Magnetisierungseinschaltstrom als Ursache für Fehlauslösung des Differentialschutzes im Haupttransformator: Warum versagt die Zweit-Oberschwingungs-Sperre?

Nach einer Generalüberholung wurde ein 31,5-MVA-Haupttransformator im Leerlauf eingeschaltet – „Auslösung!“ Der Differentialschutz sprach an – doch vor Ort gab es nicht das geringste Anzeichen für einen Fehler. Es lag kein Fehler vor, dennoch kam es zu einer ungeplanten Stromunterbrechung:

Warum „erkennt“ das Schutzsystem den Magnetisierungs-Einschaltstromstoß nicht, obwohl es sich genau darum handelt?

Fazit in einem Satz:

Der Zweit-Oberschwingungsanteil des dreiphasigen Einschaltstromstoßes liegt durchgängig unter der Blockierschwelle von 15 % (wobei die höchste Phase bei etwa 10 % liegt). Infolgedessen versagt das alleinige Kriterium der „Zweit-Oberschwingungs-Sperre“, was zu einer Fehlidentifikation des Einschaltstromstoßes als interner Fehler führt. Die Hauptursache liegt in der kombinierten Wirkung von „hohem Remanenzmagnetismus plus Systemresonanzcharakteristiken“, die den Oberschwingungsanteil des Einschaltstromstoßes erheblich verringern. Darüber hinaus fehlt dem Schutzkonzept ein Backup-Kriterium basierend auf der Wellenformsymmetrie oder dem Diskontinuitätswinkel.

I. Beschreibung des Vorfalls (Anonymisiert)

• Szenario: Ein bestimmtes 110-kV-Umspannwerk – nach der Generalüberholung wird Haupttransformator Nr. 1 (31,5 MVA, 110/35/10 kV; indikative Parameter) im Leerlauf eingeschaltet.
• Phänomen: Im Moment des Einschaltens spricht der Differentialschutz des Haupttransformators (Prozent-Differentialschutz + Zweit-Oberschwingungs-Sperre) an und löst die Leistungsschalter auf allen drei Seiten aus.
• Auswirkungen: Das Umspannwerk erlebte eine kurze Stromunterbrechung. Nach der Umstellung in den Wartungsmodus war die zweite Wiedereinschaltung erfolgreich, und es kam zu keinen Geräteschäden. Die Fehlauslösung löste jedoch eine ungeplante Stromunterbrechung aus.
• Erste Reaktion: Verdacht auf „Einschalten bei internem Fehler“ oder „Schaltkreisproblem“.

II. Beweise vor Ort (Wellenformcharakteristiken)

Warum tritt beim Zuschalten im Leerlauf ein Einschaltstrom auf?

Der Einschaltstrom existiert nur auf der Versorgungsseite (der Zuschaltseite); auf der anderen Seite fließt kein Strom. Sobald der Differentialschutz einen Einschaltstrom auf nur einer Seite erkennt, bildet sich sofort ein Differenzstrom, was unweigerlich zum Auslösen des Differentialrelais führt. Ob der Schutz korrekt blockiert werden kann, hängt ausschließlich von den Kriterien zur Identifizierung des Einschaltstroms ab.

