Wie die Sättigung von Stromwandlern Tests der Differentialschutzsysteme verzerrt

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Sättigung von Stromwandlern führt zu einem Differenzstromproblem im Sammelschienensystem, wenn die Stromwandler der Abzweige zu unterschiedlichen Zeitpunkten in Sättigung geraten und bei externen Fehlern einen falschen Streustrom erzeugen.
• Eine saubere sinusförmige Einspeisung dient der Funktionsprüfung, für zuverlässige Tests jedoch anlagenspezifische gesättigte Wellenformen Tests , die Offset-, Remanenz- und Last-Effekte berücksichtigen.
• Ein aussagekräftiger Nachweis ergibt sich, wenn man die wenigen Belastungszustände durchspielt, die ein Relais aus dem Ruhestand in den Betriebszustand versetzen, und dann die Sicherheit in diesen Fällen sicherstellt.

Eine Sättigung des Stromwandlers kann dazu führen, dass ein sicheres Sammelschienen-Differentialrelais gerade bei den Fehlern, die es eigentlich unterbinden soll, instabil erscheint.

Dieses Ergebnis hat seinen Ursprung in der Physik der Wellenformen und wird in den Relais-Einstellungen erst sichtbar, wenn die Ströme bereits verzerrt sind. Ein Fehler, der am Spannungsnullpunkt beginnt, kann einen Gleichstrom-Offset von 100 % der Wechselstromkomponente mit sich bringen, weshalb ein Stromwandler, der auf dem Papier ausreichend erscheint, bei einem schweren externen Fehler fast sofort in Sättigung geraten kann. Man kann den Sammelschienen-Differentialschutz nicht als reinen Sekundärstromvergleich betrachten, wenn der Primärstrom asymmetrisch ist und die Kerne bereits vorgespannt sind. Gute Tests das Sättigungsmuster reproduzieren, das das Relais bei externen Fehlern vorfindet. Reine sinusförmige Einspeisungen sind zwar nach wie vor wichtig, geben jedoch keinen Aufschluss darüber, ob das Relais sicher bleibt, wenn zunächst ein Abzweigstromwandler ausfällt.

Die CT-Sättigung setzt ein, wenn der Fehlerstrom die Kernflussreserve überschreitet

Die Sättigung eines Stromwandlers setzt ein, wenn der Sekundärkreis den Kernfluss nicht mehr unterhalb des Knickpunkts halten kann. Hohe Fehlerströme, Gleichstromversatz, Restfluss und die Sekundärlast verbrauchen die verfügbare Flussreserve. Sobald diese Reserve aufgebraucht ist, flacht der Sekundärstrom ab und stimmt nicht mehr mit dem Primärstrom überein.

Stellen Sie sich einen Fehler in einer externen Zuleitung in der Nähe der Sammelschiene vor. Der Primärstrom steigt stark an, die Gleichstromkomponente verschiebt die Wellenform nach oben, und der Kern muss diese Flussverschiebung aufnehmen, bevor sich der Sekundärstrom einpendeln kann. Ein Stromwandler, der bei einem stationären Test bei dem Zehnfachen des Nennstroms gut funktioniert, kann dennoch innerhalb weniger Millisekunden in Sättigung geraten, wenn derselbe Strom mit einer starken Verschiebung anliegt. Längere Sekundäranschlüsse und eine höhere Relaisbelastung führen dazu, dass dieser Punkt früher eintritt.

Sie haben es hier sowohl mit einem Memory-Effekt als auch mit einem Größenordnungsproblem zu tun. Der Magnetfluss wird zwischen den Ereignissen nicht vollständig zurückgesetzt, und das Relais nimmt diesen verborgenen Zustand niemals direkt wahr. Aus diesem Grund erscheint die Sättigung des Stromwandlers während der Inbetriebnahme unvorhersehbar, wenn das Prüfgerät ideale Ströme einspeist, der Feldfehler jedoch Asymmetrien, Remanenz und ungleiche Belastungen aufweist. Sicherheit beginnt mit der Erkenntnis, dass Sättigung ein Problem im Zeitbereich ist.

Gesättigte Stromwandler erzeugen bei externen Fehlern einen falschen Differenzstrom

„Der Bus-Differentialschutz vergleicht die Summe der Zuleitungsströme an den Relais-Eingängen.“

Bei einem externen Fehler sollte dieser Wert nahe Null bleiben. Eine Sättigung stört das Gleichgewicht, da ein Stromwandler weniger Sekundärstrom liefert als die anderen, sodass die Rückhaltung hoch bleibt, während der scheinbare Auslösestrom aufgrund von Messfehlern ansteigt.

Nehmen wir einen Bus mit drei intakten CTs an den Zuleitungen und einem CT an der fehlerbehafteten Zuleitung, der nach dem ersten Viertelzyklus in Sättigung geht. Die intakten Kanäle geben den asymmetrischen Fehlerstrom weiterhin wieder, während der gesättigte Kanal übersteuert und nacheilt. Das Relais erkennt nun einen Ausströmstrom, obwohl der Fehler außerhalb der Schutzzone liegt. Dieser Ausströmstrom ist ein falscher Differenzstrom, der durch ungleiche Messwerte und nicht durch einen internen Fehler verursacht wird.

