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Differentialschutzeinrichtung für Transformatoren oder
Blockschaltungen
Es sind Differentialschutzeinrichtungen für Transformatoren bekannt, welche eine Grund- und Oberwellenstabilisierung besitzen. Die Grundwellenstabilisierung bewirkt, dass die Auslösung der Differentialschutzeinrichtung bei äusserem Kurzschluss gesperrt wird, selbst wenn z. B. durch starke Ungleichheiten der Vergleichsstromwandler im Differentialstromkreis erhebliche Differenzströme fliessen, die ohne Stabilisierung die Differentialschutzeinrichtung zur Auslösung bringen würden.
Beim Leereinschalten kann ein Netztransformator bei ungünstigem Schaltmoment einen sehr hohen Magnetisierungsstromstoss (Rush) aufnehmen, der höher als der Ansprechwert derDifferentialschutzeinrich- tung, unter Umständen sogar wesentlich höher als der Nennstrom des Transformators, sein kann. Da dieser auch im Differentialstromkreis fliesst, könnte er die Differentialschutzeinrichtung unerwünscht zum Ansprechen bringen und damit die Schalter fälschlich auslösen. Die im Einschaltstrom auftretenden. starken Oberwellen, insbesondere die zweite Oberwelle, werden dazu herangezogen, durch einen entsprechenden Resonanzstromkreis die Sperrwirkung beim Einschaltvorgang zu erhöhen und damit die Auslösung der Differentialschutzeinrichtung zu verhindern.
Oft werden in Kraftwerken Generator und Transformator zu einer Blockschaltung zusammengefasst.
Da der Block in der Regel synchron an das Netz geschaltet wird, treten beim Zuschalten keine wesentlichen Magnetisierungsstromstösse auf. Wenn aber an einer nahen Stelle im Netz ein Kurzschluss erfolgt, so bricht die Spannung und dementsprechend auch der Fluss im Transformator zusammen. Wird dieser Kurz- schluss - wie erwünscht - vom Netzschutz innerhalb kürzester Zeit, z. B. 0, 1 sec, weggeschaltet, so tritt an den Klemmen des Generators die innere EMK wieder voll auf und damit auch am Transformator und
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Leereinschalten eines Netztransformators plötzlich aufmagnetisiertAbschalten des Netzkurzschlusses werden das Kraftwerk und damit seine Generatoren entlastet ; hiebei steigt die Drehzahl der Generatoren an und somit entsteht auch eine Frequenzsteigerung.
Gleichzeitig kann vorübergehend eine erhebliche Spannungssteigerung auftreten, wenn sie nicht durch einen selbsttätigen Regler rasch genug abgefangen wird. Diese Spannungssteigerung kann grösser sein und längere Zeit dauern, wenn der selbsttätige Spannungsregler abgeschaltet oder unwirksam ist und die Maschine vorher entsprechend Vollast bei schlechtem Leistungsfaktor erregt war. Es kann nun im Zusammenhang mit einer solchen Spannungserhöhung im Block ein innerer Kurzschluss auftreten. In diesem Fall soll die Differentialschutzeinrichtung auch bei erhöhter Frequenz bei innerem Fehler verlässlich ansprechen. Es ist daher erwünscht, dass eine solche Blockdifferentialschutzeinrichtung, die den Schutz von Generator und Transformator gemeinsam umfasst, im Bereich der üblichen Überdrehzahl (z.
B. 30 - 400/0 über der Nenndrehzahl) von Turbinen, wie sie bei voller Abschaltung auftreten kann, noch einwandfrei auslöst.
Es ist eine Differentialschutzeinrichtung mit Relais gegebenenfalls in zwei Brückenschaltungen bekanntgeworden ; hiebei sind frequenzabhängige Widerstände oder Filter sowohl im Sperrstromkreis als auch im Differenzstromkreis vorgesehen. Diese vorbekannte Differentialschutzeinrichtung weist Oberwellenzusätze auf und verhindert über eine Anhebung der Oberwellenamplituden im Vergleich zur Grundwellen-
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amplitude mit einem zusätzlichen Relais in der weiteren Brückenschaltung das Auslösen des Schutzrelais.
Ferner gibt es eineDifferentialschutzeinrichtung mit einer geknickten Relais-Ansprechkennlinie. Bei die- ser bekannten Anordnung ist der vom Differenzstrom gespeisten Gleichrichteranordnung eine weitere Gleich- richteranordnung gleicher Polarität parallelgeschaltet, die über einen Sättigungswandler gespeist ist. Durch das Zusammenwirken des Sättigungswandlers mit der mechanischen Gegenkraft der Einstellfeder des Re- lais ergibt sich eine geknickte Ansprechkennlinie, die keinerlei Frequenzabhängigkeit aufweist.
Ferner ist es bekannt, die Differentialschutzeinrichtung für elektrische Anlageteile mit Zwischen- wandlern zur Speisung des Sperr- und Differenzstromkreises, in denen Filterkreise zur Heraushebung bzw.
