Analyse des Transformatorschutzes im Relaisschutz

1. Häufige Fehler und Anomalien bei Transformatoren

Transformatorfehler lassen sich in interne und externe Fehler unterteilen.

Interne Fehler bezeichnen Fehler, die im Inneren des Gehäuses auftreten, einschließlich Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüssen der Wicklungen, Windungsschlüssen der einphasigen Wicklungen, Kurzschlüssen zwischen Wicklungen und Eisenkernen sowie Unterbrechungen der Wicklungen.

Externe Fehler bezeichnen verschiedene Kurzschlussfehler zwischen den Phasen der externen Zuleitungen des Transformators sowie einphasige Erdschlüsse, die auftreten, wenn die Isolierbuchse der Zuleitungen durch das Gehäuse des Transformators hindurchblitzt.

Ein Transformatorausfall ist äußerst gefährlich. Insbesondere bei einem internen Fehler kann der durch den Kurzschlussstrom erzeugte Hochtemperatur-Lichtbogen nicht nur die Isolierung und den Eisenkern der Transformatorwicklung zerstören, sondern auch das Transformatoröl zersetzen und eine große Menge Gas freisetzen. Dies kann zu Verformungen oder sogar zur Explosion des Transformatorgehäuses führen. Daher muss der Transformator im Fehlerfall sofort abgeschaltet werden.

Zu den anormalen Betriebszuständen des Transformators zählen hauptsächlich Überlastung, zu niedriger Ölstand, Überstrom durch externen Kurzschluss, zu hohe Öltemperatur im Betrieb, zu hohe Wicklungstemperatur, zu hoher Transformatordruck und Ausfall des Kühlsystems. Bei einem anormalen Betriebszustand des Transformators muss ein Alarmsignal ausgegeben werden.

2. Konfiguration des Transformatorschutzes

Hauptschutz bei Kurzschlussfehlern: hauptsächlich Längsdifferenzialschutz, Schwergasschutz usw.

Backup-Schutz bei Kurzschlussfehlern: hauptsächlich zusammengesetzter Spannungsblockierungs-Überstromschutz, Nullstrom- (Richtungs-)Überstromschutz, Niederimpedanzschutz usw.

Schutz bei anormalem Betrieb: umfasst im Wesentlichen Überlastschutz, Übererregungsschutz, Leichtgasschutz, Neutralpunktlückenschutz, Schutz vor Temperaturschwankungen des Ölstands und Ausfall des Kühlsystems usw.

3. Schutz vor elektrischen Einwirkungen

Der Schutz von Transformatoren mittels nichtelektrischer Größen wie Öl-, Gas- und Temperaturüberwachung wird als nichtelektrischer Schutz bezeichnet. Er umfasst im Wesentlichen Gas-, Druck-, Temperatur-, Ölstands- und Kühlsystemschutz. Der nichtelektrische Schutz löst je nach Bedarf vor Ort eine Abschaltung oder einen Alarm aus.

(1) Gasschutz

Tritt im Transformator ein Fehler auf, entsteht durch den Kurzschlussstrom und den Lichtbogen an der Kurzschlussstelle eine große Menge Gas im Inneren des Transformators, wodurch die Ölflussgeschwindigkeit erhöht wird. Der durch Gas und Ölfluss realisierte Schutz wird als Gasschutz bezeichnet.

Leichtgasschutz: Wenn im Transformator eine leichte Störung oder Anomalie auftritt, wird die Fehlerstelle teilweise überhitzt, wodurch sich ein Teil des Öls ausdehnt, das Gas im Öl Blasen bildet und in das Gasrelais gelangt, woraufhin der Leichtgasschutz aktiviert wird und ein Leichtgassignal ausgibt.

Schutz vor starker Gasentwicklung: Bei einem schweren Fehler im Transformatoröltank ist der Fehlerstrom hoch, und der Lichtbogen führt zur Zersetzung großer Mengen Transformatoröl, wodurch ein starker Gas- und Ölausstoß entsteht. Die Stoßschutzwand aktiviert das Schutzrelais für starke Gasentwicklung, sendet ein Warnsignal und schaltet den Strom ab. Der Transformator muss entfernt werden.

Der Schwergasschutz ist der Hauptschutz gegen interne Fehler im Öltank und kann verschiedene Fehler im Transformatorinneren erkennen. Bei wenigen Windungsschlüssen im Transformator kann der Fehlerstrom zwar hoch sein, der im Differenzialschutz erzeugte Differenzstrom jedoch gering, sodass der Differenzialschutz möglicherweise nicht anspricht. Daher ist es bei internen Fehlern im Transformator notwendig, auf den Schwergasschutz zurückzugreifen, um den Fehler zu beheben.

