a
beállítási értéket (hogy a távoli, kis hibaáramot is lássuk), annál közelebb kerülünk a legnagyobb
terhelési áramhoz – és annál nagyobb az esély a felesleges kioldásra.

18.2 Védelmi zónák, fő- és tartalékvédelem

A hálózat felosztása védelmi zónákra

A védelmi koncepció készítése a hálózat felosztásával kezdődik. A hálózatot olyan darabokra
bontjuk, amelyeket egy-egy védelem önállóan felügyel: egy vonalszakasz, egy transzformátor, egy
gyűjtősín, egy motor. Ezeket nevezzük védelmi zónáknak.

A zóna határait fizikailag két dolog jelöli ki: a mérőváltó helye (innentől „lát" a védelem) és
a megszakító helye (eddig tud lekapcsolni). Ebből következik a védelmi zónák egyik alapszabálya:
a szomszédos zónáknak át kell fedniük egymást. Ha a zónák csak érintenék egymást, keletkezne egy
olyan pont – éppen a megszakító és a mérőváltó közötti rövid szakasz –, amelyet egyetlen védelem sem
felügyel. Az átfedés ára, hogy az átfedési tartományba eső hibánál két zóna védelme is működik,
tehát a szükségesnél valamivel nagyobb terület esik ki. Ezt a szakma tudatosan vállalja: jobb egy
kicsit nagyobb kiesés, mint egy védelem nélküli szakasz.

A védelmi szintek: alap-, közeli tartalék- és távoli tartalékvédelem

Az üzembiztonság követelménye önmagában nem teljesíthető: bármelyik védelem elromolhat, a megszakító
beragadhat, a segédenergia kieshet. Ezért minden hálózati elemhez több védelmi szint tartozik.
A szakirodalom háromszintű rendszert ad, és ez a hármas felosztás lényegesen többet mond, mint a
gyakran emlegetett fő- és tartalékvédelem kettőse.

⭐ Ez a táblázat magyarázza meg, miért baj, ha a fedővédelem lép működésbe. A hiba ugyan
elhárul – de a hálózatból nagyobb darab esik ki, mint amennyi indokolt lenne, és a hibaidő is
hosszabb. Ha az üzemzavari elemzés azt mutatja, hogy egy hibát a fedővédelem hárított el, akkor
az alapvédelemmel baj van: vagy nem érzékelt, vagy a megszakítója nem működött. Ez mindig
kivizsgálandó esemény.

A kettőzés és az önfelügyelet

Nagy jelentőségű hálózati elemeknél (nagyfeszültségű vonal, nagy teljesítményű transzformátor) az
alapvédelmet kettőzik: két, egymástól független működési elvű védelem figyeli ugyanazt a zónát,
külön mérőváltóról, külön kioldótekercsről, lehetőleg külön segédenergia-forrásról táplálva. Így egy
készülék meghibásodása nem hagyja védelem nélkül a zónát.

A mai digitális védelmi készülékek ezt kiegészítik önfelügyelettel: a készülék folyamatosan
vizsgálja a saját memóriáját, a bemeneteit, a kioldókör folytonosságát és a segédfeszültséget, és
hiba esetén jelzést ad, mielőtt bármilyen zárlat bekövetkezne. Ez az önfelügyelet az üzembiztonság
mai fő eszköze: nem azt kérdezi, „működött-e a védelem", hanem azt, hogy „működne-e most, ha
kellene".

18.3 A védelmi lánc: mérőváltó – relé – kioldókör – megszakító

Négy elem, egyetlen működés

A védelem nem egyetlen doboz, hanem lánc. A lánc négy eleme közül bármelyik hibája ugyanazzal az
eredménnyel jár: a hiba nem hárul el. A technikus munkája szempontjából ez a legfontosabb ábra az
egész fejezetben.

1. Mérőváltó (áram- és feszültségváltó): a nagyfeszültségű, nagy áramú hálózati jellemzőt
   leképezi kicsi, biztonságosan kezelhető, szabványos szekunder jellé.
2. Relé (védelmi készülék): a mért jelekből eldönti, hogy hiba van-e, és ha igen, kioldójelet ad.
3. Kioldókör és segédenergia: a kioldójelet eljuttatja a megszakítóhoz, és biztosítja hozzá a
   szükséges energiát.
4. Megszakító: ténylegesen megszakítja az áramot (17. fejezet).

A mérőváltók védelmi szemmel

A mérőváltó (mérőtranszformátor) két feladatot lát el egyszerre: leképez és elválaszt. A
nagyfeszültségű, nagy áramú hálózati jellemzőt szabványos kis értékre alakítja, és galvanikusan
elválasztja a védelmi készüléket a főáramkörtől – vagyis lehetővé teszi, hogy a kezelő
biztonságosan hozzáférjen a mérési jelekhez.

Védelmi célra a mérőváltótól mást várunk el, mint elszámolási mérésre. Az elszámolási méréstől
pontosságot kérünk a névleges áram környékén; a védelmi méréstől azt, hogy a névleges áram
sokszorosánál – zárlati áramnál – se telítődjön be, vagyis ott is a valóságot mutassa. Ezért a
védelmi áramváltók külön magot vagy külön kivitelt kapnak. Ha a védelmi mag zárlatnál telítésbe megy,
a védelem a valóságosnál kisebb áramot lát – és késve vagy egyáltalán nem old ki.

Ebből következik, hogy a védelmi magot nem a fenti mérési pontossági osztályokkal jellemzik,
hanem saját védelmi pontossági osztállyal és a hozzá tartozó határhányadossal (angolul:
accuracy limit factor, ALF). A határhányados azt mondja meg, hogy a névleges primer áram
hányszorosáig tartja a váltó az előírt hibahatárt – vagyis meddig nem telítődik. Ez a két adat
dönti el, hogy a védelmi áramváltó alkalmas-e az adott zárlati áram leképezésére, ezért mindkettőt
fel kell venni a beállítási jegyzőkönyvbe (18.10 alfejezet). ⚠ A védelmi osztályok konkrét
jelölését és a határhányados számértékeit a jegyzet forrásbázisa nem tartalmazza; ezeket a
mérőváltó-szabvány alapján a 27. fejezet pótolja – a jegyzet ide nem talál ki adatot.

A relé: elektromechanikustól a digitálisig

A védelmi készülék három technológiai nemzedéken ment át, és a hálózaton ma mindhárom megtalálható.

A mai digitális védelem működése – egy magyar gyártmányú középfeszültségű készülék műszaki leírása
alapján, márkafüggetlen megfogalmazásban – így fest: a mérőváltókról érkező analóg jelek induktív
közbenső mérőváltókon és szűrőkön keresztül jutnak a mintavételezőre; a készülék tipikusan
0,5 ms-onként digitalizálja a mintákat; a feldolgozást jelfeldolgozó processzor (DSP) és önálló
főprocesszor végzi.

A kioldókör és a segédenergia – amiről a legtöbben megfeledkeznek

A relé „kioldójele" önmagában csak egy érintkezőzárás. Ahhoz, hogy a megszakító ténylegesen kinyisson,
energia kell: a kioldótekercset meg kell táplálni. Ezt az energiát az állomás segédüzemi
egyenáramú rendszere adja: egy akkumulátortelep és a hozzá tartozó töltőberendezés.

Miért éppen akkumulátor? Mert a védelemnek pontosan akkor kell működnie, amikor a hálózaton baj
van – amikor a feszültség beszakad vagy megszűnik. Ha a védelem a saját hálózati feszültségéből
táplálkozna, a legnagyobb zárlatnál maradna energia nélkül. Az akkumulátortelep viszont a hálózattól
függetlenül, azonnal rendelkezésre áll.

⭐ A védelmi funkciók nemzetközi jelölése: az ANSI-kódok

A védelmi készülékek adatlapján, kapcsolási rajzán és paraméterezési felületén a funkciókat
számkódokkal jelölik. Ez a nemzetközi eredetű, ANSI-kódnak nevezett jelölésrendszer a
gyakorlatban nélkülözhetetlen: e nélkül egy védelmi rajz olvashatatlan. A legfontosabb kódokat
érdemes fejből tudni.

