Den essensielle fysikken bak transformator differensial beskyttelse (du må vite)
Introduksjon til differensial beskyttelse
Transformatorer er viktige systemkomponentertilgjengelig i mange forskjellige konstruksjoner. Utvalget av HV-transformatorer kommer fra små distribusjonstransformatorer (fra 100 kVA) opp til store transformatorer med flere hundre MVA.
Den essensielle fysikken bak transformatorens differensibeskyttelse du burde vite (foto kreditt: Kam Abbott via Flickr)
Bortsett fra det store antallet enkle to- og tre-viklingstransformatorer, finnes det også en rekke komplekse konstruksjoner i form av multi-vikling og regulerende transformatorer.
Differensiell beskyttelse gir rask og selektiv kortslutningsbeskyttelse på egen hånd, eller som et supplement til Buchholz (gasstrykk) beskyttelse.
Det brukes vanligvis på transformatorer over ca. 1 MVA. På større enheter over ca. 5 MVA det er standard.
Nødvendig fysikk
For bedre å forstå beskyttelsesresponsen under kortslutninger og bytteoperasjoner, er de fysiske prinsippene til transformatoren i utgangspunktet dekket i detalj.
- Ekvivalent krets av en transformator
- I et hastverk
- Sympatisk in-rush
- In-rush blokkering
- Cross-blokkering
- Transformator overstrømning
1. Ekvivalent krets av en transformator
Den primære og sekundære viklingen er koblet via en magnetisk kjerne ved hjelp av hovedfluss Φ Figur 1. For å oppnå strømmen, magnetiseringsstrøm (eksitasjonsstrøm) Im i henhold til magnetiseringskurven er nødvendig.
Figur 1 - Ekvivalent krets av en transformator
I den elektriske ekvivalente kretsen stemmer dette excitasjonskriteriet til hovedreaktans Xm. Lekkasjeflussen Φσ1 og Φσ2 er bare knyttet til deres respektive egenviklinger og utgjør lekkasjereaksjonene Xσ1 og Xσ2 .
R1 og R’2 er de respektive viklingsmotstandene. Alle strømmer og impedanser refereres til primærsiden.
Xm = U / Im tilsvarer helling av magnetiseringskurven. Under belastning og særlig ved kortslutning, er driftspunktet under kneepunktet i den bratte delen av kurven.
Under belastnings- og kortslutningsforhold, a forenklet ekvivalent krets kan derfor brukes til beregningene (figur 2).
Figur 2 - Forenklet transformator ekvivalent krets
De seriereaktans XT tilsvarer kortspenningen i%, i forhold til transformatorens nominelle impedans:
Seriemotstanden tilsvarer ohmisk kortspenning i%, og er også basert på nominell impedans. For beregning av kortslutningsstrømmen, kan motstanden forsømmes, det må bare vurderes ved beregning av likestidskonstanten.
Tabell 1 viser typiske transformatordata.
Tabell 1 - Typiske transformatordata
| Vurdering [MVA] |
Transformasjonsforhold [KV / kV] |
Kortslutning Spenning ux-t [%] |
Åpent kretsstrøm [% JEGN] |
| 600 | 400/230 | 19 | 0.25 |
| 300 | 230/110 | 24 | 0.1 |
| 40 | 110/10 | 17 | 0.1 |
| 16 | 30/10 | 8.0 | 0.2 |
| 6.3 | 30/10 | 7.5 | 0.2 |
| 0.63 | 10 / 0.4 | 4.0 | 0.15 |
2. I-rush
Når du aktiverer en transformator, resulterer ensidig over-excitasjon på grunn av remanans forårsaker stor magnetiseringsstrømstrøm (in-rush current).
Strømmen går ikke tilbake til null når transformatoren er slått av, men forblir på remanansepunkt ΦRem, som kan være over 80% av den nominelle induksjonen. Når transformatoren er på nytt, begynner fluxøkningen på dette punktet. Avhengig av det energibesparende øyeblikk på sinusformet spenning (punkt på bølge), kan et avløpt kurs av strømmen resultere.
Kurveformen korresponderer med sinusformede halvbølger av en enkel halvbølge rettet vekselstrøm som faller ned med en meget stor tidskonstant (figur 3 nedenfor).
Figur 3 - Opprinnelse av rushstrøm
Rush strømmen er spesielt stor når kjerner av kaldvalset stål med a nominell induksjon (1,6 til 1,8 Tesla) opereres nær metningsledningen (ca. 2 Tesla).
På en trefasetransformator vil det oppstå en trefasehastighet, som avhenger av vektorgruppen og metoden for stjernepunktjording på transformatoren.
Generelt vil to faser mette og trekke store magnetiseringsstrømmer. På stjernedeltransformatorer kobles disse strømmer til den ikke-mettede fase via deltaviklingen.
Dette medfører de typiske rushstrømmene som vist i figur 5.
Rushstrømmene i de tre faser kan beregnes fra nødvendig magnetisering (ImA og jegmC) av de to mettede kjerne-lemmer A og C med de gitte ligninger. Nåværende på fase B tilsvarer dermed strømmen i deltaviklingen JegD. Det viste oscillogrammet av en rush-forekomst bekrefter de beregnede kurver.
Amplitude og tidskonstant avhenger av transformatorstørrelsen (se figur 4).