(2) Druckschutz

Der Druckschutz ist gleichzeitig der wichtigste Schutz gegen interne Fehler im Transformatorkessel. Er umfasst ein Druckentlastungsventil und einen Schutz vor plötzlichen Druckänderungen und reagiert auf den Druck des Transformatoröls.

(3) Temperatur- und Ölstandsschutz

Wenn die Temperatur des Transformators den Warnwert erreicht, sendet der Temperaturschutz ein Alarmsignal aus und startet den Standby-Kühler.

Wenn Transformatoröl austritt oder der Ölstand aus anderen Gründen sinkt, greift der Ölstandsschutz ein und sendet ein Alarmsignal.

(4) Kühler vollständiger Stoppschutz

Wird der Transformatorkühler im Betrieb vollständig abgeschaltet, steigt die Temperatur des Transformators. Wird nicht rechtzeitig reagiert, kann dies die Isolierung der Transformatorwicklung beschädigen. Daher sendet die Schutzeinrichtung bei einem vollständigen Abschalten des Kühlers während des Transformatorbetriebs ein Alarmsignal und schaltet den Transformator nach einer längeren Verzögerung ab.

4. Differenzialschutz

Der Differenzialschutz des Transformators ist der Hauptschutz für die elektrische Ladung des Transformators. Sein Schutzbereich umfasst den Bereich, der von den Stromwandlern auf beiden Seiten umschlossen wird. Treten innerhalb dieses Bereichs Fehler wie Phasen- oder Windungsschlüsse auf, muss der Differenzialschutz auslösen.

Das Prinzip des Transformator-Differenzialschutzes haben wir bereits ausführlich besprochen; Interessierte können die entsprechenden Abschnitte in den historischen Aufzeichnungen 6, 7 und 8 nachlesen. Ich werde hier nicht weiter darauf eingehen, sondern lediglich einige Konzepte zum Erregereinschaltstrom hinzufügen.

(1) Einschaltstrom des Transformators

Der beim Abschalten des Transformators entstehende Erregerstrom wird als Einschaltstrom bezeichnet. Seine Größe hängt von der Transformatorkonstruktion, dem Schließwinkel, der Leistung, dem Restmagnetismus vor dem Abschalten und weiteren Faktoren ab. Messungen zeigen, dass der Einschaltstrom beim Abschalten des Transformators aufgrund der Sättigung des Eisenkerns sehr hoch ist, üblicherweise das 2- bis 6-Fache des Nennstroms, maximal jedoch mehr als das 8-Fache. Da der Einschaltstrom nur auf der Ladeseite des Transformators fließt, entsteht im Differenzialschutz ein hoher Differenzstrom, der zu einer Fehlfunktion des Differenzialschutzes führen kann.

Der Einschaltstrom weist folgende Merkmale auf: a. Er ist sehr hoch und enthält deutliche nichtperiodische Komponenten. b. Sein Verlauf ist spitz und intermittierend. c. Er enthält deutliche Oberwellen höherer Ordnung, insbesondere die zweite Oberwelle. d. Der Einschaltstrom wird gedämpft.

Gemäß den oben genannten Eigenschaften des Einschaltstroms werden im Projekt drei Prinzipien angewendet, um eine Fehlfunktion des Transformator-Differenzialschutzes durch den Einschaltstrom zu verhindern: hoher Anteil an zweiter Harmonischer, asymmetrische Wellenform und großer Wellenform-Diskontinuitätswinkel zur Realisierung der Blockierung des Differenzialschutzes.

(2) Prinzip der zweiten harmonischen Bremsung

Das Prinzip der Bremsung mittels zweiter Harmonischer besteht darin, anhand der zweiten Harmonischen im Differenzstrom zu beurteilen, ob es sich um einen Fehlerstrom oder einen Erregereinschaltstrom handelt. Übersteigt der Anteil der zweiten Harmonischen an der Grundwellenkomponente einen bestimmten Wert (üblicherweise 20 %), wird davon ausgegangen, dass der Differenzstrom durch einen Erregereinschaltstrom verursacht wird, und der Differenzialschutz wird deaktiviert.

Je größer also das Bremsverhältnis der zweiten Harmonischen ist, desto mehr Strom der zweiten Harmonischen, der in der Grundwelle enthalten ist, wird zugelassen, und die Bremswirkung wird schlechter.

