Transformator-Differenzialschutz und andere Differenzialschutzprodukte | CANWIN

Darüber hinaus gibt es mehrere anormale Betriebszustände des Transformators, insbesondere niedrigen Ölstand, hohe Öltemperatur oder hoher Öldruck, hohe Neutralpunktspannung des Transformators, Überlastung, Überstrom, Übererregung usw.

Zur Überwachung verschiedener Fehler oder anormaler Betriebsbedingungen haben wir unterschiedliche Schutzmechanismen eingerichtet, die in Hauptschutz und Backup-Schutz unterteilt sind, wobei der Hauptschutz über eine schnelle Reaktionszeit verfügt.

Teil 2: Differenzialschutz

Der Längsdifferenzialschutz ist eine der Hauptschutzfunktionen des Transformators und löst die Schalter auf beiden Seiten verzögerungsfrei aus. Der Schutzbereich umfasst den Bereich zwischen den Stromwandlern beiderseits des Differenzialschutzes, einschließlich des Transformatorgehäuses und der Zuleitungen zwischen Stromwandler und Transformator. Im Jahr 2017 ereignete sich am Überspannungsableiter auf der 35-kV-Seite des Haupttransformators Nr. 2 eines 220-kV-Umspannwerks ein Überschlag in der AB-Phase. Das Gehäuse des Ableiters wurde durch die Entladung zerstört. Da sich der 35-kV-Ableiter auf der Niederspannungsseite zwischen dem Spannungswandler und dem Haupttransformator befand, lag er innerhalb des Schutzbereichs des Längsdifferenzialschutzes. Die beiden Haupttransformator-Schutzsysteme funktionierten einwandfrei, und der Fehler wurde isoliert.

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Grundlogik des Differenzialschutzes

Der bestehende Längsdifferenzialschutz von Transformatoren verwendet eine mikrocomputergesteuerte Schutzeinrichtung. Der Strom jeder Phase wird der Schutzeinrichtung separat zugeführt, und der Längsdifferenzialschutz wird durch einen Softwarealgorithmus realisiert. Am Beispiel einer einzelnen Phase wird das Grundprinzip des Längsdifferenzialschutzes erläutert.

Der vom Schutzgerät erfasste Differenzstrom entspricht der Vektorsumme der Sekundärströme der beiden Spulen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, sind die Sekundärströme der beiden Spulen im Normalbetrieb oder bei externem Kurzschluss gleich groß, aber entgegengesetzt gepolt. Der Differenzstrom beträgt dann null, und der Schutz greift nicht ein. Wie in Abbildung 2 dargestellt, sind die Sekundärströme bei einem Erdschluss innerhalb des Schutzbereichs gleich groß und gleich gepolt, und der Differenzstrom entspricht der Summe der Sekundärströme. Sobald der Differenzstrom-Startwert erreicht ist, greift der Schutz ein.

Aufbauend auf der oben beschriebenen rheologischen Sekundärspulenanschlussmethode erweitert der Längsdifferenzialschutz die Stromvektoren auf beiden Seiten um Phasenanpassung, Nullstromunterdrückung und Amplitudenumwandlung, um ein Differenzstromberechnungsverfahren zu entwickeln. Anschließend wird die Bremskennlinie eingeführt. Dies bildet die grundlegende Schutzlogik.

Am Beispiel der YN-d11-Verdrahtung sind das Verdrahtungsdiagramm und das Stromzeigerdiagramm in Abbildung 3 dargestellt. Da zwischen den Zeigern der Hoch- und Niederspannungsseite ein Winkelunterschied von 30° besteht, ist die Vektorsumme der beiden Ströme im Normalbetrieb nicht null, weshalb eine Phasenumwandlung erforderlich ist. Nach der Umwandlung weisen die Hoch- und Niederspannungsseiten derselben Phase die gleiche Phase auf.

