Transformator-Neutralpunkt DC-Überwachung

Technische Analyse des Transformator-Neutralpunkt-DC-Überwachungssystems

• Zentrale ÜberwachungszieleDie Gleichstrom- oder Quasi-Gleichstromkomponente, die in der Erdungsleitung des Transformators fließt.

• grundlegende Frage:: Verhindert, dass der Transformator durch die Einspeisung von externen Gleichströmen "gleichstromvorgespannt" wird.

• Hauptbedrohungsquellen:: Geomagnetisch induzierte Ströme (GIC), unipolarer Erdschleifenbetrieb von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen (HGÜ) oder Erdpolströme von Konverterstationen sowie Gleichstromstreuungen von städtischen Schienenverkehrsmitteln/industriellen Elektrolyseuren.

• DC-Bias-GefahrenFührt zur Sättigung des Transformatorenkerns, was einen drastischen Anstieg des Erregerstroms und der Verzerrungen, eine lokale Überhitzung der Wicklungen und der Bauteile, erhöhte Vibrationen und Geräusche sowie einen erhöhten Blindleistungsverlust zur Folge hat, und kann dazu führen, dass die Relaisschutzeinrichtungen nicht mehr funktionieren.

• SystemfunktionPräzise Messung, Echtzeitüberwachung, Alarm bei Überschreitung der Grenzwerte, Datenanalyse und Fernübertragung des neutralen Gleichstroms als Entscheidungsgrundlage für die Bewertung des Sicherheitsstatus von Transformatoren und Gleichstromstörungen im Stromnetz.

• technischer WertSie ist ein wichtiges technisches Mittel zur Gewährleistung der Sicherheit großer Leistungstransformatoren, zur Aufrechterhaltung des stabilen Betriebs von Stromnetzen und zur Bewältigung von Weltraumwetterkatastrophen wie geomagnetischen Stürmen.

I. Ursachen und Gefahren der DC-Polarisation

DC-Vorspannung (DC-Vorspannung) Es handelt sich um die Erzeugung eines konstanten magnetischen Gleichstromflusses im Eisenkern, wenn Gleichstrom in die Transformatorwicklungen fließt. Dieser Gleichstromfluss überlagert den Erregerwechselstrom mit Industriefrequenz, was zu einer Flussverschiebung im Kern über einen Industriefrequenzzyklus führt, wobei die positive oder negative Hälfte des Zyklus eher in den Sättigungsbereich gelangt.

1. eine Analyse der Hauptursachen:

• Geomagnetisch induzierter Strom (GIC):: Die Sonnenaktivität (z. B. Flares, koronale Massenauswürfe) führt zu dramatischen Veränderungen des Erdmagnetfelds und induziert ein elektrisches Feld in der Erdkruste, das eine quasi-gleichstromige (mit einer Änderungsperiode von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden) Potenzialdifferenz in Hochspannungsfernleitungen und eine Stromschleife durch den Erdungsleiter des Transformators erzeugt.

• Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HVDC):: In der Betriebsart des einpoligen Erdungskreises wird die Erde als Stromschleife verwendet. Ein Teil des Gleichstroms kann über das Erdungsnetz des Transformators in das Wechselstromsystem fließen und benachbarte Transformatoren beeinflussen.

• DC-Stromversorgungen für Industrie und BahnGroße industrielle Elektrolyseure, elektrifizierte Eisenbahnen oder städtische U-Bahn-Systeme verwenden Gleichstrom, und ihre Streuströme können über die Erde und das Erdungssystem in das Wechselstromnetz eindringen.

2. die wichtigsten Gefahrenmechanismen:

• Kernsättigung und Erregerstromverzerrung:: Schon kleine Gleichströme (einige Ampere) reichen aus, um den Kern eines großen Transformators stark zu sättigen. Dies führt zu einem starken Anstieg des Erregerstroms und zur Erzeugung einer großen Anzahl von Oberwellen gerader Ordnung (2., 4. usw.), was die typischste elektrische Eigenschaft der Gleichstromvorspannung ist.

• Örtliche Überhitzung von Wicklungen und BauteilenEin gesättigter Eisenkern führt dazu, dass ein großer Teil des magnetischen Flusses in Bereiche außerhalb des Kerns entweicht, was zu Wirbelstromverlusten in den Wicklungen, Klemmen, Tankwänden und anderen Metallbauteilen führt und örtliche Überhitzungen auslöst, die mit herkömmlichen Überwachungsmitteln nicht erkannt werden können und in schweren Fällen zu Isolationsschäden führen können.

