Wie die Kernmagnetisierung eine falsche Relaisauslösung verursacht

Einführung

Unter den Fehlerarten, die in Mittelspannungsanlagen von Industrieanlagen zu fehlerhaftem Betrieb von Schutzrelais führen, ist die Kernremanenz - der magnetische Restfluss, der im Eisenkern eines Stromwandlers verbleibt, nachdem der Primärstrom abgeschaltet wurde - die am häufigsten missverstandene und am häufigsten falsch diagnostizierte. Wenn in einer Industrieanlage eine fehlerhafte Schutzauslösung auftritt, die nicht mit einem tatsächlichen Fehlerereignis korreliert werden kann, konzentriert sich die Untersuchung in der Regel auf die Relaiseinstellungen, die Relaishardware und die Verdrahtung des Sekundärkreises. Der Stromwandlerkern wird nur selten untersucht. Bei einem beträchtlichen Teil der unerklärlichen Fehlauslösungen - insbesondere bei solchen, die beim Einschalten von Transformatoren, beim Anlassen von Motoren oder beim Wiedereinschalten von Stromkreisen nach einem Fehler auftreten - ist jedoch der remanente Fluss des Stromwandlerkerns die eigentliche Ursache, und keine noch so gute Anpassung der Relaiseinstellungen kann ein erneutes Auftreten verhindern, solange die Remanenzbedingung nicht identifiziert und korrigiert wird.

Die direkte Antwort lautet wie folgt: Die Remanenz des Stromwandlerkerns führt zu einer Fehlauslösung des Relais, da der nach einem Fehlerereignis oder einer Gleichstrombelastung im Stromwandlerkern verbleibende magnetische Restfluss den Arbeitspunkt des Kerns auf seiner B-H-Magnetisierungskurve verschiebt, was dazu führt, dass der Stromwandler während des nächsten Einschaltvorgangs früher und stärker in Sättigung geht und eine verzerrte sekundäre Stromwellenform erzeugt, die große Gleichstromversatz- und Oberwellenkomponenten enthält, die von Lichtbogenschutz- und Überstromrelais als Fehlerstromsignatur interpretiert werden und eine Auslöseentscheidung für einen Stromkreis auslösen, der normal funktioniert.

Für Ingenieure im Bereich des industriellen Anlagenschutzes, für Wartungsteams im Mittelspannungsbereich und für Spezialisten für Lichtbogenschutzsysteme, die unerklärliche Relaisvorgänge untersuchen, bietet dieser Leitfaden eine vollständige technische Erklärung, wie Kernremanenz entsteht, wie sie Fehlauslösungen verursacht und wie man durch Remanenz verursachte Schutzausfälle diagnostiziert, korrigiert und verhindert.

Inhaltsübersicht

• Was ist CT-Kernremanenz und wie entsteht sie in Mittelspannungsanlagen von Industrieanlagen?
• Wie verursacht die Kernremanenz die Sättigung des Stromwandlers und die Fehlauslösung des Relais?
• Wie diagnostiziert man Remanenz-bedingte Fehlauslösungen in industriellen Anlagenschutzsystemen?
• Wie kann die Remanenz von Stromwandlerkernen korrigiert und ein erneutes Auftreten in Mittelspannungs-Lichtbogenschutzsystemen verhindert werden?
• FAQs über Stromwandlerkernremanenz und falsche Relaisauslösung in Industrieanlagen

Was ist CT-Kernremanenz und wie entsteht sie in Mittelspannungsanlagen von Industrieanlagen?

Der Eisenkern eines Stromwandlers ist ein ferromagnetisches Material, dessen magnetisches Verhalten durch seine b-h-Magnetisierungskurve¹ - die Beziehung zwischen der magnetischen Flussdichte B im Kern und der auf ihn ausgeübten Magnetisierungskraft H. Die B-H-Kurve eines ferromagnetischen Materials ist keine einfache lineare Beziehung - sie ist eine Hystereseschleife, was bedeutet, dass die Flussdichte im Kern nicht nur von der aktuellen Magnetisierungskraft abhängt, sondern auch von der Vorgeschichte der Magnetisierung.

