Untersuchung des Verhaltens einer Differentialschutzeinrichtung. im städtischen 110 kv-netz

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1 Vorstellung der Diplomarbeit am VDE-Tag im November 2004 Untersuchung des Verhaltens einer Differentialschutzeinrichtung Dipl.-Ing. (FH) Anne Schulgen Dipl.-Ing. (FH) Lars Klemens Folie 1 / 34

2 INHALT Einführung Prinzip Differentialschutz Differentialschutzgerät Alstom P 632 Simulationssoftware ATPDesigner Stromwandler Versuchsaufbau Leitungsschutz Transformatorschutz Variation der Netzzeitkonstanten Ergebnisse Fragen Folie 2 / 34

3 Einführung Prinzip Differentialschutz Schutzkonzept Ausschaltung des Kurzschlusses innerhalb der Schutzzone ohne weitere Verzögerung (in Schnellzeit) Schnellzeit / Eigenzeit kleinst mögliche Zeit, die eine Schutzeinrichtung, beginnend mit dem physikalischen Fehlereintritt, benötigt, um das AUS-Kommando an den zugehörigen Schalter auszugeben Kirchhoffsche Knotengleichung: i i = 0 i i1 ( t) Fehlerfreier Zustand: Fehlerbetroffener Zustand: i = 0 i > 0 i ( t ) N-Tor i ( t) 2 4 i3 ( t) i Folie 3 / 34

4 Einführung Prinzip Differentialschutz 2-Wicklungs-Transformator Ermittlung der Stromdifferenz durch Addition der Stromvektoren geringe Differenzströme in der Praxis (Wandler-Übertragungsfehler, Magnetisierungsstrom) Beziehungen für den fehlerfreien Betrieb des idealen Transformators: I A,s = I B,s IA,p OS Trafo US IB,p I = I + I A,s B,s ( A,s ) I = I + I A,s IA,s IB,s I = I + I A,s B,s I = 0 I> Folie 4 / 34

5 Einführung Prinzip Differentialschutz 2-Wicklungs-Transformator Vorteil: Auto-Selektivität Ansprechen nur auf Fehler innerhalb des von den Stromwandlern eingegrenzten Bereichs (Schutzzone) Nachteil: Aufgrund seiner absoluten Selektivität keine Reserveschutzfunktionen für andere Betriebsmittel Prinzip des Differentialschutzes auch auf Leitungen, Kabel und Generatoren anwendbar Folie 5 / 34

6 Einführung Prinzip Differentialschutz Auslösekriterium Häufige Fehlauslösung durch Störungen bei Verwendung des Differenzstromes I d als einziges Auslösekriterium auf Grund der extremen Empfindlichkeit des Messsystems Definition des Haltestroms I H als Stabilisierungsgröße gegenüber Störeinflüssen und zur Verhinderung von Auslösungen ohne interne Fehler I = I + I d A B I = 0,5 I I H A B gleichsinnig definierte Strombepfeilung in Bezug auf das Schutzobjekt Haltestrom im Normalbetrieb gleich dem Laststrom Folie 6 / 34

7 Untersuchung des Verhaltens einer Differentialschutzeinrichtung Einführung Differentialschutzgerät Alstom P 632 Hauptfunktionen 3-systemiger Differentialschutz für Transformatoren, Generatoren und Motoren 2 Beine / Wicklungen Amplituden- und Schaltgruppenanpassung Nullstromaussiebung für jedes Bein Durchgangsstabilisierung mit Sättigungsdiskriminator Zweifach geknickte Auslösekennlinie Folie 7 / 34

8 Einführung Differentialschutzgerät Alstom P 632 Auslösekennlinie Einteilung in Auslöse- und Sperrbereich Differenzstrom I d und Haltestrom I H als Bezugsgröße auf Basisstrom I B ( = Nennstrom) Kennlinie in drei Abschnitten definiert Folie 8 / 34

9 Einführung Differentialschutzgerät Alstom P 632 Fehlerstromkomponenten zur Bildung der Auslösekennlinie I aus I ΣF Auslösekennlinie res. Falschstrom I d I Aus I W I S+K I 0 Wandlerfehler (Sättigung) ungenaue Wandleranpassung, Spannungsverstellung Leerlaufstrom I ΣF I W I S + K I 0 I H Folie 9 / 34

