Wie man Transformatoren schützt. Die richtige Art, Transformatoren zu schützen, kann ihre gesamte Lebensdauer verlängern.

Transformatoren sind statische, kontinuierlich betriebene Geräte, die daher zuverlässiger arbeiten und weniger ausfallgefährdet sind. Da die meisten Transformatoren jedoch im Freien installiert sind und während des Betriebs der Last sowie Kurzschlüssen im Stromnetz ausgesetzt sind, lassen sich verschiedene Störungen und Anomalien im Betrieb nicht vermeiden.

1. Häufige Fehler und Anomalien von Transformatoren

Transformatorfehler lassen sich in interne und externe Fehler unterteilen.

Interne Fehler sind Fehler, die im Inneren des Gehäuses auftreten, wie z. B. Kurzschlüsse zwischen Phasen in den Wicklungen, Windungsschlüsse in einphasigen Wicklungen, Kurzschlüsse zwischen Wicklungen und Eisenkern sowie Unterbrechungen der Wicklungen usw.

Externe Fehler bezeichnen verschiedene Phasenkurzschlüsse zwischen den externen Zuleitungen von Transformatoren sowie einphasige Erdschlüsse, die auftreten, wenn die Isolierung der Zuleitung durch das Gehäuse überschlägt.

Ein Transformatorausfall verursacht großen Schaden. Insbesondere bei einem internen Fehler kann der durch den Kurzschlussstrom erzeugte Hochtemperatur-Lichtbogen nicht nur die Isolierung und den Eisenkern der Transformatorwicklung verbrennen, sondern auch das Transformatoröl zersetzen und große Mengen an Gas freisetzen. Dies kann zu Verformungen des Transformatorgehäuses und sogar zu einer Explosion führen. Daher muss ein defekter Transformator entfernt werden.

Transformatorstörungen sind hauptsächlich Überlastung, sinkender Ölstand, externer Kurzschluss durch Überstrom, zu hohe Betriebsöltemperatur, zu hohe Wicklungstemperatur, zu hoher Transformatordruck und Ausfall des Kühlsystems. Bei einer Störung muss ein Alarmsignal ausgegeben werden.

Zweitens, Transformatorschutzkonfiguration

Der wichtigste Schutz bei Kurzschlussfehlern: Längsdifferenzialschutz, Schwergasschutz usw.

Kurzschlussschutz-Backup: hauptsächlich zusammengesetzter Spannungsverriegelungs-Überstromschutz, Nullsequenz-(Richtungs-)Überstromschutz, Niederimpedanzschutz usw.

Schutz bei anormalem Betrieb: hauptsächlich Überlastschutz, Übererregungsschutz, Leichtgasschutz, Neutralleiter-Spaltschutz, Schutz vor Temperaturschwankungen des Ölstands und Ausfall des Kühlsystems.

Drei, nichtelektrischer Schutz

Der Transformatorschutz, der Öl-, Gas-, Temperatur- und andere nichtelektrische Größen umfasst, wird als nichtelektrischer Schutz bezeichnet. Zu den wichtigsten Schutzarten zählen Gasschutz, Druckschutz, Temperaturschutz, Ölstandsüberwachung und Kühlerabschaltschutz. Der nichtelektrische Schutz reagiert je nach Bedarf vor Ort, indem er auslöst oder Signale sendet.

1. Gasschutz

Bei einem internen Defekt des Transformators entsteht aufgrund des Kurzschlussstroms und des Kurzschlusspunktlichtbogens im Inneren des Transformators eine große Menge Gas. Gleichzeitig wird die Geschwindigkeit des Transformatorölflusses beeinflusst. Die Nutzung des Gas- und Ölflusses zum Schutz wird als Gasschutz bezeichnet.

(1) Leichtgasschutz: Bei einer leichten Störung oder Anomalie im Transformator führt die lokale Überhitzung der Fehlerstelle zu einer teilweisen Ölausdehnung. Das im Öl enthaltene Gas bildet Blasen und gelangt in das Gasrelais. Der Leichtgasschutz löst ein Leichtgassignal aus.

(2) Schutz vor schweren Gasen: Bei einem schweren Fehler im Transformatorkessel ist der Fehlerstrom hoch, und der Lichtbogen führt zu einer starken Zersetzung des Transformatoröls, wodurch große Mengen an Gas und Öl austreten. Die Prallplatte leitet die schweren Gase in die Schutzfunktion ein, sendet ein Warnsignal für schwere Gase aus, löst die Abschaltung aus und der Transformator wird abgeschaltet.