Wenn die Magnetisierungskraft H auf Null reduziert wird - wenn der Primärstrom aufhört - geht die Flussdichte B nicht auf Null zurück. Sie verbleibt bei einem Restwert, der als Remanenzflussdichte Br bezeichnet wird und bei kornorientiertem Siliziumstahl, der in CT-Kernen verwendet wird, bis zu 70-80% der Sättigungsflussdichte Bsat betragen kann. Dieser Restfluss - die Remanenz - ist in der magnetischen Domänenstruktur des Kerns eingeschlossen und bleibt auf unbestimmte Zeit erhalten, bis er durch Entmagnetisierung absichtlich entfernt oder durch eine ausreichend große entgegengesetzte Magnetisierungskraft überschrieben wird.

Mechanismen der Remanenzentwicklung in Mittelspannungsnetzen von Industrieanlagen

In Mittelspannungsanlagen von Industrieanlagen sind Stromwandlerkerne weitaus häufiger remanenzerzeugenden Bedingungen ausgesetzt als in herkömmlichen Verteilungssystemen, da die Kombination aus großen Motorlasten, häufigen Fehlerereignissen und dem Betrieb von Lichtbogenschutzsystemen eine Abfolge von Strombedingungen erzeugt, die Stromwandlerkerne systematisch in hohe Remanenzzustände treiben.

Mechanismus 1: Asymmetrischer Fehlerstrom DC-Offset

Die wichtigste Remanenzquelle in Stromwandleranlagen von Industrieanlagen. Wenn in einem Mittelspannungssystem ein Fehler auftritt, enthält der Fehlerstrom eine DC-Offset-Komponente, deren Größe von dem Punkt auf der Welle, an dem der Fehler beginnt, und dem System abhängt x/r-Verhältnis²:

$i_{fault}(t) = I_{peak} \times \left[\sin(\omega t + \phi) - \sin(\phi) \times e^{-t/\tau}\right]$

Wo $\i$ ist der Fehlereinleitungswinkel und$$\tau = L/R$$ ist die Gleichstromzeitkonstante. Für Mittelspannungssysteme in Industrieanlagen mit X/R-Verhältnissen von 15-30 beträgt die Gleichstromzeitkonstante 48-95 ms, d. h. die Gleichstromversatzkomponente bleibt für 5-10 Netzfrequenzzyklen bestehen, bevor sie auf ein vernachlässigbares Niveau abfällt.

Die Gleichstromkomponente des Fehlerstroms treibt den Arbeitspunkt des Stromwandlerkerns in einer Richtung der B-H-Kurve schrittweise in die Sättigung. Wenn der Fehler durch das Schutzrelais gelöscht wird - typischerweise innerhalb von 60-200 ms - verbleibt der gleichstromgetriebene Fluss im Kern als Remanenz. Die Größe des remanenten Flusses hängt von der Größe des DC-Offsets und der Fehlerbeseitigungszeit ab:

$B_{remanent} \approx B_{sat} \times \left(1 - e^{-t_{clearing}/\tau_{core}}\right) \times \sin(\phi)$

Für einen ungünstigen Fehlereinleitungswinkel ($\i$ = 90°) mit einer Abklingzeit von 100 ms kann der remanente Fluss 60-75% von Bsat erreichen.

Mechanismus 2: Schutzrelais DC-Auslösestrom

Lichtbogenschutzrelais und einige Überstromrelais verwenden Gleichstrom der Auslösespule, um die Auslösemechanismen von Leistungsschaltern zu betätigen. Wenn der Strom der Auslösespule durch den Sekundärstromkreis des Stromwandlers fließt - was durch induktive Kopplung oder durch gemeinsame Erdungsanschlüsse in einigen industriellen Anlagenkonfigurationen geschehen kann -, übt er eine Gleichstrommagnetisierungskraft auf den Stromwandlerkern aus, die ihn unabhängig vom Primärstromzustand in einen remanenten Zustand versetzt.

Mechanismus 3: Einschaltstrom des Transformators

Wenn ein Mittelspannungstransformator unter Spannung gesetzt wird, enthält der Einschaltstrom eine große DC-Offset-Komponente, die 0,5 bis 2 Sekunden lang anhalten kann - viel länger als der DC-Offset des Fehlerstroms. Bei Stromwandlern, die auf der Primärseite des Transformators installiert sind, führt diese längere Gleichstromexposition dazu, dass der Kern nahezu gesättigte Remanenzwerte erreicht. Wenn der Transformator anschließend abgeschaltet und wieder eingeschaltet wird - was bei der Inbetriebnahme und Wartung von Industrieanlagen häufig vorkommt - sammelt der Stromwandlerkern bei jedem Einschalten Remanenz an.