10 Einführung Differentialschutzgerät Alstom P 632 Schaltgruppenanpassung und Nullstromaussiebung Sättigungsdiskriminator Schaltgruppenanpassung und Nullstromaussiebung Anpassung der Differentialschutzeinrichtung an Schaltgruppe des Schutzobjekts durch Eingabe der entsprechenden Schaltgruppen-Kennzahl Nullstromaussiebung separat für jedes Bein abschaltbar Sättigungsdiskriminator Überwachung des zeitlichen Auftretens des Differenzstromes nach jedem Nulldurchgang des Haltestromes innenliegende Fehler: Differenzstrom mit Erscheinen des Haltestromes nach einem Nulldurchgang durchgehende Ströme mit Wandlersättigung: Differenzstrom erst ab Zeitpunkt einer beginnenden Wandlersättigung Generierung eines Sperrsignals auf Basis von Pegelüberwachungen des Differenzstromes im Vergleich zum Haltestrom Sperrung nur in dem Messsystem, in dem ein außenliegender Fehler erkannt wurde Folie 10 / 34

11 Einführung Simulationssoftware ATPDesigner Eingabemodul mit grafischer Oberfläche zur Erstellung von Energieübertragungsnetzen und deren Simulation ATP Version des Electromagnetic Transients Program (EMTP) zur Lösung der Differentialgleichungssysteme Graphische Benutzerschnittstelle mit vordefinierten Netzelementen DiagramViewer zur Darstellung der errechneten Spannungen und Ströme als Signaldiagramm Folie 11 / 34

12 Einführung Stromwandler ungesättigt Sekundärstrom I s wird durch Primärstrom I p gemäß Übersetzungsverhältnis eingeprägt Hauptinduktivität L 0 im Normalbetrieb des Wandlers ohne Sättigung sehr hochohmig kleiner Magnetisierungsstrom I 0 = I mag Sekundärstrom I s fließt fast vollständig durch die Bürdenimpedanz Z b I ü = I p s Ip ü :1 I s X ct R ct I 0 R b U 0 X 0 X b Folie 12 / 34

13 Einführung Stromwandler gesättigt Hauptinduktivität L 0 im Fall der Stromwandlersättigung sehr niederohmig größter Anteil des Sekundärstromes I s fließt über Hauptinduktivität L 0 und nicht durch Bürdenimpedanz Z b Differentialschutz misst einen zu geringen Strom obwohl zu schützendes Betriebsmittel fehlerfrei Ip ü :1 I s X ct R ct I 0 R b U 0 X 0 X b Folie 13 / 34

14 Einführung Stromwandler Magentisierungskennlinie nichtlineares Magnetisierungsverhalten des Eisenkerns der Stromwandler verursacht Sättigung der Stromwandler und das sich dadurch ergebende nichtlineare Übertragungsverhalten Hauptinduktivität L 0 als Proportionalitätsfaktor zwischen dem Strom I und dem magnetischen Fluss Ψ wegen der unterschiedlichen Steigungen auch unterschiedliche Induktivitätswerte in den beiden Kennlinienbereichen U dψ di = = L dt dt 0 0 Ψ 0 ~ B Obergrenze des linearen Bereichs wird mit dem Überstromfaktor N beschrieben (Spannungsabfall an Gesamtbürde bzw. an Hauptinduktivität erreicht Sättigungsinduktion) Ψ sat L 0 I sat Kennlinie des gesättigten Stromwandlers Kennlinie des ungesättigten Stromwandlers I 0 ~ H Folie 14 / 34

15 INHALT Einführung Prinzip Differentialschutz Differentialschutzgerät Alstom P 632 Simulationssoftware ATPDesigner Stromwandler Versuchsaufbau Leitungsschutz Transformatorschutz Variation der Netzzeitkonstanten Ergebnisse Fragen Folie 15 / 34

16 Versuchsaufbau Notebook S&R 103 Alstom P 632 Frontansicht Rückansicht Netzgerät PC ATP Omicron CMC Folie 16 / 34

17 Leitungsschutz Netzwerktopologie Schutzzone F1 F2 F4 F5 Fehler innerhalb der Schutzzone: F1: Fehler auf Leitung 1 bei 50 % der Leitungslänge F2: Fehler auf Leitung 1 bei 90 % der Leitungslänge Fehler außerhalb der Schutzzone: F4: Fehler auf der Sekundärseite des Transformators (Cb3 geschlossen) F5: Fehler auf der Primärseite des Transformators (Cb4 geschlossen) Folie 17 / 34

