Schutz der Stromzuleitung durch Differenzschutz

Definition der Schutzdifferenzierung für Busleitern

Die Schutzdifferenzierung für Busleitern ist ein Verfahren, das durch den Vergleich der in die Busleitung eintretenden und aus ihr austretenden Ströme mithilfe des Kirchhoffschen Stromgesetzes schnelle Fehlersicherungen ermöglicht.

Stromdifferenzschutz

Das Prinzip des Busleitenschutzes basiert auf dem Kirchhoffschen Stromgesetz, wonach der Gesamtstrom, der einen elektrischen Knoten betritt, genau gleich dem Gesamtstrom ist, der den Knoten verlässt. Daher ist der insgesamt in eine Bussektion eintretende Strom gleich dem insgesamt aus dieser Bussektion austretenden Strom.

Das Prinzip des Differenzschutzes für Busleitungen ist sehr einfach. Hier werden die Sekundärwindungen der Stromtransformator (CTs) parallel geschaltet. Das bedeutet, dass die S1-Anschlüsse aller CTs miteinander verbunden sind und einen Busdraht bilden. Gleiches gilt für die S2-Anschlüsse, die ebenfalls miteinander verbunden werden, um einen zweiten Busdraht zu bilden. Ein Auslöserelais wird zwischen diesen beiden Busdrähten angeschlossen.

 In der obigen Abbildung nehmen wir an, dass unter normalen Bedingungen die Speisungen A, B, C, D, E und F die Ströme IA, IB, IC, ID, IE und IF tragen. Gemäß dem Kirchhoffschen Stromgesetz,

 Wesentlich alle für den Differenzschutz von Busleitungen verwendeten CTs haben das gleiche Stromverhältnis. Daher muss auch die Summe aller Sekundärströme gleich null sein.

 Nehmen wir nun an, der durch das Relais fließende Strom, das parallel zu allen Sekundärwindungen der CTs angeschlossen ist, sei iR, und iA, iB, iC, iD, iE und iF seien die Sekundärströme. Wenden wir nun KCL am Knoten X an. Gemäß KCL am Knoten X,

 Es ist also klar, dass unter normalen Bedingungen kein Strom durch das Auslöserelais des Busleitenschutzes fließt. Dieses Relais wird im Allgemeinen als Relais 87 bezeichnet. Nehmen wir nun an, es tritt ein Fehler an einer der Speisungen außerhalb des geschützten Bereichs auf.

In diesem Fall fließt der Fehlerstrom durch die Primärseite des CTs dieser Speisung. Dieser Fehlerstrom wird von allen anderen an der Busleitung angeschlossenen Speisungen beigesteuert. Der beigetragene Teil des Fehlerstroms fließt daher durch den entsprechenden CT der jeweiligen Speisung. Daher, wenn wir bei fehlerhaften Bedingungen KCL am Knoten K anwenden, erhalten wir immer noch, i R = 0

Das bedeutet, dass bei externen Fehlern kein Strom durch Relais 87 fließt. Betrachten wir nun eine Situation, in der der Fehler direkt auf der Busleitung selbst auftritt. In diesem Fall wird der Fehlerstrom ebenfalls von allen an der Busleitung angeschlossenen Speisungen beigesteuert. Daher ist in diesem Zustand die Summe aller beigetragenen Fehlerströme gleich dem gesamten Fehlerstrom.

An der fehlerhaften Stelle gibt es jedoch keinen CT. (Bei externen Fehlern fließen sowohl der Fehlerstrom als auch der beigetragene Strom durch verschiedene CTs). Die Summe aller Sekundärströme ist nicht länger null. Sie entspricht dem sekundären Äquivalent des Fehlerstroms. Wenn wir nun KCL an den Knoten anwenden, erhalten wir einen Wert von i R, der ungleich null ist.

 In diesem Zustand beginnt der Strom, durch Relais 87 zu fließen, und löst die Schaltkreise aller an diese Bussektion angeschlossenen Speisungen aus.

