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Stromwandler für Schutzzwecke

Stromwandler für Schutzzwecke. Wilhelm Offhaus. Dipl.-Ing. Januar 2004. Stromwandler für Schutzzwecke Normen und Gremienarbeit. Normen: DIN EN 60044-1 (November 2001) Meßwandler – Teil 1: Stromwandler

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Stromwandler für Schutzzwecke

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Presentation Transcript

  1. Stromwandlerfür Schutzzwecke Wilhelm Offhaus Dipl.-Ing. Januar 2004

  2. Stromwandler für SchutzzweckeNormen und Gremienarbeit Normen: • DIN EN 60044-1 (November 2001)Meßwandler – Teil 1: Stromwandler • DIN EN 60044-6 (Oktober 1999)Meßwandler – Teil 6: Anforderungen an Stromwandler für Schutzzwecke für transientes Übertragungsverhalten Gremienarbeit: • Cigré Study Committee B5 (frühere SC34) – Working Group 02„Co-ordination of Relays and Conventional Current Transformers“

  3. Stromwandler für Schutzzwecke Das Modell

  4. Zur Modellierung kann der Stromwandler in einen magnetischen und einen elektrischen Kreis unterteilt werden. Stromwandler für SchutzzweckeDas Modell Magnetischer und elektrischer Kreis

  5. Aus dem Durchflutungsgesetz ergibt sich eine Knotengleichung für die Ströme. Stromwandler für SchutzzweckeDas Modell Anwendung des Durchflutungsgesetzes

  6. Das Induktionsgesetz führt zu einer Maschengleichung für die Spannungen. Stromwandler für SchutzzweckeDas Modell Anwendung des Induktionsgesetzes

  7. Stromwandler für Schutzzwecke Stationäres Übertragungsverhalten

  8. Die bei der Modellierung des Stromwandlers abgeleiteten Gleichungen können in ein Ersatzschaltbild umgesetzt werden. Stromwandler für SchutzzweckeStationäres Übertragungsverhalten Ersatzschaltbild mit stationären, sinusförmigen Signalen Knotengleichung: Maschengleichung:

  9. Stromwandler für SchutzzweckeStationäres Übertragungsverhalten Zeigerdiagramm mit

  10. Im Gegensatz zum Winkelfehler ist der Betragsfehler prinzipiell durch Anpassen der Sekundärwindungszahl kompensierbar. Stromwandler für SchutzzweckeStationäres Übertragungsverhalten Übertragungsfehler • Stark induktive Gesamtbürde bewirkt überwiegend negativen Betragsfehler: • Stark ohmsche Gesamtbürde bewirkt überwiegend positiven Winkelfehler: • Je höher die Gesamtbürde desto höher ist der Gesamtfehler: mit

  11. Der (tatsächliche) Betriebs-Überstromfaktor ist abhängig von der Bürde. Stromwandler für SchutzzweckeStationäres Übertragungsverhalten Genauigkeits-Grenzfaktor (Überstromfaktor) mit

  12. Genauigkeits-Grenzfaktor (Überstromfaktor) und sekundäre Genauigkeits-Grenzspannung sind ineinander umrechenbar. Stromwandler für SchutzzweckeStationäres Übertragungsverhalten Sekundäre Genauigkeits-Grenzspannung Beispiel: bei Isn = 5 A: (!) bei Isn = 1 A:

  13. Überdimensionierungsfaktor bzw. Sättigungsfaktor referenzieren auf die Übertragung des symmetrischen Kurzschlußstromes. Stromwandler für SchutzzweckeStationäres Übertragungsverhalten Überdimensionierungsfaktor und Sättigungsfaktor (!) bzw. mit

  14. Stromwandler für SchutzzweckeStationäres Übertragungsverhalten Der Stromwandler als Lastenträger Rct + Rb K = ? Usal Kssc

  15. Stromwandler für SchutzzweckeStationäres Übertragungsverhalten Stromwandler-Klassen nach DIN EN 60044-1 • Bei Stromwandler der Klasse PR (protection low remanence) darf der Remanenzfluß nicht mehr als 10 % des Sättigungsflusses betragen. • Bei Stromwandler der Klasse PX (protection low reactance) muß der Nachweis der Bauart mit niedriger Streureaktanz erbracht werden. Folgende Angaben sind ausreichend für die Beurteilung des Betriebsverhaltens in Bezug auf das Schutzrelaissystem: • sekundäre Magnetisierungscharakteristik • Widerstand der Sekundärwicklung • Widerstand der Sekundärbürde • Windungszahlenverhältnis

  16. Stromwandler für Schutzzwecke Transientes Übertragungsverhalten

  17. Die transiente Phase beschreibt den Übergang vom stationären Betriebsstrom in den stationären Kurzschlußstrom (KS-Eintritt). Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Ersatzschaltung für Kurzschlußschleife mit

  18. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Unverlagerter und voll verlagerter Kurzschlußstrom Kurzschlußeintritt:  = p (Spannungsmaximum, wenn p = 90°)  Unverlagerter Kurzschlußstrom Kurzschlußeintritt:  = p – /2 (Spannungsnulldurchgang, wenn p = 90°)  Voll verlagerter Kurzschlußstrom

  19. Für den Sonderfall des idealen Stromwandlers (Ts) verschwindet der Magnetisierungsstrom im und is ist gleich ip‘. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Übertragung des voll verlagerter Kurzschlußstromes Periodischer Stromanteil: Aperiodischer Stromanteil:

  20. Das Maximum des aperiodischen Anteils des Magnetisierungsstromes ist um ein Vielfaches größer als die Amplitude des periodischen Anteils. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Magnetisierungsstrom

  21. Der durch die Sättigungsinduktion des Wandlerkerns bestimmtenAussteuerungsgrenze entspricht ein Magnetisierungsstromwert. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Aussteuerungsgrenze

  22. Beim Beaufschlagen eines Stromwandlers mit dem Fehler-Grenzstrom wird der Wandlerkern über den Magnetisierungs-strom genau bis zur Sättigungsinduktion ausgesteuert. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Ermittlung des Sättigungsbeginns

  23. Sättigungsbeginn ist dann gegeben, wenn der Wandlerkern über die Aussteuerung genau seine Sättigungsinduktion erreicht. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Sättigungsbeginn bei voll verlagertem Kurzschlußstrom

  24. Der Transientfaktor bestimmt das Maß der erforderlichen Über-dimensionierung, um den Stromwandler sättigungsfrei zu halten. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Transientfaktor mit

  25. Der zeitliche Verlauf des Transientfaktors ist eine Überlagerung aus je einer exponentiellen Auf- und Abmagnetisierung. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Zeitlicher Verlauf des Transientfaktors

  26. Aufmagnetisierung gemäß Tp und Abmagnetisierung gemäß Tsergeben ein Maximum des zeitabhängigen Transientfaktors. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Maximum des Transientfaktors

  27. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Zeitverlauf des Transientfaktors Tp = 0,05 s Tp = 0,1 s Tp = 0,2 s fn = 50 Hz Ktf (0.03s) = 9,1Ktf max = 31,0 Ktf (0.03s) = 8,1Ktf max = 16,3 Ts = 10 s Ktf (0.03s) = 9,7Ktf max = 59,0 Ktf (0.03s) = 9,0Ktf max = 25,3 Ktf (0.03s) = 8,0Ktf max = 14,4 Ts = 1 s Ktf (0.03s) = 9,6Ktf max = 43 Ktf (0.03s) = 7,3Ktf max = 9,8 Ktf (0.03s) = 6,4Ktf max = 7,3 Ktf (0.03s) = 7,8Ktf max = 12,3 Ts = 0,06 s

  28. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Stromwandler-Klassen nach DIN EN 60044-6 • Bei Stromwandlern der Klasse TPS muß das Windungszahlverhältnis numerisch gleich 1/Kn sein. Der Fehler dieses Übersetzungsverhältnisses darf ± 0,25 % nicht überschreiten. Die Fehlergrenzbedingungen werden durch die Magnetisierungskurve bestimmt. • Bei Stromwandlern der Klasse TPY darf der Remanenzfluß nicht mehr als 10 % des Sättigungsflusses betragen. • Bei Stromwandlern der Klasse TPZ ist der Remanenzfluß vernachlässigbar.

  29. Eine Wandlerzeitkonstante von 60 ms bei fn = 50 Hz (bzw. von 50 ms bei fn = 60 Hz) bewirkt einen Fehlwinkel von 3° (= 180 Minuten). Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Fehlwinkel bei Stromwandlern der Klasse TPZ

  30. Der aperiodische Anteil des Primärstromes erfährt im Stromwandler eine Verfälschung, die um so stärker ist, je kleiner die Wandlerzeitkonstante Ts ist. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Übertragung des aperiodischen Stromanteils

  31. In der Hauptinduktivität Lmgespeicherte Energie Wm: Der nach dem Löschen des Primärstromes auftretende Abklingstrom kann bis zu 30 % des vorher geflossenen Stromes betragen und klingt mit der Wandlerzeitkonstanten Ts ab. Stromwandler für SchutzzweckeTransientes Übertragungsverhalten Abklingvorgang nach Löschen des Primärstromes

  32. Stromwandler für Schutzzwecke Anforderungen der Schutzeinrichtungen

  33. Der erforderliche Dimensionierungsfaktor muß für eine Schutzeinrichtung empirisch ermittelt werden. Stromwandler für SchutzzweckeAnforderungen der Schutzeinrichtungen Dimensionierungsfaktor bzw. mit Kd: Dimensionierungsfaktor Einzelner Stromfluß: Doppelter Stromfluß (bei KU):

  34. Der Überdimensionierungsfaktor KAR berücksichtigt den Einfluß der Vormagnetisierung aufgrund der ersten Stromflußdauer während eines KU-Zyklus. Stromwandler für SchutzzweckeAnforderungen der Schutzeinrichtungen Einfluß der Kurzunterbrechung Aufmagnetisierung während der ersten Stromflußdauer t‘ Entmagnetisierung während der Totzeit tfr

  35. Beim Distanzschutz kann eine nicht ausreichende transiente Dimensionierung zu erhöhten Auslösezeiten führen. Stromwandler für SchutzzweckeAnforderungen der Schutzeinrichtungen Dimensionierungsrichtlinie beim Distanzschutz

  36. Beim Differentialschutz kann eine nicht ausreichende transiente Dimensionierung zu Durchgangsinstabilitäten führen. Stromwandler für SchutzzweckeAnforderungen der Schutzeinrichtungen Dimensionierungsrichtlinie beim Transformator-Diff.schutz

  37. Stromwandler für Schutzzwecke Auslegung von Stromwandlern

  38. Bestimmende Merkmale des Materials von Stromwandlerkernen sind die relative Permeabilität und die Sättigungsinduktion. Stromwandler für SchutzzweckeAuslegung von Stromwandlern Merkmale des Kernmaterials Sättigungsinduktion: Relative Permeabilität: mit

  39. Die Sättigungsinduktion des Kernmaterials bestimmt überwiegend das stationäre, die Permeabilität des Kernmaterials das transiente Übertragungsverhalten eines Stromwandlers. Stromwandler für SchutzzweckeAuslegung von Stromwandlern Einfluß des Kernmaterials auf das Übertragungsverhalten • Je höher die Sättigungsinduktion desto größer ist das Verhältnis zwischen Sättigungsinduktion und Nenninduktion bzw. desto größer ist der Nenngenauigkeits-Grenzfaktor (Nenn-Überstromfaktor): • Hauptinduktivität und Wandlerzeitkonstante sind proportional zur Permeabilität:

  40. Der Nenn-Genauigkeits-Grenzfaktor (Nenn-Überstromfaktor) kannnur durch Vergrößerung des Kernquerschnitts erhöht werden. Stromwandler für SchutzzweckeAuslegung von Stromwandlern Auslegung über den Kernquerschnitt

  41. Der Überdimensionierungsfaktor eines Kleinsignal-stromwandlers beträgt mindestens 50 !!! Stromwandler für SchutzzweckeAuslegung von Stromwandlern Beispiel: Kleinsignalstromwandler

  42. Stromwandler für Schutzzwecke Verhalten bei Sättigung

  43. Ein Stromwandler überträgt eine maximal mögliche Spannungs- bzw. Stromzeitfläche, die vom maximal möglichen verketteten magnetischen Fluß bestimmt wird. Stromwandler für SchutzzweckeVerhalten bei Sättigung Maximal übertragbare Stromzeitfläche mit mit

  44. Die stark idealisierte Magnetisierungskennlinie besteht aus zwei Geradenstücken und horizontalem Verlauf im Sättigungsgebiet. Stromwandler für SchutzzweckeVerhalten bei Sättigung Stark idealisierte Magnetisierungskennlinie

  45. Stromwandler für SchutzzweckeVerhalten bei Sättigung Übertragung des Genauigkeits-Grenzstromes Unverlagerter Kurzschlußstrom: Verlagerter Kurzschlußstrom:

  46. Stetiger Übergang und endliche Hauptinduktivität im Sättigungs-gebiet kennzeichnen die tatsächliche Magnetisierungskennlinie. Stromwandler für SchutzzweckeVerhalten bei Sättigung Tatsächliche Magnetisierungskennlinie

  47. Stromwandler für SchutzzweckeVerhalten bei Sättigung Sekundärgrößen des gesättigten Stromwandlers Voll verlagerter primärer Kurzschlußstrom Sekundärstrom bei transienter Wandlersättigung Sekundärstrom, der vom dauernd gesättigten Stromwandler abgegeben würde Ausgleichskomponente im Sekundärstrom Sekundärstrom, der während der Sättigungs-intervalle abgegeben wird Magnetisierungsstrom

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