Mechanismus 4: Prüfung des Sekundärkreises mit DC-Quellen

Bei der Isolationswiderstandsprüfung von Stromwandlersekundärkreisen mit einem 500-V- oder 1.000-V-DC-Megohmmeter wird eine Gleichspannung an die Stromwandlersekundärwicklung angelegt. Wenn die Sekundärwicklung während der IR-Prüfung nicht kurzgeschlossen wird - ein häufiger Prüffehler -, treibt die Prüfgleichspannung einen Magnetisierungsstrom durch den Stromwandlerkern und hinterlässt einen remanenten Flusszustand, der möglicherweise nicht als Prüfartefakt erkannt wird.

Die wichtigsten technischen Parameter für die Remanenz von CT-Kernen:

Parameter	Definition	Typischer Wert	Auswirkungen auf die Leistung
Dichte des remanenten Flusses (Br)	Restwert B bei H = 0	0,8-1,4 T (60-80% von Bsat)	Verschiebt den Arbeitspunkt in Richtung Sättigung
Dichte des Sättigungsflusses (Bsat)	Maximum B bei hohem H	1,8-2,0 T für Siliziumstahl	Definiert den Schwellenwert für das Einsetzen der Sättigung
Zwangsgewalt (Hc)	H erforderlich, um B auf Null zu reduzieren	10-50 A/m für CT-Kernstahl	Bestimmt den erforderlichen Entmagnetisierungsstrom
DC-Zeitkonstante (τ)	L/R des Fehlerstromkreises	20-100 ms für MS-Systeme	Bestimmt die Nachleuchtdauer des DC-Offsets
Remanenzfaktor (Kr)	Br/Bsat	0,6-0,8 für Standard-CT-Kerne	iec 61869-23 definiert Kr ≤ 0,1 für Kerne der Klasse PR
Anwendbare Norm	IEC 61869-2 Klasse PR	Spezifikation des remanenzgeschützten Kerns	Kr ≤ 0,1 erreicht durch Luftspalt im Kern

Wie verursacht die Kernremanenz die Sättigung des Stromwandlers und die Fehlauslösung des Relais?

Der Weg von der Kernremanenz zur Fehlauslösung des Relais führt über eine bestimmte Abfolge von elektromagnetischen Ereignissen, die während der ersten Zyklen des primären Stromflusses auftreten, nachdem der remanente Zustand hergestellt wurde - typischerweise während der Erregung des Transformators, des Motorstarts oder der Wiedereinschaltung des Stromkreises nach einer Fehlerbeseitigung.

Die Remanenz-zu-Sättigung-Sequenz

Stufe 1: Remanenter Fluss bildet verschobenen Arbeitspunkt

Nach einem Fehlerereignis behält der Stromwandlerkern den remanenten Fluss Br. Auf der B-H-Kurve befindet sich der Arbeitspunkt des Kerns bei (H=0, B=Br) - um den remanenten Fluss vom Ursprung verschoben. Der verfügbare Flusshub vor der Sättigung beträgt nun:

$\Delta B_{verfügbar} = B_{sat} - B_{remanent}$

Bei einem Kern mit Bsat = 1,9 T und Bremanent = 1,3 T (68% von Bsat) beträgt der verfügbare Flusshub nur 0,6 T - im Vergleich zu 1,9 T bei einem vollständig entmagnetisierten Kern. Die Fähigkeit des Stromwandlers, den Primärstrom genau zu reproduzieren, ist proportional zum verfügbaren Flusshub - ein Kern mit 68% Remanenz hat nur 32% seiner normalen Flusskapazität für die genaue Stromreproduktion zur Verfügung.

Stufe 2: Einschalttransiente treibt den Kern in die Sättigung

Beim Wiedereinschalten des Stromkreises - Einschalten des Transformators, Anlassen des Motors oder Wiedereinschalten nach der Fehlerbeseitigung - enthält der Primärstrom eine asymmetrische Komponente mit Gleichstromversatz. Der Gleichstromversatz treibt den Kernfluss in dieselbe Richtung wie die Remanenz (im schlimmsten Fall, wenn die Polarität der Remanenz mit der Richtung des Gleichstromversatzes übereinstimmt). Der Kern erreicht bereits nach einem Bruchteil der ersten Halbwelle die Sättigung:

$t_{Sättigung} = \frac{B_{sat} - B_{remanent}}{dB/dt_{normal}}$

Bei einem Kern mit einer Remanenz von 68% tritt die Sättigung etwa dreimal früher ein als bei einem vollständig entmagnetisierten Kern - möglicherweise innerhalb der ersten Viertelperiode des Erregungsübergangs.

