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Verfahren und Anordnung zur Überwachung von Windungs Schlüssen und mehrfachen Erdschlüssen bei Induktoren von Synchronmaschinen
Induktoren von Synchronmaschinen können bei einfachem Erdschluss zwar ohne Bedenken betrieben werden, bei Auftreten eines zweiten Erdschlusses bzw. eines Windungsschlusses besteht jedoch die Gefahr einer Untererregung der Synchronmaschine bei gleichzeitiger Überlastung der Erregermaschine und einer damit verbundenen empfindlichen Betriebsstörung dadurch, dass die Maschine die Blindlast abwirft und u. U. sogar ausser Tritt fällt. Ferner kann hiebei die Induktorwicklung und der Induktorbauen durch Scbmorstellen stark beschädigt werden und eine unzulässige Laufunruhe der Maschine auftreten.
Trotz der Gefahren, die sich im Anschluss an einen auftretenden einfachen Erdschluss in der Induktorwicklung ergeben, besteht in den meisten Fällen die Notwendigkeit, die Maschine weiter zu betreiben, um nicht einen Leistungsausfall hinnehmen zu müssen, der vorübergehend nicht anderweitig gedeckt werden kann.
Man hat versucht, die Widerstandsänderung der Induktorwicklung, die bei auftretenden Windungsschlüssen charakteristisch ist, als Kriterium für das Ansprechorgan des Windungsschlussschutzes zu verwenden ; der erwünschte Erfolg blieb jedoch aus. Das Verfahren scheitert in erster Linie daran, dass sich der Widerstand der Induktorwicklung zwischen der minimal möglichen und der maximal zulässigen Wicklungstemperatur bereits um 50 % ändert ; die Ansprechempfindlichkeit eines solchen Schutzes ist daher völlig unzureichend, wenn Fehlauslösungen mit Sicherheit vermieden werden sollen.
Weitere Schwierigkeiten ergeben sich bei der Durchführung dieses Verfahrens, beispielsweise bei Verwendung eines Widerstandsmesswerkes mit Kontakteinrichtung durch die hohe Induktivität der Induktorwicklung und dadurch, dass sich das Einstellmoment des Messwerkes quadratisch mit dem Erregerstrom ändert.
Die Erfindung bewirkt bei der Überwachung zwei-oder mehrfacher Erdschlüsse, von denen einer im Erregermaschinenkreis liegen kann. und/oder bei Windungsschlüssen in Induktoren von Synchronmaschinen die oben erwähnten Schwierigkeiten auszuschalten und die Ansprechempfindlichkeit und die Auslösesicherheit der Überwachungs- und S'chutzanordnung wesentlich zu vergrössern.
Erfindungsgemäss wird zunächst mit Hilfe von Abbildern aus den messbaren Wechselstromgrössen der Synchronmaschine eine Wechselspannungsgrösse zusammengesetzt, die bei den verschiedenen Belastungen durch Wirk- und Blindlast dem Erregerstrom der Synchronmaschine proportional ist. Diese Wechselspannungsgrösse wird nach vorangegangener Gleichrichtung als Messspannung in einer Brücken- oder Differenzschaltung mit einer direkt aus dem Induktor-Erregerstromkreis der Synchronmaschine abgeleiteten und dem Erregerstrom proportionalen Vergleichsspannung verglichen, und das Auftreten einer Spannung bzw. einer Differenzspannung dieser beiden Spannungen wird als Kriterium für einen Windungsschluss oder Mehrfach-Erdschluss gewertet.
Bei der Anordnung zur Durchführung diese Verfahrens wird an einem ohmschen Widerstand eine der Spannung zwischen zwei Phasen der an das Drehstromnetz angeschlossenen Synchronmaschine proportionale Teilspannung abgebildet und an einem andern ohmschen Widerstand eine dem Wechselstrom in der dritten Phase proportionale Teilspannung. Die beiden Widerstände sind so bemessen, dass das Verhältnis der Grösse der an ihnen abgreifbaren Teilspannungen gleich dem Verhältnis von Leerlauf-zuKuizschluss- strom der Synchronmaschine ist.
