Warum die Sättigung von Stromwandlern Schutzrelais in die Irre führt

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Sättigung eines Stromwandlers ist ein Messfehler, der den Sekundärstrom verzerrt, noch bevor die Relaislogik darauf reagiert.
• Hohe Fehlerströme, Gleichstromversatz und eine übermäßige Sekundärbelastung führen gemeinsam dazu, dass die Stromwandlerkerne während der ersten Zyklen eines Fehlers aus ihrem linearen Bereich herausgedrängt werden.
• Durch eine genaue Modellierung und Auswertung der Wellenformen lassen sich Probleme bei der Relais-Einstellung von Problemen mit Stromwandlern und der Last unterscheiden, was zu besseren Korrekturmaßnahmen führt.

Die Sättigung des Stromwandlers erklärt Fehlfunktionen von Relais oft besser als eine weitere Runde von Einstellungsänderungen.

Wenn die Sättigung des Stromwandlers einsetzt, erhält das Relais keine originalgetreue Abbildung des Primärfehlers mehr. Der verzerrte Sekundärstrom kann gerade dann abflachen, nacheilen und an Stärke verlieren, wenn eine schnelle und genaue Schutzfunktion am wichtigsten ist. Die Fehlauslösequote der Schutzsysteme im nordamerikanischen Großstromnetz lag im Jahr 2023 bei 6,02 %. Diese Zahl ist von Bedeutung, da einige Fälle, die auf die Relais-Einstellungen zurückgeführt werden, bereits früher beginnen – nämlich bei dem Messwandler, der das Relais speist.

Die Sättigung eines Stromwandlers setzt ein, wenn der Kern dem Strom nicht mehr folgen kann.

Ein Stromwandler sättigt, wenn sein Magnetkern einen Flusswert erreicht, bei dem ein zusätzlicher Primärstrom keinen proportionalen Sekundärstrom mehr erzeugt. Die Sekundärwellenform wird dann abgeschnitten und verschoben. Das bedeutet Stromwandlersättigung in der Praxis. Das Relais erhält einen verzerrten Messwert anstelle des erwarteten Fehlerstroms.

Ein Zähltransformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 1200:5 kann bei Nennlast und geringfügigen Fehlern genau bleiben, versagt jedoch bei einem Fehler nahe der Quelle erheblich. Der Primärstrom kann von 600 A unter Nennlast auf 18 kA im Fehlerfall ansteigen, während der Sekundärstrom von 2,5 A auf 75 A steigen sollte. Sobald der Kern keinen magnetischen Spielraum mehr hat, folgt der tatsächliche Sekundärstrom diesem Anstieg nicht mehr. Zunächst wird eine Halbwelle abgeflacht, dann kommt es zu einer stärkeren Begrenzung, wenn der Magnetfluss zunimmt.

Die Sättigung im Transformatorstahl führt zu einem erheblichen Verlust der linearen Messung. Der Verhältnisfehler nimmt stark zu, und die Wellenform weicht vom Primärfehler ab. Dieser Unterschied ist von Bedeutung, da bei Relais-Einstellungen, die auf der Grundlage eines symmetrischen Fehlerstroms berechnet werden, davon ausgegangen wird, dass der Stromwandler lange genug linear bleibt, um den Fehler wiederzugeben. Wenn Sie in Ihrer Untersuchung eine ideale Stromquelle am Relais verwenden, sind Sie Tests Schutz vor einem Strom, der an den Sekundärklemmen gar nicht vorhanden ist.

Ein Gleichstrom-Offset verkürzt die Zeit, in der ein Stromwandler linear bleibt

Ein Gleichstrom-Offset drückt den Stromwandlerfluss in eine Richtung und schöpft die Kernkapazität viel schneller aus als eine zentrierte Sinuskurve. Ein Stromwandler, der bei einem gleichmäßigen, symmetrischen Strom akzeptabel erscheint, kann bereits innerhalb der ersten Millisekunden eines Fehlers in Sättigung geraten. Aus diesem Grund gehen Stromwandler bei Fehlern mit hohem X/R-Verhältnis und Asymmetrie in Sättigung. Die erste Erfassung des Ereignisses durch das Relais kann bereits fehlerhaft sein.