Stufe 3: Der gesättigte Stromwandler erzeugt eine verzerrte sekundäre Wellenform

Wenn der Stromwandlerkern in die Sättigung geht, bricht die magnetisierende Induktivität zusammen - der Kern kann den zunehmenden Fluss nicht mehr aufnehmen, und der Primärstrom wird nicht mehr in der Sekundärwicklung reproduziert. Stattdessen fällt der Sekundärstrom abrupt gegen Null, während der Primärstrom weiterfließt. Die sekundäre Wellenform wird stark verzerrt - sie enthält große Spitzen während der ungesättigten Teile jedes Zyklus und einen Strom nahe Null während der gesättigten Teile.

Die verzerrte sekundäre Wellenform enthält:

• Große Gleichstromkomponente: Aus dem asymmetrischen Sättigungsmuster - der Stromwandler sättigt in einer Halbwelle stärker als in der anderen
• Großer Anteil an ungeraden Obertönen: 3., 5. und 7. Oberschwingungen aus der übersteuerten Wellenform
• Hohe di/dt-Transienten: Schnelle Stromübergänge an den Grenzen zwischen gesättigten und ungesättigten Bereichen

Stufe 4: Verzerrter Sekundärstrom löst eine falsche Relaisauslösung aus

Die verzerrte Sekundärstromkurve wird dem Schutzrelais als gemessener Primärstrom präsentiert. Die Reaktion des Relais hängt von seinem Messalgorithmus ab:

• Lichtbogenschutzrelais (Licht + Stromerkennung): Lichtbogenschutzrelais arbeiten mit Momentanstrommessung - sie reagieren auf die Spitzen der Sekundärstromwellenform. Die Spitzen mit hoher Amplitude in der verzerrten sekundären Stromwandler-Wellenform während der ungesättigten Abschnitte jedes Zyklus können die Stromschwelle des Lichtbogenschutzrelais überschreiten und eine Auslöseentscheidung auslösen, obwohl kein Lichtbogenfehler vorliegt
• Unverzögertes Überstromrelais (50 Elemente): Reagiert auf den sekundären Spitzenstrom - die verzerrten Wellenformspitzen können den Schwellenwert für die sofortige Auslösung überschreiten, was zu einer falschen sofortigen Auslösung führt
• Zeitüberwachungsrelais (51 Element): Reagiert auf Effektivstrom - die verzerrte Wellenform hat einen erhöhten Effektivwert, der die Ansprechschwelle überschreiten und eine zeitverzögerte Auslösung auslösen kann
• Differenzialrelais (87 Element): Das Differenzialrelais vergleicht die Sekundärströme von Stromwandlern auf beiden Seiten des geschützten Betriebsmittels; wenn nur ein Stromwandler remanenzbehaftet ist, enthält der Differenzialstrom beim Einschalten eine große Komponente aus der remanenzbedingten Sättigungsasymmetrie, die möglicherweise die Ansprechschwelle des Differenzialrelais überschreitet

Die mathematische Beziehung zwischen remanentem Fluss und Fehlauslösewahrscheinlichkeit:

$P_{false,trip} \propto \frac{B_{remanent}}{B_{sat} - B_{remanent}} \times \frac{I_{DC,offset}}{I_{rated}} \times \frac{1}{t_{relay,pickup} \Zeiten f}$

Diese Beziehung zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit einer Fehlauslösung mit dem Remanenzniveau, der Größe des DC-Offsets und der Relaisgeschwindigkeit zunimmt, was erklärt, warum Lichtbogenschutzrelais (schnellste Betriebszeit: 5-10 ms) am anfälligsten für remanenzbedingte Fehlauslösungen sind.