18.4 Hibafajták és túláramvédelem: független és függő karakterisztika

A hibafajták, amelyeket a védelemnek meg kell különböztetnie

A védelem nem „hibát" érzékel, hanem konkrét, számszerű eltérést az üzemi állapottól. Ezért
mindenekelőtt tisztázni kell, milyen hibafajták fordulnak elő, mert mindegyikhez más védelmi elv és
más beállítás tartozik.

A túlterhelés és a zárlat elhatárolását, valamint a zárlatfajtákat (háromfázisú, kétfázisú,
kétfázisú földzárlattal, egyfázisú) a 16. fejezetben tárgyaltuk; a védelem szempontjából itt csak azt
kell újra kimondani, hogy a legnagyobb zárlati áram a készülék igénybevételét (megszakítóképesség,
termikus és dinamikus szilárdság), a legkisebb zárlati áram pedig a védelem érzékenységét dönti el.

A túláramvédelem: a legegyszerűbb és a leggyakoribb elv

A hálózati védelmek közül a legelterjedtebb a túláramvédelem. Elve annyira egyszerű, hogy egy
mondatban elmondható: ha az áram meghalad egy beállított értéket, a védelem – azonnal vagy egy
beállított idő letelte után – kioldójelet ad.

A két karakterisztika közötti választás nem ízlés kérdése, hanem a hálózat felépítéséből következik.

A túláramvédelem beállítási paraméterei

A beállítás mindig két oldalról szorított feladat, és pontosan ez a szorítás a fejezet
számítási magja:

• Alulról a legnagyobb üzemi (terhelési) áram szorít: a védelem erre semmiképpen nem
  indulhat, különben felesleges kioldást okoz. Ide tartoznak az átmeneti áramlökések is –
  motorindítás, transzformátor bekapcsolása, a feszültségkimaradás utáni egyidejű újraindulás.
• Felülről a legkisebb zárlati áram szorít: a védelemnek a legkedvezőtlenebb esetben is
  biztosan és kellő tartalékkal érzékelnie kell a hibát.

Formálisan tehát:

Kidolgozott példa 18.1 – A túláramvédelem indítási áramának meghatározása

Feladat: Egy 20 kV-os középfeszültségű leágazás legnagyobb üzemi árama
         I_üzemi_max = 180 A. A leágazás végén, a legkedvezőtlenebb
         üzemállapotban számított legkisebb HÁROMFÁZISÚ zárlati áram
         I''_k3min = 1 250 A. Határozzuk meg a független idejű
         túláramvédelem indítási (beállítási) áramát!

1. Az ALSÓ korlát - a terhelés felől (ennél kisebbre nem állítható):

   A beállítási érték nem lehet kisebb a legnagyobb üzemi áramnál,
   sőt biztonsági ráhagyás kell rá (a mérési hiba, a visszaesési
   arány és az áramlökések fedezésére):

       I> >= k_b * I_üzemi_max

   FELTÉTELEZETT adat: k_b = 1,2   (a konkrét biztonsági tényezőt
   az ÜZEMELTETŐI előírás rögzíti - lásd a megjegyzést)

       I> >= 1,2 * 180 A = 216 A

2. A FELSŐ korlát - az érzékenység felől (ennél nagyobbra nem állítható):

   A védelemnek a MINIMÁLIS zárlati áramra is biztosan indítania kell.
   Háromvezetős hálózaton a legkisebb zárlati áramot a KÉTFÁZISÚ
   zárlat adja (MSZ EN 60909-0, generátortávoli zárlat, Z_(2) = Z_(1)):

       I''_k2 = (gyök3 / 2) * I''_k3 = 0,866 * I''_k3
       I''_k2min = 0,866 * 1 250 A = 1 082,5 A  ~ 1 083 A

   Az érzékenységi feltétel:

       I''_k2min / I>  >=  k_erz

   FELTÉTELEZETT adat: k_erz = 1,5

       I> <= 1 083 / 1,5 = 722 A

3. A beállítási tartomány:

       216 A  <=  I>  <=  722 A

   A tartomány közepe felé, kerek értékre választva:

       I> = 300 A          (a mérőváltó áttételéhez illesztve,
                            lásd a 18.2 példát)

4. Ellenőrzés:

       300 A / 180 A = 1,67 > 1,2                MEGFELEL (terhelés)
       1 083 A / 300 A = 3,6  > 1,5              MEGFELEL (érzékenység)

Válasz: I> = 300 A primer érték.

MEGJEGYZÉS: a k_b biztonsági tényező és a k_erz érzékenységi tényező
számértéke ebben a példában FELTÉTELEZETT. A valóságban ezeket
a HÁLÓZATI ENGEDÉLYES (üzemeltetői) relévédelmi előírása rögzíti, és
hálózati szintenként eltérhetnek. A vizsgán a SZÁMÍTÁS MENETE és a
KÉT KORLÁT megnevezése a követelmény, nem a számérték bemagolása.

A beállítás átszámítása a szekunder oldalra

A védelmi készülék nem a hálózati áramot méri, hanem az áramváltó szekunder áramát. Ezért minden
primer beállítási értéket át kell számítani – vagy fordítva, a készülékbe beírt szekunder értéket
kell primerre visszaszámolni, hogy értelmezni tudjuk.

Kidolgozott példa 18.2 – Az áramváltó áttétele és a szekunder beállítási érték

Feladat: A 18.1 példa leágazásában 300/5 A áttételű, védelmi célú
         áramváltó van beépítve. a) Mekkora szekunder áram felel meg
         a 180 A üzemi áramnak és a 300 A beállítási értéknek?
         b) Mekkora szekunder áram folyik a legkisebb (kétfázisú)
         zárlati áramnál? c) Mit jelent ez a védelem szempontjából?

1. Az áramváltó áttétele:

       k_i = I_primer_n / I_szekunder_n = 300 A / 5 A = 60

   (Az áttétel mértékegység nélküli szám: 60-szoros lekicsinyítés.)

2. a) Az üzemi áram szekunder értéke:

       I_szek = I_prim / k_i = 180 A / 60 = 3,0 A

   A beállítási érték szekunder oldalon:

       I>_szek = 300 A / 60 = 5,0 A

   Vagyis a védelembe 5,0 A szekunder indítási értéket kell beírni,
   ami éppen az áramváltó névleges szekunder árama.

3. b) A minimális zárlati áram szekunder értéke:

       I''_k2min_szek = 1 083 A / 60 = 18,05 A

4. c) Értelmezés:

       - üzemben a védelem 3,0 A-t "lát", az indítási érték 5,0 A:
         van tartalék, nem indít feleslegesen;
       - a legkisebb zárlatnál 18,05 A folyik a szekunderben, ami az
         5,0 A indítási érték 3,6-szerese: a védelem biztosan indít;
       - a szekunder áram zárlatkor a NÉVLEGES 3,6-szerese, ezért az
         áramváltónak ezen a tartományon MÉG NEM SZABAD TELÍTŐDNIE -
         ezért kell védelmi célú (védelmi magú) áramváltót választani.

Válasz: k_i = 60; üzemben 3,0 A, beállítás 5,0 A, minimális zárlatnál
        18,05 A szekunder áram.

MEGJEGYZÉS: ha az áttételt tévesen adjuk meg a készüléknek (például
200/5 helyett 300/5), a védelem MINDEN beállítása ugyanabban az
arányban csúszik el - ez a paraméterezés leggyakoribb hibája.

⭐ A szelektivitás megvalósítása hálózati szinten

A 17. fejezetben a szelektivitást két, egymás utáni kisfeszültségű készülék viszonyaként vizsgáltuk.
Hálózati szinten ugyanez a feladat három módszerrel oldható meg, és a három módszert együtt
szokás alkalmazni.