• Erhöhte Vibrationen und LärmDer magnetostriktive Effekt wird erheblich verstärkt, wenn der Eisenkern gesättigt ist, und kann aufgrund des Vorhandenseins von Oberschwingungen zu einem anormalen Anstieg der Schwingungen des Transformatorgehäuses und des Betriebsgeräusches führen.

• Erhöhung der Blindleistung und OberwelleneinspeisungDer verzerrte Erregerstrom enthält eine große Menge an Blindstromkomponenten, die den Blindleistungsverlust des Transformators erhöhen. Gleichzeitig wird eine große Anzahl von Oberschwingungen in das Netz eingespeist, was die Netzqualität beeinträchtigt.

• Fehlauslösung oder Verweigerung von RelaisschutzeinrichtungenDer neutrale Gleichstrom kann den Eisenkern des für den Schutz verwendeten Stromwandlers (CT) sättigen, was dazu führt, dass die Sekundärseite des CT den wahren Strom auf der Primärseite nicht genau wiedergibt, was zu Fehleinschätzungen oder Fehlfunktionen wichtiger Schutzeinrichtungen wie dem Differentialschutz führen kann.

II. die Systemzusammensetzung und das Funktionsprinzip

Das DC-Überwachungssystem für den Transformator-Neutralpunkt besteht in der Regel aus vier Teilen: Front-End-Sensoreinheit, Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit, Kommunikationseinheit und Background-Master-Software.

1. die Zusammensetzung des Systems:

• Front-End-SensoreinheitDer Kern ist ein hochpräziser Gleichstromsensor. Da herkömmliche elektromagnetische Induktionsstromwandler keinen Gleichstrom messen können, ist es notwendig, einenHall-Effekt-SensorenvielleichtFluxgate-SensorenDieser Sensortyp bestimmt die Größe des Stroms durch Messung des vom Strom erzeugten Magnetfelds. Diese Sensoren bestimmen die Größe des Stroms durch Messung des vom Strom erzeugten Magnetfelds und sind in der Lage, sowohl die Wechsel- als auch die Gleichstromkomponenten genau zu messen. Die Sensoren sind in der Regel in einer offenen Konfiguration ausgeführt, um eine einfache Installation ohne Unterbrechung des Erdungsdrahtes zu ermöglichen.

• Datenerfassungs- und VerarbeitungseinheitDiese Einheit ist das Herzstück des Systems und wird in der Regel vor Ort in einem Konvergenzschrank oder Anschlusskasten installiert. Sie empfängt die analogen Signale von den Front-End-Sensoren und digitalisiert sie über einen hochauflösenden Analog-Digital-Wandler (A/D). Der eingebaute Hochleistungs-Mikroprozessor (MCU oder DSP) verwendet digitale Filteralgorithmen (z. B. Tiefpassfilterung oder FFT-Transformation), um die Gleich- und Wechselstromkomponenten des zusammengesetzten Stromsignals zu trennen und genau zu berechnen.

• KommunikationseinheitVerantwortlich für die Fernübertragung von verarbeiteten Daten (z. B. DC-Komponentengröße, AC-Effektivwert, Alarminformationen usw.) an die Überwachungszentrale. Es unterstützt die Kommunikationsmodi Glasfaser, Ethernet, RS-485 und 4G/5G Wireless und entspricht IEC 61850, IEC 104 und anderen Standardprotokollen für die Energiekommunikation.

• Backend Master SoftwareMaster-Software: Sie wird auf dem Server der Überwachungszentrale installiert und bietet eine grafische Benutzeroberfläche (GUI). Die Master-Software ist für den Empfang, die Speicherung und die Anzeige von Daten von allen Überwachungspunkten zuständig und bietet Echtzeit-Wellenform-Anzeige, historische Datenabfrage, Trendkurvenanalyse, Alarmereignisverwaltung und Berichterstellung.

