Analyse der Ursachen für Fehlfunktionen des Erdtransformator-Schutzes
Im chinesischen Stromnetz verwenden die 6-kV-, 10-kV- und 35-kV-Netze im Allgemeinen einen isolierten Neutralleiter-Betriebsmodus. Die Verteilungsspannungsseite der Haupttransformatoren im Netz ist üblicherweise in Dreieckschaltung verbunden, wodurch kein Neutralpunkt für den Anschluss von Erdungswiderständen zur Verfügung steht. Wenn in einem System mit isoliertem Neutralleiter ein einphasiger Erdschluss auftritt, bleibt das Strangspannungs-Dreieck symmetrisch, was die Betriebsabläufe der Verbraucher nur geringfügig beeinträchtigt. Zudem können einige vorübergehende Erdschlüsse bei relativ kleinem kapazitivem Strom (weniger als 10 A) von selbst erlöschen, was sehr effektiv zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Stromversorgung und zur Reduzierung von Ausfällen beiträgt.
Mit der stetigen Expansion und Entwicklung der Stromwirtschaft genügt diese einfache Methode jedoch nicht mehr den aktuellen Anforderungen. In modernen städtischen Stromnetzen hat die zunehmende Verwendung von Kabelleitungen zu deutlich höheren kapazitiven Strömen (mehr als 10 A) geführt. Unter diesen Bedingungen kann der Lichtbogen am Erdschlussort nicht zuverlässig gelöscht werden, was folgende Folgen nach sich zieht:
Das intermittierende Erlöschen und Wiederzünden des einphasigen Erdbogens kann Lichtbogen-Erdschluss-Überspannungen erzeugen, deren Amplituden bis zu 4U (wobei U die Spitzenphasenspannung ist) oder sogar darüber erreichen können und über längere Zeiträume andauern. Dies stellt eine ernste Gefahr für die Isolation elektrischer Geräte dar, kann Durchschläge an schwachen Isolationsstellen verursachen und zu erheblichen Schäden führen.
Ein anhaltender Lichtbogen ionisiert die umgebende Luft, verschlechtert deren isolierende Eigenschaften und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Phasenkurzschlüssen.
Ferroresonanz-Überspannungen können auftreten, wodurch Spannungswandler und Überspannungsableiter leicht beschädigt werden – möglicherweise sogar bis hin zu Explosionen der Ableiter. Diese Folgen gefährden schwerwiegend die Isolationsintegrität der Netzausrüstung und bedrohen den sicheren Betrieb des gesamten Stromsystems.
Um solche Vorfälle zu verhindern und ausreichenden Nullstrom und -spannung bereitzustellen, um einen zuverlässigen Betrieb des Erdschluss-Schutzes sicherzustellen, muss ein künstlicher Neutralpunkt geschaffen werden, damit ein Erdungswiderstand angeschlossen werden kann. Dieser Bedarf führte zur Entwicklung von Erdungstransformatoren (allgemein als „Erdungstransformatoren“ oder „Erdungseinheiten“ bezeichnet). Ein Erdungstransformator schafft künstlich einen Neutralpunkt mit einem Erdungswiderstand, der typischerweise einen sehr niedrigen Widerstand aufweist (üblicherweise weniger als 5 Ohm).
Zusätzlich weist der Erdungstransformator aufgrund seiner elektromagnetischen Eigenschaften eine hohe Impedanz gegenüber positiven und negativen Stromkomponenten auf, sodass nur ein geringer Magnetisierungsstrom durch die Wicklungen fließt. An jedem Kernschenkel sind zwei Wicklungsabschnitte entgegengesetzt gewickelt. Wenn gleiche Nullstromkomponenten durch diese Wicklungen fließen, zeigen sie eine niedrige Impedanz, was unter Nullstrombedingungen zu einer minimalen Spannungsabfall an den Wicklungen führt.
Speziell während eines Erdschlusses leitet die Wicklung positive, negative und Nullstromkomponenten. Sie zeigt eine hohe Impedanz gegenüber positiven und negativen Stromkomponenten, jedoch eine niedrige Impedanz gegenüber der Nullstromkomponente. Dies liegt daran, dass innerhalb derselben Phase die beiden Wicklungen in Serie mit entgegengesetzter Polarität verbunden sind; ihre induzierten elektromotorischen Kräfte sind betragsmäßig gleich, aber richtungsweise entgegengesetzt und heben sich somit gegenseitig auf, wodurch eine niedrige Impedanz gegenüber der Nullstromkomponente entsteht.