A fokozatidő (szelektivitási időlépcső)

Az időszelektivitás lényege, hogy a hibához közelebbi védelem gyorsan old, a mögötte lévő pedig egy
fokozatidővel később. A kérdés az: mekkora legyen ez a lépcső?

A fokozatidő tehát nem önkényes szám, hanem összeg:

Kidolgozott példa 18.3 – Az időszelektivitási lépcsők (fokozatidők) meghatározása

Feladat: Egy sugaras középfeszültségű hálózaton három védelem követi
         egymást a fogyasztó felől a táplálás felé: V3 (leágazás),
         V2 (gerincvezeték), V1 (alállomási betáplálás). A leágazás
         végén lévő V3 védelem beállított kioldási ideje t3 = 0,1 s.
         Határozzuk meg V2 és V1 kioldási idejét!

1. A fokozatidő összetevői (FELTÉTELEZETT, tipikus nagyságrendű adatok;
   a valós értékeket az üzemeltetői előírás és a megszakító adatlapja
   adja):

       megszakító teljes megszakítási ideje      t_msz = 0,08 s
       a felsőbb védelem visszaesési ideje       t_vissza = 0,05 s
       mérési és időzítési hibák összege         t_hiba = 0,07 s
       biztonsági ráhagyás                       t_bizt = 0,10 s
       ------------------------------------------------------------
       fokozatidő:  dt = 0,08 + 0,05 + 0,07 + 0,10 = 0,30 s

2. A fokozatok kioldási ideje a hibahelytől a táplálás felé:

       t3 = 0,10 s                          (leágazás, adott)
       t2 = t3 + dt = 0,10 + 0,30 = 0,40 s  (gerincvezeték)
       t1 = t2 + dt = 0,40 + 0,30 = 0,70 s  (alállomási betáplálás)

3. Ellenőrzés - a legterheltebb pont hibaideje:

   Ha a zárlat közvetlenül az alállomás gyűjtősínje után keletkezik,
   a hibát a V1 védelem hárítja, tehát a hiba
       t1 + t_msz = 0,70 + 0,08 = 0,78 s
   ideig áll fenn - miközben ITT a LEGNAGYOBB a zárlati áram.

4. Következtetés:

   Ez az időszelektivitás ÁRA: a legnagyobb áramú ponton a leghosszabb
   a hibaidő. Ezért korlátozott a lépcsők száma - négy-öt fokozatnál
   több sugaras hálózaton már nem építhető, mert az első fokozat
   ideje elviselhetetlenül hosszúra nyúlna.

Válasz: t3 = 0,1 s; t2 = 0,4 s; t1 = 0,7 s; a fokozatidő dt = 0,3 s.

MEGJEGYZÉS: a 0,30 s-os fokozatidő ebben a példában SZÁMÍTOTT érték
FELTÉTELEZETT részadatokból. A gyakorlatban a fokozatidőt az
üzemeltetői relévédelmi előírás rögzíti; a technikus feladata, hogy
a beállításkor ezt az előírt értéket alkalmazza, és a lépcsőzést a
teljes hálózatra átgondolja.

Irányított túláramvédelem

Sugaras hálózaton az áram csak egy irányból érkezhet, ezért a nagysága elég a döntéshez. Kétoldali
táplálásnál, gyűrűs vagy hurkolt hálózaton azonban a hibaáram bármelyik irányból jöhet – és ekkor a
puszta nagyság félrevezet: a szomszédos, ép szakasz védelme ugyanakkora áramot lát, mint a hibásé.

Az irányított túláramvédelem (ANSI 67) ezért két feltételt vizsgál egyszerre: az áramnak
nagyobbnak kell lennie a beállítási értéknél, és az energiaáramlás irányának is egyeznie kell
a beállított iránnyal. Az irány meghatározásához az áram mellett a feszültséget is mérni kell –
ezért igényel ez a védelem feszültségváltót is.

18.5 Földzárlati és zérus sorrendű védelem; a csillagpont-kezelés hatása

Miért külön védelem a földzárlatvédelem?

A fázisok közötti zárlat árama nagy: a túláramvédelem gond nélkül érzékeli. A földzárlat viszont –
nem közvetlenül földelt csillagpontú hálózaton – kicsi: nagyságrendekkel kisebb lehet a normál
terhelési áramnál. Ilyen áramra a túláramvédelmet nem lehet beállítani, hiszen akkor már a rendes
üzemi terhelésre is kioldana. Ezért a földzárlat kimutatása más elvet igényel: nem az áram
nagyságát nézzük, hanem a három fázisáram összegét.

Szimmetrikus, ép üzemben a három fázisáram összege nulla (ezt a 12. fejezetben láttuk). Ha egy fázis
földhöz ér, az összeg már nem nulla: megjelenik a zérus sorrendű áram, amelyet a
gyakorlatban 3I₀ jelöléssel írunk le.

A zérus sorrendű áram mérésének két bevett módja van:

• Összegző (kábelátfűzéses) áramváltó: a három fázisvezetőt (kábelnél a teljes kábelt) együtt
  fűzik át egyetlen gyűrű alakú áramváltón. Ami a szekunderben megjelenik, az közvetlenül a
  három áram összege. Előnye a nagy érzékenység, mert a nagy fázisáramok „kioltják egymást" már a
  vasmagban.
• Három áramváltó szekunderének összegzése: a három fázisáramváltó szekunder körét úgy kötik
  össze, hogy a közös ágban az összegáram folyjon. Egyszerűbb, de kevésbé érzékeny, mert a három
  váltó hibái is összeadódnak.

⭐ A csillagpont-kezelés dönti el, mit lát a védelem

Ez a fejezet egyik legfontosabb rendszerszintű összefüggése, és a vizsgán rendszeresen kérdezik.
A földzárlati áram nagyságát – tehát azt, hogy a védelemnek milyen elven és milyen érzékenységgel
kell dolgoznia – a hálózat csillagpont-kezelése határozza meg. A csillagpont-kezelési módokat és
a magyar gyakorlatot a 14. fejezet tárgyalja; itt a védelmi következményeket foglaljuk össze.

Kidolgozott példa 18.4 – A földzárlati áram és a csillagpont-kezelés

Feladat: Ugyanabban a 20 kV-os hálózatban egy fázisvezető fémesen
         földhöz ér. Becsüljük meg a hibahelyen folyó áram
         nagyságrendjét három esetben: a) a csillagpont ellenálláson
         keresztül földelt, R_N = 30 ohm; b) a csillagpont közvetlenül
         földelt, a földzárlati hurok impedanciája Z_hurok = 2,5 ohm;
         c) a hálózat kompenzált (Petersen-tekercses).

Kiindulás: a fázisfeszültség

       U_f = U_vonali / gyök3 = 20 000 V / 1,732 = 11 547 V

a) ELLENÁLLÁSON KERESZTÜL FÖLDELT csillagpont

   A hibaáram a csillagpont - földelő ellenállás - föld - hibahely
   körben záródik. A hálózat impedanciája az R_N mellett elhanyagolható:

       I_f = U_f / R_N = 11 547 V / 30 ohm = 385 A

   Nagyságrend: néhány száz amper - KORLÁTOZOTT, de a védelem számára
   EGYÉRTELMŰEN MÉRHETŐ áram.

b) KÖZVETLENÜL FÖLDELT csillagpont

       I_f = U_f / Z_hurok = 11 547 V / 2,5 ohm = 4 619 A

   Nagyságrend: több ezer amper - ez már valódi ZÁRLATI áram,
   FÖLDRÖVIDZÁRLAT. Azonnali kikapcsolás szükséges; a fázisáramot mérő
   túláramvédelem is érzékeli.

c) KOMPENZÁLT (Petersen-tekercses) hálózat

   A hibahelyen két áram találkozik:
       - a hálózat föld felé mutató kapacitásain folyó KAPACITÍV áram,
       - a Petersen-tekercsen folyó INDUKTÍV áram.
   A két áram ellentétes fázisú; a tekercs hangolásával nagyságuk
   közel azonosra állítható, ezért az eredő áram a hibahelyen:

       I_f = | I_C - I_L |  ~  0 (néhány amper maradékáram)

   A hibahelyen az ív KIALSZIK, a hiba magától megszűnhet.
   A védelem feladata itt elsősorban a JELZÉS és a hibás szakasz
   kiválasztása, nem az azonnali kikapcsolás.