Nach Addition dieser beiden Teilspannungen durch Hintereinanderschal-
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ten der beiden ohmschen Widerstände und nachfolgender Gleichrichtung erhält man eineGesamtspanuung, die bei verschiedenen Belastungen durch Wirk- oder BlindlÅast dem Erregerstrom der Synchronmaschine annähernd proportional ist. Ein Differentialrelais, dessen eine Wicklung von einer direkt aus dem InduktorErregerstromkreis der Synchronmaschine hergeleiteten und dem Erregerstrom proportionalen Spannung gespeist ist und dessen andere Wicklung von der gleich gross bemessenen, aus den messbaren Wechselstrom- grossen der Synchronmaschine hergeleiteten Spannung gespeist wird, spricht an, wenn infolge eines Kurzschlussfehlers im Induktor eine Differenz der beiden Spannungen auftritt.
Dem Relais zugeordnete Kontakte schalten dann direkt oder über ein Zwischenrelais die Synchronmaschine vom Netz ab und deren Entregung ein.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Diagramme in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert ; ein Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt und wird anschliessend beschrieben.
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Spannungen und magnetischen Felder der Synchronmaschine für einen bestimmten Belastungsfall so eingezeichnet, dass der Drehpunkt der Vektoren in den Koordinaten-Nullpunkt des Diagrammes fällt ;
entgegen der meistens üblichen Darstellungsweise für Vektorenbilder ist im vorliegenden und dem nachfolgenden Fall die Drehrichtung der Vektoren im Uhrzeigersinn angenommen.
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Spannungsabfall Us (Streuspannung). hervorgerufen durch den Belastungsstrom, ergibt und der Spannungsabfall Us selbst bei Nennstrom nur einige Prozent der Klemmenspannung U beträgt, ist der Winkel B im allgemeinen nur sehr klein. Für den Fall reiner Wirkbelastung der Synchronmaschine ergibt sich damit, dass die innere EMK E mit guter Annäherung gleich der Klemmenspannung U ist.
Um nun den Zusammenhang zwischen den Wechselstromgrössen der Synchronmaschine und dem Erregerstrom näher zu erläutern, ist die Betrachtung der zugehörigen Magnetfelder notwendig. Die innere EMK E wird hervorgerufen durch ein Magnetfeld er, das dem Vektor E um 90 vorauseilt. Für den Fall des Leerlauf, bei dem die Vektoren E und U in dieselbe Richtung fallen und von gleicher Grösse sind, ist zur Erzeugung der inneren EMK E der Leerlauferregerstrom i notwendig.
Wird nun die Maschine belastet, so wird durch die Ankerrückwirkung ein Magnetfeld 6.-hervorgerufen, das in die Richtung des Stromvektors J fällt ; mit vom Werte Null bis zum Nennwert ansteigender Wirklast muss nun bekannterweise der
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ierrNennstrom einzustellendenErregerstrom i entspricht eine Leerlaufspannung vom Betrage Eo, die notwendig ist, um den durch die Ankerrückwirkung hervorgerufenen inneren Spannungsabfall A E zu kompensieren, damit die Klemmenspannung U konstant bleibt.
Das der Spannung Eo : 0 um 900 vorauseilende Ma- gnetfeld E) ergibt, vektoriell addiert mit dem durch die Ankerrückwirkung hervorgerufenen Magnetfeld (D AR'das für den Belastungsfall im Luftspalt der Maschine tatsächlich vorhandene resultierende Magnetfeld er.
In der Zeichnung ist unter Zuhilfenahme des bekannten Potierschen Dreiecks P das Vektordiagramm der Magnetfelder eingezeichnet. Konstruktiv erhält man das Vektordiagramm, indem man zunächst durch vektorielle Addition der Klemmenspannung U und der Streuspannung Us den Vektor E ermittelt und dann mit Hilfe der Leerlaufkennlinie die für den Betrag von E notwendige Erregung.
