Transformatorschutz verstehen: Vom Buchholzrelais zum Differentialschutz

Transformatoren sind wichtige, kontinuierlich arbeitende statische Anlagen, die für ihre hohe Zuverlässigkeit bekannt sind. Allerdings bleiben sie häufig im Freien installiert und wechselnden Belastungen und Systemfehlerströmen ausgesetzt, wodurch sie dennoch anfällig für Ausfälle sind. Dieser Leitfaden befasst sich mit den Grundlagen des Transformatorschutzes und beleuchtet häufige Fehler sowie die fortschrittlichen Schutzsysteme, die die Netzstabilität gewährleisten und kostspielige Schäden verhindern.

 

Häufige Transformatorfehler und -anomalien

 

Transformatorfehler werden grob in interne und externe Fehlertypen eingeteilt.

Interne FehlerIm Inneren des Tanks kann es zu Störungen kommen, einschließlich Phasen-{0}}zu--Wicklungsschlüssen, Windungs--zu-Wicklungs-Kurzschlüssen, Wicklungs-{4}zu-Kernfehlern und gebrochenen Leitern.

Externe FehlerEs kommt zu Kurzschlüssen zwischen den externen Durchführungsanschlüssen oder zu Überschlägen zwischen Durchführungen und Erde.

Besonders gefährlich sind interne Fehler. Der hochenergetische Lichtbogen kann die Kern- und Wicklungsisolierung schwer beschädigen. Außerdem zersetzt es Isolieröl und erzeugt Gase, die zum Platzen oder zur Explosion des Tanks führen können. Daher ist eine sofortige Isolierung bei der Fehlererkennung von entscheidender Bedeutung.

Ungewöhnliche BetriebsbedingungenB. Überlastung, niedriger Ölstand, Überstrom aufgrund externer Fehler, zu hohe Temperaturen oder Drücke und Ausfälle des Kühlsystems, erfordern rechtzeitige Alarme, um ein Eingreifen des Bedieners zu veranlassen und eine Eskalation zu verhindern.

 

Konfiguration des Transformatorschutzsystems

 

Nicht-elektrische Schutzsysteme

 

 

1. Buchholzrelais (Gas- und Ölflussschutz)

Dieser Schlüsselschutz erkennt Fehler, indem er Gasansammlungen (durch Ölzersetzung) und Ölflussstöße im Tank erkennt.

Kleinere Fehler (Alarmstufe):Eine langsame Gasansammlung durch leichte Überhitzung löst den Schwimmermechanismus aus und löst einen Alarm aus.

Schwerwiegende Fehler (Auslösephase):Starke Gasentwicklung und schneller Ölfluss aufgrund schwerwiegender interner Fehler lenken eine Klappe ab und lösen sofort den Leistungsschalter aus.

Entscheidende Rolle:Das Buchholz-Relais ist ein wichtiger Primärschutz und äußerst empfindlich gegenüber Fehlern wie Windungskurzschlüssen, die möglicherweise keine nennenswerten Stromunterschiede erzeugen.

 

2. Druckschutz

Geräte wie Druckentlastungsgeräte und plötzliche Druckrelais dienen als primärer Schutz, indem sie auf gefährliche Druckanstiege im Tank reagieren, die durch Lichtbögen verursacht werden.

 

3. Überwachung von Temperatur und Ölstand

Diese Systeme lösen Alarme bei hohen Öl-/Wicklungstemperaturen oder anormalen Ölständen aus und ermöglichen so eine vorbeugende Wartung und verhindern eine Verschlechterung der Isolierung.

 

4. Schutz vor Ausfall des Kühlsystems

Ein völliger Kühlverlust führt zu einem schnellen Temperaturanstieg. Dieser Schutz gibt einen Alarm aus und löst nach einer Zeitverzögerung, die Korrekturmaßnahmen ermöglicht, den Transformator aus, um thermische Schäden zu verhindern.

 

Differentialschutz: Das elektrische Primärschild

 

Dieser Schutz vergleicht Ströme, die in den Transformator ein- und austreten. Jeder signifikante Unterschied (Differenzstrom) weist auf einen internen Fehler innerhalb der Schutzzone hin.

 

1. Einschaltstrom verwalten

Das Einschalten eines Transformators verursacht einen vorübergehenden magnetisierenden Einschaltstrom hoher -Größe (6-8-facher Nennstrom), der nur durch die Primärseite fließt und ein falsches Differenzsignal erzeugt. Der Einschaltstrom weist besondere Merkmale auf:
A. Hohe Amplitude mit starkem Gleichstromanteil.
B. Spitzenförmige Wellenform mit einem erheblichen toten Winkel (intermittierend).
C. Hoher harmonischer Anteil, insbesondere der 2. Harmonischen.

Moderne Relais verwenden Techniken zur Oberwellenbeschränkung (z. B. Blockierung der 2. Harmonischen) oder zur Wellenformanalyse, um Einschaltströme von echten Fehlerströmen zu unterscheiden und Fehlfunktionen zu verhindern.

 

2. Momentanes Hoch-Differenzialelement einstellen

Bei schwerwiegenden internen Fehlern, die zu einer Sättigung des Stromwandlers (CT) führen, kann der Oberwellengehalt das Hauptdifferentialelement blockieren. Die Funktion „High-Set Differential“ bietet eine Lösung. Der Betrieb basiert ausschließlich auf der Größe des Differenzstroms und umgeht die gesamte Oberschwingungsbeschränkungslogik, um eine ultraschnelle Auslösung bei kritischen Fehlern zu gewährleisten.

 

Backup-Schutzstrategien

 

Der Backup-Schutz stellt die Fehlerbehebung sicher, wenn Primärsysteme ausfallen.

 

1. Spannungs-begrenzter/kontrollierter Überstromschutz

Dieses Schema ist eine sensible Sicherung für Phasenfehler. Es kombiniert Überstromelemente mit Unterspannungs- und/oder Gegenspannungserkennung. Die Spannungsbegrenzung ermöglicht eine niedrigere Stromaufnahmeeinstellung, wodurch die Empfindlichkeit erhöht wird und gleichzeitig die Sicherheit bei stabilen Lastbedingungen gewährleistet bleibt.

 

 

 

 

 

Nicht geerdeter (isolierter) Neutralleiter: Um den Erdschlussstrom zu begrenzen, sind einige Transformatoren nicht geerdet. Diese sind durch den Neutralspannungsverdrängungsschutz (Restüberspannung - 3U0) geschützt, der anspricht, wenn ein Systemerdschluss weiterhin besteht, nachdem geerdete Transformatoren abgetrennt wurden.

 

Geerdet über einen neutralen Erdungswiderstand (NGR): Eine gängige Methode zur Begrenzung des Fehlerstroms. Der Schutz überwacht normalerweise den Strom durch den NGR.

 

Abschluss
Ein gut konzipiertes, mehrschichtiges Schutzsystem ist für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Transformators von größter Bedeutung. Das Verständnis dieser Prinzipien-von der grundlegenden Gas- und Drucküberwachung bis hin zu fortschrittlichen Differential- und Backup-Systemen-ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Sicherheit des Stromversorgungssystems. Arbeiten Sie mit Experten zusammen, um die richtige Schutzstrategie für Ihre kritischen Vermögenswerte umzusetzen.