III. Schlusskette (Vom Phänomen zur Grundursache)

1. Zuerst auf Fehler prüfen: Gasanalyse, Ölchromatographie, äußerer Zustand und Isolierung – alles normal → Es liegt kein echter Fehler vor; der Einschaltstrom wurde falsch identifiziert.
2. Schaltkreis erneut prüfen: Polarität und Betrieb der Stromwandler sind beide korrekt → Es liegt kein Schaltkreisfehler vor.
3. Blockierungskriterium-Ebene: Die während des Fehlers aufgezeichnete Wellenform zeigt deutlich einen Einschaltstrom – warum hat die Blockierung dann nicht funktioniert? – Das Blockierungskriterium lautet „Anteil der zweiten Harmonischen > Schwellenwert (15%)“; diesmal liegen jedoch die Verhältnisse der zweiten Harmonischen I₂/I₁ für alle drei Phasen unterhalb des Schwellenwerts (wobei die höchste Phase bei etwa 10 % liegt): Physikalisch handelt es sich um einen Einschaltstrom, aber nach dem Kriterium sind die Blockierungsbedingungen nicht erfüllt. (Hinweis: Bei der mikroprozessorbasierten Schutztechnik ist die Blockierung durch die zweite Harmonische phasenspezifisch; jede Phase wird unabhängig verglichen, und die Blockierungsaktion gilt für die entsprechende Phase oder nimmt den Maximalwert unter den Phasen an.)
4. Um weiter zu untersuchen, warum die zweite Harmonische so niedrig ist, betrachten wir zwei überlappende Faktoren: ① Kurz bevor der Haupttransformator zugeschaltet wurde, war kürzlich ein dreiphasiger Fehler im Nahbereich beseitigt worden, was zu einer hohen Restmagnetisierung im Kern führte. Der Zuschaltwinkel, der auf diese Restmagnetisierung überlagert wurde, verursachte eine starke Schieflage des Einschaltstroms, was die Harmonischen-Charakteristik veränderte und den Anteil der zweiten Harmonischen reduzierte. ② Die Resonanzcharakteristiken, die durch die Parallelkondensatorbank innerhalb der Umspannstation und die Systemimpedanz gebildet werden, verändern die Verteilung der Einschaltstrom-Oberschwingungen am Abtastpunkt (ein Shunt-Effekt), wodurch der Anteil der zweiten Harmonischen weiter gesenkt wird. (Dieser Faktor ist in der Ingenieurcommunity umstritten und wird hier als ergänzende Erklärung angegeben.)
5. Schwachstelle der Schutzkonfiguration: Dieses Schutzkonzept stützt sich ausschließlich auf das Kriterium der „Blockierung durch die zweite Harmonische“ und berücksichtigt nicht das Symmetrieprinzip der Wellenform oder das Lückenwinkelkriterium als Backup-Maßnahmen. Wenn das einzelne Kriterium versagt, verliert die gesamte Leitung ihren Schutz.

IV. Physikalische Grundursache (ein Satz)

Der Anteil der zweiten Harmonischen des Einschaltstroms wird durch „hohe Remanenz plus System-Resonanzcharakteristiken“ unter die Blockierungsschwelle gedrückt, während sich das Schutzkonzept ausschließlich auf ein Blockierungskriterium der zweiten Harmonischen stützt. Infolgedessen wird die Unterscheidungskette zwischen Einschaltstrom und internen Fehlern unwirksam.

Dies offenbart einen Mangel in der Fähigkeit, zwischen Redundanz und Komponentenausfall zu unterscheiden – jede einzelne Einschaltstrom-Charakteristik kann unter bestimmten Betriebsbedingungen die Spezifikationen nicht erfüllen. Der Anteil der zweiten Harmonischen von Einschaltströmen in modernen Hochleistungstransformatoren mit geringen Verlusten (die typischerweise hochpermeable Siliziumstahl- oder amorphe Eisenkerne verwenden, wie sie häufig in Verteiltransformatoren eingesetzt werden) ist im Allgemeinen recht niedrig, und dies ist zu einem in der Branche anerkannten Risikofaktor geworden.

V. Korrektur und Prävention (Drei Handlungslinien)

1. Schutzlogik (höchste Priorität)

• Das Prinzip der Wellenform-Symmetrie und das Lückenwinkelkriterium bilden in Kombination mit der Blockierung durch die zweite Harmonische eine „ODER“-Logik – das bedeutet, dass der Differentialschutz blockiert wird, sobald eines dieser Kriterien erfüllt ist (dieser Ansatz entspricht der Methode, die auf dem Relaisschutz-Forum 2014 diskutiert wurde: „Blockierung durch zweite Harmonische + Analyse der Wellenform-Symmetrie zur Verhinderung von Fehlauslösungen durch Einschaltströme“).
• Überprüfung des Blockierungsverhältnisses der zweiten Harmonischen (Beispiel: 15 % → 12 %) und gleichzeitige Verifizierung der Empfindlichkeit gegenüber internen Fehlern (einschließlich Einschaltstromkomponenten), um eine falsche Blockierung und Verzögerung der Auslösung bei tatsächlichen Fehlern zu verhindern.
• Beibehaltung des Differential-Schnellauslöserschutzes (ohne Einschaltstromblockierung), um eine zuverlässige und schnelle Auslösung beim Zuschalten auf einen internen Fehler zu gewährleisten.
• Der Übertragungstest wurde um einen neuen Testpunkt – „Simulierter Einschaltstrom mit niedrigem Anteil der zweiten Harmonischen“ – erweitert, um die Betriebsgrenzen des kombinierten Kriteriums zu verifizieren.

2. Betriebsart

• Die Zuschaltung des Haupttransformators wird vorrangig mit der phasenselektiven Zuschalteinrichtung durchgeführt (welche die Amplitude des Einschaltstroms und die Oberschwingungsverzerrung unterdrückt).
• Vor dem Schließen des Schalters ist die Auswirkung der Betriebsart der Parallelkondensatorbank auf die Oberschwingungs-Abtastverteilung zu bewerten (und gegebenenfalls eine Gruppe vorübergehend abzuschalten).