Összehasonlítás:

       b) közvetlenül földelt      ~ 4 600 A   -> azonnali kikapcsolás
       a) ellenálláson át földelt  ~   385 A   -> kikapcsolás, mérhető
       c) kompenzált               ~     0 A   -> jelzés, ívoltás

Válasz: ugyanaz a fizikai hiba a csillagpont-kezeléstől függően
        mintegy HÁROM nagyságrendet átfogó áramot hozhat létre
        (néhány ampertől több ezer amperig) - ezért nem lehet
        egyetlen "univerzális" földzárlatvédelmi beállítás.

MEGJEGYZÉS: az R_N és a Z_hurok értéke ebben a példában FELTÉTELEZETT,
a nagyságrendek bemutatására szolgál. A valós értékeket a hálózat
adatai és az üzemeltetői előírás adják.

Egyszeres és kettős földzárlat, irányított földzárlatvédelem

Nem földelt (szigetelt vagy kompenzált) hálózaton a földzárlat kimutatása két, egymást kiegészítő
elven történik, ahogy azt egy magyar gyártmányú középfeszültségű védelem funkciólistája is mutatja:

• kis áramú, zérus sorrendű túláramfokozat: a 3I₀ áramot méri és időkésleltetéssel dolgozik;
• irányított földzárlatvédelem: a 3I₀ áramot és a U₀ zérus sorrendű feszültséget együtt,
  a közöttük lévő fázisszöggel értékeli ki. Ez azért kell, mert kompenzált hálózaton a nagysága
  alapján a hibás és az ép leágazás alig különböztethető meg – az irány viszont igen. Ez a
  funkció az irányított túláramvédelem (67) zérus sorrendű változata, ezért a gyakorlatban és a
  készülékek adatlapján a 67N kóddal jelölik (⚠ ez a kód a jegyzet forrásaiban nem szerepel –
  lásd a fejezet végi megjegyzés-táblázatot).

A kettős földzárlat külön eset: két különböző fázis, két különböző helyen ér földhöz. Ilyenkor a
két hibahely között a földön keresztül fázisok közötti zárlat alakul ki, nagy árammal. Ezt a
védelemnek fel kell ismernie, és ki kell választania, melyik hibahelyet kapcsolja le – a készülékek
erre ciklikus kiválasztási logikát alkalmaznak.

18.6 Differenciálvédelem: a stabilitás és a fékezés

Az elv: ami bemegy, annak ki is kell jönnie

A differenciálvédelem (ANSI 87) a védelmi elvek közül a legszelektívebb, és ezért a
legértékesebb. Alapgondolata elemi: egy hibátlan hálózati elembe pontosan annyi áram lép be, amennyi
kilép belőle. Ha a be- és a kilépő áram különbözik, akkor a különbség valahol a berendezésen
belül távozik – vagyis belső hiba van.

Ebből az elvből két, rendkívül értékes tulajdonság következik:

1. ⭐ Abszolút szelektivitás. A védelem csak a saját zónája hibáira reagál – a zónán kívüli
   hibákra elvileg egyáltalán nem. Ezért nem kell időlépcsőzni: azonnal, késleltetés nélkül
   oldhat ki. Ez a gyorsaság és a szelektivitás közötti ellentmondás egyetlen valódi feloldása.
2. Cserébe nincs tartalékfunkciója. Éppen mert nem lát a zónáján kívülre, a szomszédos elemek
   hibáira nem tud tartalékvédelemként működni – ezért mindig kell mellé tartalék jellegű
   túláram- vagy távolsági védelem is.

A stabilitás és a fékezés

Az elv az ideális esetre igaz. A valóságban a két áramváltó nem tökéletesen egyforma: eltérő a
hibájuk, a telítési viselkedésük, a szekunder terhelésük. Ezért még hibátlan berendezésnél is
megjelenik egy kis különbségi áram – és ez a különbség annál nagyobb, minél nagyobb az átmenő
áram. Egy nagy, zónán kívüli (átmenő) zárlatnál az áramváltók hibája ezért olyan nagy különbségi
áramot okozhat, amely a védelmet feleslegesen kioldásra bírná.

A fékezett differenciálvédelem jelleggörbéjének két jellegzetes szakasza van:

• alapérzékenységi szakasz: kis átmenő áramnál a védelem érzékeny, a kioldáshoz kis különbségi
  áram is elég (különben a kis belső hibák észrevétlenek maradnának);
• fékezési szakasz: nagy átmenő áramnál a kioldási küszöb az átmenő árammal arányosan emelkedik,
  így a mérőváltók növekvő hibája nem okoz téves működést.

Kidolgozott példa 18.5 – A differenciálvédelem stabilitási feltétele

Feladat: Egy vezetékszakasz differenciálvédelmének két végén azonos,
         400/5 A áttételű áramváltó van. Az áramváltók hibája a
         gyártói adat szerint zárlati tartományban legfeljebb
         +/- 5 % (FELTÉTELEZETT adat). Egy ZÓNÁN KÍVÜLI (átmenő)
         zárlatnál a szakaszon átfolyó áram I_átmenő = 3 200 A.
         a) Mekkora különbségi áram jelenhet meg a mérési hibából?
         b) Mekkorára kell állítani a kioldási küszöböt, hogy a
         védelem stabil maradjon?

1. Az átmenő áram szekunder értéke:

       k_i = 400 / 5 = 80
       I_szek = 3 200 A / 80 = 40,0 A

2. a) A legrosszabb eset: az egyik váltó +5 %-kal többet, a másik
   5 %-kal kevesebbet mutat. A látszólagos különbségi áram:

       I_d = 40,0 A * (1,05 - 0,95) = 40,0 * 0,10 = 4,0 A

   Primer értékben:  4,0 A * 80 = 320 A

   FIGYELEM: a berendezés HIBÁTLAN, mégis 4,0 A "differenciál" áramot
   mér a védelem - pusztán a mérési hibából.

3. b) A stabilitási feltétel: a kioldási küszöbnek nagyobbnak kell
   lennie ennél, biztonsági ráhagyással:

       I_kiold > k_bizt * I_d
       FELTÉTELEZETT ráhagyás: k_bizt = 1,5

       I_kiold > 1,5 * 4,0 A = 6,0 A szekunder (480 A primer)

4. Következtetés - miért kell FÉKEZÉS?

   Ha a küszöböt fixen 6,0 A-re állítanánk, akkor a védelem
   ÉRZÉKETLEN lenne minden olyan belső hibára, amelynek árama
   6,0 A szekunder (480 A primer) alatt marad.
   A megoldás: a küszöb NE legyen fix, hanem az átmenő árammal
   együtt növekedjen (fékezés):

       üresjárásban / kis terhelésnél:  kis küszöb (érzékeny)
       nagy átmenő áramnál:             nagy küszöb (stabil)

Válasz: a mérési hibából 4,0 A (primer 320 A) különbségi áram adódhat;
        a stabilitáshoz ennél nagyobb, de az átmenő áramtól FÜGGŐ
        (fékezett) küszöb kell.

MEGJEGYZÉS: az 5 %-os áramváltó-hiba és az 1,5-ös ráhagyás
FELTÉTELEZETT adat; a valós értékeket az áramváltó adatlapja és az
üzemeltetői előírás adja.

Transzformátor- és vezetékdifferenciál

A differenciálvédelem két tipikus alkalmazása némileg eltérő feladatot jelent.