(3) Der Schutz durch starkes Gas ist der Hauptschutz gegen interne Fehler im Brennstofftank und kann verschiedene interne Fehler des Transformators anzeigen. Bei einem Kurzschluss zwischen wenigen Windungen des Transformators ist der Fehlerstrom zwar sehr hoch, aber der vom Differenzialschutz erzeugte Differenzstrom möglicherweise nicht groß genug, sodass der Differenzialschutz unter Umständen nicht anspricht. Daher ist es bei internen Fehlern des Transformators notwendig, auf den Schutz durch starkes Gas zurückzugreifen, um die Fehler zu beheben.

Das Bild

2. Druckschutz

Der Druckschutz ist auch der wichtigste Schutz gegen interne Fehler im Transformatorkessel. Er dient zusammen mit dem Druckentlastungs- und Druckänderungsschutz der Überwachung des Transformatoröldrucks.

3. Temperatur- und Ölstandsschutz

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

Wenn der Transformator Öl verliert oder der Ölstand aus anderen Gründen sinkt, wird der Ölstand überwacht und ein Alarmsignal gesendet.

4. Der Kühler mit Allstopp-Schutz

Wenn alle Transformatorkühler im Betrieb ausfallen, steigt die Temperatur des Transformators. Wird nicht rechtzeitig reagiert, kann die Isolierung der Transformatorwicklung beschädigt werden. Daher sendet die Schutzeinrichtung bei Ausfall aller Kühler im Transformatorbetrieb ein Alarmsignal und schaltet den Transformator nach einer längeren Verzögerung ab.

Viertens, Differenzialschutz

Der Differenzialschutz von Transformatoren ist der Hauptschutz für das elektrische Volumen von Transformatoren. Sein Schutzbereich umfasst den Bereich, der von jedem Stromwandler umschlossen wird. In diesem Bereich greift der Differenzialschutz bei Kurzschlüssen zwischen den Wicklungen, Windungsschlüssen und anderen Fehlern ein.

1. Transformator-Einschaltstrom

Der beim Abschalten des Transformators entstehende Feldstrom wird als Erregereinschaltstrom bezeichnet. Die Größe des Erregereinschaltstroms hängt von der Transformatorkonstruktion, dem Abschaltwinkel, der Leistung, der Remanenz vor dem Abschalten und weiteren Faktoren ab. Messungen zeigen, dass der Einschaltstrom üblicherweise das 2- bis 6-Fache des Nennstroms beträgt, maximal jedoch mehr als das 8-Fache. Da der Einschaltstrom nur auf der Ladeseite des Transformators fließt, erzeugt er einen hohen Differenzstrom im Differenzialschutzkreis, was zu Fehlfunktionen des Differenzialschutzes führen kann.

Der Einschaltstrom weist folgende Merkmale auf: a. Der Einschaltstrom ist sehr hoch und enthält eine deutliche aperiodische Komponente; b. Die Wellenform ist spitz und diskontinuierlich; c. er enthält eine deutliche Oberwellenkomponente höherer Ordnung, insbesondere die zweite Oberwellenkomponente; d. Der Erregereinschaltstrom wird gedämpft.

Gemäß den oben genannten Eigenschaften des Einschaltstroms werden zur Verhinderung von Fehlfunktionen des Transformator-Differenzialschutzes durch den Einschaltstrom drei Prinzipien angewendet: hoher Gehalt an zweiter Harmonischer, Wellenformasymmetrie und Wellenformdiskontinuitätswinkel zur Realisierung der Sperrung des Differenzialschutzes.

2. Prinzip der Bremsung durch zweite Harmonische

Das Prinzip der Bremsung mittels zweiter Harmonischer besteht darin, anhand der zweiten Harmonischen des Differenzstroms zu beurteilen, ob es sich um einen Fehlerstrom oder einen Einschaltstrom handelt. Überschreitet der Anteil der zweiten Harmonischen an der Grundwelle einen bestimmten Wert (üblicherweise 20 %), wird der Differenzstrom als Einschaltstrom eingestuft und der Differenzialschutz geschlossen.

Je größer also das Bremsverhältnis der zweiten Harmonischen ist, desto größer ist der Anteil des Stroms der zweiten Harmonischen in der zulässigen Grundwelle und desto schlechter ist die Bremswirkung.