Figur 4 - Typisk rushstrøm av en stjerne delta transformator
Det må bemerkes at en lignende rush-strøm også oppstår når en ekstern kortslutning er slått av, og transformatoren blir magnetisert på nytt ved spenningen.
Det er imidlertid vesentlig mindre enn rushet etter innføring av en frakoblet transformator.
Figur 5 - Typiske innstrømsstrømdata
Store rushstrømmer kan også oppstå når asynkrone systemer kobles sammen via en transformator, da den store spenningsforskjellen kan forårsake forbigående metning av kjernen.
3. Sympatisk in-rush
Når transformatorene ble koblet parallelt, ble det observert det Differensialbeskyttelsen til transformatoren som var i drift utstedte en tur.
Årsaken til dette er sympatisk in-rush nåværende, som resulterer fra strømmen av transformatoren som blir energisert (figur 6).
Figur 6 - Sympatisk innstrømsstrøm
Spenningsfallet som oppstår fra den innledende spenningsstrømmen over kildemotstanden til innmatningen påvirker den andre transformatoren parallelt og forårsaker sympatisk in-rush nåværende (I2).
Strømmen fra systemet (JegT) faller raskt. Men en strøm sirkulerer fortsatt mellom de to transformatorene på grunn av den lille dempingen (stor tidskonstant τ = X / R av viklingene).
4. In-rush blokkering
In-rush-strømmen flyter inn i det beskyttede objektet fra en enkelt side og vises som en intern feil. Transformatorens differensjonsbeskyttelse må derfor stabiliseres mot dette fenomenet.
Den store mengden andre harmoniske i rushennåværende ble allerede brukt med konvensjonell beskyttelse for dette formålet. Den andre harmonikken filtreres ut av differensiestrømmen (driftsstrøm) ved hjelp av et filter, og blir deretter brukt som ytterligere fastholdelsesstrøm i målebroen.
Andre produsenter sammenlignet 100 (120) og50 (60) Hz-komponenter direkte med en separat brokrets, som da direkte blokkerte beskyttelsen, som det nå er gjort i programvare for numerisk beskyttelse.
100 (120) Hz-komponenten i spenningsstrømmen avhenger av bunnbredden på sinusformede kapsler (som vist på figur 7).
Den minker ettersom basisbredden B øker.
Undersøkelser har vist at en basebreddestørre enn 240 ° oppstår nesten aldri i praksis, noe som innebærer en minimum sekundær harmonisk komponent på 17,5%. En innstilling på 15% gir derfor mening for rushblokkering.
Den tredje harmoniske kan ikke brukes til in-rush blokkering, som det er sterkt representert i kortslutningsstrømmen når CT-metning foregår.
Figur 7 - Harmonisk innhold av innstrømstrøm
En mer sensitiv innstilling enn 15% av den andre harmoniske bør normalt ikke brukes, da den avkortede kortslutningsstrømmen også vil ha en andre harmonisk komponent ved CT-metning.
5. Kryss blokkering
Denne funksjonen, som allerede ble brukt i konvensjonelle reléer, er nå tilgjengelig i alle numeriske reléer og kan aktiveres, hvis ønskelig.
Det tar i betraktning at den andre harmoniske komponenten i de enkelte faser er forskjellig og kan ikke være tilstrekkelig, i fasen med den minste komponent, for å aktivere blokkeringen.
6. Transformator overstrømning
Hvis transformatoren drives med for myehøy spenning, så øker den nødvendige magnetiseringen også. Magnetiseringsstrømmen stiger kraftig når driftspunktet på magnetiseringskurven ligger nær metningspunktet.
Bølgeformen blir mer og mer forvrengt med økende merkelig harmonisk innhold (som vist i figur 8).
Figur 8 - Magnetiseringsstrøm i tilfelle transformator overstrømning
Den økte magnetiseringsstrømmen fremstår som en trippestrøm i differensialbeskyttelsen med stor overspenning. Dette kan føre til tripping, avhengig av transformatorens konfigurasjon.
Overspenninger kan forekomme i systemet, på grunn avdistribusjon av reaktiv strømforsyning i tilfelle trykkbryterproblemer, eller etter belastningshastighet. Dette gjelder spesielt for geografisk store systemer med lange linjer.
Transformatoren kan tolerere over-excitering, som forårsaker oppvarming, for en gitt tid uten å opprettholde skade. I løpet av denne tiden må systemreguleringen sørge for at spenningen går tilbake til det tillatte området.
Bare hvis dette ikke skjer, må transformatoren isoleres ved hjelp av en spesiell over-exciteringsbeskyttelse som har a U / f-avhengig tidsforsinkelse. Tripping av differensialbeskyttelse med rask måling på grunn av disse forholdene må unngås til enhver pris.
For denne innstillingen må det bemerkes at 5th harmonisk komponent reduseres igjen hvis overspenningen er veldig stor (Figur 8). En typisk innstilling er 30%.
Hvis overspenningen er veldig stor, er blokkering neilengre fornuftig som transformatoren er i fare. Blokkeringen kan derfor igjen settes tilbake når den femte harmoniske komponenten er over et settforhold på 50 Hz-komponenten, noe som øker ettersom overspenningen øker.
Henvisning // Numerisk differensiell beskyttelse av Gerhard Ziegler