Ein Nahfehlerstrom, der in der Nähe eines Spannungsnullpunkts einsetzt, stellt den ungünstigsten Fall dar. Der Wechselstrom beginnt mit einem großen einseitigen Versatz, sodass der Fluss nicht gleichmäßig um den Nullpunkt schwankt. Eine Halbwelle treibt den Kern tief in die Sättigung, während die entgegengesetzte Halbwelle noch sauberer aussieht. Die erste Stromspitze kann das 2,6-Fache des symmetrischen Spitzenwerts bei einem vollständig versetzten R-L-Fehlerstrom erreichen.

Die Leistung eines Stromwandlers lässt sich nicht allein anhand der Fehleramplitude beurteilen. Die Dauer der Verschiebung, das X/R-Verhältnis der Fehlerquelle, der Fehleranfangswinkel und der Remanenzfluss spielen ebenfalls eine Rolle. Aus diesem Grund kann ein Stromwandler bei einem ähnlichen Effektivstrom in einem Fehlerfall die Prüfung bestehen, in einem anderen jedoch durchfallen. Ingenieure versuchen oft, die Relaiszeitabläufe anzupassen, wenn sie diese Inkonsistenz feststellen, doch das eigentliche Problem liegt im Magnetkreis und nicht in der Logik.

Ein Fehlerstrom führt dazu, dass ein belasteter Stromwandler in die Sättigung geht

Ein Fehlerstrom bewirkt, dass ein Stromwandler eine Sekundärspannung über seiner Last erzeugt, und eine höhere Last bedeutet eine höhere erforderliche Spannung. Wenn die erforderliche Spannung den Wert überschreitet, den der Kern ohne starken Erregerstrom aushalten kann, tritt eine Sättigung ein. Die Last ist oft der verborgene Grund dafür, dass ein Stromwandler erst bei schweren Fehlern ausfällt. Der Sekundärkreis kann eine höhere Spannung erfordern, als in der Typenschildberechnung angenommen wurde.

Ein Stromwandler vom Typ 2000:5, der einen Primärfehler von 25 kA erfasst, sollte auf der Sekundärseite 62,5 A liefern. Beträgt die Gesamtlast 2,5 Ohm, benötigt der Stromwandler etwa 156 V, um diesen Strom allein durch den Leitungswiderstand, den Relais-Eingang, die Kontakte des Testschalters und die Klemmenblöcke zu leiten. Ein Stromwandler, der bei 1 Ohm noch problemlos funktionierte, kann bei 2,5 Ohm stark in Sättigung geraten. Der Fehlerstrom hat sich nicht verändert, wohl aber der Bedarf an Sekundärspannung.

Die Leitungslänge ist eine häufige Ursache für versteckte Last. Eine Modernisierung der Relais kann zudem durch neue Verdrahtungswege, Messwandler oder Aufzeichnungsgeräte zu einer zusätzlichen Eingangslast führen. Nach Umbauten tritt häufig eine Sättigung des Stromwandlers auf, da dieser einen anderen Sekundärstromkreis vorfindet als im ursprünglichen Entwurf vorgesehen. In diesem Fall hilft eine Anpassung der Messwandler nicht. Abhilfe schaffen Sie durch eine Verringerung der Last, die Wahl einer besseren Stromwandlerklasse oder beides.

Der gesättigte Sekundärstrom verfälscht die Wahrnehmung des Relais

Sobald der Stromwandler gesättigt ist, rechnet das Relais mit einem Signal, das an Amplitude, Symmetrie und Phasentreue eingebüßt hat. Die Schutzalgorithmen arbeiten zwar weiterhin, jedoch auf der Grundlage eines verfälschten Signals. So wirkt sich die Sättigung des Stromwandlers auf Schutzrelais aus. Das Relais reagiert auf eine verfälschte Messung, bevor die Einstelllogik greifen kann.

Ein Leitungsdifferenzschema veranschaulicht das Problem deutlich. Ein Anschluss kann den Fehlerstrom klar wiedergeben, während der gegenüberliegende Anschluss aufgrund einer längeren Zuleitung oder einer schlechteren Stromwandlerklasse frühzeitig in die Sättigung geht. Das Relais erfasst dann ungleiche Sekundärströme und interpretiert diese Diskrepanz als Differenzstrom. Ein Durchgangsfehler kann dadurch wie ein innerer Fehler erscheinen, obwohl das Primärsystem außerhalb der Schutzzone bleibt.

