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Einrichtung zum selektiven Schutz eines Hochspannungstransformators bei Eintritt eines Fehlers innerhalb des Transformators.
Es sind Einrichtungen zum selektiven Schutz von Hochspannungstransformatoren bekannt, welche bei Eintritt eines Fehlers innerhalb des Transformators in Wirksamkeit treten, denen jedorh Nachteile anhaften, welche ihrer allgemeinen Anwendung hindernd im Wege stehen. So wird bei dem bekannten Differentialschutz von Transformatoren die Differenz zwischen der in den Transformator hineinfliessenden Energie und der dem Transformator entnommenen Energie durch den Vergleich des primär zufliessenden Stromes mit dem sekundär abfliessenden Strom mit Hilfe beiderseits vorgeschalteter Stromwandler gemessen. Abgesehen von den natürlichen Verlusten im Transformator muss eine Gleichheit dieser Ströme bestehen, wenn man sie auf (primär und sekundär) gleiche Windungszahlen bezieht.
Tritt aber ein Fehler im Transformator auf, welcher einen lokalen Stromkreis im Transformator schafft, dann zeigt der genannte Vergleich einen Differenzstrom, der zur Betätigung einer Schutzeinrichtung benutzt werden kann. Dieser sogenannte Differentialschutz hat aber den Nachteil, eine Anzahl von Stromwandlern, viele Verbindungsleitungen usw. zu erfordern und durch diese zusätzliche Apparatur die Einfachheit und Übersichtlichkeit der Schaltung und der Anlage zu beeinträchtigen.
Ein anderes Schutzsystem macht von den Änderungen Gebrauch, welche das Öl im Ölkasten des Transformators unter Einfluss des Fehlers im Transformator erleidet, indem sich durch lokale Erwiirmungen Gasblasen im Öl bilden, durch welche das Öl verdrängt wird und Stösse erleidet, wobei alle damit zusammenhängenden Erscheinungen zur Betätigung einer Kontakteinrichtung benutzt werden können, welche den Transformator gegebenenfalls vom Netz abschalten. Aber die auf mechanische Änderungen des Ölzustandes reagierenden Einrichtungen weisen im praktischen Betriebe ebenfalls grosse Nachteile auf, so dass von ihrem Einbau vielfach Abstand genommen wird. Zunächst erfordert ein solcher Schutz eine geschlossene Bauart des Transformator-Ölkastens, welcher dabei gut abgedichtet sein muss, und ein besonderes Ausdehnungsgefäss für das Öl.
Diese Bauart verteuert aber den Transformator erheblich.
Dann aber ergeben sich auch Nachteile für den Betrieb selbst. Wird nämlich auf die Wirkung der sich bildenden Gasblasen abgestellt, dann wirkt die Einrichtung im ernsten Störungsfalle nicht rasch genug.
Anderseits kann die Entwicklung von Gasblasen auch durch Zufälligkeiten, so z. B. durch unschädliche statische Entladungen zwischen Armaturteilen oder infolge des Sichlösens von Luftresten im Öl auftreten, so dass die Einrichtung häufig unnötig in Funktion tritt und ohne zureichenden Grund eine umständliche Untersuchung des Transformators, verbunden mit Unterbrechung der Stromlieferung verursacht.
Derartige Unterbrechungen der Stromlieferung machen aber den wirtschaftlichen Wert der Schutzeinrichtung ganz illusorisch. Werden aber die im Ölgefäss im Störungsfalle auftretenden Druckstösse zur Betätigung der Schutzeinrichtung herangezogen, dann wird im Störungsfalle der Transformator zwar rasch abgeschaltet. Es geschieht dies auch dann, wenn sich ein Netzkurzschluss über den Transformator schliesst, wenn also ein Fehler im Transformator nicht vorliegt. Auch hier sind also unnötige Stromlieferungsunterbrechungen zu gewärtigen. Diese bekannte Einrichtung genügt also den Erfordernissen des praktischen Betriebes keineswegs, weil sie teils zu langsam, teils zu wenig selektiv in bezug auf die Störungsursache arbeitet.