Kundenfall - 11-kV-Industrieanlagen-Umspannwerk, Automobilherstellung, Mitteleuropa:
Ein Schutztechniker in einem Automobilwerk wandte sich an Bepto Electric, nachdem innerhalb von 14 Monaten sieben unerklärliche Lichtbogenschutzrelaisauslösungen aufgetreten waren - alle innerhalb der ersten 100 ms nach dem Einschalten eines 2-MVA-Transformators, der ein Belüftungssystem einer Lackiererei speist. Jede Fehlauslösung verursachte einen Produktionsstillstand, der pro Ereignis etwa 45.000 € kostete. Die oszillografische Analyse des Lichtbogenschutzrelais nach dem Ereignis zeigte, dass das Relais sowohl Licht (von einer Koronaentladung auf der Transformatorbuchse während des Einschaltens) als auch Überstrom erkannt hatte - das Überstromelement hatte auf eine verzerrte sekundäre Stromwellenform mit Spitzenwerten, die das 3,2-fache der Stromschwelle des Relais betrugen, reagiert. Die Prüfung der Erregungskurve der Stromwandler ergab, dass die drei Stromwandler auf dem primären Abgang des Transformators remanente Flusswerte von 71%, 68% bzw. 74% Bsat aufwiesen, die von den sechs vorangegangenen Fehlerereignissen auf dem Abgang in den vorangegangenen drei Jahren stammten. Die Entmagnetisierung aller drei Stromwandler reduzierte die Remanenz auf unter 5% Bsat. In den 18 Monaten nach der Entmagnetisierung traten auf dem Transformatorabzweig keine Fehllichtbogenschutzauslösungen auf. Der Schutzingenieur stellte fest: “Sieben Fehlauslösungen, sieben Produktionsstillstände und ein Gesamtverlust von über 300.000 € - alles verursacht durch Restmagnetismus in drei Stromwandlerkernen, deren Entmagnetisierung vier Stunden dauerte. Das Lichtbogenschutzrelais funktionierte genau wie vorgesehen. Der Stromwandler hat ihm falsche Informationen geliefert.”

Wie diagnostiziert man Remanenz-bedingte Fehlauslösungen in industriellen Anlagenschutzsystemen?

Remanenzbedingte Fehlauslösungen erzeugen eine charakteristische Diagnosesignatur, die sie von anderen Fehlauslöseursachen - Relaiseinstellfehlern, Sekundärkreisfehlern und echten Fehlerereignissen - unterscheidet. Die Diagnosemethodik folgt einer strukturierten Abfolge, die von der Ereignisanalyse über die Stromwandlerprüfung bis zur Bestätigung reicht.

Schritt 1: Analysieren Sie die Aufzeichnung der Fehlauslösung

Die Ereignisaufzeichnung des Schutzrelais und die oszillografische Erfassung liefern den ersten diagnostischen Hinweis:

• Zeitliche Korrelation: Remanenzbedingte Fehlauslösungen treten innerhalb der ersten 1-5 Zyklen des Primärstromflusses auf - während der Einschaltung des Transformators, des Motorstarts oder der Wiedereinschaltung. Eine Fehlauslösung, die mehr als 200 ms nach dem Einschalten des Stromkreises auftritt, ist wahrscheinlich nicht durch Remanenz verursacht worden.
• Form der Wellenform des Sekundärstroms: Remanenzinduzierte Sättigung erzeugt eine charakteristische asymmetrische Wellenform - große Spitzen auf einer Halbwelle, unterdrückte oder abgeschnittene Wellenform auf der anderen Halbwelle. Eine symmetrische verzerrte Wellenform deutet auf eine andere Ursache hin
• Gleichstromkomponente im Sekundärstrom: Die Remanenz-induzierte Sättigung führt zu einer signifikanten Gleichstromkomponente im Sekundärstrom, die in der oszillografischen Aufnahme als nicht symmetrischer Nulldurchgang sichtbar ist.
• Korrelation mit früheren Fehlerereignissen: Überprüfen Sie die Ereignishistorie des Schutzrelais für die letzten 6-12 Monate vor der Fehlauslösung - Remanenz akkumuliert sich aus Fehlerereignissen; eine Fehlauslösung nach einer Periode erhöhter Fehlerhäufigkeit ist mit Remanenz als Ursache vereinbar

Schritt 2: Test der CT-Erregungskurve durchführen

Der Erregungskurventest ist die definitive Diagnose für CT-Kernremanenz:

