Differentialschutz von UHV-Transformatoren

Der Differentialschutz von UHV-Transformatoren, auch als Ultrahochspannungstransformatoren bezeichnet, ist ein primäres Hochgeschwindigkeits-Schutzkonzept für Ihren elektrischen Transformator. Dieses Konzept dient dazu, interne Fehler in Ihrem elektrischen Transformator zu erkennen, beispielsweise Kurzschlüsse oder Wicklungsschäden.

Dieses Differentialschutzsystem vergleicht kontinuierlich den in Ihren Transformator einströmenden Strom mit dem aus Ihrem Transformator ausströmenden Strom. Dies geschieht mithilfe eines Stromwandlers, der dazu beiträgt, das Gerät abzuschalten, sobald ein Fehler erkannt wird.

Das System stützt sich zudem auf spezielle Relais, die eigens für diese Anwendung konzipiert und entwickelt wurden, um ein ungewolltes Auslösen des elektrischen Transformators zu verhindern. Ein solches ungewolltes Auslösen kann durch den Magnetisierungs-Einschaltstrom verursacht werden. Dieses System gewährleistet die Integrität des gesamten Differentialschutzsystems des UHV-Transformators.

Damit stellt sich die Frage, warum dieser UHV-Transformator ein spezielles Differentialschutzsystem benötigt.

Warum UHV-Transformatoren einen speziellen Schutz benötigen

Der von Ihnen verwendete UHV-Transformator hat in der Regel einen Spannungsbereich von 1000 kV oder sogar noch höher. Dieser Hochspannungsbetrieb bedingt eine äußerst komplexe interne Struktur des elektrischen Transformators, zu der die Spannungsregelungswicklung, die Kompensationswicklung und die umfangreiche Phasenverschiebungsanordnung des elektrischen Transformators gehören.

Aufgrund all dieser äußerst komplexen und sensiblen Merkmale ist das herkömmliche Einzonen-Differentialschutzschema nicht in der Lage, die für die Fehlererkennung bei Ultrahochspannungstransformatoren erforderlichen präzisen Vorgänge auszuführen. Der einzige Ansatz, der für die Fehlererkennung bei Ultrahochspannungstransformatoren tatsächlich zur Verfügung steht, ist das Differentialschutzsystem des Ultrahochspannungstransformators.

Grundlegende Betriebsprinzipien für den Differentialschutz von UHV-Transformatoren

Obwohl der Differentialschutz von Ultrahochspannungstransformatoren ein relativ modernes Schutzsystem ist, basiert er auf denselben grundlegenden elektrischen Prinzipien und Gesetzen, die auch bei den meisten anderen elektrischen Schutzsystemen zum Tragen kommen.

Arbeiten zum Kirchhoffschen Stromgesetz

Demnach ist unter normalen Betriebsbedingungen eines elektrischen Transformators der in den Transformator eintretende Strom gleich dem aus dem Transformator austretenden Strom. Die Stromwandler auf der Hoch- und Niederspannungsseite des elektrischen Transformators sind so kalibriert, dass sich ihre Sekundärströme gegenseitig aufheben; dadurch ergibt sich am Ausgang ein Netto-Differenzstrom von Null.

Wenn ein interner Fehler im elektrischen Transformator auftritt – das heißt, wenn ein Kurzschluss vorliegt oder eine Beschädigung der Wicklungen im Transformator vorliegt –, führt dieser Fehler zu einer Unausgeglichenheit oder einer Störung des Strombalanzzustands des elektrischen Transformators. Der daraus resultierende unsymmetrische Strom fließt durch das Relais, das speziell dafür ausgelegt ist, umgehend ein Auslösesignal zu erzeugen, um den Transformator vom nationalen Stromnetz zu trennen.

Um ein ungewolltes Auslösen des elektrischen Transformators und dessen Trennung vom nationalen Netz zu vermeiden, verfügt das Relais, das den Fehler zunächst erkennt, über eine Funktion, bei der sich die Dämpfungsspulen entsprechend der Stärke des Durchgangsstroms anpassen.

Betriebseigenschaften und mathematische Formulierung

Das Differentialschutzsystem eines UHV-Transformators wird nicht ausschließlich durch das Vorliegen eines Differenzstroms ausgelöst. Die modernsten numerischen Relais, die in diesen Systemen zum Einsatz kommen, nutzen eine prozentuale Differentialcharakteristik, um Fehler und andere transiente Betriebszustände zu erkennen.

Grundlegendes Funktionsprinzip

Im Differentialschutzsystem des UHV-Transformators misst das Relais kontinuierlich den in den geschützten Transformatorbereich ein- und ausfließenden Strom. Dies geschieht mithilfe des Stromwandlers. Unter normalen Betriebsbedingungen oder bei Auftreten externer Fehler sind diese Ströme nach dem Verhältnis- und Phasenkompensationsvorgang nahezu gleich groß. Dies führt zu einem sehr geringen oder gar keinem Differenzstrom.

