VDN/ ETG Fachtagung Tutorial Schutz- und Leittechnik

Transkript

1 Remanenz von Stromwandlern und deren Einfluss auf das Schutzsystem J. Dickert, R. Luxenburger, R. Krebs Stromwandler stellen die Bindeglieder zwischen der Primärseite des Elektroenergieversorgungsnetzes mit Strömen bis zu einigen zehn Kiloampere und den Mess- und Schutzgeräten mit Nennströmen von 1 oder 5 Ampere dar. Die Wandler müssen hierbei ein gutes Abbild des Primärstroms dem Mess- oder Schutzgerät zur Verfügung stellen, mit den nötigen Genauigkeiten im Arbeitsbereich der Geräte. Dies bedeutet, dass die Wandleranforderungen eines Messgeräts, das im Nennstrombereich genau arbeiten muss und eines Schutzgeräts, das im Überstrombereich arbeiten muss, unterschiedlich sind. Dies wird teilweise in den entsprechenden Normen zu Mess- und Schutzwandlern berücksichtigt [1, 2]. Die genannten Normen definieren für verschiedene Schutzanwendungen Stromwandlerkerne mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie z.b. Linearkerne. Stromwandler mit geschlossenem Eisenkern zeigen nach der Belastung mit sehr hohen Strömen das bekannte Phänomen der sogenannten Remanenz, was heißt, dass sich der magnetische Fluss nicht vollständig abbaut. In der Vergangenheit wurde in einer Reihe von Veröffentlichungen [3, 4, 5] kontrovers diskutiert ob sich dieser Remanenzfluss im Betrieb des Wandlers im Nennstrombereich abbaut, oder ob er erhalten bleibt. Diese existierende Unklarheit war Auslöser für die im Folgenden beschriebene Forschungsarbeit des Lehrstuhls für Elektrische Energieversorgung an der Technischen Universität Dresden. Langzeitverhalten von Stromwandlern Der konventionelle Stromwandler entspricht im Prinzip einem Transformator nach Bild 1, welcher durch einen idealen Übertrager (z.b. 1000A/1A), die nichtlineare, remanenzbehafteten Hauptinduktivität und seinem Innenwiderstand beschrieben werden kann. Streuungen seien hierbei vernachlässigt. Dortmund, 20. und 21. März

2 Bild 1: Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Stromwandlers Bei einem konventionellen eisengeschlossenen Stromwandler erfolgt die Kopplung zwischen primärem Strom i p und sekundären Strom i s über einen ferromagnetischen Eisenkern. Dieser wird im Ersatzschaltbild einmal durch den idealen Übertrager und zum anderen durch die nichtlineare Induktivität L(i ) dargestellt. Wie bereits erwähnt treten zwei grundlegende, den Sekundärstromverlauf beeinflussende Effekte durch einen Eisenkern auf: 1. Sättigung Bis zum Erreichen der Sättigung folgt der Sekundärstrom dem Primärstrom linear, wobei der Magnetisierungstrom i m des Wandlers klein ist. Wird der Sättigungsfluss erreicht hat die Hauptinduktivität die Permeabilität m m 0. Damit wird der Magnetisierungsstrom i m sehr groß und der Sekundärstrom i s entsprechend verzerrt. 2. Remanenz Das ferromagnetische Kernmaterial besitzt eine Hysteresecharakteristik mit einem Remanenzfluss von etwa 75 % bis 90 % des Sättigungsflusses auf der äußersten Grenzkurve. Dies bedeutet, dass z.b. nach Abschaltung eines sehr großen Kurzschlussstroms der Fluss im Stromwandler entweder in den positiven oder im negativen Remanenzpunkt zurückkehrt. Sowohl durch Lastströme als auch durch thermische und mechanische Beeinflussungen wird der Stromwandlerkern ausgehen vom Remanenzpunkt Y R auf ein kleineres Remanenzniveau y RN reduziert. Tritt anschließend wieder ein großer Kurzschlussstrom auf, steht in Abhängigkeit von der Stromflussrichtung (positiv oder negativ) nur noch eine begrenzte Übertragungsfähigkeit zur Verfügung. Im ungünstigsten Fall bleiben also nur noch 10% bis 25% der Übertragungsfähigkeit verglichen mit dem entmagnetisierten Wandler, was bedeutet, dass der Wandler sehr schnell sättigt. Dortmund, 20. und 21. März