Die Verzerrung ist schwerwiegender als ein einfacher Amplitudenverlust. Durch die Sättigung kommt es zudem zu einer Phasenverschiebung und zum Wegfall von Teilen der Wellenform, was bedeutet, dass der Filter- und Schutzlogik des Relais eine Wellenform zugeführt wird, die sie niemals als Last- oder Durchgangsfehlerstrom behandeln sollte. Wenn Ihre Prüfung nur konstante Sekundäramplituden überprüft, übersehen Sie genau den Mechanismus, der bei einem externen Fehler eine Auslösung verursacht.

Eine Fehlfunktion des Relais ist auf eine Diskrepanz zwischen den Auslösewerten der Zählerstromwandler der Zuleitungen zurückzuführen.

Eine Fehlauslösung des Relais ist eher auf eine Diskrepanz zwischen den Auslöseverhalten der Zuleitungsstromwandler zurückzuführen als allein auf die Sättigung. Wenn Stromwandler unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse, Belastungen, Kabellängen, Restmagnetflüsse oder Kernklassen aufweisen, treten sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten in die Sättigung ein. Das Relais vergleicht diese ungleichen Auslöseverhalten und kann die Diskrepanz als ein Ereignis im internen Sammelschienensystem interpretieren.

Stellen Sie sich zwei Zuleitungs-Stromwandler mit identischer Nennklasse, aber unterschiedlicher Sekundärverkabelung vor. Eine Leitung ist kurz und führt direkt zum Schaltschrank. Die andere verläuft über eine längere Verkabelung, zusätzliche Klemmenblöcke und weist einen höheren Schleifenwiderstand auf. Bei einem schweren externen Fehler erreicht der stärker belastete Kanal früher die Sättigung und erholt sich später. Das Relais erkennt nicht, dass ein Strom aufgrund der Belastung von Kupfer und Kern verzögert eintrifft.

Deshalb garantieren identische Einstellungen über alle Einspeisungen hinweg kein identisches Verhalten. Die prozentuale Begrenzung und die Steigungslogik verringern das Risiko, doch das Relais ist weiterhin auf eine vergleichbare Eingangsqualität angewiesen. Wenn ein Kanal vor den anderen ausfällt, kann das Betätigungselement den Schwellenwert überschreiten, während das Begrenzungselement noch gültig erscheint. Das Problem beginnt nicht bei der Relaislogik. Es beginnt mit einer ungleichen Messgenauigkeit unter Belastung.

Einfache Sinus-Tests lassen das ungünstigste Sättigungsverhalten außer Acht

Einfache Sinus-Tests dienen zur Überprüfung der Erfassung, der Polarität und des Zeitablaufs, bieten jedoch keinen Nachweis für die Sicherheit vor einer Sättigung des Stromwandlers. Der ungünstigste Fall tritt bei asymmetrischem Fehlerstrom, abklingendem Offset und einem Anfangsfluss ungleich Null auf. Eine saubere Stromquelle bestätigt die Funktion, verbirgt dabei jedoch die Wellenformverzerrung, die zu Fehlfunktionen führt.

Bei einer Inbetriebnahmeprüfung werden häufig an jedem Zuleitungseingang gleich große sinusförmige Ströme eingespeist, um die stabile Begrenzung im Falle eines externen Fehlers zu überprüfen. Diese Prüfung ist zwar nützlich, sagt jedoch wenig darüber aus, was geschieht, wenn ein Stromwandler nach 8 ms in die Sättigung geht, während die anderen noch einen halben Zyklus lang linear bleiben. In dieser Diskrepanz liegt das Schwachstellenfenster des Relais. Eine reine Sinuswelle führt niemals zu einer solchen Situation.

Die Tests zeigt sich bei der Inbetriebnahme und bei der Fehlerwiedergabe. Man kann alle Nenn-Sekundäreinspeisungstests bestehen und dennoch eine Anlage in Betrieb nehmen, die bei einem schweren externen Fehler auslöst. Diese Lücke spielt vor allem bei Sammelschienen eine Rolle, da alle Abzweigstromwandler im selben Moment an derselben Entscheidung beteiligt sind.

Präzise Modelle bilden den Flussverlauf nach, der zur Sättigung führt

Eine genaue Modellierung bildet die Sättigung nur dann realistisch ab, wenn sie den Verlauf des Magnetflusses nachverfolgt und nicht den Fehler im Verhältnis im stationären Zustand berücksichtigt. In ein und demselben Modell müssen die Erregungskurve, der Wicklungswiderstand, die Sekundärlast, der Remanenzfluss und der Fehlerversatz berücksichtigt werden. Diese Kombination zeigt, wann der Sekundärstrom übersteuert, sich verschiebt und an Genauigkeit verliert.