3. Differenzialschnellbremsschutz

Tritt im Transformator ein schwerwiegender Fehler auf, dessen Fehlerstrom so hoch ist, dass er zur Sättigung des Stromwandlers führt, enthält auch dessen Sekundärstrom zahlreiche Oberwellen. Gemäß der obigen Beschreibung ist es wahrscheinlich, dass der Differenzialschutz aufgrund der Bremsung durch die zweite Oberwelle blockiert oder verzögert reagiert. Dies kann den Transformator schwer beschädigen. Um dieses Problem zu beheben, wird üblicherweise ein Differenzial-Schnellabschaltschutz eingesetzt.

Das Differenzial-Schnellabschaltelement ist ein hochkonstantes Differenzialelement des Längsdifferenzialschutzes. Im Gegensatz zu herkömmlichen Differenzialelementen erfasst es den Effektivwert des Differenzstroms. Unabhängig von dessen Wellenform und der Größe der Oberschwingungskomponente schaltet es den Transformator sofort ab, sobald der Effektivwert des Differenzstroms den Einstellwert des Differenzial-Schnellabschaltelements (üblicherweise höher als der Einstellwert des Differenzialschutzes) überschreitet. Dabei werden weder der Einschaltstrom noch andere Kriterien berücksichtigt.

Fünftens, Transformator-Notstromversorgung

Der Hauptschutz des Transformators wird kurz vorgestellt, anschließend wird der Backup-Schutz erläutert. Es gibt verschiedene Backup-Schutzkonfigurationen für Transformatoren. Hier werden die beiden wichtigsten Arten kurz erläutert: der doppelte Spannungsverriegelungs-Überstromschutz und der Erdungsschutz.

1. Doppelte Druckverriegelung und Überstromschutz

Der zusammengesetzte Spannungsverriegelungs-Überstromschutz dient als Backup-Schutz bei Kurzschluss zwischen großen und mittleren Transformatoren. Er eignet sich für Aufwärtstransformatoren, Systemanschlusstransformatoren und Abwärtstransformatoren, deren Überstromschutz die Empfindlichkeitsanforderungen nicht erfüllt. Die aus Gegenspannung und Niederspannung zusammengesetzte Spannung kann verschiedene Fehler im Schutzbereich abbilden, den Ansprechwert des Überstromschutzes reduzieren und die Empfindlichkeit verbessern.

Der zusammengesetzte Überstromschutz besteht aus einem zusammengesetzten Spannungselement, einem Überstromelement und einem Zeitelement. Der Ansteuerstrom des Schutzes ist der Sekundärstrom des Drehstromwandlers (CT) auf der lokalen Seite des Transformators, die Ansteuerspannung die Sekundärspannung des Drehstromwandlers (PT) auf der lokalen oder einer anderen Seite des Transformators. Bei mikrocomputergesteuerter Schutzschaltung kann die Spannung dieser Seite per Software an andere Seiten weitergeleitet werden, um sicherzustellen, dass der zusammengesetzte Überstromschutz auch bei Wartung des Drehstromwandlers auf jeder Seite des Transformators genutzt werden kann. Die Aktionslogik ist unten dargestellt.

2. Transformator-Erdungsschutz

Der Schutz großer und mittelgroßer Transformatoren vor Erdschlussfehlern umfasst üblicherweise: Nullstromschutz, Nullspannungsschutz, Funkenstreckenschutz usw. Im Folgenden werden die drei verschiedenen Erdungsarten, basierend auf dem Neutralpunkt, kurz erläutert.

(1) Der Neutralpunkt ist direkt geerdet

Bei Transformatoren mit einer Spannung von 110 kV und mehr, deren Neutralpunkt direkt geerdet ist, muss der Nullstromschutz auf der Seite des Hochstrom-Erdungssystems installiert werden, um einen Erdschluss abzufangen. Bei Transformatoren, die sowohl auf der Hoch- als auch auf der Mittelseite direkt geerdet sind, muss der Nullstromschutz in Richtung der jeweiligen Sammelschiene erfolgen.

Das Prinzip des Nullstromschutzes ähnelt dem des Leitungsnullstromschutzes (siehe Ausgabe 30). Der Nullstrom kann aus dem Sekundärstrom des Stromwandlers am Sternpunkt oder aus dem Sekundärstrom des Drehstromwandlers der lokalen Seite abgeleitet werden. Die Nullspannung am Umrichterelement kann aus der Dreieckspannung des Spannungswandlers der lokalen Seite oder aus der Sekundärspannung des Drehstromwandlers der lokalen Seite gewonnen werden. Bei mikrocomputergestützten Schutzgeräten wird üblicherweise eine Eigenentwicklung verwendet.