3. Management und Archivierung

• Jedes Mal, wenn der Haupttransformator eingeschaltet wird und seine Wellenformdaten aufgezeichnet und abgelegt werden, wird eine Datenbank der Einschaltstrom-Charakteristiken für diesen spezifischen Haupttransformator aufgebaut, die als Grundlage für die Überprüfung der Einstellungswerte und die Fehleranalyse dient.
• Nach der Wartung ist das Standard-Entmagnetisierungsverfahren durchzuführen, um die Auswirkungen der Restmagnetisierung zu verringern.
• „Fehlauslösung durch Einschaltstrom mit niedrigem Anteil der zweiten Harmonischen“ als Fallstudie in die Gegenmaßnahmen-Schulung des Wartungsteams aufnehmen.

VI. Experten-Q&A (FAQ)

F1: Bei welchem Anteil der zweiten Harmonischen im Einschaltstrom wird das Risiko einer Fehlauslösung ausgelöst?

Es wird unwirksam, wenn die Schwelle für die Blockierung (die 15 % angibt) nicht erreicht wird. In der Ingenieurpraxis ist es nicht ungewöhnlich, dass das Dreiphasenverhältnis I₂/I₁ bei Einschaltströmen unter 10 %–12 % fällt – Faktoren wie Kerne mit großer Kapazität und geringen Verlusten, Zuschaltung bei hoher Remanenz und System-Resonanzcharakteristiken neigen alle dazu, den Oberschwingungsgehalt zu unterdrücken. Daher sollte man „zweite Harmonische > 15 %“ nicht als unvermeidliches Ereignis betrachten.

F2: Welche anderen Kriterien zur Einschaltstromerkennung gibt es neben der zweiten Harmonischen?

Die vier gängigsten Methoden sind: ① Blockierung durch die zweite Harmonische; ② Lückenwinkel-Diskriminierung (der Lückenwinkel des einphasigen Einschaltstroms liegt typischerweise zwischen 60° und 120°; phasenweise Diskriminierung – aufgrund unterschiedlicher Zuschaltwinkel oder Restmagnetisierung ist der Lückenwinkel bei dreiphasigen Einschaltströmen in mindestens einer Phase meist nicht deutlich ausgeprägt; Fehlerströme weisen hingegen keine Lücke auf); ③ Symmetrieprinzip der Wellenformen (Einschaltströme weisen eine Asymmetrie zwischen den beiden Halbzyklen vor und nach dem Einschalten auf, während Fehlerwellenformen symmetrisch sind); ④ Diskriminierung basierend auf magnetischen Flusscharakteristiken (ΔΦ). Moderne Schutzkonzepte sollten mindestens ein doppeltes Kriterium oder eine logische Kombination aus „zweite Harmonische + Wellenform-Symmetrie/Lückenwinkel“ verwenden.

F3: Wenn Sie vor Ort eine Fehlauslösung des Differentialschutzes des Haupttransformators feststellen, was sollten Sie zuerst überprüfen?

Befolgen Sie die folgende Sequenz: "Zuerst tatsächliche Fehler ausschließen → Dann die Schaltkreisverkabelung prüfen → Schließlich die Betriebskriterien verifizieren": ① Gas-/Ölchromatographie/Isolierung/Sichtprüfung bestätigen keine tatsächlichen Fehler; ② Überprüfen Sie die Verdrahtung der Stromwandlerpolarität und führen Sie Betriebstests durch; ③ Analysieren Sie die Wellenformaufzeichnung qualitativ (Handelt es sich um einen Einschaltstrom? Liegt ein Fehlerzustand vor?) und berechnen Sie den Oberschwingungsgehalt und die Reserve gegenüber den Auslöseschwellen neu; ④ Bestätigen Sie, dass die Schutzeinstellungen dem Status der Schaltgeräte entsprechen. Die Wellenformaufzeichnung dient als entscheidender Beweis – erfassen Sie zuerst die Wellenform, bevor Sie physische Eingriffe vornehmen.

Es gibt kein einzelnes "Wundermittel" zur Identifizierung von Einschaltströmen – wenn sich die Betriebsbedingungen ändern, kann ein einzelnes Kriterium leicht unwirksam werden. Eine Kombination mehrerer Kriterien, gekoppelt mit der Merkmalsprofilierung, ist die technische Lösung für den Transformator-Differentialschutz.