In vielen Anwendungen dienen Erdungstransformatoren ausschließlich dazu, einen Neutralpunkt mit kleinem Erdungswiderstand bereitzustellen, und versorgen keine sekundäre Last. Daher werden viele Erdungstransformatoren ohne Sekundärwicklung konstruiert. Während des normalen Netzbetriebs arbeitet der Erdungstransformator im Wesentlichen im Leerlaufzustand. Im Fehlerfall jedoch trägt er nur kurzzeitig den Fehlerstrom. In einem Niedrigwiderstands-geerdeten System identifiziert ein hochempfindlicher Nullstromschutz bei einem einphasigen Erdschluss auf der 10-kV-Seite schnell und trennt temporär den fehlerhaften Abzweig ab.
Der Erdungstransformator ist nur während des kurzen Zeitraums zwischen dem Auftreten des Fehlers und dem Ansprechen des Nullstromschutzes des Abzweigs aktiv. In dieser Zeit fließt der Nullstrom durch den Neutralpunkt-Erdungswiderstand und den Erdungstransformator gemäß der Formel: I_R = U / (R₁ + R₂), wobei U die Phasenspannung des Systems ist, R₁ der Neutralpunkt-Erdungswiderstand und R₂ der zusätzliche Widerstand in der Erdschluss-Schleife ist.
Auf Grundlage der obigen Analyse sind die Betriebsmerkmale eines Erdungstransformators: Langzeitbetrieb im Leerlauf und kurzzeitige Überlast während eines Fehlers.
Zusammenfassend schafft ein Erdungstransformator künstlich einen Neutralpunkt, um einen Erdungswiderstand anzuschließen. Während eines Erdschlusses zeigt er eine hohe Impedanz gegenüber positiven und negativen Stromkomponenten, jedoch eine niedrige Impedanz gegenüber der Nullstromkomponente, wodurch ein zuverlässiger Betrieb des Erdschluss-Schutzes gewährleistet wird.
Derzeit erfüllen in Umspannwerken installierte Erdungstransformatoren zwei Hauptaufgaben:
Versorgung von Wechselstrom für die Niederspannungs-Hilfsbetriebe im Umspannwerk;
Schaffung eines künstlichen Neutralpunkts auf der 10-kV-Seite, der zusammen mit einer Löschspule (Petersenspule) den kapazitiven Erdschlussstrom bei einphasigen 10-kV-Erdschlüssen kompensiert und dadurch den Lichtbogen am Fehlerort löscht. Das Prinzip ist wie folgt:
Entlang der gesamten Länge der Leiter in einem dreiphasigen Stromnetz existieren Kapazitäten sowohl zwischen den Phasen als auch zwischen jeder Phase und Erde. Wenn der Neutralpunkt des Netzes nicht fest geerdet ist, wird die Erdkapazität der fehlerhaften Phase beim einphasigen Erdschluss null, während die Spannungen der anderen beiden Phasen auf das √3-fache der normalen Phasenspannung ansteigen. Obwohl diese erhöhte Spannung innerhalb der Grenzen des Isolationsdesigns bleibt, erhöht sie deren Erdkapazität. Der kapazitive Erdschlussstrom bei einem einphasigen Fehler beträgt etwa das Dreifache des normalen kapazitiven Stroms pro Phase. Wenn dieser Strom groß ist, hält er leicht intermittierende Lichtbögen aufrecht, regt Resonanzschwingungen im induktiv-kapazitiven Stromkreis des Netzes an und erzeugt Überspannungen bis zum 2,5- bis 3-fachen der Phasenspannung. Je höher die Netzspannung ist, desto größer ist das Risiko durch solche Überspannungen. Deshalb dürfen nur Systeme unter 60 kV mit isoliertem Neutralpunkt betrieben werden, da dort die kapazitiven einphasigen Erdschlussströme klein bleiben. Für Systeme mit höherer Spannung muss ein Erdungstransformator verwendet werden, um den Neutralpunkt über eine Impedanz zu verbinden.
Wenn eine Seite des Hauptschalters einer Umspannstation (z.B. die 10 kV-Seite) in Delta- oder Sternschaltung ohne ausgeführten Neutralleiter verbunden ist und der einphasige kapazitive Erdstrom groß ist, gibt es keinen verfügbaren Neutralpunkt für die Erdung. In solchen Fällen wird ein Erdtransformator eingesetzt, um einen künstlichen Neutralpunkt zu schaffen, was die Verbindung zu einer Bögenlöscherwicklung ermöglicht. Dieser künstliche Neutralpunkt ermöglicht dem System, den kapazitiven Strom auszugleichen und Erdbögen zu löschen – dies ist die grundlegende Funktion des Erdtransformators.