Auch Entfernungs- und Richtungsangaben werden beeinträchtigt, wenn sich der Stromphasor während der Begrenzung verschiebt. Die Scheinimpedanz verschiebt sich, da der Stromnenner falsch ist, und das Drehmomentgleichgewicht in Richtungseinheiten verschlechtert sich, wenn der Phasenwinkel verzerrt ist. Der entscheidende Punkt ist einfach: Die Logik des Relais kann korrekt sein und dennoch fehlerhaft funktionieren, da der gemessene Strom den Primärfehler nicht mehr zuverlässig widerspiegelt.

„Das Relais reagiert auf einen fehlerhaften Messwert, noch bevor die Einstellungslogik greifen kann.“

Schutzelemente verlieren bei Strombegrenzung an Zeitgenauigkeit

Ein gesättigter Stromtransformator verändert mehr als nur den gemessenen Wert. Er verändert das Zeitverhalten, die Wellenform und die Art und Weise, wie Schutzelemente Informationen erfassen. Das bedeutet, dass sich die Auslösung verzögern kann, die Rückstellung zum falschen Zeitpunkt erfolgen kann und die Auslösezeiten sich verlängern oder verkürzen können. Die Relaisauslösung während der Sättigung des Stromtransformators ist bei verschiedenen Fehlerarten oft instabil, da die Beeinträchtigung der Wellenform nicht einheitlich ist.

Ein sofort ansprechendes Überstromelement kann das frühzeitige Ansprechen verpassen, wenn die erste abgeschnittene Halbwelle den Schwellenwert auf der Sekundärseite nie erreicht. Ein zeitgesteuertes Überstromelement kann länger brauchen, da der berechnete Effektivstrom niedriger ist als der Primärfehlerstrom. Die Differenzsperre kann an einem Anschluss zusammenbrechen und den internen Strom zu hoch anzeigen. Jeder Fall führt zu einem anderen Symptom, weshalb gesättigte Stromwandler oft fälschlicherweise für Probleme mit den Relais-Einstellungen gehalten werden.

Sie sollten die ersten paar Zyklen des Ereignisprotokolls besonders genau beachten. Dort treffen schnelle Elemente ihre Entscheidungen, und dort tritt bei Verwerfungen mit großem Versatz die CT-Sättigung am frühesten ein. Verzögerte Auslösungen bei nahen Verwerfungen, unerklärliche Richtungsumkehrungen und inkonsistente Startzeiten der Elemente bei ähnlichen Ereignissen deuten allesamt auf eine Verzerrung der Wellenform hin. Die Relaislogik kann nur so gut sein wie der Strom, der ihr zugeführt wird.

Die Dimensionierung der Last beginnt mit dem Spannungsabfall im Sekundärkreis

Die Dimensionierung der Stromwandlerlast beginnt mit der Spannung, die der Stromwandler bei dem höchsten für den Schutz relevanten Fehlerstrom erzeugen muss. Diese Spannung ergibt sich aus dem Sekundärstrom multipliziert mit der Gesamtimpedanz der Schleife. Übersteigt die erforderliche Spannung die nutzbare Genauigkeitsklasse des Stromwandlers, ist mit einer Sättigung zu rechnen. Eine gute Dimensionierung der Stromwandlerlast verwandelt ein vages Risiko in einen überprüfbaren elektrischen Grenzwert.

Ein einfacher Vergleich hilft dabei. Ein 1-A-Sekundärstromwandler reduziert den Leitungsverlust bei gleichem Widerstand auf ein Fünftel eines 5-A-Stromkreises, sodass lange Leitungsstrecken wesentlich einfacher zu realisieren sind. Bei kurzen Relaisfeldern mit geringer Eingangsbelastung kann ein 5-A-Stromkreis noch akzeptabel sein, doch entfernte Verteilerschränke bringen denselben Stromwandler oft an seine praktischen Grenzen. Bei der Dimensionierung muss der gesamte Sekundärpfad über die Verkabelung und die angeschlossenen Geräte hinweg berücksichtigt werden.

Bei der Simulation sollte vor der Relaislogik ein Sättigungs-CT eingefügt werden.

Die Modellierung der Stromwandlersättigung muss zwischen der Fehlerquelle und dem Relaismodell erfolgen, damit das Relais die verzerrte Sekundärwellenform direkt verarbeitet. Das Relais muss diese Wellenform genau so verarbeiten, wie es dies im Betrieb tun würde. Nur durch diese Platzierung lässt sich die Stromwandlersättigung in der Simulation mit ausreichender Genauigkeit modellieren. Alles andere verschleiert den Fehlermodus, den Sie testen müssen.