18 Leitungsschutz Daten der Betriebsmittel Netz 1 + 2: U N = 110 kv, S k = 0,91 GVA, T Q = 175 ms Trafo: Dyn11, S N = 63 MVA, niederohmige Sternpunkterdung (R = 1000 Ω, X = 1 Ω) Leitung 1 + 2: Z 1 = (0,052 + j 0,186) Ω, Z 0 = (0,682 + j 0,461) Ω, l = 2,7 km Last 1 + 2: leerlaufende Leitung: I L = 0 A normale Last: I L = 500 A, cos (ϕ) = 0,9 maximale Last: I L = 1000 A, cos (ϕ) = 0,8 Stromwandler CT1: 800 A / 1 A, S CT1 = 30 VA Stromwandler CT2: 800 A / 5 A, S CT2 = 60 VA Schutzzone F1 F4 F2 F5 Folie 18 / 34

19 Leitungsschutz Prüfsystematik Ergebnis untersuchte Fehlerarten bei Variation der Lastverhältnissen: Einpoliger Fehler Zweipoliger Fehler Zweipoliger Fehler mit Erdberührung Dreipoliger Fehler mit Erdberührung Durchführung aller Prüfungen sowohl ohne Berücksichtigung als auch unter Berücksichtigung der unsymmetrischen Stromwandlersättigung Erwartung: Fehler innerhalb der Schutzzone: immer Auslösung Fehler außerhalb der Schutzzone: nie Auslösung Ergebnis: Auslöseverhalten des Schutzgerätes an allen Fehlerorten korrekt: Fehler innerhalb der Schutzzone: Auslösung (max. Kommandozeit: 28,6 ms) Fehler außerhalb der Schutzzone: keine Auslösung Folie 19 / 34

20 Leitungsschutz Variation des Nennüberstromfaktors Prüfsystematik untersuchte Fehlerart: Dreipoliger Fehler mit Erdberührung am Fehlerort F5 (außerhalb der Schutzzone) Vorgehensweise: Nennüberstromfaktor eines Stromwandlers wird variiert, während der Nennüberstromfaktor des jeweils anderen Stromwandlers den Standardwert beibehält (schrittweise Reduktion um eins) Erwartung: Falls Überfunktion des Schutzgerätes, dann mit kleiner werdendem Nennüberstromfaktor und damit zunehmender Sättigung des Stromwandlers Schutzzone F1 F2 F4 F5 Folie 20 / 34

21 Leitungsschutz Variation des Nennüberstromfaktors Teilströme des Stromwandlers ü r : 1 Z ct I sek I 0 N CT1 = 20 I Bürde L 0 Z B I prim I sek : Ohne Sättigung I Bürde : Mit Sättigung I 0 : Strom durch L 0 N CT1 = 1 Folie 21 / 34

22 Leitungsschutz Variation des Nennüberstromfaktors Ergebnis lfd. Nr. N CT1 t min t av t max n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a n. a , ,6 77,5 84, ,6 67,8 73, ,7 75,9 77,1 Bestätigung der Erwartungen bei allen durchgeführten Messungen bis auf zwei lfd. Nr. N CT2 t min t av t max ,2 44,2 44, n. a ,3 129,5 130, n. a ,1 57,00 64, ,5 61,5 63, ,2 57,4 66, ,9 60,7 67, ,9 58,9 68,1 Auslesen der Störprotokolle zur Untersuchung der Überfunktion der Messungen Nr. 52 und 54 Betrachtung der Binärgrößen»Messsystem- Trigger«und»Sättigungsdiskriminator-Trigger«Folie 22 / 34

23 Leitungsschutz Variation des Nennüberstromfaktors Untersuchung der Überfunktion Messprotokoll bei ordnungsgemäßer Funktion des Schutzgerätes (Nr. 53) Folie 23 / 34

24 Leitungsschutz Variation des Nennüberstromfaktors Untersuchung der Überfunktion Messprotokoll bei Überfunktion des Schutzgerätes (Nr. 52) Folie 24 / 34

25 Leitungsschutz Variation des Nennüberstromfaktors Untersuchung der Überfunktion Trajektorie des Messsystems 1 bei Überfunktion des Schutzgerätes (Nr. 52) I d aufgrund auftretender Stromwandlersättigung mit zeitlicher Verzögerung zu I H Sättigungsdiskriminator hätte ansprechen müssen Folie 25 / 34

26 Transformatorschutz Netzwerktopologie F1 F2 Schutzzone F1: Transformatorinterner Fehler auf der Sekundärseite des Transformators (Fehler innerhalb der Schutzzone, Cb3 geschlossen) F2: Transformatorexterner Fehler auf der Sekundärseite des Transformators (Fehler außerhalb der Schutzzone, Cb4 geschlossen) Folie 26 / 34