Da alle an diese Bussektion angeschlossenen Eingangs- und Ausgangsspeisungen abgetrennt werden, ist die Busleitung tot. Diese Differenzschutzmethode für Busleitungen wird auch als Stromdifferenzschutz der Busleitung bezeichnet.

Sektionierte Busleitenschutz

Während wir das Arbeitsprinzip des Stromdifferenzschutzes für Busleitungen erläuterten, zeigten wir eine einfache, nicht sektionierte Busleitung. In moderat hochspannungsreichen Systemen wird die elektrische Busleitung jedoch in mehrere Sektionen unterteilt, um die Stabilität des Systems zu erhöhen.

Dies geschieht, damit ein Fehler in einer Sektion der Busleitung andere Sektionen des Systems nicht stört. Bei einem Busfehler würde daher die gesamte Busleitung unterbrochen. Zeichnen und diskutieren wir nun den Schutz einer Busleitung mit zwei Sektionen.

Hier wird die Bussektion A oder Zone A durch CT 1, CT2 und CT3 begrenzt, wobei CT1 und CT2 Speisungs-CTs und CT3 ein Bus-CT sind.

Spannungs-Differenzschutz

Das Stromdifferenzschutzsystem ist nur dann empfindlich, wenn die CTs nicht sättigen und das gleiche Stromverhältnis sowie den gleichen Phasenwinkelfehler auch bei maximalen Fehlern aufrechterhalten. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, insbesondere bei externen Fehlern an einer der Speisungen. Der CT der fehlerhaften Speisung kann durch den Gesamtstrom sättigen und dadurch große Fehler aufweisen. Aufgrund dieser großen Fehler kann die Summe der Sekundärströme aller CTs in einer bestimmten Zone nicht null sein.

 Es besteht daher eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass auch bei externen großen Fehlern alle mit diesem Schutzbereich verbundenen Schaltkreise ausgelöst werden. Um dieses Fehlverhalten des Stromdifferenzschutzes für Busleitungen zu verhindern, werden die 87-Relais mit hohem Ansprechstrom und ausreichender Zeitverzögerung versehen. Die größte Ursache für die Sättigung von Stromtransformatorn ist die transiente Gleichstromkomponente des Kurzschlussstroms.

Diese Schwierigkeiten können durch die Verwendung von Luftspulen-CTs überwunden werden. Diese Stromtransformator wird auch als linearer Koppler bezeichnet. Da die Spule des CTs kein Eisen verwendet, ist die sekundäre Kennlinie dieser CTs eine Gerade. Beim Spannungsdifferenzschutz für Busleitungen werden die CTs aller eingehenden und ausgehenden Speisungen in Reihe anstatt parallel geschaltet.

Die Sekundärwindungen aller CTs und das Differenzrelais bilden eine geschlossene Schleife. Wenn die Polarität aller CTs korrekt angepasst ist, ist die Summe der Spannungen über allen Sekundärwindungen null. Daher erscheint keine resultierende Spannung am Differenzrelais. Wenn ein Busfehler auftritt, ist die Summe der Spannungen über allen Sekundärwindungen nicht länger null. Daher fließt in der Schleife aufgrund der resultierenden Spannung ein Strom.

Da dieser Schleifenstrom auch durch das Differenzrelais fließt, wird das Relais aktiviert, um alle mit dem geschützten Busbereich verbundenen Schaltkreise auszulösen. Außer wenn der Erdfehlerstrom durch neutrale Impedanz stark begrenzt wird, gibt es in der Regel kein Selektivitätsproblem. Falls ein solches Problem besteht, wird es durch die Verwendung zusätzlicher, sensiblerer Relais, einschließlich eines überwachenden Schutzrelais, gelöst.

Bedeutung der selektiven Isolierung

Moderne Systeme benötigen eine selektive Isolierung, um nur die fehlerhaften Abschnitte abzutrennen, um Stromunterbrechungen zu minimieren und eine schnelle Fehlerbehebung sicherzustellen.