Differentiële bescherming van een generator

Stroomdifferentiebescherming

De stroomdifferenctiebescherming voor een generator beschermt voornamelijk de statorwindingen tegen aardfouten en tussenfasfouten. Fouten in de statorwindingen vormen een significante bedreiging die zware schade aan de generator kan toebrengen. Om de statorwindingen te beschermen, wordt een stroomdifferenctiebeschermingssysteem gebruikt om fouten in de kortst mogelijke tijd te elimineren, waardoor de omvang van de schade wordt beperkt.

Merz-Prize circulerend stroomsysteem

In dit beschermingschema worden de stromen aan beide einden van het beschermd gedeelte vergeleken. Tijdens normaal gebruik zijn de stroomsterkten in de secundaire windingen van de stroomtransformatoren gelijk. Wanneer echter een fout optreedt, stroomt er een kortsluitstroom door het systeem, waardoor de stroomsterkten uiteen lopen. Dit verschil in stroom bij een fout wordt doorgevoerd via de werkspool van de relais.

Zodra de stroom de ingestelde drempel overschrijdt, sluit het relais zijn contacten, waardoor de schakelaar tript. Deze actie isoleert het defecte gedeelte van de rest van het systeem. Zo'n beschermingsmechanisme staat bekend als het Merz-Prize circulerend stroomsysteem, dat zeer effectief is in het detecteren en reageren op aardfouten en tussenfasfouten.

Aansluiting van het stroomdifferenctiebeschermingssysteem

Het stroomdifferenctiebeschermingssysteem vereist twee identieke stroomtransformatoren, die aan weerszijden van het beschermd gebied zijn geïnstalleerd. De secundaire aansluitingen van deze stroomtransformatoren zijn in een sterconfiguratie verbonden, en hun eindterminals zijn verbonden via leidingdraden. Ondertussen zijn de relaispoelen in een driehoekconfiguratie verbonden. De neutrale punten van de stroomtransformatoren en het relais worden vervolgens met een gemeenschappelijke terminal verbonden. Deze specifieke bedrading zorgt voor een nauwkeurige detectie van stroomonevenwichtigheden en maakt snelle foutisolatie mogelijk.

Het relais is aangesloten over de potentiaalpunten van de drie leidingdraden om ervoor te zorgen dat elke stroomtransformator een gelijke belasting draagt. Aangezien het midden van elke leidingdraad het potentiaalpunt vertegenwoordigt, is het relais strategisch geplaatst op het midden van deze draden.

Om het stroomdifferenctiebeschermingssysteem optimaal te laten functioneren, is het cruciaal om de relaispoelen dicht bij de stroomtransformatoren in de buurt van het hoofdcircuit te plaatsen. Dit kan worden bereikt door evenwichtsweerstanden in serie met de leidingdraden in te bouwen, waardoor de potentiaalpunten dichter bij de hoofdschakelaar worden verplaatst.

Werkprincipe van het stroomdifferenctiebeschermingssysteem

Stel dat er een isolatiebreuk optreedt in de R-fase van het netwerk, wat een fout veroorzaakt. Hierdoor worden de stromen in de secundaire windingen van de stroomtransformatoren onevenwichtig. Deze onevenwichtigheid genereert differentiële stromen die door de relaispool stromen. Als gevolg hiervan activeert het relais en geeft het een tripbevel aan de schakelaar, waardoor het defecte gedeelte van de rest van het systeem wordt geïsoleerd.

Echter, dit beschermingssysteem heeft een significant nadeel: het is zeer gevoelig voor de magnetiseringsinrushstroom van de transformator. De inrushstroom kan ertoe leiden dat het relais foute werking vertoont. Om dit probleem te verhelpen, wordt een gebiaseerd differentiëlrelais gebruikt. Dit type relais staat een bepaald niveau van onevenwichtige stroom toe om door zijn spoel te stromen zonder onnodige activering te veroorzaken.

Om de impact van de magnetiseringsinrushstroom verder te verminderen, wordt een remspoel in het ontwerp geïncorporeerd. De remspoel reduceert effectief de invloed van de inrushstroom, waardoor het relais immuun wordt voor foute tripping veroorzaakt door magnetiseringsinrush. Relais uitgerust met zo'n configuratie staan bekend als gebiaseerde differentiëlrelais.

Foutscenario en relaiswerking

Wanneer er een fout optreedt tussen twee fasen, bijvoorbeeld tussen fasen Y en B, zal er een kortsluitstroom door deze twee fasen stromen. Deze fout verstoort de balans van de stromen die door de stroomtransformatoren (CT's) stromen. Hierdoor stroomt er een differentiële stroom door de werkspool van het relais, waardoor het relais trips en zijn contacten opent, waardoor het defecte gedeelte van het elektrische systeem wordt geïsoleerd.

Problemen met het stroomdifferenctiebeschermingssysteem

In een stroomdifferenctiebeschermingssysteem wordt doorgaans een neutrale weerstandsdraad gebruikt om de negatieve effecten van aardfoutstromen te verminderen. Wanneer echter een aardfout dicht bij het neutrale punt optreedt, genereert een kleine elektromotorische kracht (emf) een relatief kleine kortsluitstroom die door de neutrale draad stroomt. De weerstand van de neutrale aarding vermindert deze stroom nog verder. Als gevolg hiervan bereikt slechts een minimale stroom het relais. Aangezien deze kleine stroom ontoereikend is om de relaispool te activeren, kan de fout onopgemerkt blijven, wat potentiële schade aan de generator kan veroorzaken.

Gewijzigd schema voor stroomdifferenctiebescherming

Om bovenstaand probleem te verhelpen, is een verbeterd schema voor stroomdifferenctiebescherming ontwikkeld. Dit gewijzigde schema omvat twee afzonderlijke elementen: één voor de bescherming tegen fasefouten en de ander voor de bescherming tegen aardfouten.

De fasefoutbeschermingselementen zijn in een sterconfiguratie verbonden met een weerstand. Intussen is het aardfoutrelais geplaatst tussen de ster-verbonden fase-elementen en het neutrale punt. Specifiek gezegd worden twee fasefoutelementen, samen met een evenwichtsweerstand, in een sterpatroon verbonden, en wordt het aardfoutrelais vervolgens verbonden tussen de sterverbinding en de neutrale leidingdraad. Deze configuratie verhoogt de vermogen van het systeem om zowel fase- als aardfouten nauwkeurig te detecteren en hierop te reageren, waardoor de algehele betrouwbaarheid van het stroomdifferenctiebeschermingssysteem wordt verbeterd.

Het ster-verbonden circuit vertoont symmetrie, waardoor eventuele evenwichtige overloopstromen vanaf het stroomcirculatiepunt niet door het aardfoutrelais stromen. Hierdoor kan binnen dit systeem het gevoelige aardfoutrelais met een hoog niveau van stabiliteit werken, waarbij aardfouten betrouwbaar worden gedetecteerd zonder getriggerd te worden door normale evenwichtige stroomfluctuaties.