Welche häufigen Fehler treten während des Betriebs des Längsdifferentialrelais von Starkstromtransformatoren auf

Transformerschutz durch Längsdifferenz: Häufige Probleme und Lösungen

Der Längsdifferenzschutz für Transformatoren ist der komplexeste aller Komponentendifferenzschutze. Während des Betriebs treten gelegentlich Fehlfunktionen auf. Laut Statistik des Nordchina-Netzes aus dem Jahr 1997 für Transformatoren mit einer Spannung von 220 kV und darüber gab es insgesamt 18 Fehlfunktionen, von denen fünf auf den Längsdifferenzschutz zurückzuführen waren – das entspricht etwa einem Drittel. Ursachen für Fehlfunktionen oder Ausfälle können Probleme im Zusammenhang mit Betrieb, Wartung und Verwaltung sowie Probleme in Herstellung, Installation und Design sein. Dieser Artikel analysiert häufig auftretende Feldprobleme und stellt praktische Abhilfemaßnahmen vor.

1. Ungleichgewichtsstrom durch Transformatoranlaufstrom

Während des normalen Betriebs fließt der Magnetisierungsstrom nur auf der gespeisten Seite und verursacht einen Ungleichgewichtsstrom im Differenzschutz. Der Magnetisierungsstrom beträgt in der Regel 3%–8% des Nennstroms; bei großen Transformatoren liegt er in der Regel unter 1%. Bei externen Störungen verringern sich die Spannungsabfälle, was den Einfluss des Magnetisierungsstroms minimiert. Allerdings kann bei der Einspeisung eines unbelasteten Transformators oder beim Spannungsanstieg nach Behebung einer externen Störung ein hoher Anlaufstrom auftreten, der bis zu 6–8 Mal den Nennstrom erreichen kann.

Dieser Anlaufstrom enthält signifikante nichtperiodische Komponenten und höhere Harmonische, hauptsächlich die zweite Harmonische, und zeigt Strömungsformunterbrechungen (totwinkel).

Abhilfemaßnahmen im Längsdifferenzschutz:

(1) BCH-Relais mit schnell sättigenden Stromtransformatoren:
Bei externen Störungen sättigt die hohe nichtperiodische Komponente schnell den Kern des schnell sättigenden Transformators, wodurch verhindert wird, dass der Ungleichgewichtsstrom an den Relaiskern übertragen wird – dies vermeidet falsche Auslösung. Bei internen Störungen existieren zwar zunächst nichtperiodische Komponenten, sie vergehen jedoch innerhalb von etwa 2 Perioden. Danach fließt nur noch periodischer Fehlerstrom, was eine empfindliche Relaisauslösung ermöglicht.

(2) Mikroprozessor-basierte Relais mit Zweit-Harmonischen-Begrenzung:
Die meisten modernen digitalen Relais verwenden die Begrenzung durch die zweite Harmonische, um Anlaufstrom von internen Störungen zu unterscheiden. Wenn bei der Behebung einer externen Störung eine Fehlfunktion auftritt:

• Wechsel vom Phasen-zu-Phasen- ("UND") zur maximalen Phasen- ("ODER") Begrenzungsmodus.

• Reduzierung des Anteils der Zweit-Harmonischen-Begrenzung auf 10%–12%.

• In Systemen mit großer Kapazität, wo nach Störungsbeseitigung auch der Anteil der Fünft-Harmonischen hoch ist, Hinzufügen der Fünft-Harmonischen-Begrenzung.

• Für Transformatoren mit doppeltem Differenzschutz sollte die Verwendung von Wellensymmetriegrundsätzen zur Identifizierung des Anlaufstroms in Betracht gezogen werden – diese Methode ist empfindlicher und zuverlässiger als alleinige Harmonische-Begrenzung.

2. Falsche Verkabelung in Sekundärkreisen von Stromtransformatoren

Ein wiederkehrender Grund für Fehlfunktionen ist die Umkehrung der Polarität der Sekundäranschlüsse von Stromtransformatoren (CT) – dies ist das Ergebnis unzureichender Schulungen, Abweichungen von Schaltplänen oder ungenügender Inbetriebnahmeprozesse.

Präventive Maßnahme:
Vor der Inbetriebnahme des Längsdifferenzschutzes – nach Neuanlage, regelmäßigen Prüfungen oder Änderungen an den Sekundärkreisen – muss der Transformator belastet werden und folgende Überprüfungen durchgeführt werden:

• Messung des Ungleichgewichtsspannung im Differenzkreis mit einem Hochimpedanz-Voltmeter; sie muss den Vorschriften entsprechen.

