Restricted Earth Fault

Dieses Dokument untersucht das Funktionsprinzip von fünf gängigen Schutzrelais im Hinblick auf die niederohmige REF-Funktion. Für jedes Relais wird zunächst das Verhalten der Funktion entsprechend der Beschreibung im jeweiligen Relais-Handbuch analysiert. Anschließend wird die Vorgehensweise zur Erstellung eines vollständigen Prüfplans für diese Funktion erläutert. Die in diesem Dokument behandelten Schutzrelais sind MiCOM P632, Siemens 7UT6x, Siemens 7UT8x, ABB RET521 und ABB RET620.

Bei einigen der aufgeführten Schutzrelais basiert die Auslösung auf dem Vergleich des Stroms im Neutralleiterzweig beziehungsweise des Sternpunktstroms mit dem vom Relais berechneten Nullsystemstrom. In der Praxis erfolgt die Relaisauslösung auf Grundlage der Differenz beziehungsweise der Differenzgröße zwischen diesen beiden Strömen. Bei einigen anderen Schutzrelais hingegen dient der Vergleich dieser beiden Ströme ausschließlich der Stabilisierung des Relais, indem festgestellt wird, ob sich der Fehler innerhalb oder außerhalb des Schutzbereichs befindet. In diesen Fällen basiert die Relaisauslösung ausschließlich auf dem Strom im Neutralleiterzweig, während die Differenzgröße zwischen den beiden Strömen nicht als Auslösekriterium verwendet wird.

Der eingeschränkte Erdschlussschutz (Restricted Earth Fault, REF) wird zur Erkennung von Erdschlüssen innerhalb verschiedener Betriebsmittel wie Transformatoren, Spartransformatoren, Drosselspulen, Motoren und vergleichbaren Geräten eingesetzt. Aufgrund seiner hohen Genauigkeit und Empfindlichkeit kann dieser Schutz weitgehend jene Bereiche erfassen, die durch den Transformator-Differentialschutz und den konventionellen Erdschlussschutz nicht vollständig abgedeckt werden. Der REF-Schutz kann nur dann eingesetzt werden, wenn der durch den Sternpunkt fließende Strom gemessen werden kann.

Während des normalen Systembetriebs sind (I_{sp}) und (3I_0) näherungsweise null. Sobald ein Erdschluss auftritt, ändern sich beide Ströme. Abhängig von den Fehlerbedingungen können ihre Werte gleich groß sein oder voneinander abweichen.

Der Erd-Differentialschutz dieses Relais basiert auf dem Vergleich der Vektorsumme der Phasenströme auf der betreffenden Transformatorseite mit dem Sternpunktstrom (I_Y). Zur Analyse des Verhaltens dieser Funktion werden zunächst die Relaisparameter gemäß dem Relais-Handbuch untersucht. Der erste von diesem Relais verwendete Parameter ist der Anpassungsfaktor (Matching Factor), der wie folgt berechnet wird.

Für die Anpassungsfaktoren gelten die folgenden Bedingungen:

• Der Anpassungsfaktor muss stets kleiner als 16 sein.

• Der Anpassungsfaktor muss stets größer als 0,5 sein.

Erfüllt der Anpassungsfaktor die oben genannten Bedingungen nicht, wird eine Alarmmeldung ausgegeben und die Funktion gesperrt. Im Handbuch werden für dieses Relais zwei Betriebsarten beschrieben. Im Folgenden wird jede Betriebsart separat untersucht.

In dieser Betriebsart wird die Differenz zwischen jedem Phasenstrom und dem Sternpunktstrom als Differenzstrom berechnet. Der Stabilisierungsstrom entspricht dabei dem jeweiligen Phasenstrom.

Für diese Betriebsart sind der Differenzstrom und der Stabilisierungsstrom wie folgt definiert.

Im Vergleich zur Betriebsart „Low imped. / Sum (IP)“ wird hier eine Kennlinie mit zwei Steigungen verwendet.

Zur Prüfung dieser Funktion muss im Differential Room die Schutzfunktion REF als „Protection Function“ ausgewählt werden. In der Spalte „Primary“ sind die Daten der Phasenseite („Main Side“) einzugeben, während in der Spalte „Secondary“ die Daten der Sternpunktseite einzutragen sind.

Auf der Registerkarte „Protection Device“ sowie auf der Registerkarte „Characteristic Definition“ müssen die Angaben entsprechend der im Relais ausgewählten Betriebsart eingegeben werden.