1. Spannungsfrei schalten und den Stromwandler isolieren: Für die Prüfung der Erregungskurve muss der Stromwandler spannungsfrei geschaltet und der Primärkreis unterbrochen werden.
2. Wechselspannung an die Sekundärwicklung anlegen: Erhöhen Sie die Wechselspannung von Null auf den Kniespannung⁴ während der Messung des Magnetisierungsstroms; B (proportional zur angelegten Spannung) gegen H (proportional zum Magnetisierungsstrom) auftragen
3. Vergleichen Sie mit dem Werksprüfzeugnis: Ein remanenzbeeinflusster Stromwandler zeigt eine verschobene Erregungskurve - der Knickpunkt tritt bei einer niedrigeren angelegten Spannung auf als im Werkszertifikat angegeben, und der Magnetisierungsstrom am Knickpunkt ist höher als der Werkswert
4. Berechnung des Remanenzniveaus: Die Verschiebung der Knickpunktspannung der Erregungskurve gegenüber dem Werkswert liefert eine Schätzung des Remanenzflusses:

$B_{remanent} \approx B_{sat} \mal \links(1 - \frac{V_{Knie,gemessen}}{V_{Knie,Fabrik}}\rechts)$

Schritt 3: Bestätigung mit DC-Flussmessung

Für eine definitive Remanenzmessung liefert die Gleichstromflussmethode eine direkte Messung der remanenten Flussdichte:

1. Anlegen eines bekannten Gleichstromimpulses an die Sekundärwicklung in der Richtung, die den Kern in die positive Sättigung treiben würde
2. Messung der Änderung des Flusses vom remanenten Zustand bis zur Sättigung mit einem Flussintegrator (Volt-Sekunden-Messung)
3. Wiederholen Sie den Vorgang in negativer Richtung, um die Änderung des Flusses vom remanenten Zustand zur negativen Sättigung zu messen.
4. Berechnen Sie die Remanenz: Die Asymmetrie zwischen den positiven und negativen Flussänderungen quantifiziert direkt den remanenten Fluss:

$B_{remanent} = \frac{(\Delta\Phi_{positive} - \Delta\Phi_{negative})}{2 \mal A_{core}}$

Wo $A_{core}$ ist die Querschnittsfläche des CT-Kerns aus dem Werksprüfzeugnis.

Diagnostische Entscheidungsmatrix

Beobachtung	Angezeigte Remanenz	Alternative Ursache
Falsche Auslösung innerhalb der ersten 3 Zyklen der Einschaltung	Starker Indikator	—
Asymmetrische Sekundärwellenform mit Gleichstromanteil	Starker Indikator	Sättigung des Stromwandlers durch Überstrom
Falsche Auslösung nach vorherigem Fehlerereignisverlauf	Starker Indikator	—
Verschiebung des Kniepunkts der Erregungskurve	Bestätigt	Kernschaden (wenn Schicht >20%)
Fehlauslösung zu jeder Zeit, symmetrische Wellenform	Schwacher Indikator	Relaiseinstellung, Fehler im Sekundärkreis
Falsche Auslösung ohne vorherige Fehlerhistorie	Schwacher Indikator	Relais-Hardware, Einstellfehler
Relais arbeitet nur bei Lichterkennung (Lichtbogenrelais)	Keine Remanenz	Externe Korona, Störlichtbogen

Wie kann die Remanenz von Stromwandlerkernen korrigiert und ein erneutes Auftreten in Mittelspannungs-Lichtbogenschutzsystemen verhindert werden?

Verfahren zur Entmagnetisierung des CT-Kerns

Die Entmagnetisierung des Stromwandlerkerns - die kontrollierte Beseitigung des remanenten Flusses durch zyklisches Durchlaufen immer kleinerer Hystereseschleifen, bis der Arbeitspunkt zum Ursprung der B-H-Kurve zurückkehrt - ist die endgültige Korrektur der durch Remanenz verursachten Fehlauslösung. Das Verfahren erfordert, dass der Stromwandler stromlos geschaltet und isoliert wird, aber nicht aus der Anlage entfernt werden muss.

Methode zur Reduzierung der Wechselspannung (empfohlen):