Im Gegensatz zu den beiden genannten Lösungen der Aufgabe, einen Hochspannungstransformator selektiv zu schützen, sollen gemäss der Erfindung nicht Wirkungen des Fehlers auf zusätzliche Einrichtungen ausserhalb des eigentlichen Transformators benutzt werden, also nicht die Verschiedenheit
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der Durchflutung von Stromwandlern oder die Zustandsänderung des Kühlmittels (Öls), sondern der Transformator selbst soll so gebaut sein, dass jede Symmetriestörung-sei es die des Feldes oder der Ströme - wie sie ein auftretender Fehler stets im Gefolge hat, in einem besonderen Stromkreis einen den Fehler anzeigenden oder die Abschaltung des Transformators bewirkenden Strom hervorruft.
Dies wird durch eine eigenartige Ausgestaltung und Anordnung eines Wicklungssystems des Transformators erreicht. In der Mehrzahl der Fälle treten die Fehler an der Hochspannungswicklung auf und so würde es vorteilhaft erscheinen, die Schutzschaltung an der Hochspannungswiddung selbst zu machen, aber es kann aus verschiedenen Gründen zweckmässiger erscheinen, die Schutzschaltung an dem Nieder- spannungs-Wicklungssystem vorzunehmen. Infolge der induktiven Verkettungen, wie sie beim Trans- formatorvorliegen, wird auch die Niederspannungswicklungingeeigneter Anordnung an der Hochspannungswicklung auftretende Symmetriestörungen anzeigen und dieser Umstand gestattet vorteilhaft auch die Verwendung der Niederspannungswicklung zur Lösung der gestellten Aufgabe.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung zum selektiven Schutz eines Hochspannungtransformators bei Eintritt eines Fehlers im Transformator, die darin besteht, dass ein Wicklungssystem des Transformators aus zwei parallel geschalteten, mit getrennten Stern-bzw. Nullpunkten versehenen Wicklungen besteht, welche auf den gemeinsamen Magnetkernen nebeneinander derart angeordnet sind, dass jede von ihnen mit einem ihr durch die Lage auf dem Magnetkern zugeordneten Teil des anderen Wicklungssystems gut verkettet ist, und dass zwischen die beiden herausgeführten Sternpunkte des ersten Wieklungssystems ein Apparat geschaltet ist, welcher bei Stromdurchgang als Schutzeinrichtung wirkt oder eine solche betätigt und gegebenenfalls den Transformator selbsttätig vom Netz abschaltet,
In vorteilhafter Weise wird man die beiden parallel geschalteten Teile des ersten Wieklungssystems auf dem gemeinsamen Magnetkern nebeneinander und räumlich getrennt derart anordnen, dass sie nur lose miteinander gekoppelt sind. Diese lose Koppelung ist von wesentlicher Bedeutung für die Wirksamkeit der Einrichtung, weil eine Rückwirkung der beiden parallelen Wicklungen aufeinander die im Störungsfalle in ihnen auftretende Unsymmetrie der Spannungsverteilung derart ausgleichen konnte, dass die Schutzeinrichtung nicht anspricht.
Die Erfindung sei an Hand des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 und des Spannungsdiagrammes der Fig. 2 näher erläutert. In Fig. 1 ist die Schutzschaltung an der Niederspannungswicklurg ausgeführt und es bedeutet. M das Magnetgestell eines dreiphasigen Transformators, MI, M2. Ma die drei Schenkel des Magnetgestells, N2, N2, N3 bzw. N1", N2", N3" die Wicklungen der drei Phasen zweier je in Stern geschalteter Niederspannungswicktungen, welche in Parallelschaltung mit den Niederspannungsklemmen 1, 2 und 3 verbunden sind.
0'und 0"sind die getrennt herausgeführten Sternpunkte der beiden Niederspannungswicklungen.
