Transformatorbeveiliging — overexcitatie / V/Hz-beveiliging (ANSI 24)

De gids over transformatordifferentiaalbeveiliging (87T) behandelt bescherming tegen interne kortsluiting in een vermogenstransformator. Dit artikel behandelt een fundamenteel ander faalmechanisme, dat 87T niet detecteert omdat er geen sprake is van een stroomonbalans tussen primaire en secundaire zijde: overexcitatie door een te hoge verhouding tussen spanning en frequentie (V/Hz), en de ANSI 24-beveiliging die daarop bewaakt.

Waarom de verhouding V/Hz bepalend is, niet de spanning alleen

De magnetische fluxdichtheid in de kern van een transformator (en van een synchrone generator) is evenredig met de aangelegde spanning en omgekeerd evenredig met de frequentie: een spanningsstijging bij gelijkblijvende frequentie, óf een frequentiedaling bij gelijkblijvende spanning, verhoogt de flux op dezelfde manier. Zodra de flux de verzadigingsgrens van het kernmateriaal overschrijdt, treedt kernverzadiging op: de magnetiseringsstroom stijgt sterk niet-lineair, en er ontstaan aanzienlijke, ongewenste wervelstromen in constructiedelen die niet zijn ontworpen om die stromen te voeren — kernklemplaten, de tank en andere metalen onderdelen buiten het gelamineerde kernpakket. Dit veroorzaakt lokale oververhitting die, in tegenstelling tot een kortsluiting, zich niet via de differentiaalbeveiliging laat detecteren omdat er geen stroomonbalans tussen de wikkelingen ontstaat.

Typische situaties waarin overexcitatie optreedt

• Belastingsafworp: bij het plotseling wegvallen van een grote belasting kan de spanning aan de generatorzijde tijdelijk sterk oplopen voordat de spanningsregelaar heeft bijgestuurd. Draaiende generatoren en verbonden transformatoren worden dan kortstondig blootgesteld aan een verhoogde V/Hz-verhouding. Aanverwant: de [gids over transformator-inschakelstroom](/guides/nen-1010/transformator-inschakelstroom-magnetiseringsstroom-selectiviteit) behandelt een ander, kortstondig verzadigingsverschijnsel bij inschakelen, met een eigen karakteristiek.
• Eilandbedrijf met dalende frequentie: bij een eiland dat op onvoldoende opwekcapaciteit draait, daalt de frequentie terwijl de spanningsregelaar de spanning probeert te handhaven — de V/Hz-verhouding stijgt daardoor ook zonder dat de spanning zelf boven de nominale waarde komt.
• Handmatige of foutieve spanningsregelinstelling: een te hoog ingestelde spanningsreferentie op de excitatieregelaar van een generator, gecombineerd met een lage belasting, kan een langdurige, lichte overexcitatie veroorzaken die niet acuut gevaarlijk is maar op termijn wel versnelde veroudering van de isolatie oplevert.

Werkingsprincipe van de ANSI 24-relais

De ANSI 24-beveiliging berekent continu de V/Hz-verhouding (doorgaans uitgedrukt in per-unit, ten opzichte van de nominale verhouding van spanning en frequentie) en vergelijkt deze met een ingestelde aanspreekwaarde. Een gangbare vuistregel is dat transformatoren continu niet meer dan ongeveer 1,05 pu V/Hz bij volle belasting en 1,10 pu V/Hz bij onbelast bedrijf mogen verdragen, maar de daadwerkelijke, tijdsafhankelijke thermische bestendigheid van elke specifieke machine wordt vastgelegd in een fabrikant-capaciteitskromme.

Let op: de ANSI 24-relais werkt met een omgekeerde tijdskarakteristiek: hoe verder de gemeten V/Hz-verhouding boven de aanspreekwaarde uitstijgt, hoe sneller de beveiliging uitschakelt. Deze karakteristiek is bedoeld om de thermische capaciteitskromme van de fabrikant te volgen, met doorgaans een veiligheidsmarge van 80–90% ten opzichte van die kromme, zodat de beveiliging eerder ingrijpt dan de daadwerkelijke thermische schadegrens wordt bereikt.

Naast de inverse-tijdskarakteristiek kent een moderne ANSI 24-implementatie doorgaans ook een of meer vaste alarm- en uitschakeldrempels als aanvullende, ondubbelzinnige grens boven de inverse-tijdskromme.

Praktische relevantie

Bij het instellen of controleren van de beveiligingsinstellingen van een vermogenstransformator of generator is het van belang de ANSI 24-instelling te toetsen aan de daadwerkelijke, door de fabrikant opgegeven V/Hz-capaciteitskromme van die specifieke machine, in plaats van een generieke vuistregel toe te passen — de verzadigingsgevoeligheid verschilt per kernontwerp en kernmateriaal.

Veelgemaakte fouten

1. Aannemen dat de differentiaalbeveiliging (87T) ook bescherming biedt tegen overexcitatie, terwijl deze uitsluitend reageert op een stroomonbalans tussen de wikkelingen en kernverzadiging zonder interne fout niet detecteert.
2. Een generieke V/Hz-drempel toepassen zonder deze te toetsen aan de specifieke thermische capaciteitskromme van de fabrikant van de betreffende transformator of generator.
3. Overexcitatie bij eilandbedrijf met dalende frequentie over het hoofd zien, omdat de aandacht vaak uitsluitend naar spanningsstijging uitgaat, terwijl een frequentiedaling bij gelijke spanning dezelfde V/Hz-verhoging veroorzaakt.
4. Geen veiligheidsmarge aanhouden tussen de inverse-tijdskromme van de ANSI 24-relais en de thermische capaciteitskromme van de fabrikant, waardoor de beveiliging pas ingrijpt nadat al onomkeerbare thermische schade is opgetreden.

Gerelateerd

• Transformatordifferentiaalbeveiliging (87T) — percentagedifferentieel
• Onder-/overspanningsbeveiliging (27/59-relais)
• Frequentiebeveiliging (81) — ROCOF / df/dt
• Transformator-inschakelstroom — magnetiseringsstroom en selectiviteit