(3) Differentialschnellbremsschutz

Tritt im Transformator ein schwerwiegender Fehler auf und wird der Stromwandler (CT) durch einen hohen Fehlerstrom gesättigt, enthält auch der Sekundärstrom des CT zahlreiche Oberwellenanteile. Wie oben beschrieben, führt dies wahrscheinlich zu einer Sperrung oder Verzögerung des Differenzialschutzes aufgrund der Bremsung durch die zweite Oberwelle. Dies kann den Transformator schwer beschädigen. Um dieses Problem zu beheben, wird üblicherweise ein Differenzial-Schnellabschaltschutz eingesetzt.

Das Differenzial-Schnellabschaltelement ist ein hochwertiges Differenzialelement für den Längsdifferenzialschutz. Im Gegensatz zu herkömmlichen Differenzialelementen erfasst es den Effektivwert des Differenzstroms. Unabhängig von dessen Wellenform und der Stärke der Oberschwingungen schaltet es den Transformator sofort ab, sobald der Effektivwert des Differenzstroms den Einstellwert des Differenzial-Schnellabschaltelements überschreitet (der üblicherweise höher ist als der Einstellwert des Differenzialschutzes). Es erfüllt somit Kriterien wie die Blockierung von Einschaltströmen.

Im Folgenden wird der Backup-Schutz des Transformators erläutert.

Es gibt viele Arten von Backup-Schutzkonfigurationen für Transformatoren. In dieser Ausgabe werden hauptsächlich zwei Arten von Backup-Schutzsystemen vorgestellt: komplexer Spannungsblockier-Überstromschutz und Erdungsschutz für Transformatoren.

1. Überstromschutz für komplexe Druckabsperrung

Der komplexe Spannungsblockierungs-Überstromschutz dient als Backup-Schutz bei Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüssen in großen und mittelgroßen Transformatoren. Er eignet sich für Aufwärtstransformatoren, Systemkontakttransformatoren und Abwärtstransformatoren, deren Überstromschutz die Empfindlichkeitsanforderungen nicht erfüllt. Die aus Gegenspannung und Unterspannung zusammengesetzte Spannung kann verschiedene Fehler innerhalb des Schutzbereichs abbilden, wodurch der Ansprechwert des Überstromschutzes reduziert und die Empfindlichkeit erhöht wird.

Der zusammengesetzte Überstromschutz besteht aus einem zusammengesetzten Spannungselement, einem Überstromelement und einem Zeitelement. Der Eingangsstrom des Schutzes ist der sekundärphasige Dreiphasenstrom des Stromwandlers (CT) auf der Transformatorseite, die Eingangsspannung die sekundärphasige Dreiphasenspannung des Spannungswandlers (PT) auf der Transformatorseite oder einer anderen Seite. Bei mikrocomputergesteuertem Schutz kann die Spannung dieser Seite per Software an andere Seiten weitergeleitet werden, um sicherzustellen, dass der Überstromschutz jeder Seite auch nach einer Überholung des Spannungswandlers weiterhin funktioniert. Die Aktionslogik ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

2. Erdungsschutz des Transformators

Der Backup-Schutz gegen Erdschlussfehler bei großen und mittelgroßen Transformatoren umfasst üblicherweise: Nullstrom-Überspannungsschutz, Nullspannungs-Überspannungsschutz, Luftspaltschutz usw. Im Folgenden wird eine kurze Einführung anhand von drei verschiedenen Erdungsmethoden des Neutralpunkts gegeben.

(1) Der Neutralpunkt ist direkt geerdet

Bei Transformatoren mit einer Spannung von 110 kV und darüber, deren Sternpunkt direkt geerdet ist, muss auf der Seite des Hochstrom-Erdungssystems ein Nullstromschutz installiert sein, der auf Erdschlüsse reagiert. Bei Transformatoren, die sowohl auf der Hoch- als auch auf der Mittelseite direkt geerdet sind, muss der Nullstromschutz eine Richtung aufweisen, die zu den Sammelschienen auf jeder Seite zeigen muss.

Das Prinzip des Nullstromschutzes ähnelt dem des Leitungsnullstromschutzes (siehe Ausgabe 30). Der Nullstrom kann aus dem Sekundärstrom des Sternpunkt-Stromwandlers entnommen oder durch den sekundären Dreiphasenstrom des Stromwandlers auf der lokalen Seite erzeugt werden. Die an das Richtungselement angeschlossene Nullspannung kann aus der Leerlaufspannung des Spannungswandlers auf der lokalen Seite entnommen oder durch die sekundäre Dreiphasenspannung auf der lokalen Seite erzeugt werden. Bei mikrocomputergesteuerten Schutzgeräten wird hauptsächlich die Eigenerzeugungsmethode verwendet.