3 Die Zeit bis zur Sättigung eines eisengeschlossenen Stromwandlerkerns ist bei einem Kurzschluß mit großen Strömen nicht nur vom Gleichstromglied und Amplitude des Kurzschlussstroms abhängig, sonder auch vom jeweiligen Arbeitspunkt des Stromwandlers. Dies ist in Bild 2 zu sehen, in welchem ein Stromwandler einen Kurzschlussstrom mit positivem Gleichanteil übertragen soll. Jedoch befindet sich der Stromwandler in verschiedenen Arbeitspunkten (1)-(3). Diese sind in der Hysteresekurve in Bild 2 (a) gekennzeichnet. Die dargestellte Hysterese ist typisch für eisengeschlossene Stromwandlerkerne, welche einen sehr hohen Remanenzpunkt aufweisen. Im Bild 2 (b) sind die Zeitverläufe des Stroms gezeigt, wobei i p den unverzerrten Primärstrom (durchgezogen) und i s den sekundärseitigen Strom (gestrichelt) darstellt. Es ist zu sehen, dass der Stromwandler ausgehend vom Remanenzniveau (1) bereits nach 10 ms sättigt und somit der Strom i s nicht mehr richtig übertragen wird. Beim Remanenzniveau (2) beträgt die sättigungsfrei Übertragungszeit 45 ms und beim Remanenzniveau (3) 90 ms. Dies zeigt, dass ein vorhandenes Remanenzniveau die Zeit bis zur Sättigung negativ, aber auch positiv beeinflussen kann. Bild 2: Verläufe des sekundärseitigen Wandlerstroms in Abhängigkeit vom Remanenzniveau des Stromwandlers (a) Hysterese mit 3 Arbeitspunkten (b) Stromverläufe in Abhängigkeit vom Remanenzniveau Dortmund, 20. und 21. März

4 Im Bild 2 (b) ist deutlich zu sehen, wie die Sättigung des Eisenkerns den sekundärseitigen Strom i s verzerrt. Ein Grossteil des zu übertragenden Stroms fließt hierbei durch die Hauptinduktivität, welche dann eine sehr kleine Impedanz hat. Oft wird davon ausgegangen, dass sich das Remanenzniveau im Normalbetrieb stark reduziert, bis der Stromwandler vollständig entmagnetisiert ist. Diese Annahme wurde getroffen, da die Bestimmung des vorhandenen Remanenzniveaus eines Stromwandlers sehr schwierig ist und keine konkreten Messergebnisse vorlagen. Neue Messverfahren ermöglichen es jedoch, das Remanenzniveau zu bestimmen und so Aussagen über das Verhalten der Magnetisierung des Kerns bei Betriebsbedingungen zu treffen. Die Messungen erfolgten an den sekundärseitigen Anschlüssen des Stromwandlers [6]. Die Schwierigkeit der Bestimmung des Remanenzniveaus besteht dabei in der genauen Berechnung des Spannungsabfalls u h über der Hauptinduktivität L. Diese Spannung ist nicht direkt messbar und für die Berechnung muss der Innenwiderstand R i des Stromwandlers bekannt sein. Der magnetische Fluss entspricht dem Integral der Spannung u h über der Hauptinduktivität. Daher führen geringe Fehler bei der Bestimmung durch die Fehlerfortpflanzung zu erheblichen Abweichungen bei der Berechnung des magnetischen Flusses. Mit der Ermittlung des Innenwiderstandes mit einem Fehler kleiner als 0,01% ist es möglicht, das vorhandene Remanenzniveau zu bestimmen. Bei den durchgeführten Untersuchungen wurden die Stromwandler bis in die Sättigung aufmagnetisiert. Der mit Bemessungsbürde abgeschlossen Stromwandler wurde anschließend mit dem Bemessungsstrom belastet. Die sich dabei ergebende Verringerung des jeweiligen Remanenzniveaus bei 3 untersuchten Mittelspannungsstromwandlern ist in Bild 3 gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass es zu einer geringen Reduzierung des Remanenzniveaus kommt. Ein neuer stationärer Arbeitpunkt für das Remanenzniveau stellt sich jedoch nach wenigen Sekunden ein. Langzeituntersuchungen von mehreren Tagen haben bestätigt, dass der Prozess die Reduzierung des Remanenzniveaus damit abgeschlossen ist und bei fortdauernder Belastung keine weitere Verringerung des Remanenzniveaus erfolgt. Im realen Einsatz ist zu erwarten, dass die Reduzierung des Remanenzniveaus durch den Betriebsstrom noch kleiner ist, da Stromwandler oft unterbürdet und zudem selten mit Bemessungsstrom belastet sind. Dortmund, 20. und 21. März