Bei jeder Art von internem Fehler, wie beispielsweise einem Kurzschluss in der Wicklung oder einem Ausfall des Transformatorisolierung, wird das Strombilanzgleichgewicht des Transformators gestört. Sobald das Strombilanzgleichgewicht des Transformators gestört ist und die Differenz den Ansprechschwellenwert des Relais überschreitet, löst das Differenzstromschutzsystem des Transformators den zugehörigen Leistungsschalter aus. Dadurch wird der Fehlerbereich bzw. der Transformator vollständig vom gesamten Stromverteilungsnetz getrennt.

Mathematische Formulierung

Differenzstrom (Betriebsstrom)

I_diff = | I₁ − I₂ |

I1 ist der Strom, der auf einer Seite des Transformators gemessen wird

I2 ist der Strom, der nach Kompensation des Übersetzungsverhältnisses und des Phasenwinkels auf der gegenüberliegenden Seite gemessen wird.

Die Stromdifferenz stellt hier die Größe des Stromsymmetriefehlers innerhalb des Schutzbereichs dar.

Begrenzungsstrom

I_Rest = ( | I₁ | + | I₂ | ) / 2

Der oben angegebene Begrenzungsstrom spiegelt den Belastungszustand des Transformators und den im Transformator vorhandenen Durchgangsstrom wider.

Prozentuale Differenz-Betriebskennlinie

Das im Differentialschutzsystem des Transformators verwendete Relais löst erst aus, wenn die Stromdifferenz den Auslösepunkt des Relais überschreitet.

Hier

I_diff > K × I_Rest + I_Abholung

K steht für die prozentuale Abweichung (Steigung der Rückhaltekurve)

Der Messwert stellt den Differenzmessstrom dar.

Die oben dargestellte Gleichung ermöglicht es, dass sich die Ansprechschwelle des Transformatorrelais automatisch erhöht, wenn der Begrenzungsstrom ansteigt. Dadurch wird das Relais bei externen Fehlern mit hohem Strom stabiler, bleibt aber gleichzeitig äußerst empfindlich gegenüber echten internen Transformatorfehlern.

Prozentuale Rückhaltecharakteristik bei zwei Steigungen

Der große UHV-Transformator für ihr Differentialschutzsystem verwendet in der Regel eine prozentuale Begrenzungscharakteristik mit zwei Steigungen anstelle einer einzigen festen Steigung. Aus diesem Grund verwendet das Relais des Differentialschutzsystems im Niedrigstrombereich eine relativ geringe Begrenzungssteigung, um eine hohe Empfindlichkeit zu gewährleisten. Dies dient der Erkennung von Wicklungsfehlern, Windungsfehlern und Isolationsfehlern mit geringem Ausmaß.

Mit steigendem Transformator-Halte-Strom schaltet das Relais automatisch auf eine steilere Ansprechkurve um. Diese höhere Haltekraft verbessert die Stabilität des Transformators bei schweren externen Kurzschlüssen, bei Sättigungszuständen des Stromwandlers sowie bei anderen transienten Ereignissen. All diese Ereignisse könnten andernfalls einen falschen Differenzstrom erzeugen, der das Schutzsystem auslöst und den Transformator abschaltet.

Typische Einstellungen, die bei elektrischen Transformatoren mit numerischen Relais in Netzqualität verwendet werden, sind

Kennlinie für die prozentuale Rückhaltung

In Differentialschutzsystemen für Ultrahochspannungstransformatoren lassen sich die Auslösecharakteristiken durch eine Kurve darstellen, nämlich die prozentuale Rückhalte-Vorspannungskurve. Dabei stellt die horizontale Achse den Rückhaltestrom dar, während die vertikale Achse des Diagramms den Differenzstrom angibt.

In der obigen Grafik

• Der Bereich unterhalb der Betriebskurve im Diagramm stellt den Einschränkungsbereich für das Relais des Differentialschutzsystems dar, in dem das Relais unter normalen Betriebslastbedingungen des Transformators stabil bleibt. Es bleibt auch während der Einschaltung des Transformators und bei externen Fehlern stabil.
• Der Bereich oberhalb der Kurve stellt die Betriebsbereiche dar, in denen das Transformatorrelais interne Fehler des Transformators und andere Störungen erkennt und einen Abschaltbefehl auslöst.
• Mit steigendem Sperrstrom im Transformator benötigt das Relais einen proportional höheren Differenzstrom, der durch den Transformator fließt, bevor es auslöst. Dies erhöht die Sicherheit, ohne die Fehlerempfindlichkeit zu beeinträchtigen.