Für große Transformatoren mit drei Wicklungen kann ein dreistufiger Nullstromschutz eingesetzt werden. Die Abschnitte I und II sind gerichtet, Abschnitt III hingegen nicht. Jeder Abschnitt verfügt in der Regel über zwei Verzögerungsstufen. Bei kurzer Verzögerung wird der Fehlerbereich eingegrenzt (Überbrückung des Sammelschienenkopplers oder des Schalters auf der Hauptseite der Sammelschiene), bei langer Verzögerung wird der Transformator abgeschaltet (Überbrückung des dreiseitigen Schalters). Die konkrete Schutzkonfiguration richtet sich nach den jeweiligen Gegebenheiten.

Wie in der Abbildung dargestellt, wird nach dem Ansprechen des Nullstrom-Richtungsschutzes (Abschnitt I oder II) zunächst der Sammelschienenkoppler bzw. der Schalter auf dieser Seite nach einer kurzen Verzögerung t1 oder t3 überbrückt, um den Fehlerbereich zu reduzieren. Besteht der Fehler weiterhin, wird nach einer längeren Verzögerung t2 oder t4 der dreiseitige Schalter überbrückt, um den Transformator abzuschalten. Abschnitt III ist richtungslos, und der Transformator wird nach einer Verzögerung direkt abgeschaltet.

(2) Der Neutralpunkt ist nicht geerdet

Der Nullstrom fließt über den Sternpunkt des Transformators und bildet einen Nullstromkreis. Sind jedoch die Sternpunkte aller Transformatoren geerdet, wird der Kurzschlussstrom am Erdungspunkt auf alle Transformatoren abgeleitet, was die Empfindlichkeit des Nullstromschutzes verringert. Um den Nullstrom in einem bestimmten Bereich zu halten, gibt es daher Vorschriften zur Anzahl der Transformatoren, die mit geerdetem Sternpunkt betrieben werden.

Bei Transformatoren, die ohne Erdung betrieben werden, sollte ein Nullspannungsschutz konfiguriert werden, um Schäden durch Überspannungen am Transformator aufgrund von Lichtbögen an Fehlerstellen während Erdschlüssen zu verhindern.

Aufgrund des hohen Isolationsniveaus des Neutralpunkts des vollisolierten Transformators wird bei einem Erdschluss im System zunächst der Nullstromschutz den Transformator mit geerdetem Neutralpunkt abschalten. Besteht der Fehler dann noch, schaltet der Nullspannungsschutz den Neutralpunkt ab, ohne den Transformator zu erden.

(3) Der Neutralpunkt ist über die Entladungsstrecke geerdet.

Höchstspannungstransformatoren sind allesamt halbisolierte Transformatoren, wobei die Isolation der Neutralpunktwicklung gegen Erde schwächer ist als die anderer Bauteile. Die Neutralpunktisolierung ist daher anfällig für Durchschläge. Aus diesem Grund muss ein Funkenschutz installiert werden.

Die Funktion des Spaltschutzes besteht darin, die Isolationssicherheit des Neutralpunkts des ungeerdeten Transformators zu gewährleisten.

Installieren Sie eine Durchschlagsstrecke zwischen dem Neutralpunkt des Transformators und der Erde, wie in der Abbildung dargestellt. Wenn der Erdungstrennschalter geschlossen ist, wird der Transformator direkt geerdet und der Nullstromschutz aktiviert. Wenn der Erdungstrennschalter getrennt ist, wird der Transformator über die Durchschlagsstrecke geerdet und der Durchschlagsstreckenschutz aktiviert.

Der Spaltschutz wird realisiert, indem der durch den Neutralpunkt des Transformators fließende Spaltstrom 3I0 und die Dreiecksspannung 3U0 des Bus-PT als Kriterien verwendet werden.

Wird der Neutralpunkt aufgrund eines Fehlers angehoben, kommt es zu einem Luftspaltdurchschlag und einem hohen Luftspaltstrom 3I0. In diesem Fall greift der Luftspaltschutz und der Transformator wird nach einer Verzögerung abgeschaltet. Tritt im System zusätzlich ein Erdschluss auf, greift der Nullsystemschutz des Neutralpunkt-Erdungstransformators und dieser wird zuerst abgeschaltet. Besteht der Fehler nach dem Verlust des Erdungspunktes weiterhin, ist die Leerlaufspannung 3U0 am Sammelschienen-PT sehr hoch, und der Luftspaltschutz greift erneut.