R ist ein zwischen die Klemmen 0'und O" geschaltetes Abschaltrelais, welches die Schalter SH und SN betätigt, durch welche der Transformator hoch-und niederspannungsseitig zu-und abgeschaltet werden kann. Die an die Hochspannungsklemmen 1, 11 und 111 angeschlossene Hoehspannungswieklung besteht
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denen die Teile angehören. Die gleichen Phasen angehörenden Teile der Hochspannungswicklung sind im dargestellten Falle in Reihe geschaltet, die Phasen unter sich aber im Punkt (3 in Sternschaltung verbunden. Die Teile H1', ¯H,', H,'besitzen an einer Seite abschaltbare Windungen, die entsprechenden Windungs-
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voneinander angeordnet, jede von ihnen nimmt dabei den Raum eines halben Schenkels ein.
Jeder Wicklung- t'liegt ein Hochspannungswicklungsteil Hx', jeder Wicklung Nx" ein Hochspannungswicklungsteil H.,"unmittelbar gegenüber. Da sich nun (abgesehen vom Magnetisierungsstrom) die primären und sekundären Amperewindungen das Gleichgewicht halten, ist der Strom in den Wicklungen-iV/und JV/',
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Strom in Nur'gleich dem Strom in N.,". Diese Stromgleichheit braucht aber selbst im Normalbetrieb nicht zu bestehen.
Werden vermittels der Kontakteinrichtungen K1, K2, K3 von jedem der drei Wicklungs- teile H1', H2' und H3' gleich viel Windungen abgeschaltet, dann besitzen die verbleibenden Wieldungs- teile von H1', H2', Ha'weniger'Windungen als die Wicklungsteile H1", H2", H3" und entsprechend führt die Wicklung- ?/' mehr Strom als die Wicklung Aber dieser Umstand hat keine unsymmetrische Spannungsverteilung auf die Einzelphasen der Wicklungen Nx' und Nx" zur Folge, so dass zwischen den Sternpunktsklemmen O' und O" aus diesem Grunde noch kein Strom fliesst.
Das Diagramm der Spannungen zwischen den Klemmen 10',20',30',10",20",30" ist durch das Vektordiagramm der Fig. 2a dargestellt. Es ist ersichtlich, dass zwischen den Punkten 0'und 0" keine Spannung auftritt, solange jede der beiden Niederspannungswicklungen symmetrisch beansprucht wird. Eine solche symmetrische Beanspruchung läge auch vor, wenn sich ein Netzkurzschluss über den Transformator schliesst. Auch in diesem Falle wird eine Spannung zwischen den Punkten 0'und 0" nicht auftreten. Anders verhält sich die Sache, wenn irgendeine Stelle des Transformators fehlerhaft wird. Beispielsweise soll eine Windung Z der Wicklung H/in Kurzschluss geraten.
Dies führt zu einer erheblichen Störung der Spannungssymmetrie der drei Phasen, besonders der Wicklung N/, dEnn du Windungskurzsehluss erzeugt ein starkes Streufeld, welches einen Spannungsabfall an der Wieklung H1'
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und an der mit ihr gut verketteten Wicklung N/hervorruft. Das Diagramm der Spannungen 1, 2, 30' der Fig. 2a geht in das Diagramm 1, 2, 3 der Fig. 2b über, in welchem Vektor 1 0'verkürzt, 20'und 3 0'dagegen verlängert ist.
Ist die Hochspannung durch die Netzspannung gegeben, dann bewirkt der Windungskurzschluss auf Wicklung H1'eine Veränderung der Spannungsverteilung auf die Wicklungen H/ und Hi"derart, dass die Spannung an der Wicklung Hot etwas zunimmt, wenn sie an H,'fällt (die Summe der beiden Spannungen ist konstant, nämlich gleich der gegebenen Netzspannung), so dass auch das Spannungsdiagramm 1, 2, 30"der Fig. 2a eine gewisse Änderung, aber in entgegengesetztem Sinne erfährt. In Fig. 2b erscheint der Vektor 10" verlängert, 20", 3 0" entsprechend verkürzt.
Zwischen den beiden Stempunkten 0'und 0"tritt somit die aus Fig. 2b ersichtliche Spannungsdifferenz 0', 0" auf, welche in dem Abschaltrelais R einen Strom erzeugt, durch welchen das Relais betätigt wird. Falls die Hochspannungswicklung keine Abschaltwindungen besitzt, könnten die unter sich gleichen Wicklungen H'und R"ebenfalls parallel geschaltet sein. Ihre Verwendung in der Schutzschaltung würde die Herausführung ihrer Sternpunkte erfordern. Der Anschluss des Relais R an die entsprechenden Sternpunkte müsste wegen der relativ höheren Spannungen über einen Zwischentransformator geschehen.
