Differentiaalbeveiliging van een transformator (87T) — waarom deze snel is, maar het Buchholzrelais niet vervangt

De gids over het Buchholzrelais behandelt een mechanische beveiliging die op gasvorming en oliestroom reageert. Dit artikel behandelt de belangrijkste elektrische beveiliging van een vermogenstransformator tegen interne fouten: de percentagedifferentieelbeveiliging, in de praktijk vaak aangeduid met de ANSI-code 87T.

Het basisprincipe: stroom erin moet gelijk zijn aan stroom eruit

Een differentiaalrelais vergelijkt, via stroomtransformatoren (CT's) aan zowel de primaire als de secundaire zijde van de transformator, de stroom die de transformator in gaat met de stroom die eruit gaat. Bij een gezonde transformator, zonder interne fout, is dit — na correctie voor de overzetverhouding van de transformator — in essentie hetzelfde vermogen dat aan de ene kant in- en aan de andere kant uitgaat; het verschil tussen beide CT-stromen (de differentiaalstroom) is dan nagenoeg nul. Ontstaat er een interne fout — bijvoorbeeld een kortsluiting tussen windingen of een doorslag naar de kern — dan verlaat een deel van de stroom de transformator via de fout zelf in plaats van via de uitgaande klemmen, en ontstaat er een aanzienlijke differentiaalstroom.

Waarom een percentage van de restraint-stroom, niet een vaste drempel

Een differentiaalrelais beoordeelt de differentiaalstroom niet tegen een vaste ampèrewaarde, maar tegen een percentage van de gemiddelde doorgaande stroom (de "restraint"- of stabilisatiestroom). Dit is nodig omdat er ook bij een gezonde transformator altijd een kleine, normale differentiaalstroom optreedt — bijvoorbeeld door CT-meetfouten, de magnetiseringsstroom van de transformator zelf, of een afwijkende belasting van de trapschakelaarstand. Bij een lage doorgaande stroom moet het relais gevoelig genoeg zijn om een kleine, laag-energetische interne fout te detecteren; bij een hoge doorgaande stroom (bijvoorbeeld tijdens een zware, maar externe, doorgaande kortsluiting) moet het relais juist ongevoeliger zijn, omdat CT-meetfouten en verzadigingseffecten dan groter worden. Deze aflopende gevoeligheidsmarge wordt weergegeven als een restraint-karakteristiek met doorgaans twee hellingen: een lagere helling (typisch in de orde van 15–30 %) bij een gematigde doorgaande stroom, en een hogere helling (typisch in de orde van 50–80 %) bij een zware doorgaande stroom, waarbij CT-verzadiging een grotere rol gaat spelen.

Waarom CT-verhouding én vectorgroep gecompenseerd moeten worden

Twee praktische complicaties maken dat een differentiaalrelais niet simpel "stroom A min stroom B" kan berekenen:

• Ongelijke CT-overzetverhoudingen: de primaire en secundaire nominale stroom van een transformator verschillen doorgaans sterk, dus de stroomtransformatoren aan beide zijden hebben doorgaans een andere overzetverhouding. Het relais (of, bij oudere elektromechanische uitvoeringen, hulptransformatoren in het relaiscircuit) moet deze verhouding compenseren voordat de twee stromen zinvol met elkaar vergeleken kunnen worden.
• Faseverschuiving door de vectorgroep: zoals behandeld in de gids over transformator-vectorgroepen, introduceert bijvoorbeeld een Dyn11-transformator een faseverschuiving van 30° tussen primaire en secundaire stroom. Zonder correctie van die faseverschuiving zou het relais bij een volledig gezonde transformator al een schijnbare differentiaalstroom zien. Bij elektromechanische relais gebeurde deze correctie via de wikkelconfiguratie van de hulptransformatoren (vaak driehoek-geschakeld aan de kant waar de hoofdtransformator ster is, en omgekeerd); bij moderne digitale relais gebeurt dit rekenkundig in de relaissoftware, op basis van de geconfigureerde vectorgroep.