A transzformátor-differenciálvédelemnél a két oldal árama már ép üzemben sem egyenlő, hiszen a
transzformátor áttétele éppen ezt csinálja: átalakítja. A védelemnek ezért a két oldal áramát
illesztenie kell – vagyis a mért értékeket az áttételnek megfelelően átszámítania, mielőtt
összehasonlítja őket. A mai digitális készülékeknél ez szoftveresen, paraméterezéssel történik. Két
további sajátosság: a kapcsolási csoport miatti fázisszögeltérést is kompenzálni kell, és a
bekapcsolási áramlökés (amely csak az egyik oldalon jelenik meg, tehát „differenciál áramnak"
látszik) sem okozhat téves kioldást.

Kidolgozott példa 18.6 – A transzformátor-differenciálvédelem áramváltó-illesztése

Feladat: Egy 20/0,4 kV-os, S_n = 630 kVA névleges teljesítményű
         elosztótranszformátor differenciálvédelmet kap.
         a) Mekkora a névleges áram a két oldalon?
         b) Milyen áramváltó-áttétel illik a két oldalra?
         c) Miért kell illesztés a védelemben?

1. a) A névleges áramok:

   Középfeszültségű (20 kV) oldal:

       I_n_KÖF = S_n / (gyök3 * U_n)
               = 630 000 VA / (1,732 * 20 000 V)
               = 630 000 / 34 641 = 18,2 A

   Kisfeszültségű (0,4 kV) oldal:

       I_n_KIF = 630 000 VA / (1,732 * 400 V)
               = 630 000 / 692,8 = 909,3 A

   Ellenőrzés az áttétellel:
       909,3 / 18,2 = 50 = 20 000 / 400        RENDBEN

2. b) Áramváltó-választás (a névleges áram fölötti legközelebbi
   szabványos érték):

       KÖF oldal:  20/5 A  áttétel  k_i = 4
       KIF oldal:  1000/5 A áttétel k_i = 200

3. Mit "lát" a védelem névleges terhelésnél?

       KÖF szekunder:  18,2 A / 4   = 4,55 A
       KIF szekunder:  909,3 A / 200 = 4,55 A

   A két szekunder áram - szerencsés áramváltó-választás esetén -
   közel azonos, tehát a különbségi áram közel nulla.

4. c) Miért kell mégis illesztés?

   Mert a szabványos áramváltó-áttételek NEM adnak pontosan azonos
   szekunder áramot minden transzformátorhoz. Ha például a KIF oldalon
   1200/5 A váltó lenne (k_i = 240):

       KIF szekunder: 909,3 / 240 = 3,79 A
       KÖF szekunder: 4,55 A
       látszólagos különbség: 4,55 - 3,79 = 0,76 A  (ÉP üzemben!)

   Ez ép transzformátornál is folyamatos "differenciál" áramot adna.
   Ezért a digitális védelemben ILLESZTÉSI tényezőt kell beállítani,
   amely a két oldal értékét közös alapra hozza. A kapcsolási csoport
   miatti FÁZISSZÖG-eltérést ugyancsak kompenzálni kell.

Válasz: I_n_KÖF = 18,2 A, I_n_KIF = 909,3 A; 20/5 A és 1000/5 A váltó;
        az illesztés az eltérő áttételek és a kapcsolási csoport miatt
        kötelező.

A vezetékdifferenciál- (szakasz-) védelemnél a két mérési pont kilométerekre van egymástól.
Ezért itt a két végpont közötti adatátvitel a kulcskérdés: a két készüléknek folyamatosan
közölnie kell egymással a mért értékeket, méghozzá időben pontosan egyeztetve. A gyakorlatban ez
galvanikus (vezetékes) vagy optikai összeköttetéssel valósul meg. Ha az összeköttetés megszakad,
a differenciálvédelem működésképtelen – ezért a készülékek a kommunikációt is felügyelik, és
kiesésekor átkapcsolnak tartalék (túláram- vagy távolsági) üzemmódba.

18.7 Távolsági (impedancia-) védelem elve, fokozatai

Az elv: a hiba távolságát mérjük

A túláramvédelem legnagyobb gyengéje, hogy az áram nagysága nemcsak a hibától, hanem a hálózat
pillanatnyi állapotától – az éppen üzemben lévő betáplálásoktól – is függ. Ugyanaz a hiba egyszer
nagyobb, máskor kisebb áramot hoz létre. A távolsági védelem (ANSI 21) ezt a bizonytalanságot
küszöböli ki: nem az áramot, hanem az impedanciát méri.

Az ötlet a 10. fejezet váltakozó áramú alapjaiból következik. A védelem méri a hibahely felé eső
feszültséget és az odafolyó áramot, majd a kettő hányadosát képezi:

Z_mert = U_mert / I_mert

Zárlatkor ez a hányados a védelem helyétől a hiba helyéig terjedő vezetékszakasz impedanciája.
Mivel a vezeték impedanciája arányos a hosszával, a mért impedancia gyakorlatilag a hiba
távolságát adja meg – innen a védelem neve.

Egy magyar gyártmányú középfeszültségű távolsági védelem műszaki leírása alapján a tipikus felépítés:
négy irányított impedanciafokozat, amelyből az I–III. fokozat előrenéző, a IV. fokozat
visszanéző irányítású. A visszanéző fokozat a védelem mögötti (a gyűjtősín felőli) hibák
tartalékvédelmét látja el.

⭐ A zónabeállítás feltételei – levezetéssel

A távolsági védelem beállítása a fejezet egyik legelegánsabb gondolatmenete, mert nem magolni
kell, hanem levezetni. Két ellentétes követelményből indulunk ki.

Az I. fokozat feladata, hogy a védett vezetékszakasz hibáit azonnal, késleltetés nélkül
hárítsa. Ebből következik, hogy az I. fokozat semmiképpen nem nyúlhat túl a védett vezeték
végén – ha túlnyúlna, a szomszédos szakasz hibáira is azonnal kioldana, vagyis elveszne a
szelektivitás.

A II. fokozat feladata, hogy a védett szakasz teljes hosszát biztosan lefedje (és ezen felül
tartalékvédelmet adjon a szomszédos szakasz elejére). Ebből következik, hogy a II. fokozatnak
biztosan el kell érnie a vezeték végét – ha nem érné el, a vezeték vége védelem nélkül maradna.

A két követelményt azért nem lehet pontosan a vezeték végénél „elvágni", mert a mért impedancia
hibával terhelt: hibázik a védelem mérőáramköre, hibáznak a mérőváltók, és bizonytalan a vezeték
felvett impedanciája is. Jelöljük ezt az együttes relatív hibát ε-nal, a védett vezetékszakasz
impedanciáját pedig Z_AB-vel. A két feltétel ekkor:

I. fokozat:    (1 + ε) · Z₁ ≤ Z_AB      – a beállított Z₁ a hibával megnövelve
                                          SEM nyúlhat túl a vezeték végén

II. fokozat:   (1 − ε) · Z₂ ≥ Z_AB      – a beállított Z₂ a hibával csökkentve
                                          IS elérje a vezeték végét

⭐ Ebből a két egyenlőtlenségből magától adódik, miért kell mindkét irányban biztonsági ráhagyás:
az I. fokozatot a vezetékhossznál rövidebbre, a II. fokozatot pedig hosszabbra kell állítani.
A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az I. zóna a vezeték 80–85 %-át fedi le, a II. zóna pedig a
vezeték teljes hosszán túlnyúlva legalább a 120 %-áig ér.

Kidolgozott példa 18.7 – A távolsági védelem I. és II. zónájának beállítása

Feladat: Az A állomásból induló A-B vezetékszakasz impedanciája
         Z_AB = 8,0 ohm. A védelem és a mérőváltók EGYÜTTES relatív
         hibája (FELTÉTELEZETT adat) epszilon = 0,10 (10 %).
         a) Mekkora lehet legfeljebb az I. fokozat beállítása?
         b) Mekkora kell legyen legalább a II. fokozat beállítása?
         c) Hány százalékos ráhagyást jelentenek ezek?