Unter Berücksichtigung der Formel für den Stabilisierungsstrom in dieser Betriebsart, bei der der Phasenstrom als Stabilisierungsstrom verwendet wird, ist die geeignete Formel „Max(Ip, Is)“. Standardmäßig nimmt die Software an, dass (I_p) der größere Strom ist. Dadurch entspricht die ausgewählte Formel der im Relais verwendeten Formel. Da die Daten der REF-Kennlinie fest vorgegeben sind, können die Werte für (I_{\text{diff}}>), (I_{\text{diff}}>>) sowie die Angaben auf der Registerkarte „Characteristic Definition“ wie unten dargestellt eingegeben werden. In dieser Betriebsart haben die Relais-Einstellwerte keinen Einfluss auf die Kennlinie.

In dieser Betriebsart wird als Formel für den Stabilisierungsstrom ((|I_P| + |I_S|)/2) ausgewählt. Der Grund dafür ist, dass der Tester bei jedem einphasigen Fehlertyp („Fault Type“) auf jeder Seite nur über eine Phase Strom einspeist. Daher gilt (I_p = 3I_0). Für die Kennliniendaten müssen die Relais-Einstellwerte überprüft und die Relaiskennlinie entsprechend vervollständigt werden.

Wie bereits erwähnt, verwendet der REF-Schutz für die Schutzfunktion die beiden Ströme (I_{sp}) und (3I_0). Dabei ist (I_{sp}) der einzige Ansprechstrom, während (3I_0) zur Bestimmung verwendet wird, ob es sich um einen internen oder externen Fehler handelt. Während des normalen Systembetriebs sind (I_{sp}) und (3I_0) näherungsweise null. Sobald ein Erdschluss auftritt, ändern sich beide Ströme. Abhängig von den Fehlerbedingungen können sie gleich groß sein oder voneinander abweichen.

• Tritt der Fehler innerhalb des Schutzbereichs auf, fließen sowohl (I_{sp}) als auch (3I_0). Da beide Ströme in Richtung des Transformatorinneren fließen, werden sie als positiv betrachtet.

• Tritt der Fehler außerhalb des Schutzbereichs auf, fließen ebenfalls sowohl (I_{sp}) als auch (3I_0). (I_{sp}) fließt in Richtung des Transformatorinneren und wird als positiv betrachtet, während (3I_0) aus dem Transformator herausfließt und als negativ betrachtet wird.

Um eine Fehlauslösung des REF-Schutzes bei Fehlern außerhalb des Schutzbereichs zu verhindern, muss im Relais zusätzlich zur Definition eines Ansprechstroms ein Stabilisierungsverfahren festgelegt werden. Auf Grundlage dieser Erläuterung werden (I_{REF}) und (I_{stab}) wie folgt definiert.

Zur Verdeutlichung des Prinzips werden im Folgenden drei unterschiedliche Fehlerbedingungen beschrieben.

• Fehler außerhalb des Schutzbereichs bei gleichen Beträgen von (I_{sp}) und (3I_0)

Unter der Annahme gleicher Beträge von (I_{sp}) und (3I_0) fließt (I_{sp}) in Richtung des Transformatorinneren und wird als positiv betrachtet, während (3I_0) aus dem Transformator herausfließt und als negativ betrachtet wird.

Unter diesen Bedingungen ist der Stabilisierungsstrom doppelt so groß wie der Ansprechstrom, und der REF-Schutz bleibt stabil.

• Fehler innerhalb des Schutzbereichs, der ausschließlich vom Sternpunkt gespeist wird

Unter diesen Bedingungen fließt (I_{sp}) in Richtung des Transformatorinneren und ist positiv, während (3I_0) gleich null ist.

In diesem Fall arbeitet der REF-Schutz mit seiner höchsten Empfindlichkeit und löst aus.

• Fehler innerhalb des Schutzbereichs, der zu gleichen Teilen vom Sternpunkt und vom Netz gespeist wird

Unter diesen Bedingungen fließen sowohl (I_{sp}) als auch (3I_0) in Richtung des Transformatorinneren und werden als positiv betrachtet.

In diesem Fall ist (I_{stab}) negativ. Daher wird dieser Wert auf null gesetzt, sodass der REF-Schutz mit seiner höchsten Empfindlichkeit arbeitet und auslöst.

Gemäß den vorstehenden Erläuterungen besitzt das Relais bei einem Fehler innerhalb des Schutzbereichs keinen Stabilisierungsstrom und löst aus. Bei einem Fehler außerhalb des Schutzbereichs liegt dagegen ein großer Stabilisierungsstrom vor, sodass das Relais nicht auslöst. Die Ansprechkennlinie dieses Schutzes im Siemens-Relais für unterschiedliche Werte von (I_{sp}) und (3I_0) ist nachfolgend dargestellt.