In den Fällen, in welchen die Niederspannungswicklung-zwischen Hochspannungswicklung und Eisen liegt, würde sich eine Fehlerstelle im Eisen des Transformators an der Hochspannungs-Sehutzschaltung nicht so deutlich bemerkbar machen, weil unter Umständen die Niederspannungswicklung den induktiven Einfluss des Fehlerstromes auf die Hochspannungswicklung durch Schirmwirkung schwächt. Aus diesen Gründen ist es in diesem Falle zweckmässiger, die Schutzschaltung an der Niederspannungswicklung zu machen. Aber auch in diesem Falle kann sich unter Umständen die Speisung des Relais über einen Transformator empfehlen, falls z. B. eine Erdung des Nullpunktes der Niederspannungswicklung (gegebenenfalls über eine Löschspule) gewünscht ist.
In diesem Falle kann der Mittelpunkt der Primärwicklung des Zwischentransformators als Anzapfpunkt für die Erdungsleitung dienen. In ähnlicher Weise kann aber auch eine Erdung des Neutralpunktes der Hochspannungswieklung erfolgen. Falls aber die Hochspannungswicklung, wie in der Fig. 1 dargestellt, nur eine einfache Sternschaltung besitzt, genügt die Herausführung des Sternpunktes für den Anschluss der Erdungsleitung. Es ist natürlich möglich, an Stelle zweier parallel geschalteter Wicklungen für die Schutzschaltung deren mehrere zu verwenden und diese in geeigneter Weise zu gruppieren, stets aber stellt die so gewonnene Einrichtung einen "Symmetriemesser" des Transformators dar, der sofort oder wenn gewünscht mit Verzögerung den Transformator abschaltet, wenn an ihm eine Fehlerstelle auftritt.
Zweckentsprechende Verzögerungseinrichtungen lassen sich an der Abschalteinrichtung in an sich bekannter Weise vorsehen. Man kann die Dauer der Verzögerung auch spannungsabhängig machen, dergestalt, dass die Abschaltzeit umso kürzer wird, je grösser die zwischen den Sternpunkten (0'und 0") herrschende Unsymmetriespannung ist. Dadurch kann vermieden werden, dass bei geringfügigen Fehlern eine sofortige Abschaltung des Transformators erfolgt. In diesem Falle wird sich aber der Anschluss einer optischen oder akustischen Meldeeinrichtung des Fehlers empfehlen.
Ist ein Reservetransformator vorhanden, so könnte die Abschalteinrichtung auch derart eingerichtet sein, dass mit der Abschaltung des fehlerhaften Transformators die Zuschaltung des gesunden (Reserve-) Transformators verbunden ist, so dass die Überlastungeines Anlageteiles vermieden wird.
Die beschriebene Einrichtung hat vor den eingangs erwähnter bekannten Schut7einrichtungen den Vorteil, keine zusätzlicher Hilfstransformatoren bzw. Stromwandler zu erfordern und auch selektiv
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beliebig wählbarer, gegebenenfalls auch von der Grösse des Fehlers abhängiger zeitlicher Verzögerung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum selektiven Schutz eines Hochspannungstransformators bei Eintritt eines Fehlers innerhalb des Transformators, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wicklungssystem des Transformators aus zwei parallel geschalteten, mit getrennten Stern-bzw. Nullpunkten (0'bzw. 0") versehenen
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M2, M3) nebeneinander derart angeordnet sind, dass jede von ihnen mit je einem ihr durch die Lage auf dem Magnetkern zugeordneten Teil des anderen Wicklungssystems gut verkettet ist, und dass zwischen die beiden herausgeführten Sternpunkte (0'bzw. 0") des ersten Wicklungssystems ein Apparat (R) geschaltet ist, welcher bei Stromdurchgang als Schutzeinrichtung wirkt oder eine solche betätigt und gegebenenfalls den Transformator selbsttätig vom Netz abschaltet.