Während des normalen Betriebs erfährt der Erdtransformator ein ausgewogenes Dreiphasenspannungssystem und führt nur einen geringen Anregungsstrom, praktisch unbelastet. Der Spannungsunterschied zwischen Neutralpunkt und Erde beträgt null (wobei kleine Verschiebungen durch die Bögenlöscherwicklung vernachlässigt werden), und kein Strom fließt durch die Wicklung. Wenn beispielsweise Phase C einen Erdfehler erleidet, fließt die resultierende Nullfolgespannung (abgeleitet von der Asymmetrie) durch die Bögenlöscherwicklung zur Erde. Die Wicklung erzeugt einen induktiven Strom, der den kapazitiven Erdfehlstrom ausgleicht und somit den Bogen löscht – funktionell identisch mit einem eigenständigen Bögenlöschgerät.
In den letzten Jahren sind in 110 kV-Umspannstationen in einer bestimmten Region mehrere Fehlfunktionen des Schutzes des Erdtransformators aufgetreten, die die Netzstabilität stark beeinträchtigten. Um die Ursachen zu identifizieren, wurden Analysen durchgeführt, Korrekturmaßnahmen implementiert und Erfahrungen geteilt, um Wiederholungen zu vermeiden und andere Regionen zu leiten.
Mit zunehmender Verwendung von Kabelspeisern in 10 kV-Netzen von 110 kV-Umspannstationen sind die einphasigen kapazitiven Erdströme erheblich gestiegen. Um die Überspannungsmagnitude bei Erdfehlern zu unterdrücken, installieren viele 110 kV-Umspannstationen nun Erdtransformatoren, um eine niedrigohmige Erdung zu implementieren und einen Nullfolgestrompfad zu etablieren. Dies ermöglicht eine selektive Nullfolgeschutz, um Erdfehler basierend auf ihrer Position zu isolieren, um das Wiederaufleuchten von Bögen zu verhindern und eine sichere Energieversorgung sicherzustellen.
Seit 2008 hat eine bestimmte Region ihre 10 kV-Systeme von 110 kV-Umspannstationen zu einer niedrigohmigen Erdung umgerüstet, indem Erdtransformatoren und zugehörige Schutzgeräte installiert wurden. Dies ermöglicht eine schnelle Isolierung eines beliebigen 10 kV-Speiser-Erdfehlers und minimiert den Einfluss auf das Netz. Allerdings haben kürzlich fünf 110 kV-Umspannstationen in der Region wiederholte Fehlfunktionen des Schutzes des Erdtransformators erfahren, was Ausfälle verursacht und die Netzstabilität bedroht. Daher ist es wesentlich, die Ursachen zu identifizieren und Lösungen zu implementieren.
1. Analyse der Ursachen für Fehlfunktionen des Schutzes des Erdtransformators
Wenn ein 10 kV-Speiser einen Erdfehler erleidet, sollte der Nullfolgeschutz des Speisers in der 110 kV-Umspannstation zuerst arbeiten, um den Fehler zu isolieren. Falls dies fehlschlägt, löst der Rückfall-Nullfolgeschutz des Erdtransformators die Buskopplung und den Haupttransformatorsschalter aus, um den Fehler einzudämmen. Daher ist die korrekte Funktion des 10 kV-Speiserschutzes und der Schalter entscheidend. Eine statistische Analyse der Fehlfunktionen in fünf Umspannstationen zeigt, dass das Scheitern des Speiserschutzes die Hauptursache ist.