27 Transformatorschutz Daten der Betriebsmittel Daten der Netze, Leitungen, Lasten und des Transformators werden vom Leitungsschutz übernommen Dimensionierung des Stromwandler CT1: 400 A / 1 A, S CT1 = 10 VA Dimensionierung des Stromwandler CT2: 1500 A / 1 A, S CT2 = 10 VA F1 F2 Schutzzone Folie 27 / 34

28 Transformatorschutz Prüfsystematik Ergebnis untersuchte Fehlerarten: Einpoliger Fehler Zweipoliger Fehler mit Erdberührung Dreipoliger Fehler mit Erdberührung Durchführung aller Prüfungen sowohl ohne Berücksichtigung als auch unter Berücksichtigung der unsymmetrischen Stromwandlersättigung Erwartung: Fehler innerhalb der Schutzzone: immer Auslösung Fehler außerhalb der Schutzzone: nie Auslösung Ergebnis: Auslöseverhalten des Schutzgerätes an allen Fehlerorten korrekt: Fehler innerhalb der Schutzzone: Auslösung (max. Kommandozeit: 25,5 ms) Fehler außerhalb der Schutzzone: keine Auslösung Folie 28 / 34

29 Transformatorschutz Variation des Nennüberstromfaktors Prüfsystematik untersuchte Fehlerart: Dreipoliger Fehler mit Erdberührung am Fehlerort F2 (Fehler außerhalb der Schutzzone) Vorgehensweise: Nennüberstromfaktor eines Stromwandlers wird variiert, während der Nennüberstromfaktor des jeweils anderen Stromwandlers den Standardwert beibehält (schrittweise Reduktion um eins) Erwartung: Falls Überfunktion des Schutzgerätes, dann mit kleiner werdendem Nennüberstromfaktor und damit zunehmender Sättigung des Stromwandlers F1 F2 Schutzzone Folie 29 / 34

30 Transformatorschutz Variation des Nennüberstromfaktors Ergebnis Bestätigung der Erwartungen bei allen durchgeführten Messungen Sättigung bis zu Nennüberstromfaktor N CT1 = 3 bzw. N CT2 = 4 durch den Sättigungsdiskriminator erkannt und somit Auslösung des Differentialschutzes blockiert lfd. Nr. N CT1 t min t av t max 73 6 n. a n. a n. a n. a ,9 164,6 165, ,4 163,8 164,9 lfd. Nr. N CT2 t min t av t max 79 5 n. a n. a ,3 164,0 165, ,2 163,3 164, ,4 163,2 164,2 Bei Wiederholung der Untersuchung bei kleiner werdendem Nennüberstromfaktor mit neuer Software-Version sowohl für Leitungsschutz als auch für Transformatorschutz keine Überfunktion des Schutzgerätes mehr Auslöseverhalten des Differentialschutzgerätes P 632 verbessert Folie 30 / 34

31 Variation der Netzzeitkonstanten T Q Netzwerktopologie F Schutzzone F: Transformatorexterner Fehler auf der Sekundärseite des Transformators (Fehler außerhalb der Schutzzone, Cb4 geschlossen) Folie 31 / 34

32 Variation der Netzzeitkonstanten T Q Prüfsystematik Ergebnis untersuchte Fehlerart: Dreipoliger Fehler mit Erdberührung Durchführung aller Prüfungen bei Variation des Überstromfaktors und Variation der Netzzeitkonstanten T Q im Bereich 10 ms < T Q < 200 ms Erwartung: bei allen Netzzeitkonstanten: nie Auslösung Ergebnis: Auslöseverhalten des Schutzgerätes korrekt: Bei allen Netzzeitkonstanten T Q : keine Auslösung Ansprechen des Sättigungsdiskriminators: bei T Q > 25 ms mit kleiner werdendem Nennüberstromfaktor N ab T Q = 25 ms nicht mehr Folie 32 / 34

33 Ergebnisse Alte Software-Version: Teilweise Überfunktion des Differentialschutzes bei Fehlern außerhalb der Schutzzone bei unsymmetrischer Stromwandlersättigung und Variation der Überstromfaktoren der Stromwandler Neue Software-Version: Verbesserung des Auslöseverhaltens der Differentialschutzeinrichtung Keine Überfunktion des Schutzgerätes bei unsymmetrischer Stromwandlersättigung mehr Folie 33 / 34

34 INHALT Einführung Prinzip Differentialschutz Differentialschutzgerät Alstom P 632 Simulationssoftware ATPDesigner Stromwandler Versuchsaufbau Leitungsschutz Transformatorschutz Variation der Netzzeitkonstanten Ergebnisse Fragen Folie 34 / 34