1. a) Az I. fokozat feltétele:

       (1 + epszilon) * Z1  <=  Z_AB

       Z1 <= Z_AB / (1 + epszilon)
       Z1 <= 8,0 ohm / 1,10 = 7,27 ohm

   Vagyis az I. fokozatot LEGFELJEBB 7,27 ohm-ra szabad állítani.
   Ez a vezeték impedanciájának:

       7,27 / 8,0 = 0,909  ->  90,9 %

2. b) A II. fokozat feltétele:

       (1 - epszilon) * Z2  >=  Z_AB

       Z2 >= Z_AB / (1 - epszilon)
       Z2 >= 8,0 ohm / 0,90 = 8,89 ohm

   Vagyis a II. fokozatot LEGALÁBB 8,89 ohm-ra kell állítani.
   Ez a vezeték impedanciájának:

       8,89 / 8,0 = 1,111  ->  111,1 %

3. c) A ráhagyások a mérési hibából:

       I. fokozat:  a vezetékhossz 90,9 %-a  (9,1 % biztonsági ráhagyás
                    BEFELÉ - hogy sose nyúljon túl B-n)
       II. fokozat: a vezetékhossz 111,1 %-a (11,1 % ráhagyás KIFELÉ -
                    hogy biztosan elérje B-t)

4. Nagyobb mérési hiba esetén:

   Ha epszilon = 0,20 (20 %), ugyanez a számítás:

       Z1 <= 8,0 / 1,20 = 6,67 ohm   ->  83,3 %
       Z2 >= 8,0 / 0,80 = 10,0 ohm   ->  125,0 %

   LÁTHATÓ: minél pontatlanabb a mérés, annál RÖVIDEBBRE kell venni az
   I. zónát és annál HOSSZABBRA a II.-at. Így adódik a gyakorlatban
   szokásos 80-85 %-os I. zóna és a 120 % feletti II. zóna.

Válasz: epszilon = 0,10 mellett Z1 <= 7,27 ohm, Z2 >= 8,89 ohm.

MEGJEGYZÉS: az epszilon értéke és az ebből adódó százalékok
GYÁRTÓI/ÜZEMELTETŐI beállítási kérdések, nem szabványi előírások.
A vizsgán a KÉT FELTÉTEL megfogalmazása és a levezetés a követelmény.

18.8 Feszültség-, frekvencia- és aszimmetriavédelem

Az eddigi védelmek mind az áramot figyelték. Van azonban a hibáknak egy csoportja, amelyet az
áram nem, vagy csak közvetve mutat meg.

Feszültségcsökkenés- és feszültségnövekedés-védelem (ANSI 27 / 59)

A feszültségcsökkenési védelem a vonali feszültségek alapharmonikus összetevőjének csökkenését
figyeli. Alkalmazása több okból is szükséges:

• A motorok védelme. Tartósan alacsony feszültségen a motor azonos teljesítményhez nagyobb áramot
  vesz fel, ezért túlmelegszik; nagyon alacsony feszültségen pedig megáll, és álló helyzetben
  gyorsan tönkremegy.
• A feszültségkimaradás utáni egyidejű újraindulás megelőzése. Ha egy üzemben minden motor
  egyszerre indulna újra a feszültség visszatérésekor, az együttes indítási áramlökés újabb
  feszültségbeszakadást és kioldást okozna. A feszültségcsökkenési védelem ezért lekapcsolja a
  motorokat, és azok csak vezérelt módon, lépcsőzetesen indíthatók újra.
• A mérőkör felügyelete. Ha a feszültségváltó biztosítója kiold, a védelem feszültség nélkül
  marad – ezt észlelni kell, mert az irányított és a távolsági védelmek ilyenkor nem tudnak
  helyesen dönteni.

A feszültségnövekedési védelem (ANSI 59) az ellenkező irányban dolgozik. Erre például akkor van
szükség, amikor a hálózatra kis erőművek (napelemes rendszerek) táplálnak vissza: a visszatáplálás a
csatlakozási ponton megemelheti a feszültséget.

Frekvenciavédelem és a terheléskorlátozás elve (ANSI 81 ⚠)

⚠ Az ANSI 81 (frekvenciavédelem) kód a jegyzet forrásjegyzékében szereplő gyártói
dokumentációk egyikében sem szerepel; a jegyzet az IEEE C37.2 szerinti, a gyakorlatban általánosan
használt jelölésként közli, második forrás bevonásáig – lásd a fejezet végi megjegyzés-táblázatot.

A frekvencia a villamosenergia-rendszer legérzékenyebb rendszerszintű jelzőszáma, és a 14.
fejezetből tudjuk, miért: a hálózat frekvenciája akkor és csak akkor állandó, ha a termelés és a
fogyasztás pillanatról pillanatra egyensúlyban van. Ha a fogyasztás nagyobb, mint a termelés, a
generátorok forgó tömegéből fedeződik a különbség – ezek lassulnak, és a frekvencia csökken.

Ez a legveszélyesebb üzemzavari lánc az egész rendszerben: ha a frekvencia tovább csökken, az
erőművi egységek saját védelmei is kikapcsolnak, ami tovább rontja az egyensúlyt – ezt nevezik
lavinaszerű összeomlásnak.

A működés logikája lépcsős: több frekvenciaszinthez tartozik egy-egy fogyasztói csoport. Az első
lépcső a legkevésbé érzékeny fogyasztókat kapcsolja le a legkisebb frekvenciaesésnél; ha ez nem
elég, a következő lépcső következik. ⚠ A lépcsők konkrét frekvenciaértékeit és a hozzájuk rendelt
fogyasztói csoportokat a rendszerirányítói és üzemeltetői előírások rögzítik – ezeket nem a
technikus állapítja meg, hanem előírás szerint paraméterezi be.

Aszimmetria- (negatív sorrendű) védelem (ANSI 46 / 47)

Háromfázisú rendszerben az aszimmetria – az egyenlőtlen fázisterhelés, egy fázis kiesése, a
fázissorrend felcserélődése – önmagában is hibaállapot, különösen forgógépeknél. A negatív sorrendű
összetevő a forgórészben ellentétes irányú forgómezőt hoz létre, amely erős, helyi melegedést
okoz, miközben az egyes fázisáramok akár a névleges alatt is maradhatnak – vagyis egy egyszerű
túláramvédelem semmit sem venne észre.

Az aszimmetriavédelem ezért a negatív sorrendű összetevőre épített, függő késleltetésű túláram
algoritmust alkalmaz: minél nagyobb az aszimmetria, annál gyorsabban kapcsol le. A pozitív, a negatív
és a zérus sorrendű összetevő fogalmát a 16. fejezet zárlatszámítási része vezeti be
(MSZ EN 60909-0:2016) – a kétfázisú zárlat 86,6 %-os összefüggése éppen abból adódik, hogy ott a
pozitív és a negatív sorrendű impedancia egyenlő. ⚠ A szimmetrikus összetevők módszerének részletes,
matematikai tárgyalása a jegyzet keretein kívül esik.

18.9 ⭐ Automatikák: visszakapcsoló automatika, tartalékautomatika, terheléskorlátozás

Miért kell automatika a védelem mellé?

A védelem a hibát elhárítja – de a fogyasztó ettől még sötétben marad. Az üzemzavari automatikák
azért létesülnek, hogy a védelmek által megvalósított zárlathárítás után megkíséreljék
helyreállítani az üzemet. A védelem tehát „lekapcsol", az automatika pedig „visszakapcsol" vagy
„átkapcsol".

A visszakapcsoló automatika (VA, ANSI 79)

⭐ Miért működik ez egyáltalán? Mert a szabadvezeték-hálózaton a zárlatok jelentős része
átmeneti: ráhajló faág, madár, légköri eredetű átívelés, szennyezett szigetelőn átcsapó ív. Ha az
áramot rövid időre megszakítjuk, az ív kialszik, a levegő szigetelőképessége helyreáll – és a
visszakapcsolás után a vezeték üzemképes marad. A holtidő tehát nem várakozás, hanem munkaidő: ez
alatt szűnik meg fizikailag a hiba oka.

