Differenzialschutz eines Generators

Generatordifferenzialschutz

Der Differenzialschutz für einen Generator schützt hauptsächlich die Statorwicklungen vor Erd- und Phasen-zu-Phasen-Fehlern. Fehlersituationen in den Statorwicklungen stellen eine erhebliche Bedrohung dar und können dem Generator schwerwiegenden Schaden zufügen. Um die Statorwicklungen zu schützen, wird ein Differenzialschutzsystem eingesetzt, um Fehler so schnell wie möglich auszuschalten und den Umfang des Schadens zu minimieren.

Merz-Preis-Kreisstrom-System

In diesem Schutzkonzept werden die Ströme an den beiden Enden des geschützten Abschnitts verglichen. Während des normalen Betriebs sind die Strößmengen in den Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren gleich. Sobald jedoch ein Fehler auftritt, fließt ein Kurzschlussstrom durch das System, was zu einer Abweichung der Stromstärken führt. Diese Differenz im Strom bei Fehlersituationen wird durch die Betriebswicklung des Relais geleitet.

Sobald der Strom den voreingestellten Schwellwert überschreitet, schließt das Relais seine Kontakte, was die Auslösung des Leistungsschalters zur Folge hat. Dies isoliert den defekten Abschnitt vom Rest des Systems. Ein solches Schutzsystem wird als Merz-Preis-Kreisstrom-System bezeichnet und ist äußerst effektiv, um Erd- und Phasen-zu-Phasen-Fehler zu erkennen und darauf zu reagieren.

Anschluss des Differenzialschutzsystems

Das Differenzialschutzsystem erfordert zwei identische Stromtransformatoren, die auf beiden Seiten des geschützten Bereichs installiert werden. Die Sekundäranschlüsse dieser Stromtransformatoren sind in einem Sternschaltung verbunden, und ihre Endanschlüsse sind über Pilotleitungen miteinander verbunden. Gleichzeitig sind die Relaiswindungen in einer Dreieckschaltung angeordnet. Die Neutralpunkte der Stromtransformatoren und des Relais werden dann an einen gemeinsamen Anschlusspunkt angeschlossen. Diese spezielle Verkabelung sorgt für die genaue Erkennung von Stromungleichgewichten und ermöglicht eine schnelle Fehlerisolierung.

Das Relais ist an den Spannungsgleichpunkten der drei Pilotleitungen angeschlossen, um sicherzustellen, dass jeder Stromtransformator eine gleiche Belastung trägt. Da der Mittelpunkt jeder Pilotleitung ihren Spannungsgleichpunkt darstellt, wird das Relais strategisch an diesen Mittelpunkten positioniert.

Um eine optimale Funktion des Differenzialschutzsystems zu gewährleisten, ist es entscheidend, die Relaiswindungen in der Nähe der Stromtransformatoren am Hauptkreis zu platzieren. Dies kann erreicht werden, indem Ausgleichswiderstände in Serie mit den Pilotleitungen eingefügt werden, wodurch die Spannungsgleichpunkte näher an den Hauptschalter verschoben werden.

Funktionsprinzip des Differenzialschutzsystems

Angenommen, es tritt ein Isolierungsdefekt in der R-Phase des Netzes auf, was zu einem Fehler führt. Als Ergebnis werden die Ströme in den Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren ungleich. Diese Ungleichheit erzeugt Differenzströme, die durch die Relaiswicklung fließen. Folglich aktiviert das Relais und gibt einen Ausschaltbefehl an den Leistungsschalter, um den defekten Abschnitt vom Rest des Systems abzutrennen.

Allerdings hat dieses Schutzsystem eine signifikante Einschränkung: Es ist sehr empfindlich gegenüber dem Magnetisierungsanlaufstrom des Transformators. Der Anlaufstrom kann dazu führen, dass das Relais fehlerhaft arbeitet. Um dieses Problem zu lösen, wird ein verzerrtes Differenzrelais eingesetzt. Dieses Relais erlaubt, dass ein bestimmtes Maß an ungleichem Strom durch seine Spule fließt, ohne unnötige Aktionen auszulösen.

Um den Einfluss des Magnetisierungsanlaufstroms weiter zu reduzieren, wird eine Hemmwirkungsspule in die Konstruktion integriert. Die Hemmwirkungsspule verringert effektiv den Einfluss des Anlaufstroms, wodurch das Relais immun gegen falsche Ausschaltungen durch den Magnetisierungsanlauf wird. Relais mit solcher Konfiguration werden als verzerrte Differenzrelais bezeichnet.

Fehlerszenario und Relaisfunktion

Wenn ein Fehler zwischen zwei beliebigen Phasen auftritt, zum Beispiel zwischen den Phasen Y und B, fließt ein Kurzschlussstrom durch diese beiden Phasen. Dieser Fehler stört das Gleichgewicht der durch die Stromtransformatoren (CTs) fließenden Ströme. Folglich fließt ein Differenzstrom durch die Betriebswicklung des Relais, was zur Auslösung des Relais und zum Öffnen seiner Kontakte führt, wodurch der defekte Abschnitt vom elektrischen System getrennt wird.

Probleme mit dem Differenzialschutzsystem

In einem Differenzialschutzsystem wird in der Regel ein neutrales Widerstandskabel verwendet, um die nachteiligen Auswirkungen von Erdfehlern zu mildern. Wenn jedoch ein Erdfehler in der Nähe des neutralen Punkts auftritt, generiert eine kleine elektromotorische Kraft (emf) einen relativ kleinen Kurzschlussstrom, der durch den Neutralleiter fließt. Der Widerstand der Neutralerdmassung reduziert diesen Strom weiter. Daher erreicht nur ein minimaler Strom das Relais. Da dieser geringe Strom nicht ausreicht, um die Relaiswicklung zu aktivieren, kann der Fehler unbeachtet bleiben und möglicherweise zu Schäden am Generator führen.

Modifiziertes Differenzialschutzsystem

Um das oben erwähnte Problem zu lösen, wurde ein verbessertes Differenzialschutzsystem entwickelt. Dieses modifizierte System enthält zwei unterschiedliche Elemente: eines für den Schutz vor Phasenfehlern und das andere für den Schutz vor Erdfehlern.

Die Phasenfehlerschutzelemente sind in einer Sternschaltung mit einem Widerstand verbunden. Das Erdfehlerrelais befindet sich zwischen den sternförmig verbundenen Phasenelementen und dem Neutralpunkt. Genauer gesagt sind zwei Phasenfehlerschutzelemente zusammen mit einem Ausgleichswiderstand in einer Sternschaltung verbunden, und das Erdfehlerrelais ist dann zwischen der Sternverbindung und dem neutralen Pilotendraht angeschlossen. Diese Konfiguration verbessert die Fähigkeit des Systems, sowohl Phasen- als auch Erdfehler präzise zu erkennen und darauf zu reagieren, was die Gesamtzuverlässigkeit des Differenzialschutzsystems erhöht.

Die sternförmig verbundene Schaltung zeigt Symmetrie, sodass jeder ausgeglichene Überschussstrom, der vom Stromkreispunkt stammt, nicht durch das Erdfehlerrelais fließt. Infolgedessen kann innerhalb dieses Systems das empfindliche Erdfehlerrelais mit hoher Stabilität arbeiten und Erdfehler zuverlässig erkennen, ohne durch normale ausgeglichene Stromfluktuationen ausgelöst zu werden.