Ein praktisches Modell umfasst das Primärnetz, die Quelle X/R, den Fehleranfangswinkel, das Stromwandlerverhältnis, die Erregungskennlinie, den Remanenzfluss und die volle Sekundärlast. Eine Zuleitungsanalyse, bei der der Magnetisierungszweig außer Acht gelassen wird, zeigt einen sauberen Sekundärstrom von 75 A, während das Relais in Wirklichkeit nach zwei Halbzyklen eine abgeschnittene Wellenform empfangen würde. SPS SOFTWARE eignet sich für diesen Arbeitsablauf, da Sie ein Sättigungs-Stromwandlermodell direkt vor der Relaislogik platzieren und die Fehlfunktion reproduzieren können, anstatt sie nur zu vermuten.

Diese Modellierungssequenz trennt Probleme bei der Einstellung von Problemen bei der Messung. Wenn das Relais bei einem idealen Stromwandler fehlerhaft arbeitet, muss die Logik überarbeitet werden. Wenn es sich bei einem idealen Stromwandler ordnungsgemäß verhält und erst bei Sättigung ausfällt, liegen die Korrekturmaßnahmen in der Auswahl des Stromwandlers, der Leitungslänge, der Belastung oder der Schaltungsauslegung. Sie werden das richtige Problem schneller lösen, wenn das Modell die physikalischen Gegebenheiten der Messkette berücksichtigt.

Anhand der Wellenform lassen sich Anzeichen für eine Sättigung erkennen, bevor Sie den Schutz neu einstellen

Ereignisaufzeichnungen zeigen die CT-Sättigung an, wenn Sie wissen, worauf Sie in der sekundären Wellenform achten müssen. Die nützlichsten Hinweise treten früh auf, oft bereits innerhalb der ersten ein oder zwei Zyklen nach Auftreten der Störung. Diese Hinweise deuten darauf hin, dass eine Neujustierung des Relais ein Messproblem lediglich verschleiern würde. Eine korrekte Diagnose beginnt mit der Analyse des Stromverlaufs und der Ereignisaufzeichnung, noch bevor die Einstellungen überprüft werden.

Ein Nahschluss in einer Phase lässt oft den Zusammenhang erkennen. Der primäre Störungsbericht deutet auf einen hohen Strom hin, doch die Relaisaufzeichnung zeigt einen abgeflachten Halbzyklus, eine verzögerte Auslösung des Elements und eine ungewöhnliche Phasenwinkelbewegung in derselben Phase. Ein weiterer überzeugender Beleg ergibt sich aus der Simulation: Wenn die Last reduziert oder die Stromwandlerklasse verbessert wird, verschwindet die abgeschnittene Wellenform und die Relaiszeitverläufe entsprechen wieder den Erwartungen. Solche Vorher-Nachher-Beweise sind weitaus aussagekräftiger als eine Debatte über die Einstellungen.

• Der Sekundärstrom flacht in einer Halbwelle ab, bevor er in beiden Halbwellen abgeschnitten wird.
• Der gemessene Spitzenwert steigt nicht weiter an, obwohl der Fehleranteil eigentlich noch hoch sein sollte.
• Bei nahen Störungen setzt die Elementerfassung erst spät ein, bei entfernten Störungen verläuft sie normal.
• Eine Phasenaufnahme wirkt stark verzerrt, während die anderen Phasen klarer bleiben.
• Ein korrigiertes CT-Modell stellt die erwarteten Relais-Zeitabläufe wieder her, ohne dass Einstellungen geändert werden müssen.

Schutzingenieure erzielen bessere Ergebnisse, wenn sie die Sättigung des Stromwandlers bereits zu Beginn der Überprüfung als Hauptursache in Betracht ziehen. Da Sie die Anlagen anhand des gemessenen Stroms schützen, entscheidet die Qualität dieser Messung darüber, wie viel Vertrauen dem Relais entgegengebracht werden kann. SPS SOFTWARE erweist sich hier als nützliches Werkzeug, um den verzerrten Sekundärstrom, den das Relais tatsächlich erfasst hat, systematisch nachzustellen und das Problem der Lastbelastung nachzuweisen. Dieser Ansatz beseitigt die Ursache der Fehlauslösung und stellt sicher, dass Änderungen an den Einstellungen auf fundierten Erkenntnissen beruhen.

„Man löst das richtige Problem schneller, wenn das Modell die physikalischen Gegebenheiten der Messkette berücksichtigt.“