Bei großen Transformatoren mit drei Wicklungen kann der Nullstromschutz dreistufig ausgeführt sein. Die Abschnitte I und II sind gerichtet, Abschnitt III hingegen nicht. Jeder Abschnitt verfügt in der Regel über eine zweistufige Verzögerung: Eine kürzere Verzögerung dient der Reduzierung des Fehlerstrombereichs (Sprungbus oder lokaler Schalter), eine längere Verzögerung schaltet den Transformator ab (Sprung-Dreiseitenschalter). Die konkrete Schutzkonfiguration hängt von den jeweiligen Anwendungsfällen ab.

Wie in der Abbildung dargestellt, sollte nach dem Auslösen des Nullstromschutzes in Abschnitt I oder II zunächst der Sammelschienen- oder lokale Schalter t1 oder T3 mit kurzer Verzögerung überbrückt werden, um den Einflussbereich des Fehlers zu verringern. Besteht der Fehler weiterhin, sollte der Transformator mit dem Dreiwegeschalter t2 oder T4 mit langer Verzögerung abgeschaltet werden. In Abschnitt III ohne Richtungsschutz wird der Transformator direkt verzögert abgeschaltet.

(2) Der Neutralpunkt ist nicht geerdet

Der Nullstrom fließt über den Sternpunkt des Transformators und bildet so den Nullstromkreis. Sind jedoch alle Sternpunkte der Transformatoren geerdet, verteilt sich der Kurzschlussstrom am Erdungspunkt auf alle Transformatoren, was die Empfindlichkeit des Nullstromschutzes verringert. Um den Nullstrom in einem bestimmten Bereich zu halten, wird daher die Anzahl der geerdeten Transformatoren geregelt.

Bei ungeerdeten Transformatoren sollte ein Nullspannungsschutz konfiguriert werden, um Überspannungsschäden am Transformator durch Lichtbogenbildung an der Fehlerstelle bei einem Erdschluss zu verhindern.

Da der Transformator aufgrund seines hohen Isolationsniveaus am Neutralpunkt vollständig isoliert ist, wird bei einem Erdschluss im System zunächst der Nullstromschutz den geerdeten Transformator am Neutralpunkt abschalten. Besteht der Fehler weiterhin, wird anschließend der ungeerdete Transformator am Neutralpunkt durch den Nullspannungsschutz abgeschaltet.

(3) Der Neutralpunkt ist über die Entladungsstrecke geerdet.

Alle Hochspannungstransformatoren sind teilisoliert, wobei die Isolation der Neutralleiterspule gegen Erde schwächer ist als die der übrigen Bauteile. Die Neutralleiterisolation ist anfällig für Durchschläge. Daher ist ein Schutzgitter erforderlich.

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

Wie dargestellt, ist zwischen dem Neutralpunkt des Transformators und der Erde eine Fehlerstrom-Überspannungsstrecke installiert. Wenn der Erdschlussschalter geschlossen ist, wird der Transformator direkt geerdet und der Nullstromschutz aktiviert. Wenn der Erdschlussschalter geöffnet ist, wird der Transformator über die Fehlerstrom-Überspannungsstrecke geerdet und der Fehlerstromschutz aktiviert.

Der Spaltschutz wird realisiert, indem der durch den Sternpunkt des Transformators fließende Spaltstrom 3I0 und die Öffnungsdreieckspannung 3U0 des Sammelschienen-PT als Kriterium verwendet werden.

Wenn der Neutralpunkt am Fehlerort erhöht ist, kommt es zum Luftspaltdurchschlag, der einen hohen Luftspaltstrom 3I0 zur Folge hat. In diesem Fall greift der Luftspaltschutz und der Transformator wird nach einer Verzögerung abgeschaltet. Bei einem Erdschluss im System greift der Nullfolgeschutz des Neutralpunkt-Erdungstransformators, indem zunächst der Neutralpunkt-Erdungstransformator abgeschaltet wird. Besteht der Fehler nach dem Verlust der Erdung weiterhin, ist die Leerlaufspannung am Sammelschienen-PT 3U0 hoch, und der Luftspaltschutz greift ebenfalls.

Quelle: Power-Puls