Tweede-harmonische-blokkering: inschakelstroom is geen interne fout

De gids over de inschakelstroom van een transformator behandelt waarom het inschakelen van een onbelaste transformator een kortstondige, hoge magnetiseringsstroom (inrush) kan trekken. Gezien uitsluitend vanaf de primaire zijde lijkt deze inrush-stroom op een differentiaalstroom, omdat de secundaire zijde nog geen overeenkomstige stroom levert. Om te voorkomen dat het relais bij elke inschakeling onterecht afschakelt, bevat een differentiaalrelais een tweede-harmonische-blokkering: de inrush-stroom bevat een karakteristiek hoog aandeel tweede harmonische (100 Hz bij een net van 50 Hz), terwijl een echte interne fout dat aandeel niet heeft. Overschrijdt het aandeel tweede harmonische in de differentiaalstroom een ingestelde drempel (vaak in de orde van enkele tientallen procenten), dan blokkeert het relais de afschakeling, ook al is de differentiaalstroom zelf hoog genoeg om anders te triggeren.

Waarom dit het Buchholzrelais niet overbodig maakt

Een percentagedifferentieelrelais is aanzienlijk sneller dan een Buchholzrelais en detecteert fouten die al bij het ontstaan een meetbare stroomonbalans veroorzaken. Een langzaam ontwikkelende, laag-energetische fout — bijvoorbeeld beginnende partiële ontlading of een geleidelijk verslechterende isolatie tussen enkele windingen — levert in een vroeg stadium echter vaak nog geen stroomverschil op dat groot genoeg is om de differentiaalbeveiliging te laten aanspreken, terwijl deze fout al wél gas vormt. Dit is precies het soort fout dat het Buchholzrelais (zie de gerelateerde gids) via gasophoping detecteert, ruim voordat de fout zich tot een elektrisch detecteerbare kortsluiting ontwikkelt. Differentiaalbeveiliging en Buchholzbeveiliging zijn daarom complementair, niet uitwisselbaar: de ene is snel en gevoelig voor stroomonbalans, de andere is traag maar gevoelig voor een type laag-energetische fout die de eerste kan missen.

Let op: de exacte instelling van de restraint-hellingen en de tweede-harmonische-blokkeringsdrempel volgt uit de systeemstudie en de opgave van de relaisfabrikant; dit artikel behandelt het principe, niet een specifieke instelwaarde voor een specifiek relaisfabricaat.

Praktische relevantie

Bij het beoordelen van het beveiligingsconcept van een vermogenstransformator is het van belang te onderkennen dat differentiaalbeveiliging en het Buchholzrelais elkaar aanvullen: differentiaalbeveiliging vangt snelle, stroomintensieve interne fouten, terwijl het Buchholzrelais de langzame, laag-energetische fouten vangt die nog geen aanzienlijke stroomonbalans veroorzaken. Een transformator met alléén differentiaalbeveiliging mist daarom een deel van de beschermingsdekking die een Buchholzrelais biedt (en omgekeerd).

Veelgemaakte fouten

1. Aannemen dat een correct functionerende differentiaalbeveiliging het Buchholzrelais overbodig maakt — beide beveiligen tegen een ander type fout en zijn complementair.
2. De CT-overzetverhouding of vectorgroepcompensatie niet correct configureren bij het in bedrijf stellen van een digitaal differentiaalrelais, waardoor een gezonde transformator al een schijnbare differentiaalstroom laat zien.
3. De tweede-harmonische-blokkering uitschakelen of te ruim instellen om inschakelproblemen te "oplossen" — dit kan de gevoeligheid voor een echte interne fout tijdens het inschakelmoment juist verminderen.
4. Denken dat de differentiaalbeveiliging bij lage doorgaande stroom even gevoelig hoeft te zijn als bij hoge doorgaande stroom — de restraint-karakteristiek is juist ontworpen om bij hoge doorgaande stroom minder gevoelig te zijn, vanwege toenemende CT-meetfouten.

Gerelateerd

• Buchholzrelais (gasrelais) — tweetraps gasbescherming van oliegevulde vermogenstransformatoren
• Transformator-vectorgroepen — waarom Dyn11 en Yyn0 niet zomaar parallel mogen
• Inschakelstroom van een transformator (magnetiseringsstroom)
• Stroomtransformator meetklasse en burden bij indirecte kWh-meting