1. Schließen Sie einen variablen Spartransformator an die Sekundärwicklung des Stromwandlers an, wobei der Primärkreis offen ist; schalten Sie einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe, um einen übermäßigen Magnetisierungsstrom zu verhindern.
2. Erhöhung der Wechselspannung auf 120% der Kniepunktspannung des Stromwandlers - dies treibt den Kern bei jedem Zyklus in beide Richtungen in die Sättigung, wodurch eine große symmetrische Hystereseschleife entsteht, die den remanenten Fluss überschreibt
3. Die Wechselspannung langsam mit einer Rate von ca. 5% pro Sekunde auf Null reduzieren - dadurch wird die Hystereseschleife schrittweise verkleinert, während die Symmetrie erhalten bleibt, und der Arbeitspunkt zurück zum Ursprung der B-H-Kurve geführt.
4. Überprüfen Sie die Entmagnetisierung: Wiederholen Sie die Prüfung der Erregungskurve - die Spannung am Kniepunkt sollte mit dem Wert des Werksprüfzertifikats innerhalb von ±5% übereinstimmen; der Magnetisierungsstrom am Kniepunkt sollte mit dem Werkswert innerhalb von ±10% übereinstimmen
5. Dokumentieren Sie die Entmagnetisierung: Halten Sie die Erregungskurve vor der Entmagnetisierung, die Parameter des Entmagnetisierungsverfahrens und die Erregungskurve nach der Entmagnetisierung im CT-Wartungsprotokoll fest

Gleichstrom-Umkehrmethode (Alternative):

Bei Stromwandlern, bei denen der Zugang zur Sekundärwicklung mit Wechselspannung schwierig ist, wird bei der Gleichstromumkehrmethode eine Reihe von Gleichstromimpulsen mit wechselnder Polarität und progressiv abnehmender Stärke angelegt, wodurch die gleiche progressive Hystereseschleifenverringerung wie bei der Wechselspannungsmethode erreicht wird.

Prävention: Spezifikation remanenzgeschützter CT-Kerne

Für neue Stromwandlerinstallationen in Lichtbogenschutzanwendungen in Industrieanlagen, bei denen ein bekanntes Risiko für remanenzbedingte Fehlauslösungen besteht, sind Kerne der Klasse PR (Remanenzgeschützt) nach IEC 61869-2 zu verwenden:

• Definition der Klasse PR: Remanenzfaktor Kr = Br/Bsat ≤ 0,10 - maximaler remanenter Fluss von 10% nach beliebiger Magnetisierungsgeschichte
• Wie wird dies erreicht? In den magnetischen Kreis des CT-Kerns wird ein kleiner Luftspalt eingefügt; der Luftspalt speichert Energie, die den Fluss gegen Null zurückgehen lässt, wenn die Magnetisierungskraft wegfällt, wodurch die Remanenz auf ≤10% von Bsat
• Nachteil: Der Luftspalt reduziert die magnetisierende Induktivität des Stromwandlers, wodurch sich der Magnetisierungsstrom erhöht und die Genauigkeit bei niedrigen Primärströmen geringfügig verringert; Kerne der Klasse PR werden in der Regel nur für Schutzanwendungen spezifiziert, nicht für Umsatzmessungen
• Anwendung: Obligatorische Spezifikation für alle Stromwandlerkerne, die an Lichtbogenschutzrelais in Mittelspannungsanlagen von Industrieanlagen mit einem X/R-Verhältnis über 10 angeschlossen sind

Präventionsmaßnahmen auf Systemebene

Über die Spezifikation des Stromwandlerkerns hinaus reduzieren Maßnahmen auf Systemebene die Remanenzakkumulationsrate in Mittelspannungs-Lichtbogenschutzsystemen von Industrieanlagen:

• Verkürzung der Fehlerbeseitigungszeit: Schnellerer Schutzbetrieb reduziert die Dauer der DC-Offset-Belastung pro Fehlerereignis, wodurch die Remanenzakkumulation pro Ereignis verringert wird; angestrebte Fehlerlöschzeit unter 80 ms für Lichtbogenschutzanwendungen
• Umsetzung Punkt-zu-Welle-Schaltung⁵ für die Einschaltung des Transformators: Kontrolliertes Schalten, das den Transformator im Nulldurchgang der Spannung erregt, minimiert den Gleichstrom-Offset im Einschaltstrom, wodurch die Remanenzakkumulation bei jedem Erregungsereignis reduziert wird
• Regelmäßige Entmagnetisierung der Stromwandler einplanen: Bei bestehenden Installationen mit Standardstromwandlerkernen (Kr = 0,6-0,8) ist eine Entmagnetisierung alle 3 Jahre oder nach einem Fehlerereignis, bei dem der Primärstrom 50% des Nennkurzzeitstroms überschritten hat, einzuplanen - je nachdem, was zuerst eintritt.
• Trennen Sie die Stromwandlerkerne für den Lichtbogenschutz von den Messstromwandlerkernen: Verwenden Sie spezielle Stromwandlerkerne für die Lichtbogenschutzrelais-Strommessung - Kerne, die entmagnetisiert werden können, ohne die Genauigkeit der Ertragsmessung zu beeinträchtigen