Es gibt zwei Methoden der Phasenumwandlung. Die eine basiert auf der Y-Seite, sodass die Stromphase auf der d-Seite mit der Stromphase auf der Y-Seite übereinstimmt. Diese Methode wird als „Sternschaltung“ bezeichnet. Der gebräuchlichste Sternschaltungsschutz ist beispielsweise der Narui Jibao RCS-978. Die Umrechnungsformel lautet:

Die andere Methode basiert auf der Seite d, sodass die aktuelle Phase der Y-Seite mit derjenigen der d-Seite übereinstimmt; dies wird als „Sternrotationswinkel“ bezeichnet. Die meisten bestehenden Schutzvorrichtungen verwenden die Sternrotationswinkelmethode, und die Umrechnungsformel lautet:

Die Nullstromunterdrückung dient der Vermeidung von Fehlfunktionen des Längsdifferenzialschutzes. Bei YN-d-Verdrahtung fließt bei einem Erdschluss außerhalb der Hochspannungsseite ein Nullstrom auf der Hochspannungsseite (Y-Seite), jedoch nicht auf der Niederspannungsseite (d-Seite). Da sich die Nullströme beider Seiten nicht ausgleichen, funktioniert der Differenzialschutz nicht. Im Modus „Sternrotation“ wird der Nullstrom durch die Phasenverschiebung auf der Y-Seite herausgefiltert, sodass keine weiteren Maßnahmen erforderlich sind. Im Modus „Winkel-Stern“ erfolgt die Nullstromkompensation am Stromvektor der Y-Seite. Die Kompensationsformel lautet:

Aufgrund der unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse des Transformators und der rheologischen Übersetzungsverhältnisse beider Seiten kann die Sekundäramplitude des Differenzstroms auf beiden Seiten des Transformators im Normalbetrieb oder bei einem externen Fehler nicht gleich sein. In diesem Fall ist eine Amplitudenumrechnung erforderlich. Dabei wird der Stromwert auf einer Seite als Referenzwert verwendet, der Ausgleichskoeffizient auf der anderen Seite anhand der Spannungen beider Seiten und des rheologischen Übersetzungsverhältnisses berechnet und der Strom auf der anderen Seite mit diesem Ausgleichskoeffizienten multipliziert. Dadurch ergibt sich für die interne Berechnung des Differenzstroms im Gerät ein Wert von null.

Um die Empfindlichkeit bei internen Fehlern weiter zu verbessern und unsymmetrische Ströme bei externen Fehlern zuverlässig zu vermeiden, verwendet der Längsdifferenzialschutz ein Differenzialelement mit einer Kennlinie mit Bremsverhältnis. Die vertikale Achse dieser Kennlinie stellt den Differenzstrom, die horizontale Achse den Bremsstrom dar. Der obere Teil der Kurve markiert den Ansprechbereich, der untere den Bremsbereich. Die bestehenden Kennlinien lassen sich im Wesentlichen in zwei Typen unterteilen: zweisegmentige und dreisegmentige gestrichelte Linien.

Die zweisegmentige, gestrichelte Bremskennlinie ist in der linken Abbildung von Abbildung 4 dargestellt. Die Kennlinie kann vom Typ ABC sein und durch den Ursprung verlaufen oder vom Typ ABD, der nicht durch den Ursprung verläuft. Die meisten Geräte sind vom Typ ABC.

Die dreiteilige, gestrichelte Bremskennlinie ist in der rechten Abbildung von Abbildung 4 dargestellt. Sie lässt sich in zwei Typen unterteilen: eine horizontale und eine schräge Kennlinie im AB-Abschnitt. Zu den Geräten mit horizontaler Kennlinie im AB-Abschnitt gehören beispielsweise Guodian Nanzi PST-1200U, ABB RET-316, Xuji WBH-801 und SEL-387. Geräte mit schräger Kennlinie im AB-Abschnitt sind beispielsweise Sifang CSC-326, Shenrui PRS-778 und South Swiss RCS-978.

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Wie man den Differenzialschutz prüft

Die Überprüfung des Längsdifferenzialschutzes erfolgt anhand der Bremskennlinie; oberhalb der Kennlinie greift der Schutz, unterhalb der Kennlinie greift der Schutz nicht:

1) Wählen Sie einen Punkt. Wählen Sie 3–5 Punkte für die Überprüfung des Längsdifferenzialschutzes. Der erste Punkt wird auf der vertikalen Achse von Abbildung 4 ausgewählt, um den minimalen Betriebsstrom Iop.min zu überprüfen. Der zweite und dritte Punkt werden am Wendepunkt ausgewählt, um den Wendepunktstrom Ires zu überprüfen. Wählen Sie außerdem an jeder Steigung einen Punkt, um die Steigung zu überprüfen.