Der 10 kV-Speiser-Nullfolgeschutz funktioniert wie folgt: Nullfolge-Durchflussmessumformer (CT) abtastet → Schutz startet → Schalter fällt aus. Die Schlüsselkomponenten sind der Nullfolge-CT, der Schutzrelais und der Schalter. Die Analyse konzentriert sich auf diese:
1.1 Fehlfunktionen durch Fehler des Nullfolge-CTs
Bei einem Erdfehler detektiert der Nullfolge-CT des defekten Speisers den Fehlerstrom und löst seinen Schutz aus. Gleichzeitig spürt der Nullfolge-CT des Erdtransformators den Strom ebenfalls. Um Selektivität zu gewährleisten, sind die Einstellungen des Speiserschutzes (z.B. 60 A, 1,0 s) niedriger als die des Erdtransformators (z.B. 75 A, 1,5 s zum Auslösen der Buskopplung, 2,5 s zum Auslösen des Haupttransformators). Allerdings können CT-Fehler (z.B. -10% für den Erdtransformator-CT, +10% für den Speiser-CT) dazu führen, dass die tatsächlichen Ansprechströme fast gleich sind (67,5 A vs. 66 A), wodurch nur die Zeitverzögerung entscheidend wird. Dies erhöht das Risiko eines Übergriffs des Erdtransformators.
1.2 Fehlfunktionen durch falsche Erdung des Kabelschirms
10 kV-Speiser verwenden geschirmte Kabel, deren Schirme an beiden Enden geerdet sind – eine gängige Praxis zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen. Nullfolge-CTs sind in der Regel toroidförmig und am Ausgang der Schaltanlage um das Kabel herum installiert. Bei einem Erdfehler induziert der ungleichmäßige Strom ein Signal im CT. Wenn jedoch der Schirm an beiden Enden geerdet ist, passieren auch zirkulierende Schirmströme den CT, was die Messung verzerrt. Ohne korrekte Installation (z.B. Schirm-Erdschlussleitung korrekt durch den CT geführt) kann der Speiserschutz versagen, was zu einem Übergriff des Erdtransformators führt.
1.3 Fehlfunktionen durch Versagen des Speiserschutzes
Obwohl mikroprozessorbasierte Relais eine hohe Leistung bieten, variiert die Produktqualität. Häufige Fehler betreffen die Energieversorgung, Abtastung, CPU oder Auslösemodule. Wenn diese nicht entdeckt werden, können sie zu einem Versagen des Schutzes führen und zu Fehlfunktionen des Erdtransformators.
1.4 Fehlfunktionen durch Versagen des Speiserschalters
Alter, häufige Operationen oder minderwertige Schalter (insbesondere ältere GG-1A-Typen in ländlichen Gebieten) erhöhen das Ausfallrisiko. Fehler in der Steuerschaltung – insbesondere verbrannte Auslösewicklungen – verhindern, dass der Schalter auch dann arbeitet, wenn der Schutz einen Auslösebefehl gibt, was den Rückfall-Schutz des Erdtransformators aktiviert.
1.5 Fehlfunktionen durch hochimpedanzige Erdfehler an einem oder zwei Speisern
Wenn zwei Speiser gleichzeitig hochimpedanzige Erdfehler auf derselben Phase erleiden, können die individuellen Nullfolgeströme (z.B. 40 A und 50 A) unterhalb des Speiser-Anspruchs (60 A) bleiben, aber ihre Summe (90 A) überschreitet die Einstellung des Erdtransformators (75 A), was zu einem Übergriff führt. Sogar ein einzelner schwerer hochimpedanziger Fehler (z.B. 58 A) kombiniert mit normalem kapazitivem Strom (z.B. 12–15 A) kann 75 A erreichen. Systemstörungen können dann Fehlfunktionen auslösen.
2. Maßnahmen zur Verhinderung von Fehlfunktionen
2.1 Behandlung von CT-Fehlern
Verwenden Sie hochwertige Nullfolge-CTs; lehnen Sie Einheiten mit >5% Fehler bei der Inbetriebnahme ab; setzen Sie Schwellenwerte basierend auf Primärwerten; überprüfen Sie Einstellungen mittels Primärinjektionstests.
2.2 Richtigstellung der Erdung des Kabelschirms
Leiten Sie die Abschirm Erdkabel nach unten durch den Nullfolgen-CT und isolieren Sie sie von den Kabeltrögen; vermeiden Sie vor dem CT jeden Kontakt.
Lassen Sie freiliegende Leiterenden für Prüfungen; isolieren Sie den Rest.
Wenn der Erdpunkt unterhalb des CT liegt, leiten Sie ihn nicht durch den CT. Vermeiden Sie, den Erdpunkt innerhalb des CT-Fensters zu platzieren.
Schulen Sie Schutz- und Kabelpersonal in der richtigen Installation.
Erzwingen Sie gemeinsame Abnahmeprüfungen durch Relais-, Betriebs- und Kabelteams.