In allen vorstehenden Beispielen wurde angenommen, dass (I_{sp}) und (3I_0) entweder dieselbe Richtung aufweisen oder eine Phasenverschiebung von 180 Grad zueinander besitzen. Diese Annahme ist für Primärgrößen gültig. Bei Sekundärgrößen können jedoch Bedingungen wie Stromwandlersättigung und Fehler bei der Winkelmessung zu Phasenabweichungen führen und den Wert von (I_{STAB}) verringern. Nach dem oben beschriebenen Verfahren und unter der Annahme gleicher Beträge von (I_{sp}) und (3I_0) wird der Wert von (I_{STAB}) gleich null, wenn der Winkel zwischen (I_{sp}) und (3I_0) 90 Grad beträgt.

Beispiel:

Im Siemens-Relais ist ein Parameter mit der Bezeichnung „Limit Angle“ definiert, dessen Wert 100 Grad beträgt. Ist der Winkel zwischen (I_{sp}) und (3I_0) größer als dieser Wert, bleibt das Relais stabil. Die REF-Ansprechcharakteristik in Abhängigkeit vom Winkel zwischen (I_{sp}) und (3I_0) ist nachfolgend dargestellt.

Da die REF-Funktion in Siemens-SIPROTEC-4-Relais nicht als Differentialschutzfunktion ausgeführt ist und hierfür keine Differentialkennlinie definiert wurde, kann sie nicht im Differential Room geprüft werden. Die Prüfung muss im AMT Sequencer Room durchgeführt werden. Zu diesem Zweck müssen in der „Hardware Config“ ein Strom aus Gruppe A und ein Strom aus Gruppe B aktiviert werden. Der Strom (I_A) wird an die Phasenseite und der Strom (I_B) an die Sternpunktseite angeschlossen.

Im ersten Prüfschritt muss der Einstellwert geprüft werden. Beispielsweise darf bei einem Wert von 0,15In der Strom nur von der Sternpunktseite eingespeist werden. Hierzu ist eine Step Ramp zu verwenden, bei der der Strom in Schritten von 2,5 mA erhöht wird. Es ist zu beachten, dass sich In bei diesem Relais auf den Bemessungsstrom des Transformators und nicht auf den Bemessungsstrom des Stromwandlers bezieht. Beträgt beispielsweise der Bemessungsstrom auf der Hochspannungsseite 250 A und wird ein Stromwandler mit einem Übersetzungsverhältnis von 300/1 verwendet, ergibt sich bei der Einstellung 0,15In der vorgesehene Wert von 0,15 × 250 = 37,5 A auf der Primärseite und 0,125 A auf der Sekundärseite.

Im nächsten Prüfschritt müssen das Stabilisierungsverfahren sowie der Winkel zwischen dem Sternpunktstrom und dem Phasenstrom geprüft werden. Zur Prüfung des Stabilisierungsverfahrens muss der Phasenstrom mit demselben Betrag wie der Sternpunktstrom eingespeist werden. Im ersten Fall muss der Phasenstrom phasengleich mit dem Sternpunktstrom sein; im zweiten Fall muss zwischen beiden Strömen eine Phasenverschiebung von 180 Grad bestehen. Bei phasengleichen Strömen löst das Relais aus, während es bei einer Phasenverschiebung von 180 Grad stabil bleiben muss.

Im letzten Schritt muss der Parameter „Limit Angle“ mit einem Wert von 100 Grad geprüft werden. Hierzu genügt es, den „Quick“-Modus auszuwählen und den Winkel manuell zu verändern, sodass das von diesem Winkel abhängige Relaisverhalten geprüft und verifiziert werden kann.

Dieses Relais verwendet für seine Berechnungen (I_Y), den Sternpunktstrom, und (3I_0), den Nullsystemstrom. Aus diesen beiden Größen werden ein Differenzstrom und ein Stabilisierungsstrom berechnet.

Die für diese Funktion angegebene Kennlinie wird als (I_{char}) in Abhängigkeit von (I_{bias}) dargestellt. (I_{char}) wird für das Ansprechen und die Auslösung unterschiedlich definiert. Daher müssen das Ansprechverhalten und das Auslöseverhalten der REF-Funktion getrennt voneinander analysiert werden.

Für die Auslösung des Relais wird das Verhältnis des Sternpunktstroms zu dem auf der Kennlinie dem jeweiligen (I_{bias})-Wert entsprechenden (I_{char})-Wert ausgewertet.