5 CT 1 CT 2 CT 3 y RN / Y R t / s Bild 3: Verringerung des Remanenzniveaus für 5 verschiedene Mittelspannungsstromwandler (CT) Beeinflussung von Schutzgeräten bzw. -funktionen durch Wandlersättigung Schutzgeräte und deren Schutzfunktionen werden natürlich durch Sättigungseffekte beeinflusst, so keine algorithmischen Gegenmaßnahmen getroffen werden. Im Folgenden werden die Auswirkungen von Wandlersättigung im Allgemeinen für die drei häufigsten Schutzfunktionen betrachtet: - Überstromzeitschutz und Distanzschutz Kann der stationäre Dauerkurzschlussstrom durch den Wandler ungesättigt übertragen werden, was mindestens der Fall sein muss, so tritt eine Verzögerung der Schutzauslösung ca. um die Netzzeitkonstante auf. Bei üblichen Netzzeitkonstanten bis zu 100 ms und Staffelabständen von mindestens 250 ms bleibt die Selektivität in der Regel gewahrt. Eine weitere Beeinflussung durch ein Remanenzniveau tritt nicht auf, da sich diese im Sekundärstromverlauf nur durch eine Reduzierung der sätti- Dortmund, 20. und 21. März

6 gungsfreien Übertragungszeit auswirkt. Diese Aussagen gelten nur dann, wenn keine Verknüpfungen mit weiteren Kriterien erfolgen. - Differentialschutz Dieser arbeitet üblicherweise mit Algorithmen zur Wandlersättigungserkennung und benötigt dazu eine minimale sättigungsfreie Übertragungszeit. Diese liegt üblicherweise bei ca. 5 ms beim Transformator- und Leitungsdifferentialschutz sowie bei 3 ms beim Sammelschienenschutz. Diese sättigungsfreie Übertragungszeit kann natürlich bei sehr klein ausgelegten eisengeschlossenen Wandlern und Nichtberücksichtigung der Remanenz unterschritten werden. Dies kann zu einer Schutzüberfunktion führen. - Zusatzfunktionen Bei Zusatzfunktionen wie z.b. rückwärtige Verriegelung und Signalvergleich kann sich das Verhalten des Schutzsystems grundlegend verändern. Neben einer Überfunktion wegen verzögerter Anregung sind grundsätzlich auch Auslöseversager denkbar. Eine detaillierte Beurteilung ist nur bei Kenntnis der zeitlichen Abläufe möglich. Auslegung von Schutzstromwandlern Bei der Auslegung eines Stromwandler-Schutzkerns sind Kurzschlussstrom und die Netzzeitkonstante auf der Primärseite des Wandlers, als auch Bebürdung und Eigenbürde zu berücksichtigen. Relaishersteller definieren ihre Anforderungen an die Schutzstromwandler basierend auf geltenden Normen, d.h. in Europa auf IEC und in USA auf ANSI/IEEE C57.13 [7]. Entsprechend IEC wird hierbei für Schutzgeräte ein in Labormessungen ermittelter Zusammenhang zwischen nötiger Betriebsüberstromziffer und den o.g. Beeinflussungsgrößen vorgegeben. Man geht bei der Dimensionierung nun davon aus, dass sämtliche Einflussgrößen wie max. Anlagenkurzschlussstrom, max. Netzzeitkonstante, max. Temperatur gleichzeitig auftreten und wählt dann den nach Norm nächst größeren Kern aus. Im Gegenzug vernachlässigt man die Remanenz und die Vergangenheit zeigt die Richtigkeit dieses Ansatzes. Mit der Optimierung und Reduzierung der Schaltanlagenabmessungen müssen nun aber auch die Stromwandlerkerne optimiert werden, was bedeutet, dass künftig die Remanenz nicht mehr im Gegenzug zu den gleichzeitig angesetzten max. Einflussgrößen vernachlässigt werden darf. Mit dieser Fragestellung befasst sich eine CIGRE Arbeitsgruppe mit dem Titel Coordination of Relays and Conventional CTs [8]. Sie erarbeitet Empfehlungen wie Relaishersteller Dortmund, 20. und 21. März