2) Berechnen Sie den Wert. Berechnen Sie den Anlaufstrom, den Abgleichkoeffizienten und den Abgleich beider Seiten des Transformators. Berechnen Sie anschließend die Stromstärke und den Phasenwinkel beider Seiten an jedem Prüfpunkt gemäß der Bremskennlinie des Geräts.

3) Überprüfen Sie die Kennlinie. Wenden Sie die Methode der festen Variablen an, um einen Strom im Prüfpunkt zu fixieren und die Größe des anderen Stroms zu ändern, sodass der Prüfpunkt innerhalb des Wirkungsbereichs und des Bremsbereichs verschoben wird, um zu überprüfen, ob die Schutzeinrichtung ordnungsgemäß funktioniert.

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Hilfskomponenten für den Differenzialschutz

Um den Differenzialschutz zuverlässiger zu gestalten, umfasst die Schutzlogik auch Komponenten wie Start, Schnellunterbrechung und Verriegelung:

1) Anlaufelement: Die Anlaufvariable umfasst den Maximalwert des dreiphasigen Differenzstroms, die Stromänderungsgröße usw. Wenn die Anlaufvariable einen beliebigen Anlaufwert überschreitet, öffnet die Schutzeinrichtung den Differenzialschutz.

2) Differenzialschnellschalter: Bei hohen Kurzschlussströmen erzeugt die Sättigung des Stromwandlers aufgrund der zweiten Harmonischen ein hohes Bremsmoment, wodurch der Differenzialschalter nicht auslöst. Um ein Auslösen des Schutzes zu verhindern, ist ein Differenzialschnellschalter im Gerät installiert. Sobald der Kurzschlussstrom das 4- bis 10-Fache des Nennstroms erreicht, schaltet der Schnellschalter schnell zum Ausgang. Um Fehlfunktionen des Schutzes aufgrund unterschiedlicher Übergangscharakteristiken der Stromwandler beider Seiten bei hohen Kurzschlussströmen zu vermeiden, müssen die relevanten Kennlinien der Stromwandler beider Seiten des Differenzialschutzes der Hauptanlage, einschließlich der Transformatoren, übereinstimmen (Achtzehn Gegenmaßnahmen 15.1.10). Die Hochspannungsseite des Haupttransformators Nr. 2 eines Umspannwerks ist mit dem zweiten Strang der 2/3-Leitung verbunden, und dieser Strang ist mit einer weiteren Verbindungsleitung verbunden. Im Jahr 2017 trat ein einphasiger Erdschluss an Phase B des Schalters im Strang auf. Zwei Differenzialschutzsysteme für den Haupttransformatorkörper lösten aus, indem sie die Schalter auf beiden Seiten des Haupttransformators abschalteten. Der Differenzialschutz für geteilte Phasen auf beiden Seiten der Verbindungsleitung unterbrach die Phase B des entsprechenden Seitenschalters, woraufhin die einphasige Wiedereinschaltung erfolgreich war.

3) Erregerstrom-Sperrelement: Beim Abschalten des Luftabwurftransformators und des Kurzschlusses außerhalb des Transformatorbereichs entsteht ein hoher Erregerstrom. Um zu verhindern, dass der durch den Erregerstrom verursachte Differenzstrom zu einer Fehlfunktion des Geräts führt, ist ein Einschaltstrom-Sperrelement für den Längsdifferenzschutz vorgesehen. Dieses nutzt Wellenformverzerrungen (intermittierende oder asymmetrische Differenzstromwellenform), die Identifizierung von Oberschwingungen (zweiter oder dritter Oberschwingungsanteil) sowie eine Fuzzy-Identifizierung des Erregerstroms. Wird der Transformator jedoch tatsächlich per Luftabwurf abgeschaltet, insbesondere beim ersten Abwurf, kann der Differenzschutz aufgrund unzureichender Entmagnetisierung des Hauptkörpers dennoch versagen. Der Oberschwingungsanteil des abgeworfenen Differenzstroms kann zudem unterhalb des Schwellenwerts für die Oberschwingungsblockierung liegen. Um den Einfluss von Restmagnetismus auf die Entladung des Transformators grundsätzlich zu eliminieren, können Entmagnetisierungsmaßnahmen durchgeführt und eine erneute Entladung vorgenommen oder der Schwellenwert für die Blockierung der zweiten Oberschwingung vorübergehend gesenkt werden, um den normalen Betrieb des Haupttransformators zu gewährleisten.