Gemäß den Angaben im Relais-Handbuch muss der Wert von (I_{trip}) zunächst größer als 1 sein, damit das Relais einen Auslösebefehl ausgibt. Darüber hinaus hängt die Relaisauslösung vom Winkel zwischen dem Sternpunktstrom und (3I_0) ab. Ist dieser Winkel kleiner als 90 Grad, wird der Fehler als interner Fehler betrachtet. Ist der Winkel größer als 90 Grad, wird der Fehler abhängig vom Verhältnis von (I_Y) zu (3I_0) entweder als interner oder als externer Fehler erkannt.

Das Ansprechen dieser Funktion ist unabhängig vom Winkel zwischen den Strömen. Ist der berechnete Wert von (I_{diff}) größer als (I_{char}), spricht das Relais an.

Da die REF-Auslösekennlinie bei Siemens-SIPROTEC-5-Relais nicht als Differentialkennlinie behandelt wird, kann die Relaisauslösung nicht im Differential Room geprüft werden. Die Auslöseprüfung muss im AMT Sequencer Room durchgeführt werden. Dabei ist zu beachten, dass auf der horizontalen Achse der Kennlinie (I_{bias}) und auf der vertikalen Achse (I_{char}) dargestellt ist. Für die Relaisauslösung entspricht diese vertikale Achse dem Strom (I_Y). Daher kann die Relaisauslösung nicht im Differential Room geprüft werden.

Für die Prüfung im Sequencer Room müssen in der Hardware Config drei Ströme aus Gruppe A und ein Strom aus Gruppe B aktiviert werden. Die drei Ströme der Gruppe A werden an die Phasenseite angeschlossen, während der Strom (I_B) an die Sternpunktseite angeschlossen wird.

Im ersten Prüfschritt muss der Einstellwert geprüft werden. Hierzu muss Strom in eine der drei Phasen eingespeist und anschließend der Sternpunktstrom schrittweise erhöht werden. Nachdem das Relais ausgelöst hat, muss der Sternpunktstrom, der die Auslösung verursacht hat, mit der Kennlinie abgeglichen werden. Für diesen Abgleich muss zunächst der entsprechende Stabilisierungsstrom anhand der angegebenen Gleichung berechnet und anschließend (I_Y) mit (I_{char}) verglichen werden.

Im nächsten Prüfschritt müssen das Stabilisierungsverfahren und der Winkel zwischen dem Sternpunktstrom und dem Phasenstrom geprüft werden. Zur Prüfung des Stabilisierungsverfahrens muss der Phasenstrom mit einem festgelegten Betrag eingespeist werden. Zusätzlich muss der Sternpunktstrom unter verschiedenen Bedingungen eingespeist werden.

Hierzu muss sowohl auf der Phasenseite als auch auf der Sternpunktseite Strom eingespeist und so eingestellt werden, dass der Strom (I_Y) innerhalb des Auslösebereichs der Relaiskennlinie liegt. Zur Prüfung dieses Zustands müssen die Strombeträge im Quick Mode konstant gehalten werden. Anschließend muss der Winkel am Grenzwert, beispielsweise bei 90 Grad, geprüft werden, um das korrekte Verhalten des Relais zu verifizieren. Wie in der rechts dargestellten Kennlinie gezeigt, ändert sich der Winkelgrenzwert abhängig vom Verhältnis von (I_Y) zu (3I_0). Dies kann bei der Prüfung berücksichtigt werden.

Für die Prüfung des Relaisansprechens kann der Differential Room verwendet werden, da gemäß dem Relais-Handbuch die vertikale Achse der (I_{char})-(I_{bias})-Kennlinie der Differenzgröße zwischen dem Sternpunktstrom und dem Nullsystemstrom entspricht.

Für die Prüfung im Differential Room muss im Fenster Test Object der Differential-Block konfiguriert werden, indem REF als Protection Function ausgewählt wird. Anschließend müssen die Angaben für Main Side und Neutral entsprechend der Seite vervollständigt werden, auf der diese Funktion angewendet wird. Als (I_{bias})-Formel muss (I_P + I_S) eingegeben werden. Da bei einem einphasigen Fehler nur in eine Phase Strom eingespeist wird, entspricht diese Formel der im Relais verwendeten Formel.

Zur Erkennung eines Erdschlusses innerhalb des Schutzbereichs verwendet das Relais zwei Elemente: die Differenz-Stabilisierungskennlinie und ein Richtungselement. Bei diesem Relais wird der Sternpunktstrom (IN) als Richtungsreferenz verwendet, da seine Richtung sowohl bei internen als auch bei externen Fehlern fest definiert ist. Für dieses Relais sind die Gleichungen für Idiff und Ibias wie folgt angegeben.