Wie bereits zu Anfang der Beschreibung erwähnt wurde, ist wegen des nur sehr kleinen Winkels B der Betrag von E bei reiner Wirkbelastung annähernd gleich dem Betrag von U, und aus diesem Grunde kann man auch mit sehr guter Näherung annehmen, dass zur Erzeugung der EMK E im Falle reiner Wirkbelastung ein resultierendes Ma-
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über E einzeichnet und seinen Betrag gleich dem Betrag des Magnetfeldes bei dem Erregerstrom io im Leerlauffall macht. An den Vektor er wird dann entsprechend der Richtung des Vektors J der Vektor GAR angetragen. Der Betrag dieses Vektors wird aus dem Potierschen Dreieck P übernommen, dessen in die Abszissenachse fallende Kathete bekanntlich ein Mass für das durch die Ankerruckwirkung hervorgerufene Magnetfeld ist.
Nachdem die beiden Vektoren er und e AR auf diese Weise bestimmt sind, erhält man
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rückwirkungs-Magnetfeld e p hervorruft. (Vgl. oberes Potiersches Dreieck P.) Verlängert man nun die Dreieckseite A'B* über B* hinaus bis zum Vektor U. so erhält man ein rechtwinkliges Dreieck OCA', dessen eine Seite OC gegenüber der Seite OB'nahezu unverändert bleibt, weil der Winkel ss, wie bereits ausgeführt wurde, nur sehr klein ist ; wie nun ohne weiteres aus der Zeichnung entnommen werden kann.
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ikrungsstrom zij grösser ist als der das Ankerrückwirkungsfc1d hervorrufende Erregerstromanteil iAR.
Betrachtetman nun - immer noch bezogen auf den Fall reiner Wirkleistung- die Abhängigkeit des Magnetfeldes von den Wechselstromgrössen U und I der Synchronmaschine, so ergibt sich, dass das Anker- rückwirkungsfeld OAR dem Maschinenstrom I proportional ist und dass das resultierende Magnetfeld er der inneren EMK E proportional ist. Da nun wegen des nur kleinen Winkels ss die EMK E nach Voraussetzung gleich der Klemmenspannung U ist, ist demnach auch die Klemmenspannung U dem Magnetfeld Or proportional. Für die Konstruktion des magnetischen Vektorfeldes, dargestellt durch das Dreieck OCA'be- deutet das, dass beispielsweise bei Belastung mit halbem Nennstrom der Synchronmaschine der Dreieckspunkt A'auf einen Punkt D verschoben wird, der etwa auf der Hälfte der Strecke A'C liegt.
Streng genommen liegt dieser Punkt auf der Hälfte der Strecke A'B'. Da die Strecke B'C im Vergleich zur Strecke A'B'aber nur sehr klein ist, kann man mit guter Annäherung diese Aussage machen. Die Strecke OD stellt in diesem Falle mit guter Näherung den Erregerstrom ierr dar, der eingestellt werden muss, wenn bei reinem Wirkstrom vom Betrage des halben Nennstromes die Klemmenspannung U gleich der Nennspannung sein soll. (Halbe Nennlast.) Ähnlich verhält 3ich das Vektorfeld bei Änderungen der Spannung U ; bei Absinken der Spannung beispielsweise auf den halben Betrag der Nennspannung würde sich die Dreieckseite A'C etwa um die halbe Strecke OC in Richtung der Ordinate zum Nullpunkt verschieben.
Praktisch ist dieser Fall aber nicht von Bedeutung, da die Spannung U normalerweise auf konstanten Wert geregelt wird.
Um für die erfindungsgemässe Schutzanordnung aus den Messgrössen auf der Wechselstromseite der Syn-
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zwei in Reihe geschalteten Widerständen vom Strom bzw. von der Spannung der Synchronmaschine so zu speisen, dass bei reiner Wirklast (cos o = 1) der Maschine die an den beiden Widerständen liegenden Teilspannungen einen Phasenverschiebungswinkel von 90 einschliessen. Man erreicht dieses, indem man zur Speisung die Spannung zwischen zwei Phasen eines Drehstromnetzes verwendet und den Strom der dritten Phase. Die beiden Widerstände müssen so bemessen sein, dass das Verhältnis der beiden Teilspannungen dem Verhälmis des Induktor-Erregerstromes bei Kurzschluss und Leerlauf der Synchronmaschine entspricht.