2.3 Verhinderung des Schutzverweigerers
Verwenden Sie bewährte, zuverlässige Relais; ersetzen Sie alte oder defekte Einheiten; verbessern Sie die Wartung; installieren Sie Kühl- und Lüftungsanlagen, um Überhitzung zu verhindern.
2.4 Verhinderung des Auslöserverweigerers
Verwenden Sie zuverlässige, moderne Auslöser (z.B. federgeladene oder motorbetriebene versiegelte Typen); fahren Sie alte GG-1A-Schaltgeräte aus; warten Sie Steuerkreise; verwenden Sie hochwertige Auslösewicklungen.
2.5 Minimierung von Risiken bei Hochimpedanzfehlern
Ermitteln und beseitigen Sie Speisungen unverzüglich, wenn Erdalarme auftreten; reduzieren Sie Speisungslängen; balancieren Sie Phasenlasten, um den normalen kapazitiven Strom zu minimieren.
3. Schlussfolgerung
Während Erdtransformer die Netzstruktur und -stabilität verbessern, zeigen wiederkehrende Fehlfunktionen versteckte Risiken auf. Dieser Artikel analysiert die wesentlichen Ursachen und schlägt praktische Lösungen vor, um Regionen, die Erdtransformer installiert haben oder dies planen, zu leiten.
Zickzack (Z-Typ) Erdtransformer
In 35 kV und 66 kV Verteilnetzen sind Transformatorenwicklungen in der Regel sternförmig verbunden mit einem zur Verfügung stehenden Neutralpunkt, was Erdtransformer überflüssig macht. In 6 kV und 10 kV Netzen jedoch fehlt bei dreiecksverbundenen Transformern ein Neutralpunkt, wodurch ein Erdtransformer erforderlich ist, um einen zu bereitstellen – hauptsächlich zur Verbindung von Bogenlöscheinrichtungen.
Erdtransformer verwenden Zickzack (Z-Typ) Wicklungsschaltungen: Jede Phasenwicklung wird über zwei Kernbeine verteilt. Die Nullfolgenmagnetflüsse der beiden Wicklungen heben sich gegenseitig auf, was zu sehr geringem Nullfolgenwiderstand (in der Regel <10 Ω), geringen Leerlaufverlusten und einer Nutzung von über 90% der Nennleistung führt. Im Gegensatz dazu haben herkömmliche Transformer viel höhere Nullfolgenwiderstände, was die Kapazität der Bogenlöscheinrichtungen auf ≤20% der Transformerrating begrenzt. Daher sind Z-Typ-Transformer optimal für Erdanwendungen.
Bei großem Systemungleichgewichtsspannung genügen ausgeglichene Z-Typ-Wicklungen für Messungen. In Systemen mit geringem Ungleichgewicht (z.B. vollständig kabelgebundene Netze) wird der Neutralpunkt so gestaltet, dass er eine 30–70 V Ungleichgewichtsspannung für Messbedürfnisse erzeugt.
Erdtransformer können auch sekundäre Lasten versorgen und als Stationsdiensttransformer dienen. In solchen Fällen entspricht die Primärleistung der Summe der Kapazität der Bogenlöscheinrichtung und der sekundären Lastkapazität.
Die Hauptfunktion eines Erdtransformers besteht darin, Erdfehler-Kompensationsspannungen zu liefern.
Abbildung 1 und Abbildung 2 zeigen zwei gängige Z-Typ-Erdtransformerschaltungen: ZNyn11 und ZNyn1. Das Prinzip hinter dem niedrigen Nullfolgenwiderstand lautet wie folgt: Jedes Kernbein enthält zwei identische Wicklungen, die an unterschiedliche Phasenspannungen angeschlossen sind. Bei positiver oder negativer Folgenspannung ist die magnetomotorische Kraft (MMK) auf jedem Bein die vektorielle Summe von zwei Phasen-MMKs. Die drei Bein-MMKs sind ausbalanciert und 120° auseinander, bilden einen geschlossenen magnetischen Pfad mit geringem Widerstand, hoher Flussdichte, hoher induzierter Spannung und somit hohem Magnetisierungswiderstand.
Bei Nullfolgenspannung erzeugen die beiden Wicklungen auf jedem Bein gleich große, aber entgegengesetzte MMKs, was zu einer Nullnetto-MMK pro Bein führt. Es fließt kein Nullfolgenfluss im Kern; stattdessen zirkuliert er durch den Tank und das umgebende Medium, wo er auf hohen Widerstand trifft. Folglich sind Nullfolgenfluss und -widerstand sehr gering.