Gemäß der in diesem Relais-Handbuch dargestellten Anordnung müssen die phasenseitigen Stromwandler in Richtung des Transformators geerdet werden, während der sternpunktseitige Stromwandler in entgegengesetzter Richtung zum Transformator geerdet werden muss. Dadurch erhält das negative Vorzeichen bei der Berechnung von Idiff seine Bedeutung. Grundsätzlich müssen die vom Relais erfassten Ströme entgegengesetzte Richtungen aufweisen, damit das Relais einen Erdschluss innerhalb des Schutzbereichs erkennt.

Bei Fehlern außerhalb des Schutzbereichs ist die Differenzgröße näherungsweise null. Gemäß der Relaisdefinition weisen die Ströme in beiden Stromwandlern dieselbe Richtung auf, wodurch das Relais den Fehler als außerhalb des Schutzbereichs liegend erkennt.

Die vom Relais bereitgestellte Differenz-Stabilisierungskennlinie besteht aus drei Abschnitten. Im ersten Abschnitt kann der Ansprechstrom vom Benutzer zwischen 5 % und 50 % eingestellt werden, während die übrigen Abschnitte fest definiert sind.

Diese Funktion des RET521-Relais kann im Differential Room geprüft werden. Bei der Eingabe der Daten für diese Schutzfunktion müssen die folgenden Punkte berücksichtigt werden.

Zur Prüfung dieser Funktion muss im Differential Room REF als Protection Function ausgewählt werden. Die Daten der Phasenseite (Main Side) müssen in der Spalte Primary und die Daten der Sternpunktseite in der Spalte Secondary eingegeben werden. Für die Neutral-Seite muss als Starpoint Grounding-Richtung „Toward Line“ ausgewählt werden. Als Ibias-Beziehung muss „Max(Ip,Is)“ eingestellt werden. In diesem Beispiel wurde die Differentialkennlinie für einen Ansprechwert von 0,3 dargestellt.

Für den REF-Schutz verwendet dieses Relais die Differenzgröße zwischen dem Nullsystemstrom der Phasenseite (3I0) und dem Sternpunktstrom IY. Für die Differenz-Stabilisierungskennlinie dieser Funktion ist außerdem ein Stabilisierungsstrom definiert, der dem Mittelwert der drei Phasenströme des Relais entspricht.

Gemäß den Angaben im Relais-Handbuch wird COSphi als 1 angenommen, wenn der Winkel zwischen dem Sternpunktstrom (IY) und dem Nullsystemstrom der Phasenseite (3I0) 180 Grad beträgt. Ist der Winkel zwischen beiden Strömen kleiner als 90 Grad, wird COSphi als null angenommen. Daher löst das Relais nur aus, wenn der Winkel zwischen dem Sternpunktstrom (IY) und dem Nullsystemstrom der Phasenseite (3I0) größer als 90 Grad ist.

Für dieses Relais sind zwei Connection Types definiert. Zusammenfassend gilt: Sind die Stromwandler auf beiden Seiten entweder zum Betriebsmittel hin oder vom Betriebsmittel weg geerdet, handelt es sich um Type 1. Ist ein Stromwandler zum Transformator hin und der andere in entgegengesetzter Richtung geerdet, handelt es sich um Type 2.

Im Relais-Handbuch wird die nachfolgend dargestellte Anordnung (Type 1) verwendet, um interne und externe Fehler zu erläutern und das Relaisverhalten zu analysieren. In dieser Anordnung wird der Fehler als extern erkannt und die Funktion gesperrt, wenn der Winkel zwischen 3I0 und IY kleiner als 90 Grad ist.

Diese Funktion des RET620-Relais kann im Differential Room geprüft werden. Bei der Eingabe der Daten für diese Schutzfunktion müssen die folgenden Punkte berücksichtigt werden.

Zur Prüfung dieser Funktion muss im Differential Room REF als Protection Function ausgewählt werden. In der Spalte Primary müssen die Daten der Phasenseite (Main Side) und in der Spalte Secondary die Daten der Sternpunktseite eingegeben werden. Ist im Relais als Connection Type Type 1 eingestellt, muss für beide Stromwandler als Starpoint Grounding-Richtung Toward Object ausgewählt werden. Andernfalls muss für den sternpunktseitigen Stromwandler Toward Line ausgewählt werden.

Als Ibias Relation muss Max(Ip,Is) / K1 mit K1 = 3 ausgewählt werden.

In diesem Beispiel wurde die Differentialkennlinie für einen Ansprechwert von 0,3 dargestellt.