7 Stromwandleranforderungen künftig beschreiben sollen, erstellt Richtlinien zur Wandlerauswahl und Relaisprüfung. Sie analysiert auch die Wahrscheinlichkeiten eines Eintretens der Maximalwerte der Einflussgrößen. Im Entwurf des Berichts der Arbeitsgruppe wird für die Wandlerauslegung zum Transientfaktor noch ein weiterer Faktor, der sogenannte Remanenzfaktor eingeführt. Dies hat für eisengeschlossene Kerne die Auswirkung, dass sie etwa 3,7-fach größer bemessen werden müssen, was im Hinblick auf die Stromwandlergehäuse moderner Schaltanlagen zu Problemen führen wird. Am Beispiel eines Wandlergehäuses einer 110kV GIS-Anlage kann man leicht zeigen, dass ein standardmäßig ausgelegter eisengeschlossener Schutzkern mit einer bewickelten Höhe von 52 mm nur etwa 20% des Wandlergehäuses belegt. Würde nun ein Remanenzfaktor von 3,7 berücksichtigt, dann wäre der Kern nicht mehr für ein derartiges Gehäuse baubar. In der derzeit gültigen Fassung der Wandlernorm IEC von 2003 wird hierfür ein Eisenkern mit Antiremanenzluftspalt vorgeschlagen, der die Remanenz auf unter 10% begrenzt. Ein Vergleich mit dem standardmäßig ausgelegten eisengeschlossenen Kern zeigt, dass seine bewickelte Bauhöhe um nur 25% und sein Preis um 23% höher ist. Literatur [1] DIN EN (VDE ):2000 Messwandler Teil 1: Stromwandler, VDE Verlag, Berlin [2] DIN EN (VDE ):1999 Messwandler Teil 6: Anforderungen an Stromwandler für Schutzzwecke für transientes Übertragungsverhalten, VDE Verlag, Berlin [3] Bruce, R.G., Wright, A.: Remanent Flux in Current-Transformer Cores, Proc. IEE, 113, 1966, S [4] Iwanusiw, O.W.: Remanent Flux in Current Transformers, Ontario Hydro Research Quarterly, third quarter, 1970, S [5] Ziegler, G.: Digitaler Differentialschutz Grundlagen und Anwendung, Publicis Corporate Publishing, Erlangen, 1999 [6] Dickert, J., Luxenburger, R., Schegner, P.: Investigation on the Behavior of the Remanence Level of Protective Current Transformers, Modern Electric Power Systems (MEPS), Wrocław, 2006, S [7] IEEE Std C , Standard Requirements for Instrument Transformers. [8] Report of CIGRE Working Group B5.02: Co-ordination of Relays and Conventional Current Transformers, CIGRE Brochure, (geplant für 2007) Dortmund, 20. und 21. März