Ein Modell mit „frischem“ Kern wirkt oft vertrauenerweckend, da es jeden Fall mit einem Fluss von Null beginnt. Bei Feldgeräten ist dies jedoch selten der Ausgangspunkt. Der Restfluss kann nach einem vorherigen Ereignis bei etwa 80 % des Sättigungsflusses liegen, was bedeutet, dass der nächste externe Fehler den Kern viel früher in den Sättigungszustand treibt, als es ein Reset-Modell vorhersagt. Diese eine Annahme allein kann einen sicheren Testfall in einen Fall mit fälschlicher Auslösung verwandeln.

Nützliche Modelle berücksichtigen auch die Unterschiede zwischen den einzelnen Einspeisungen. Eine Einspeisung kann eine längere Leitungslänge, eine andere Last oder einen anderen Remanenzzustand nach einem früheren Fehler aufweisen. Wenn man diese Bedingungen in einem generischen CT-Block mittelt, beseitigt man genau jene Diskrepanz, auf die der Bus-Differentialschutz reagiert. Bei einer guten Modellierung geht es weniger um die visuelle Ähnlichkeit der Wellenformen als vielmehr darum, die exakte Unsymmetrie wiederzugeben, die vom Relais erfasst wird.

Bei Bus-Differentialtests müssen ungleiche gesättigte Sekundärströme eingespeist werden

Bei Bus-Differentialtests müssen die ungleichen, gesättigten Sekundärströme eingespeist werden, die von jeder Zuleitung bei demselben Fehler erzeugt werden. Das bedeutet separate Wellenformen pro Eingang, die zeitlich aufeinander abgestimmt sind und sich hinsichtlich Sättigungsbeginn, Sättigungstiefe und Erholung unterscheiden.

„Identische Begrenzungsströme in allen Kanälen geben die tatsächliche Sicherheitsreserve des Relais nicht wieder.“

Ein Bus mit vier Abzweigen liefert ein anschauliches Beispiel. Ein einziger Leitungsfehler im Netz kann dazu führen, dass der Stromwandler des betroffenen Abzweigs frühzeitig in die Sättigung gelangt, während zwei Stromwandler entfernter Abzweige nahezu linear bleiben und ein vierter Kanal später im Zyklus leicht übersteuert wird. Das Relais reagiert auf diese Kombination und nicht auf eine einzelne, idealisierte Stromkurve. Eine Testplattform wie OPAL-RT kann diese abzweigspezifischen, gesättigten Wellenformen in Echtzeit einspeisen, während das Relais seine eigene Filter-, Begrenzungs- und Auslöselogik anwendet.

Diese Konfiguration ist wichtig, da Bus-Systeme eine gemeinsame Entscheidung auf der Grundlage mehrerer Stromeingänge treffen. Sie benötigen sowohl eine zeitliche Genauigkeit pro Kanal als auch eine Genauigkeit hinsichtlich der Stromstärke. Wenn Ihre Laborsequenz eine verzerrte Wellenform verwendet, die auf alle Einspeiseeingänge kopiert wird, wird der Test zwar für das Relais und für die Ingenieur:innen einfach, entspricht jedoch nicht mehr dem Fehlerverhalten, das zu Fehlfunktionen führt.

Sicherheitsprüfungen sollten die Bedingungen abdecken, die zu einer Sättigung führen

Sicherheitsprüfungen sollten alle wenigen Bedingungen abdecken, unter denen ein Relais vom Sperrzustand in den Auslösezustand wechselt. Der Fehleranfangswinkel, das X/R-Verhältnis des Systems, die Belastung, der Restmagnetfluss und die Fehlanpassung der Zuleitung geben weitaus mehr Aufschluss als wiederholte Nennstromeinspeisungen. Ein Relais gilt erst dann als sicher, wenn diese Belastungspunkte bei externen Fehlern keine Fehlauslösungen mehr verursachen.

• Den Entstehungswinkel der Schwingungsfehler über die Spannungswelle hinweg abtasten.
• Erhöhen und verringern Sie den Wert von System X/R, um den Abklingvorgang des Offsets zu steuern.
• Die Sekundärlast ist entsprechend den Unterschieden in der Feldverdrahtung anzupassen.
• Fälle mit einem Remanenzfluss ungleich Null in ausgewählten CTs starten.
• Die Sättigungszeiten von einer Zuführung auf eine andere verlagern.

Aus fünf schwierigen Fällen lassen sich bessere Erkenntnisse gewinnen als aus fünfzig problemlosen. Eine praktische Laborreihe verdeutlicht dies. Sie können denselben externen Fehler mit 0 %, 50 % und 80 % Restfluss an einem Zuleitungsstromwandler auslösen und beobachten, dass das Relais nur dann stabil bleibt, wenn die eingespeisten Wellenformen der ungleichmäßigen Sättigung entsprechen, die die hardware . Der Sammelschienen-Differentialschutz steht und fällt mit der Sicherheit der Rückhaltung unter Belastung, und diese Beurteilung ergibt sich aus einer disziplinierten Wellenformwiedergabe. OPAL-RTeignet sich für diesen abschließenden Schritt, da es Ihnen ermöglicht, das Relais anhand der gesättigten Stromverläufe zu prüfen, die tatsächlich Fehlauslösungen auslösen, und nicht anhand von sauberen Signalen, die das Relais im Betrieb niemals zu sehen bekommen würde.