4) CT-Trennung: Bei einer Trennung der Sekundärphase des Stromwandlers entspricht der Differenzstrom dem Laststrom der getrennten Phase, was zu Fehlfunktionen des Schutzes führen kann. In diesem Fall können Nullstrom, Phasenstromänderungen, ungewöhnliche, plötzliche Phasenspannungsabfälle usw. zur Erkennung einer CT-Trennung herangezogen werden.

5) Blockierelement für Stromwandlersättigung: Bei einem externen Fehler kann die Sättigung des Stromwandlers zu einer Fehlfunktion des Differenzialschutzes führen. Daher ist die Schutzeinrichtung mit einem Blockierelement für die Stromwandlersättigung ausgestattet. Bei Sättigung des Stromwandlers tritt der Differenzstrom erst nach einer gewissen Zeit auf. Die Einrichtung nutzt die zeitliche Übereinstimmung von Bremsstrom und Differenzstrom, um festzustellen, ob der Stromwandler gesättigt ist. Um die Auswirkungen der Stromwandlersättigung auf den Längsdifferenzialschutz des Transformators zu minimieren, werden außerdem Stromwandler mit einem genauen Grenzwertfaktor (ALF) und einer höheren Nenn-Wendepunktspannung eingesetzt (18 Gegenmaßnahmen 15.1.12).

Teil 3: Einführung in andere Differenzialschutzverfahren

1.

Seitendifferenzialschutz

Der seitliche Differenzialschutz schützt die Y-seitige Wicklung des Transformators und besteht aus den ersten und letzten Stromwandlern (CTs) der Wicklungen auf jeder Seite, abhängig von der Phase. Am Beispiel der selbstgekoppelten Phase A in Abbildung 5 besteht der Schutz aus TA1A, TA2a' und TA3A. Gemäß dem Kirchhoffschen Stromgesetz besteht keine elektromagnetische Kopplung zwischen den Strömen an beiden Enden. Daher benötigt der Schutz keine Einschaltstrombegrenzung, keine Differenzial-Schnellauslöser und keine Übererregungsbegrenzung. Zudem ist der Ansteuerstrom des seitlichen Differenzialschutzes niedriger und die Empfindlichkeit höher als beim Längsdifferenzialschutz. Allerdings schützt er nicht vor Windungsschlüssen.

2.

Phasendifferenzialschutz

Der Phasentrennungs-Differenzialschutz ist ein Differenzialschutz, der jede Phasenwicklung des Transformators einzeln schützt und aus Stromwandlern auf jeder Seite jeder Phasenwicklung besteht (siehe Beispiel). Dieser Schutz kann alle Fehler einer bestimmten Phase des Transformators mit Ausnahme der Niederspannungsleitungen erfassen, erfordert jedoch ein Einschaltstrombegrenzungselement.

3.

Zelldifferenzialschutz auf der Niederspannungsseite

Da der Phasentrennungs-Differenzialschutz keinen Schutzbereich für die Zuleitungen auf der Niederspannungsseite aufweist, wird der Zellendifferenzialschutz als Ergänzung zum Phasentrennungs-Differenzialschutz eingeführt. Der Differenzialschutz der Niederspannungsseite besteht aus dem internen Stromwandler der dreieckigen Zweiphasenwicklung auf der Niederspannungsseite und dem Stromwandler, der den Differenzstrom der Zweiphasenwicklung erfasst. Er verfügt über ein Einschaltstrombegrenzungselement, reagiert jedoch nicht auf Windungsschlüsse.

4.

Nullsequenz-Differenzialschutz

Der Nullstrom-Differenzialschutz besteht aus Nullstromwandlern auf der Sternseite des Transformators und Nullstromkreisen der Stromwandler auf der Sternseite. Abbildungen 6 und 7 zeigen die Stromschleifen bei Erdschlüssen außerhalb bzw. innerhalb der Schutzzone. Da die Sekundärströme dieses Schutzes keine elektromagnetische Kopplung aufweisen, benötigt die Schutzeinrichtung weder einen Einschaltstromblocker noch einen Übererregungsblocker. Gleichzeitig reagiert sie empfindlicher auf Erdschlüsse in der Transformatorwicklung. Der Nullstrom-Differenzialschutz kann jedoch nur interne Erdschlüsse auf der Hoch- und Mittelspannungsseite erkennen und schützt nicht vor Windungsschlüssen.