2. den Arbeitsablauf:

Der offene Gleichstromsensor wird am Transformator-Neutralleiter montiert -> Der Sensor misst das durch den Leiter fließende Gesamtstromsignal in Echtzeit -> Das Signal wird an die Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit übertragen -> Die Erfassungseinheit führt eine Hochgeschwindigkeitsabtastung und eine A/D-Wandlung durch -> Der interne Prozessor extrahiert die Gleichstromkomponente mithilfe digitaler Signalverarbeitungsalgorithmen -> Es wird ein Vergleich zwischen dem berechneten Gleichstromwert und dem voreingestellten Alarmwert (z. B. Warn- oder Alarmwert) durchgeführt -> Bei Überschreitung des Grenzwerts wird ein Alarmereignis generiert und ein lokaler Alarmausgang (z. B. Relaiskontakt) ausgelöst -> Die Daten und Alarminformationen werden über die Kommunikationseinheit regelmäßig oder bei Auslösung an die Back-End-Masterstation hochgeladen. Vergleich des berechneten DC-Werts mit dem voreingestellten Alarmwert (z. B. Warnwert, Alarmwert) -> Bei Überschreitung des Grenzwerts wird sofort ein Alarmereignis erzeugt und der lokale Alarmausgang (z. B. Relaiskontakt) ausgelöst -> Hochladen der Daten und Alarminformationen über die Kommunikationseinheit in regelmäßigen Abständen oder zum Zeitpunkt der Ereignisauslösung an die Backend-Masterstation.

III. tabellarische Darstellung der Kernfunktionen und technischen Parameter

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

1) Warum kann ich keinen gewöhnlichen Stromwandler zum Schutz verwenden, um den Gleichstrom im Nullleiter zu messen?
Gewöhnliche Stromwandler funktionieren auf der Grundlage des Faradayschen Gesetzes der elektromagnetischen Induktion, das auf dem Prinzip beruht, dass ein sich ändernder magnetischer Fluss einen Strom in der Sekundärwicklung induziert. Gleichstrom erzeugt ein konstantes Magnetfeld und kann keinen Strom in der Sekundärwicklung induzieren, so dass gewöhnliche Stromwandler für die Gleichstromkomponente "blind" sind. Darüber hinaus sättigt der Gleichstrom den Stromwandlerkern, was seine Fähigkeit zur genauen Messung der Wechselstromkomponente beeinträchtigt.

2. wie hoch ist der typische Gleichstrom, der durch den Nullpunkt eines Transformators fließen darf?
Hierfür gibt es keine einheitliche internationale Norm, und es hängt in der Regel von der Konstruktion des Transformators, seiner Kapazität und dem Kernmaterial ab. Im Allgemeinen ist in der Energiewirtschaft weithin anerkannt, dass bei großen Leistungstransformatoren Gleichströme von einigen Ampere (z. B. 3-5 A) zu erheblichen Gleichspannungseffekten führen können und bis zu 10 A oder mehr eine ernsthafte Bedrohung darstellen können. Aus diesem Grund werden die Alarmwerte für Überwachungssysteme in der Regel auf einstellige Amperewerte festgelegt.

3) Wie unterscheidet sich dieses System von der Überwachung des Nullstroms bzw. des Lückenstroms des Transformators?
Gegenstand und Zweck der Überwachung sind völlig unterschiedlich. Der Verlagerungs-/Lückenstrom wird von der ÜberwachungseinheitIndustrieller AC-NullsystemstromEs wird verwendet, um den Erdschluss des Systems oder den einphasigen Erdschluss im Transformator zu beurteilen. Und dieses System ist spezialisiert auf die ÜberwachungDC- oder Quasi-DC-KomponenteDie durch externe Gleichstromquellen (z. B. GIC, HVDC) verursachte DC-Bias-Bedrohung des Transformatorenkörpers wird als Schutz gegen die DC-Bias-Bedrohung des Transformatorenkörpers verwendet. Die beiden unterscheiden sich grundlegend in Bezug auf Sensortypen, Signalverarbeitungsalgorithmen und Anwendungsszenarien.

4) Ist dieses System für alle großen Transformatoren erforderlich?
Nicht alle Transformatoren sind gleich stark gefährdet. Höchste Priorität für den Einsatz des Systems haben Transformatoren in folgenden Gebieten: in hohen Breitengraden (hohes GIC-Risiko), in der Nähe von UHV-Gleichstromübertragungs-Stromrichterstationen und in Knotenpunkt-Umspannwerken in der Nähe von Stadtbahnlinien oder großen, Gleichstrom nutzenden Industrieanlagen. Die Installation des Systems ist eine wichtige Präventivmaßnahme, um den sicheren Betrieb von Großtransformatoren mit Ultra- und Höchstspannung in diesen Gebieten zu gewährleisten.