• Messung der Amplitude und Phase der Sekundärströme auf allen Seiten.

• Erstellen eines sechseckigen Vektordiagramms, um sicherzustellen, dass die Vektorsumme der gleichen Phasenströme null oder nahe null ist, was korrekte Verkabelung bestätigt.

Erst nach diesen Überprüfungen sollte der Schutz formell in Betrieb genommen werden.

3. Schwache Kontakte oder Offenleitungen in Sekundärkreisen

Fehlfunktionen aufgrund loser Verbindungen oder Offenleitungen in den Sekundärkreisen von CTs treten jährlich auf.

Empfehlungen:

• Stärkung der Echtzeitüberwachung des Differenzstroms während des Betriebs.

• Nach der Installation/Inbetriebnahme des Relais oder nach großen Überholungen des Transformators, Überprüfung aller CT-Sekundärverbindungen.

• Festziehen der Anschlussklemmen und Verwendung von Federscheiben oder Schwingungsklammern.

• Für kritische Anwendungen, Verwendung von zwei parallelen Kabeln für die Differenzsekundärverkabelung, um das Risiko von Offenleitungen zu reduzieren.

4. Erdenprobleme in Sekundärkreisen des Differenzschutzes

An manchen Standorten wird gegen Unfallmaßnahmen verstoßen, indem zwei Erdpunkte vorhanden sind – einer im Schutzschrank und einer in der Endschaltanlagenkasten. Der resultierende Erdschlusspotenzialunterschied, insbesondere bei Blitzschlag oder in der Nähe von Schweißarbeiten, kann zu einem gefälschten Differenzstrom führen und falsche Auslösungen verursachen.

Lösung:
Strenge Durchsetzung der Ein-Punkt-Erdung. Der einzige zuverlässige Erdpunkt sollte sich im Schutzschrank befinden.

5. Isolierstoffalterung von CT-Sekundärkabeln

Isolierstoffversagen in CT-Sekundärkabeln – oft aufgrund schlechter Bauweise – führt ebenfalls zu Fehlfunktionen. Häufige Ursachen sind:

• Kabelmantelschäden beim Verlegen,

• Verkabelung zweier Kabel, wenn die Länge nicht ausreicht,

• Schweißen von Kabelkanälen mit darin liegenden Kabeln, was thermische Schäden verursacht.

Diese schaffen versteckte Risiken für die Zuverlässigkeit des Schutzes.

Präventive Maßnahmen:

• Während der Hauptwartung, periodische Prüfung des Isolationswiderstands zwischen jedem Kern und Erdung sowie zwischen den Kernen mit einem 1000 V Megohmmeter; die Werte müssen den Vorschriften entsprechen.

• Halten Sie die freien Drahtenden an den Anschlüssen so kurz wie möglich, um unbeabsichtigtes Erdung oder Phasen-Kurzschlüsse aufgrund von Vibrationen zu vermeiden.

6. Auswahl von Stromtransformatoren für den Längsdifferenzschutz

Der Differenzschutz beinhaltet CTs auf verschiedenen Spannungsebenen mit unterschiedlichen Verhältnissen und Modellen, was zu ungleichen transitorischen Eigenschaften führen kann – eine potenzielle Quelle für Fehlfunktionen oder Ausfälle.

• 500 kV Seite: Verwendung von TP-Klasse-CTs (transient-performance class), deren luftspaltige Kerne die Rückstandsmagnetisierung auf <10% des Sättigungsflusses begrenzen, was die transiente Antwort erheblich verbessert.

• 220 kV und darunter: In der Regel Verwendung von P-Klasse-CTs, die keinen Luftspalt haben, eine höhere Rückstandsmagnetisierung und eine schlechtere transiente Leistungsfähigkeit aufweisen.

Auswahlhinweise: Obwohl TP-Klasse-CTs eine bessere technische Leistung bieten, sind sie teuer und voluminös – insbesondere auf der Niederspannungsseite, wo die Installation in geschlossenen Busdurchführungen schwierig ist. Daher sollten, sofern keine besonderen Systemanforderungen bestehen, P-Klasse-CTs bevorzugt werden, wenn sie den tatsächlichen Betriebsbedürfnissen gerecht werden – um unnötige Kosten und Installationsprobleme zu vermeiden.

Darüber hinaus muss der Querschnitt des Sekundärkabels ausreichend sein:

• Für lange Kabelstrecken sollte ein Leiterquerschnitt von ≥4 mm² verwendet werden, um die Belastung zu minimieren und die Genauigkeit sicherzustellen.