Greift man die an den Widerständen liegende resultierende Wechselspannung ab und führt sie einem Gleichrichter zu, so erhält man eine Gleichspannung, deren Grösse dem Induktor-Erregerstrom der Synchronmaschine bei verschiedener Wirkbelastung und, wie im folgenden noch näher beschrieben werden soll, auch bei verschiedener Blindbelastung annähernd proportianal ist.
In Fig. 2 der Zeichnung ist das Vektoneld der Spannungen und Ströme derselben Synchronmaschine für den Fall der Nennbelastung mit cos up = 0, 8 nacheilend ebenfalls im Zusammenhang mit der Leer- laufkennlinie dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit wegen wurde auf die besondere Darstellung des Magnetfeld-Vektorfeldes verzichtet und nur das dem Vektorfeld entsprechende, um 90 im Gegenuhrzeigersinne gedrehte Konstruktionsdr. eieck OA'B'eingezeichnet ; die Strecke DA'entspricht, ebenso wie im Falle der Fig. 1, dem Induktor-Erregerstrom der Synchronmaschine bei der dargestellten Belastung.
Vergleicht man nun einmal die Konstruktionsdreiecke OA'B'der beiden Fig. 1 und 2 miteinander, so erkennt man, dass der Winkel OB'A'in Fig. 2 um den Phasenverschiebungswinkel (P zwischen Klemmenspannung U und Strom I grösser ist als der Winkel in Fig. 1 ; während nun die beiden Dreieckseiten A'B'in beiden Fällen gleich gross sind, ist die Dreieckseite OB'im Falle der Fig. 2 um den Betrag 6 grösser. Diese Vergrösserung ist eine Folge der Tatsache, dass mit zunehmender nacheilender Belastung der Synchronmaschine die innere EMK E durch Steigern des Erregerstromes vergrössert werden muss, wenn die Klemmenspannung U konstant bleiben soll.
Nun wird aber bei dem elektrischen Abbild des Erregerstromes gemäss der Erfindung der eine der beiden Widerstände nicht von der EMK E, sondern von der Klemmenspannung U gespeist, und das bedeutet in diesem Fall, dass die an dem Widerstand liegende Teilspannung betragsmässig nicht mehr dem
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das resultierende Magnetfeld er hervorrufenden Erregerstrom entspricht ; die Teilspannung an diesem Widerstand bleibt hiebei konstant una entspricht betragsmässig dem Erregerstrom i bei Leerlauf.
Der an sich dadurch hervorgerufene Fehler bei dem erfindmgsgemässen elektrischen Abbild des Erregerstromes bleibt jedoch im Endergebnis nur sehr klein, da er im wesentlichen durch den Fehler kompensiert wird, der dadurch entsteht, dass man den Phasenverschiebungswinkel ss zwischen EMK und Klemmenspannung nicht berücksichtigt und den Betrag der stromproportionalen Spannung etwas grösser (entsprechend dem Erregerstrom ik bei Kurzschluss) gemacht hat, als es dem das AnkerrückwirkungsfeldhervorrufendenErregerstrom-
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und bei dem die Beträge der beiden Tei1spannungsvektoren dem Erregerstrom bei Leerlauf und Kurzschluss entsprechen, wird somit auch mit guter Annäherung durch das Konstruktionsdreieck OA'C dargestellt.
Damit ist erwiesen, dass man aus den Wechselstromgrössen (Klemmenspannung und Strom) der Synchronmaschine mit Hilfe des erfindungsgemässen Abbildes eine Spannung erhält. die auch bei verschiedener Belastung mit Blind- und Wirkstrom dem Erregerstrom mit sehr guter Annäherung proportional ist.
Die Fehler, die sich bei dem erfindungsgemässen Verfahren ergeben, sind im allgemeinen um so grösser, je grösser der Phasenverschiebungswinkel up zwischen Klemmenspannung und Strom ist ; sie erreichen ihr Maximum bei cos < = 0 nacheilend und voreilend ; bei cos =1 wird ein Minimum erreicht.