Häufige Fehler im Remanenzmanagement

• Entmagnetisierung nur des Stromwandlers, der als remanenzbehaftet identifiziert wurde: In einer dreiphasigen Installation sind alle drei Phasenstromwandler demselben Fehlerstromverlauf ausgesetzt; wenn ein Stromwandler eine signifikante Remanenz aufweist, sollten alle drei Stromwandler bewertet und als Gruppe entmagnetisiert werden.
• Durchführung des Ratio-Genauigkeitstests vor der Entmagnetisierung: Die Ergebnisse des Ratio-Genauigkeitstests auf einem remanenzbehafteten CT sind nicht repräsentativ für die tatsächliche Genauigkeitsklasse des CTs; entmagnetisieren Sie immer vor dem Ratio-Test
• Spezifizierung von Kernen der Klasse PR für Anwendungen zur Ertragsmessung: Der Luftspalt, der die Remanenz in Kernen der Klasse PR begrenzt, erhöht den Magnetisierungsstrom und verschlechtert die Genauigkeit bei niedrigen Primärströmen; Klasse PR ist eine Schutzkernspezifikation - für die Ertragsmessung sind Standardkerne der Klasse 0,2S oder 0,5 ohne Luftspalt erforderlich
• Anpassung der Einstellungen des Lichtbogenschutzrelais zur Vermeidung von Fehlauslösungen ohne Berücksichtigung der Stromwandlerremanenz: Die Erhöhung der Stromschwelle des Lichtbogenschutzrelais zur Vermeidung von remanenzbedingten Fehlauslösungen verringert die Empfindlichkeit des Relais gegenüber echten Schwachstrom-Lichtbogenfehlern - ein Tausch von Fehlauslösungsvermeidung gegen Fehlererkennung

Schlussfolgerung

Die Remanenz des Stromwandlerkerns ist die verborgene Variable in der Zuverlässigkeit von Mittelspannungsschutzsystemen in Industrieanlagen - unsichtbar bei der Inspektion von Typenschildern, unsichtbar bei Standard-Inbetriebnahmetests und unsichtbar bei Berechnungen der Relaiseinstellungen, aber durchaus in der Lage, Lichtbogenschutz- und Überstromrelais mit verzerrten sekundären Stromwellenformen zu betreiben, die während der kritischen ersten Zyklen der Stromkreiseinschaltung keine Beziehung zum tatsächlichen Primärstrom haben. Der Mechanismus ist gut bekannt, die Diagnosemethode ist einfach, und die Korrektur - die Entmagnetisierung des Stromwandlerkerns - ist eine vierstündige Wartungsmaßnahme, die den Remanenzzustand vollständig beseitigt. In Mittelspannungs-Lichtbogenschutzsystemen von Industrieanlagen, wo eine Fehlauslösung Zehntausende von Euro an Produktionsverlusten kostet und ein übersehener echter Lichtbogenfehler Menschenleben kostet, ist die Bewertung der Remanenz des Stromwandlerkerns und die Entmagnetisierung keine willkürliche Wartungsmaßnahme - sie ist die technische Grundlage eines Schutzsystems, bei dem man sich darauf verlassen kann, dass es korrekt arbeitet, und zwar nur dann, wenn es am wichtigsten ist.

Häufig gestellte Fragen zu Stromwandlerkern-Remanenz und falscher Relaisauslösung

1. Vermittelt physikalische Grundprinzipien, die erklären, wie ferromagnetische Materialien auf angelegte Magnetfelder reagieren und den Restfluss beibehalten. ↩

2. Erklärt die Beziehung zwischen Systemreaktanz und -widerstand bei der Bestimmung der Größe und Dauer des Gleichstrom-Offsets bei elektrischen Fehlern. ↩

3. Verweist den Leser auf die internationale Norm, die Leistungsanforderungen und Prüfprotokolle für Stromwandler der Schutzklasse festlegt. ↩

4. Bietet technische Definitionen und Berechnungsmethoden für die kritische Spannungsschwelle, bei der die Sättigung des Stromwandlerkerns beginnt. ↩

5. Erläutert die technischen und betrieblichen Vorteile der Synchronisierung des Leistungsschalterbetriebs mit Spannungsnulldurchgängen, um transiente Einschaltströme zu minimieren. ↩