A gyakorlatban a visszakapcsolás több fokozatban történik. Egy magyar gyártmányú
középfeszültségű készülék háromfokozatú megoldása, márkafüggetlen megfogalmazásban:

Két további, a gyakorlat szempontjából fontos tulajdonság ugyanebből a dokumentációból:

• az automatika emlékezési ideje (tipikus, gyártófüggő adat: t_eml = 5 s, fix beállítás) –
  ⚠ a készülék dokumentációja a fogalmat nem fejti ki; általánosan a ciklusszámláló törléséig
  eltelő időt jelenti, vagyis azt, hogy a védelem meddig „emlékszik" egy lezajlott ciklusra;
• minden ciklus külön engedélyezhető vagy tiltható, és függetlenül programozható fáziszárlatra
  és földzárlatra.

Kidolgozott példa 18.8 – A visszakapcsolási ciklus időmérlege

Feladat: Egy szabadvezetékes középfeszültségű leágazáson átmeneti
         ívzárlat keletkezik. A védelem kioldási ideje t_v = 0,1 s,
         a megszakító teljes megszakítási ideje t_msz = 0,08 s,
         a gyors visszakapcsolás holtideje t_h = 0,3 s, a megszakító
         bekapcsolási ideje t_be = 0,1 s. (Valamennyi FELTÉTELEZETT,
         tipikus nagyságrendű adat.)
         a) Mennyi ideig áll fenn a zárlat? b) Mennyi ideig van
         feszültség nélkül a fogyasztó SIKERES visszakapcsolásnál?
         c) Mennyi ideig, ha a hiba TARTÓS, és további két lassú
         ciklus következik 15 s és 60 s holtidővel?

1. a) A zárlat fennállási ideje:

       t_zárlat = t_v + t_msz = 0,1 + 0,08 = 0,18 s

   Ennyi ideig folyik a zárlati áram - ezt kell a vezeték termikus
   igénybevételénél figyelembe venni (16. fejezet).

2. b) A fogyasztó feszültségmentes ideje sikeres GVA esetén:

       t_kiesés = t_h + t_be
                = a megszakító nyitásától a záródásáig

       t_kiesés = 0,3 s + 0,1 s = 0,4 s

   (A holtidő a megszakító nyitása UTÁN indul, ezért a megszakítási
   idő - t_msz - NEM része a fogyasztó kiesésének: az még a zárlat
   fennállási idejébe tartozik, lásd az a) részt. A bekapcsolási idő
   a parancstól az érintkezők záródásáig tart.)

   Nagyságrend: fél másodperc alatti kiesés - a világítás megvillan,
   a legtöbb fogyasztó észre sem veszi. EZ A VA ÉRTELME.

3. c) Tartós hiba esetén a teljes folyamat:

       zárlat + kioldás                     0,18 s
       GVA holtidő                          0,30 s
       visszakapcsolás -> újra zárlat+kiold 0,18 s
       1. LVA holtidő                      15,00 s
       visszakapcsolás -> újra zárlat+kiold 0,18 s
       2. LVA holtidő                      60,00 s
       visszakapcsolás -> újra zárlat+kiold 0,18 s
       --------------------------------------------
       VÉGLEGES KIKAPCSOLÁS, összesen      ~76,0 s

   Ez alatt a vezeték NÉGYSZER kapta meg a teljes zárlati
   igénybevételt (4 * 0,18 s = 0,72 s zárlati áram): HÁROM
   VISSZAKAPCSOLÁS történt, de NÉGY zárlat érte a vezetéket -
   az elsőt maga a hiba okozta, a többi hármat a VA.

4. Következtetés:

   Sikeres visszakapcsolásnál a VA nyeresége óriási (0,4 s kiesés a
   több órás hibaelhárítás helyett). SIKERTELEN esetben viszont
   a berendezés NÉGYSZERES zárlati igénybevételt szenved el.
   Ezért kell mérlegelni, hol engedélyezzük a VA-t.

Válasz: a) 0,18 s; b) 0,4 s; c) mintegy 76 s, három
        visszakapcsolással és NÉGY zárlati igénybevétellel.

⚠⚠ Miért NEM alkalmazunk visszakapcsoló automatikát kábelhálózaton?

Ez a fejezet legtipikusabb vizsgakérdése, és a válasz kizárólag a hiba fizikai természetéből
vezethető le.

A szabadvezetéken a szigetelőközeg a levegő. Ha átívelés történik, az ív a levegőben ég; ha az
áramot megszakítjuk, az ív kialszik, és a levegő szigetelőképessége magától helyreáll. A hiba
tehát átmeneti – a visszakapcsolás jó eséllyel sikeres.

A kábelben a szigetelőközeg szilárd anyag. Ha a szigetelés átüt, az anyag fizikailag
elszenesedik, kilyukad – és ez nem áll helyre magától. A hiba tartós: a visszakapcsolás
biztosan sikertelen lesz. A szakirodalom ezt így rögzíti: kábelhálózaton az átmeneti zárlatok aránya
sokkal kisebb, a zárlatok többsége tartós, ezért az újrakapcsolás általában sikertelen lenne.

Tartalékautomatika (átkapcsoló automatika, TA)

A visszakapcsoló automatika ugyanazt a betáplálást kapcsolja vissza. A tartalékautomatika ehelyett
másik betáplálásra kapcsol át.

Az átkapcsolás reteszelt kell legyen: a két betáplálást soha nem szabad egyszerre bekapcsolni,
mert azzal két hálózatrészt kapcsolnánk párhuzamosan – erre a rendszer nincs felkészítve. Ezért az
átkapcsoló automatika mindig „először bont, azután zár" logikával működik, mechanikus vagy
villamos reteszeléssel biztosítva.

Terheléskorlátozó automatika

A harmadik automatikatípust a 18.8 alfejezetben már megismertük: a frekvenciafüggő
terheléskorlátozás. Fontos különbség a másik kettőhöz képest, hogy ez az automatika nem egy
hálózati elem hibájára reagál, hanem a rendszer egyensúlyának felborulására, és nem visszakapcsol,
hanem lekapcsol – szándékosan, ép fogyasztókat, azért, hogy a rendszer egésze megmaradjon.

18.10 A védelmi paraméterek meghatározását befolyásoló tényezők; beállítási táblázat

Mi mindent kell tudni egy beállítás elkészítéséhez?

A KKK kifejezetten megköveteli, hogy a technikus ismerje a védelmi és automatikai berendezések
beállítási paramétereinek meghatározását és a paramétereket befolyásoló tényezőket. Ezek a
következők:

Beállítási tartományok egy digitális középfeszültségű védelemnél

Ahhoz, hogy a technikus reális képet kapjon a paraméterezés „felbontásáról", érdemes megnézni egy
tényleges készülék beállítási tartományait. Az alábbi adatsor egy magyar gyártmányú digitális
középfeszültségű távolsági védelem műszaki leírásából származik, ezért gyártófüggő, tipikus
értékként olvasandó, nem szabványi előírásként.

A beállítási (paraméterezési) jegyzőkönyv

A beállítást dokumentálni kell – ez nem adminisztratív formaság, hanem a védelmi rendszer
üzemeltethetőségének feltétele. Egy védelmi beállítási táblázat legalább a következőket tartalmazza:

18.11 A védelmek ellenőrzése, próbája, üzemeltetése; eseménynapló és zavaríró

A próba és a vizsgálat

Az üzembiztonság követelménye csak akkor teljesíthető, ha a védelem működőképességéről rendszeresen
meggyőződünk. A védelmi rendszer ugyanis normál üzemben nem ad életjelet: hónapokig, évekig
nyugton ül, és csak a hiba pillanatában derülne ki, ha közben elromlott. Ezért a védelmek
ellenőrzésének több szintje van.