Bei Ultrahochspannungstransformatoren, die mit einer Spannung von 800 kV und mehr betrieben werden, sind die oben dargestellten adaptiven Betriebskennlinien von entscheidender Bedeutung. Dies liegt an dem sehr hohen Durchgangsstrom des Transformators, den komplexen Wicklungsanordnungen und der erhöhten Wahrscheinlichkeit einer Sättigung des Stromwandlers.

In Verbindung mit harmonischer Dämpfung und fortschrittlichen numerischen Algorithmen gewährleistet die prozentuale Differentialcharakteristik eine schnelle Fehlerbeseitigung im Transformator und minimiert gleichzeitig das Risiko unnötiger Transformatorausfälle.

Wichtige Differentialschutzkonzepte für UHV

Die Ultrahochspannungstransformatoren sind sehr komplexe Einheiten, und ein einziges standardmäßiges Längsdifferentialschutzsystem reicht zur Fehlererkennung nicht aus. Dies erfordert eine Mehrzonen-Segmentierung und eine Kombination mehrerer Systeme, um Fehler vollständig zu erkennen und Schutz zu gewährleisten.

Längs-Differentialschutz

Dieses Schutzsystem deckt den großen Primärbereich des gesamten elektrischen Transformators ab. Dieses Längsdifferentialschutzsystem eignet sich zwar gut zur Erkennung größerer Phasen-zu-Phasen-Fehler im elektrischen Transformator, seine Empfindlichkeit nimmt jedoch erheblich ab, wenn es zur Erkennung kleinerer Windungsfehler in der Regelwicklung eingesetzt wird.

Geteilter Differentialschutz

Dieses Schutzsystem zielt auf bestimmte Bereiche wie die Hauptserienwicklung und die gemeinsame Wicklung des elektrischen Transformators ab. Es deckt zwar einen kleineren Bereich ab, erhöht jedoch die Empfindlichkeit des Erkennungssystems erheblich, wodurch dieses in der Lage ist, interne Kurzschlüsse.

Differentialschutz mit Spannungsregelungswicklung

Dieses Schutzsystem für den Ultrahochspannungstransformator bietet einen hochsensiblen, speziell auf die Spannungsregelungs- und Kompensationswicklungen des Ultrahochspannungstransformators zugeschnittenen Schutz.

Stabilitäts- und Sicherheitslogik

Bei der Auslegung des Fehlererkennungssystems für den Ultrahochspannungstransformator muss anhand der folgenden Methoden zwischen tatsächlichen Fehlern und transienten Phänomenen unterschieden werden.

Harmonische Zurückhaltung

Wenn ein Ultrahochspannungstransformator im unbelasteten Zustand unter Spannung gesetzt wird, kann ein hoher Magnetisierungs-Einschaltstrom auftreten. Dieser Strom kann vom Schutzsystem des Transformators als interner Fehler interpretiert werden. Dies liegt daran, dass der Einschaltstrom stark verzerrt ist und viele sekundäre Oberschwingungen enthält. Dies lässt sich verhindern, wenn die Relais über eine Funktion zur Unterdrückung der zweiten Oberschwingung verfügen, um ein Auslösen des Transformators aufgrund dieses Stroms zu verhindern.

Fünfte harmonische Einschränkung

Die Oberwellenunterdrückung schützt den elektrischen Transformator vor einer Übererregung, die bei hohen Netzspannungen im elektrischen Transformator auftreten kann. Dieser spezielle Zustand, der als Unterdrückung der fünften Oberwelle bezeichnet wird, erzeugt eine starke fünfte Oberwellenkomponente im elektrischen Transformator.

CT-Sättigungskompensation

Diese Kompensation dient dazu, externe Fehler zu kompensieren, die zu einer Sättigung der Stromwandler führen können. Die Verhinderung dieser externen Fehler ist von großer Bedeutung, da sie einen Differenzstrom im Stromwandlerkreis verursachen können. Die modernen, numerisch gesteuerten Relais der Stromwandler nutzen Algorithmen, um solche Situationen zu erkennen und tragen dazu bei, das System zu stabilisieren und es vor unerwünschten Auslösungen jeglicher Art zu schützen.

Fazit

Ultrahochspannungs-Transformatoren benötigen ein spezielles Differentialschutzsystem, da das herkömmliche Einzonen-Differentialschutzschema nicht effizient genug ist, um Ultrahochspannungs-Transformatoren zu schützen. Diese Transformatoren weisen einen sehr komplexen elektrischen Aufbau auf und erfordern daher ein spezielles Schutzsystem. Daelim Transformer entwickelt und fertigt für seine Kunden Ultrahochspannungstransformatoren mit Differentialschutzsystemen, und unsere Transformatoren entsprechen internationalen Normen wie IEEE, ANSI, CSA und anderen. Bei Fragen und für Angebote wenden Sie sich bitte an, kontaktieren Sie uns.

Häufig gestellte Fragen