Im Bereich etwa von cos = l bis cos =0, 7 nacheilend sind die Fehler nur sehr gering, steigen dann aber mit fallendem cos cp schneller an. Im allgemeinen wird es nun erwünscht sein, dass der Fehler für den am häufigsten vorkommenden Belastungsfall, beispielsweise cos < p = 0, 8 nacheilend, gleich Null sein soll. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann man auch dieses ohne weiteres erreichen, indem man, ohne das Verhältnis der beiden Teilspannungen zu verändern, die aus dem Wechselstrom grössen abgeleitete, dem Erregerstrom proportionale Spannung so auslegt, dass sie der aus dem Erregerstromkreis des Induktors abgeleiteten Vergleichsspannung im oben erwähnten Hauptbelastungsfall gleich ist.
Selbstverständlich ist es aber auch ebensogut möglich, dass man die Messspannung des elektrischen Abbildes so einstellt, dass sich beispielsweise im Belastungsbereich von cos ao = 0,9 voreilend bis cos = 0, 8 nacheilend ein Fehler ergibt, der in diesem Belastungsbereich einen bestimmten Grenzwert weder nach der positiven noch nach der negativen Seite hin überschreitet.
In Fig. 3 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt. Mit 1 ist die Synchronmaschine bezeichnet, deren Induktor 2 von einer nicht dargestellten Erregermaschine gespeist wird. Ein Stromwandler 3 und ein Spannungswandler 4, die auf der Wechselstromseite der Synchronmaschine beispielsweise zu Messzwecken angeordnet sind, speisen über Zwischenwandler 5 und 6 zwei in Reihe geschaltete Widerstände 7 und 8 ; an dem Widerstand 8 wird eine der Spannung zwischen zwei Phasen (V, W) proportionale Spannung und an dem Widerstand 7 eine dem Generatorstrom in der dritten Phase (U) proportionale Spannung abgebildet.
Diese beiden Spannungen schliessen bei reiner Wirkbelastung der Synchronmaschine einen Phasenverschipbuncswinkel von 900 ein ; bei kapazitativer Belastung (Blindleistungsaufnahme) wird dieser Winkel um den Phasenverschiebungswinkel # zwischen strom und Klemmenspannung kleiner und bei induktiver Belastung (Blindleistungsab- gabe) um den Winkel 0 grösser. Gemäss der Erfindung ist die an dem Widerstand 8 abgebildete, der Klemmenspannung der Synchronmaschine proportionale Teilspannung so zu bemessen, dass ihr Verhältnis zu der am Widerstand 7 abgebildeten, dem Generatorstrom proportionalen Spannung bei reiner Wirkbelastung der Synchronmaschine gleich dem Verhältnis des Induktor-Erregerstromes bei Leerlauf und Kurzschluss ist.
Um dieses Spannungsverhältnis leicht einstellbar zu machen, ist der Widerstand 8 mit einem Abgriff versehen und als Potentiometer geschaltet. Die an der Widerstandsreihenschaltung 7. 8 abgegriffene resultierende Wechselspannung, die dem Erregerstrom des Induktors verhältnisgleich ist, wird nach Gleichrichtung in einer Gleichrichterbrücke 9 einem ohmschen Widerstand J 0 zugeführt, an dem ein Teil der Gleichspannung abgegriffen wird, um als Messspannung das Vergleichssystem 11 zu speisen.
Das Vergleichssystem 11 besteht im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 aus einem Drehspuldifferenzrelais mit drei Wicklungen, von denen zwei gleichartige Wicklungen 12 und 14 im Gegensinn gespeist werden. Die Wicklung 14 wird von einer dem Induktor-Erregerstrom proportionalen Vergleichsspannung gespeist, die an einem im Erregerstromkreis des Induktors 2 liegenden Widerstand 13 abgegrif- fen wird ; die Wicklung 12 wird von der am Widerstand 10 abgegriffenen Messspannung gespeist, deren
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