⭐ A legfontosabb szakmai üzenet: a védelmi készülék önmagában végzett vizsgálata nem elegendő.
A védelem lánc, és a lánc bármely eleménél lehet a hiba: rossz áramváltó-áttétel, elszakadt
szekunder vezeték, kioldókör-szakadás, lemerült akkumulátortelep, beragadt megszakító. Ezért kell
legalább egyszer – üzembe helyezéskor – a teljes láncot, a mérőváltótól a megszakító tényleges
nyitásáig végigvizsgálni.

Eseményrögzítés, zavaríró, hibaanalízis

A digitális védelem legnagyobb üzemeltetési előnye, hogy elmondja, mit látott. Két, egymást
kiegészítő funkcióról van szó:

• Eseménynapló (eseményrögzítő): időbélyeggel ellátott listát vezet arról, mikor melyik funkció
  indított, mikor adott kioldójelet, mikor tért vissza alaphelyzetbe, mikor jelentkezett riasztás.
  Ebből rekonstruálható az események sorrendje.
• Zavaríró (zavarrögzítő): a hiba körüli néhány másodpercben rögzíti a mért áram- és
  feszültséghullámformákat, valamint a bináris jeleket. Ebből utólag megállapítható, mekkora volt a
  hibaáram, milyen zárlatfajta lépett fel, mennyi idő telt el a hiba kezdetétől a megszakító
  nyitásáig.

A védelmi jegyzőkönyv és a nyomon követhetőség

A védelmek üzemeltetésének dokumentumai szorosan összefüggnek egymással:

1. beállítási (paraméterezési) jegyzőkönyv – mit állítottunk be és miért;
2. vizsgálati (próba-) jegyzőkönyv – mit mértünk, milyen eredménnyel, milyen műszerrel;
3. üzemzavari (esemény-) jegyzőkönyv – mi történt, mikor, mit tett a védelem, mi volt a
   következtetés.

E három együtt adja a védelmi rendszer nyomon követhetőségét. Egy hálózatbővítés, egy
transzformátorcsere, egy új kiserőmű csatlakozása után mindhármat felül kell vizsgálni, mert a
beállítást megalapozó feltételek – a zárlati áramok, a terhelés, a teljesítményáramlás iránya –
megváltoztak.

18.12 Tipikus hibák és a megelőzésük

Ellenőrző kérdések

1. Fogalmazza meg egy mondatban, mi a villamos védelem feladata! Miért szerepel a
   meghatározásban a „leggyorsabban" és a „legkisebb kiterjedésben" kifejezés is?
2. Sorolja fel a négy védelmi alapkövetelményt, és magyarázza meg mindegyiket egy-egy mondattal!
   Melyiket nevezi a szakirodalom a legfontosabbnak?
3. Melyik két alapkövetelmény mond ellent egymásnak, és miért? Adjon meg egy második ellentétpárt is!
4. Mi a védelmi zóna, és mi jelöli ki a határait? Miért kell a szomszédos zónáknak átfedniük egymást?
5. Hasonlítsa össze az alapvédelmet, a közeli és a távoli tartalékvédelmet! Miért baj, ha a
   fedővédelem lép működésbe?
6. Sorolja fel a védelmi lánc négy elemét! Miért akkumulátoros egyenáramú táplálást használnak a
   védelmekhez, és mi történik, ha ez a táplálás kiesik?
7. Határolja el egymástól a túlterhelést, a zárlatot, a földzárlatot és a földrövidzárlatot! Mitől
   függ, hogy egy földhiba az utóbbi kettő közül melyik lesz?
8. Mi a különbség a független (állandó) idejű és a függő idejű (inverz) túláramvédelmi
   karakterisztika között? Mikor melyiket célszerű alkalmazni?
9. Milyen két korlát közé kell esnie a túláramvédelem indítási értékének? Írja le mindkét feltételt!
10. Mi a fokozatidő, és milyen összetevőkből áll? Miért nem építhető korlátlan számú időfokozat egy
    sugaras hálózaton?
11. Mikor van szükség irányított túláramvédelemre, és miért kell hozzá feszültségváltó is?
12. Hogyan mérhető a zérus sorrendű áram? Hasonlítsa össze az összegző áramváltós és a három
    áramváltó szekunderét összegző megoldást!
13. Mutassa be a differenciálvédelem elvét! Mit jelent a stabilitás, hogyan valósítja meg a fékezés,
    és miért nem használható a differenciálvédelem tartalékvédelemként?
14. Mire következtet a távolsági védelem a mért impedanciából? Fogalmazza meg az I. és a II. fokozat
    beállítási feltételét, és magyarázza meg, miért kell mindkét irányban biztonsági ráhagyás!
15. Mit véd a frekvenciafüggő terheléskorlátozó automatika, és miben különbözik minden más
    védelemtől?
16. ⭐ Miért működik a visszakapcsoló automatika szabadvezetéken, és miért tilos kábelhálózaton?
    Indokoljon a hiba fizikai természetével!
17. Milyen ellenőrzési szintjei vannak a védelmeknek? Miért nem elegendő a védelmi készülék önálló
    vizsgálata?
18. Milyen adatokat tartalmaz a védelmi beállítási jegyzőkönyv, és milyen három kérdést tesz fel a
    kioldás utáni hibaanalízis?

Tudáspróba

1. A szakképzési forrás szerint melyik a védelmek legfontosabb alapkövetelménye?
a) szelektivitás b) gyorsaság c) érzékenység d) üzembiztonság

2. Melyik két védelmi alapkövetelmény feszül egymásnak leginkább?
a) az érzékenység és a szelektivitás b) a gyorsaság és az érzékenység
c) a gyorsaság és a szelektivitás d) az üzembiztonság és a szelektivitás

3. Mi jelöli ki egy védelmi zóna határait?
a) a mérőváltók és a megszakítók helye b) a vezeték keresztmetszete
c) az állomás telekhatára d) a fogyasztói szerződés

4. Ha egy hibát a távoli tartalékvédelem (fedővédelem) hárít el, akkor
a) minden rendben van, a védelmi koncepció pontosan így működik helyesen
b) kisebb terület esik ki, mint az alapvédelem működésénél, ezért kedvezőbb
c) nagyobb terület esik ki, és az alapvédelem működését ki kell vizsgálni
d) a hiba nem hárul el, a védelem csak riasztást ad az üzemirányító központnak

5. Mi történik, ha az állomás segédüzemi akkumulátortelepe lemerül?
a) a védelem lassabban, de működik b) a védelem átkapcsol hálózati táplálásra
c) a kioldójel megszületik, de a megszakító nem működik d) a védelem érzékenyebb lesz

6. Melyik ANSI-kód jelöli a differenciálvédelmet?
a) 21 b) 50 c) 79 d) 87

7. Háromvezetős hálózaton, generátortávoli zárlatnál a kétfázisú zárlati áram a háromfázisú
a) 50 %-a b) 86,6 %-a c) 100 %-a d) 115 %-a

8. A differenciálvédelem fékezésének (bias) az a szerepe, hogy
a) a zónán belüli hibáknál lerövidítse a védelem kioldási idejét
b) az átmenő áram növekedésével megemelje a kioldási küszöböt
c) a holtidő letelte után megakadályozza a megszakító visszakapcsolását
d) a földzárlati áramot a mérőváltó telítési határa alatt tartsa

9. A távolsági védelem I. fokozatára vonatkozó feltétel:
a) (1 + ε) · Z₁ ≤ Z_AB b) (1 − ε) · Z₁ ≥ Z_AB
c) Z₁ = Z_AB pontosan d) Z₁ ≥ 2 · Z_AB

10. Miért nem szabad visszakapcsoló automatikát engedélyezni kábelhálózaton?
a) mert a kábel zárlati árama meghaladja a megszakító megszakítóképességét
b) mert a kábelhiba tartós, a visszakapcsolás sikertelen, és tovább rongálja a kábelt
c) mert a kábelen a zérus sorrendű áram mérése technikailag megoldhatatlan
d) mert a kábelhálózat csillagpontja szigetelt, így nincs mérhető hibaáram

Források

A fejezet forrásjegyzékéhez tartozó megjegyzések – feltételes és ellenőrzésre váró tartalmak: