DE69213521T2

DE69213521T2 - Verfahren und Anordnung zur Erkennung einer Sättigung von Stromwandlertransformatoren

Info

Publication number: DE69213521T2
Application number: DE1992613521
Authority: DE
Inventors: Mohan Saha Murari
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1991-03-27
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2012-03-27
Also published as: EP0506035B1; SE9100917L; SE468189B; EP0506035A1; DE69213521D1; SE9100917D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 beziehungsweise des Anspruches 2.
Instrumententransformatoren für Strom und Spannung (Stromwandler und Spannungswandler) bilden einen wichtigen und integralen Bestandteil bei der Steuerung, Regelung, Überwachung und bei Schutzvorrichtungen in den meisten Leistungsübertragungssystemen. Es ist natürlich sehr wichtig, daß diese Meßvorrichtungen die zu messenden Größen korrekt wiedergeben, und zwar sowohl hinsichtlich stationärer als auch dynamischer Werte. Da sowohl Regelungs- als auch Überwachungsvorrichtungen und insbesondere Schutzvorrichtungen häufig auf der Messung von Augenblickswerten basieren, werden hohe Anforderungen an eine gute dynamische Genauigkeit bei den Messungen gestellt.
Aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen ist es nicht möglich, Stromtransformatoren so zu bauen, daß eine Sättigung bei allen Fehlerstromgrößen vermieden wird. Wenn bei einem Fehlerzustand ein bedeutend höherer Strom als der Nennstrom fließt, gelangt der Stromtransformator in die magnetische Sättigung. Das bedeutet, daß die Wellenform des gelieferten Stromes (Sekundärstromes) verzerrt wird. Bei bestimmten Anwendungen, unter anderem bei Stromdifferentialschutzeinrichtungen, kann die verzerrte Wellenform zu einem Fehlverhalten der Schutzvorrichtung führen. Es ist daher sehr wichtig, sehr schnell feststellen zu können, ob ein Stromtransformator von einem Strom durchflossen wird, bei dem im magnetischen Sättigungsbereich arbeitet.
Wenn der magnetische Fluß im Kern des Stromtransformators in den Sättigungsbereich eindringt, wird der Ausgangsstrom des Stromtransformators verzerrt. Die Faktoren, welche den Fluß im Kern bestimmen, sind die Amplitude, die Dauer und die Wellenform des Primärstroms sowie die Zusammensetzung der Bürde des Stromtransformators. Der Kern kann in die Sättigung gelangen durch hohe symmetrische Fehlerströme als auch bei lang andauernden aperiodischen Komponenten im Fehlerstrom. Es hat sich gezeigt, daß die letzteren eine wichtige Rolle für die transienten Eigenschaften von Stromtransformatoren spielen.
Da Stromtransformatoren einen lamellierten Kern aus Blechen aus ferromagnetischem Material haben, kann im Kern eine magnetische Restremanenz auftreten. Der dabei auftretende Restfluß kann den Einfluß auf den gemessenen Strom verbessern oder verschlechtern, wenn dieser eine transiente aperiodische Komponente enthält.
Es gibt gegenwärtig mehrere verschiedene Verfahren zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren. Die SE-B- 366,435, "Device for detecting the times for saturation of a transformer" beschreibt ein Verfahren, welches auf einem Vergleich der Ableitungen des Stromes an zwei Punkten basiert, in denen der Strom durch Null geht und in denen die Ableitungen negativ beziehungsweise positiv sind. Der Transformator gilt als gesättigt, wenn der Absolutwert der negativen Ableitung kleiner als der Absolutwert der positiven Ableitung ist. Dies ist stets der Fall, wenn der Strom eine positive aperiodische Komponente enthält. Ein Nachteil des in der SE-B-366,435 beschriebenen Verfahren besteht darin, daß für die Feststellung die Zeit für zwei Nulldurchgänge des Stromes benötigt wird. Das Verfahren ist nicht völlig zuverlässig, da das obige Kriterium für die Sättigung für einen nicht gesättigten Stromtransformator erfüllt ist, der am anderen Ende eines Kabels liegt, in welches aus zwei Richtungen einsgepeist wird.
In einer Veröffentlichung von A. Reyrolle & Co. Ltd., 1958, mit dem Titel "Effects of Transients in Instrument Transformers" von F. L. Hamilton, wird beschrieben, wie Transienten, die eine Sättigung von Stromtransformatoren verursachen können, die Messung beeinflussen. Mit Hilfe des dort Beschriebenen kann man zu einem Verfahren zur Feststellung der Sättigung gelangen durch Vergleich zwischen den Stromintegralen aufeinander folgender Stromnulldurchgänge für einen gesättigten Stromtransformator. Bei diesem Verfahren beträgt jedoch die Zeit für die Feststellung, nachdem Sättigung eingetreten ist, etwa 20 ms, eine Zeit, die für schnelle Schutzsysteme zu lang ist.
Die GEG Measurements Veröffentlichung "Low Impedance Bus Bar Protection MBCZ10" beschreibt ein Verfahren mit Analogtechnik zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren. Ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Feststellungsschaltung zeigt Figur 14 dieser Veröffentlichung. Ein Hilfstransformator ist an den Sekundärkreis des Stromtransformators angeschlossen, und die Sekundärspannung des Hilfstransformators wird gleichgerichtet und einer RC-Schaltung zugeführt, die auch eine Diode enthält, die so beschaffen und bemessen ist, daß die gleichgerichtete Spannung und die Hälfte dieser Spannung einem Komparator zugeführt werden. Wenn die gleichgerichtete Spannung kleiner als 0,5 V ist, liefert der Komparator ein Ausgangssignal , das ein elektronisches Schaltglied einschaltet, welches anzeigt, daß der Stromtransformator gesättigt ist. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Feststellung einer Sättigung nur stattfinden kann nach einem zweiten Nulldurchgang des Stromes nach Eintritt der Sättigung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Detektor zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren zu entwickeln, welches Verfahren und welcher Detektor sehr schnell arbeiten und sich durch Zuverlässigkeit und relative Einfachheit auszeichnen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Ferner schlägt die Erfindung einen Detektor zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 vor, welcher Detektor durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 2 charakterisiert sind.
Das Verfahren und der Detektor zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren gemäß der Erfindung basiert auf der kontinuierlichen Bestimmung des Absolutwertes sowohl des Stromes als auch der Ableitung des Stromes. Um zu verhindern, daß Oberwellen die Messung beeinflussen, und um die Bestimmung der Ableitungen der Ströme zu erleichtern, wird der Strom zunächst mit Hilfe eines Tiefpaßfilters gefiltert.
Es kann gezeigt werden, daß die folgenden Kriterien ausreichend und notwendig sind, um zu bestimmen, ob der Stromtransformator in die Sättigung gelangt ist: Wenn sowohl der Absolutwert des Stromes als auch der Absolutwert der Ableitung des Strommes kleiner als sehr kleine vorgegebene Werte sind, während gleichzeitig der Absolutwert des Stromes kurze Zeit vorher größer als ein vorgegebener Wert war, dann ist der Stromtransformator gesättigt. Diese Kriterien können wie 2 folgt ausgedrückt werden:
I(t) < K1
d(I(t))/dt < K2
I(t - τ) > K3
Die Konstanten K1, K2 und K3 werden mit Hilfe der Nennwerte im betreffenden Fall geschätzt. Die Konstante K1 besteht zweckmäßigerweise aus einem oder einigen Prozent des Nennwertes des Stromes. Die Konstante K2 besteht aus einem oder einigen Prozent des Maximalwertes der Ableitung des Stromes bei sinusförmigem Verlauf. Die Konstante K3 kann auf einen Wert festgesetzt werden, der nahe dem Nennwert des Stromtransformators liegt. Der Wert von τ kann zweckmäßigerweise auf einige ms festgesetzt werden.
Versuche haben gezeigt, daß die Feststellung der Sättigung mit einem Verfahren gemäß der Erfindung im Verlauf von 3 bis 5 ms erfolgen kann, das heißt, daß das Verfahren bedeutend besser als die oben beschriebenen Verfahren sind, soweit die Arbeitsgeschwindigkeit betroffen ist. Das Verfahren erlaubt auch eine äußerst einfache Ausführungsform eines Detektors, da nur eine kleine Anzahl von Komponenten konventioneller Meß- und Logikschaltungen erforderlich ist.
Die Erfindung soll nun genauer unter Bezug auf die beige fügte Zeichnung beschrieben werden, die ein geeignetes Ausführungsbeispiel eines Detektors zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren gemäß der Erfindung zeigt.
In der Stromleitung IL wird mit Hilfe eines Stromtransformators 1 gemessen, der im Hinblick auf Sättigung überwacht werden soll. Der Sekundärstrom i des Stromtransformators wird in dem Filter 2 derart tiefpaßgefiltert, daß der Strom I(t) nach dem Filtern frei von Oberwellen ist. Der Strom I(t) wird einem ersten Absolutwertgenerator 3 zugeführt, dessen Ausgangswert dann einem ersten Komparator 4 zugeführt wird zum Vergleich mit einer Konstanten K1, die gemäß dem oben Gesagten festgesetzt wurde. Wenn der Absolutwert von I(t) kleiner als K1 ist, erhält das UND-Glied 5 vom Komparator ein Eingangssignal 4.
Von dem gefilterten Strom I(t) wird ferner in einem Differenzierglied 6 die Ableitung gebildet, worauf der Absolutwert von DI(t) in einem zweiten Absolutwertgenerator 7 gebildet wird. Dieser Wert wird dann einem zweiten Komparator 8 zum Vergleich mit einer Konstanten K2 zugeführt, die ebenfalls gemäß dem oben Gesagten festgesetzt wird. Wenn der Absolutwert der Ableitung des Stromes kleiner als K2 ist, erhält das UND-Glied 5 ein Eingangssignal vom Komparator 8.
Mit Hilfe eines Speichergliedes 9 wird der Wert von I(t) zu einer um τ früheren Zeitpunkt, das heißt, I(t - τ) gespeichert. Der Absolutwert dieses Stromes wird in einem dritten Absolutwertgenerator 10 gebildet, der dann in einem Komparator 11 mit einer Konstanten K3 verglichen wird, die auch gemäß dem oben Gesagten bestimmt wurde. Wenn der Absolutwert größer als K3 ist, erhält das UND-Glied 5 ein Eingangssignal vom Komparator 11.
Wenn alle durch die Komparatoren bestimmten Kriterien durch die Antwort "JA" erfüllt sind, liefert das UND-Glied 5 ein Signal M, welches anzeigt, daß der Stromtransformator gesättigt ist.
Das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel kann, was den Aufbau des Detektors angeht, natürlich in vielfacher Weise im Rahmen der durch die Ansprüche definierten Erfindung variiert werden. So können beispielsweise die Filter, das Differenzierglied, die Absolutwertgeneratoren, die Komparatoren und so weiter in einer Einheit integriert sein, und die Signalverarbeitung kann mit analoger, digitaler oder hybrider Technik erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren (1), basierend auf der fortlaufenden Bestimmung der Absolutwerte sowohl des Stromes I(t) als auch der Ableitung des Stromes d(I(t))/dt , dadurch gekennzeichnet, daß der vom Stromtransformator gelieferte Strom zunächst tiefpaß-gefiltert wird, daß danach sowohl der Absolutwert des Stromes als auch der Absolutwert der Ableitung des Stromes gebildet werden und daß die Sättigung des Stromtransformators angezeigt wird, wenn die folgenden drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:

I(t) < K1,

d(I(t))/dt < K2,

I(t - τ) > K3,

wobei K1 ein vorbestimmter Wert ist, der einige Prozent des Nennwertes des betreffenden Stromes beträgt, K2 ein vorbestimmter Wert ist, der einige Prozent des Maximalwertes der Ableitung des Stromes bei sinusförmiger Kurvenform beträgt, K3 ein vorbestimmter Wert ist, der dem Nennwert des Stromes entspricht, und die Zeit τ auf einen Wert gesetzt ist, der kleiner als 1/4 der Periode der betreffenden Leistungsfrequenz ist.

2. Detektor zur Feststellung der Sättigung in Stromtransformatoren (1), dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Detektor gehören

- ein Tiefpassfilter (2) zum Herausfiltern der Oberwellen aus dem Strom I(t) der Sekundärseite des Stromtransformators,

- ein erster Absolutwertgenerator (3) zur Bildung von I(t) ,

- eine Differenziereinheit (6) zur Bildung der Ableitung DI(t) des Stromes I(t), welche Differenziereinheit (6) an einen zweiten Absolutwertgenerator (7) zur Bildung von DI(t) angeschlossen ist,

- ein Speicherkreis (9) zur Bildung von I(t - τ), wobei τ einen Wert hat, der kleiner ist als 1/4 der Periode der betreffenden Leistungsfrequenz, welcher Speicherkreis (9) an einen dritten Absolutwertgenerator (10) zur Bildung von I(t - τ) angeschlossen ist,

daß der genannte erste Absolutwertgenerator (3) an einen ersten Komparator (4) angeschlossen ist, welcher sein Eingangssignal mit einem ersten vorbestimmten Wert (K1) vergleicht, welcher einige Prozent des Nennwertes des Stromes entspricht, und welcher Komparator ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das Eingangssignal kleiner als der erste vorbestimmten Wert ist,

daß der genannte zweite Absolutwertgenerator (7) an einen zweiten Komparator (8) angeschlossen ist, welcher sein Eingangssignal mit einem zweiten vorbestimmten Wert (K2) vergleicht, der einige Prozent des Maximalwertes der Ableitung des Stromes entspricht, und welcher Komparator ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das Eingangssignal kleiner als der zweite vorbestimmte Wert (K2) ist,

daß der genannte dritte Absolutwertgenerator (10) an einen dritten Komparator (11) angeschlossen ist, der sein Eingangssignal mit einem dritten vorbestimmten Wert (K3) vergleicht, der dem Nennwert des Stromes entspricht, und welcher Komparator ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das Ein-

gangssignal größer als der dritte vorbestimmte Wert (K3) ist,

und daß das Ausgangssignal der drei Komparatoren (4, 8, 11) an je einen Eingang eines UND-Gliedes (5) angeschlossen sind, welches ein Ausgangssignal (M) zu liefert vermag, wenn alle seine drei Eingänge gleichzeitig ein Signal von ihren zugehörigen Komparatoren empfangen, wobei das genannte Ausgangssignal (M) Sättigung des Stromtransformators anzeigt.