Unterdrückung von in Stromstössen vorhandenen Oberwellen vorgesehen sind, derart aufzubauen, dass sich eine eigene Induktivität in den Filterkreisen erübrigt.
Nach der Fig. l der Zeichnungen ist eine bekannte Differentialschutzeinrichtung für einen Transfor- mator in einphasige Darstellung wiedergegeben ; mit 1 ist der zu schützende Transformator bezeich- net ; die zu- und abfliessenden Ströme des Transformators 1 werden in einer Differenzschaltung mitein- ander verglichen, in der ein vom Durchgangsstrom abhängiger gleichgerichteter Strom (Sperrstrom) und ein vom Differenzstrom abhängiger gleichgerichteter Strom (Auslösestrom) einander entgegenwirken. Über die Stromwandler 2, 3 werden die Ströme den Primärwicklungen der Zwischenwandler 4,5 zuge- führt.
Im Sekundärstromkreis 7 des Zwischenwandlers 5 fliesst ein von dem Durchgangsstrom abhän- giger Strom, der über eine Gleichrichteranordnung 8 im Sinne einer Sperrung einem polarisierten Re- lais 9 zugeführt wird. Im Sekundärstromkreis 10 des Stromwandlers 4 erregt der vom Differenz- stromkreis abhängige Strom über eine Gleichrichteranordnung 11 das Schutzrelais 9 im auslösenden
Sinn. Die Sekundärstromkreise 7 und 10 sind mittels der Kondensatoren 12 bzw. 13 als Filterkreise ausgebildet. Der Sekundärstromkreis 7 ist mit Hilfe des zur Sekundärwicklung des Zwischenwandlers 5 in Serie geschalteten Kondensators 12 auf die zweite Harmonische der Netzfrequenz abgestimmt. Der Kondensator bildet dabei mit der Leerlaufinduktivität des Zwischenwandlers einen Parallel- resonanzkreis.
Zufolge dessen liefert der Sekundärstromkreis 7 bei doppelter Netzfrequenz (zweite Harmonische) einen Strom, der ein Vielfaches des Stromes beträgt, der auf Grund des Zwischenwandler- übersetzungsverhältnisses zustandekommen würde (Resonanzüberhöhung). Dieser Strom wirkt auf das Relais 9 im sperrenden Sinn. DerKondensator 13 bildet mit der Induktivität der Sekundärwicklung des Zwischenwandlers 4 gleichfalls einen Parallelresonanzkreis, der auf die Netzfrequenz des Wechsel- stromnetzes abgestimmt ist. Bei der doppelten Netzfrequenz liefert der Sekundärstromkreis 10 nur einen geringen, im auslösenden Sinn auf das Relais 9 wirkenden Strom.
Bei einem Kurzschluss im Inneren der zu schützenden Maschine 1 überwiegt bei Nennfrequenz der vom Sekundärstromkreis 10 gelieferte Auslösestrom den vom Sekundärstromkreis 7 gelieferten Sperrstrom.
In der Fig. 2 sind dieKennlinien des Sperrstromes und des Auslösestromes für eine bekannte Differentialschutzeinrichtung mit Oberwellenstabilisierung dargestellt. Die Kurve iA stellt die Kennlinie des aus dem Differenzstrom gewonnenen Auslösestromes dar, dessen Grösse mit steigender Frequenz abnimmt. Die Frequenz ist bezogen auf die Nennfrequenz fN des Wechselstromnetzes. Die Kurve iSp zeigt den Verlauf des Sperrstromes, der bei konstantem Fehlerstrom IK mit steigender Frequenz stark zunimmt. Da diese beiden Gleichströme das Relais 9 im entgegengesetzten Sinn durchfliessen, sind sie im Diagramm der Fig. 2 mit entgegengesetztem Vorzeichen aufgetragen und der Relaisstrom iR ergibt sich als Differenz dieser beiden Ströme.
Diese Kurve iR zeigt einen stark gekrümmten Verlauf von positiven Werten über Null auf negative Werte derart, dass praktisch infolge eines Mindestansprechwertes des polarisiertenRelais 9 ab einer etwa l, 2fachenNennfrequenz bei innenliegendemFehler keineAus- lösung mehr gewährleistet ist.
Gegenstand der Erfindung ist eineDifferentialschutzeinrichtung für einen Transformator oder für eine aus einem Generator und einem Transformator bestehende Blockschaltung, die bei geringem Aufwand auch für einen noch zulässigen Bereich oberhalb der Nennfrequenz, z. B. nach Abschalten des Blockes von einem Übertragungsnetz durch ihr Frequenzverhalten eine hohe Auslösesicherheit bei innerem Fehler ge- währleistet.
Die erfindungsgemässeDifferentialschutzeinrichtung ist in an sich bekannter Weise mit einem Schutzrelais versehen, das einerseits von einem vom Durchgangsstrom der Maschine abhängigen Teilstrom (Sperrstrom) und anderseits von einem vom Differenzstrom (Differenz zwischen zu-und abfliessendem Strom der Maschine) abhängigen Teilstrom (Auslösestrom) gegensinnig beaufschlagt wird, wobei die Teil- strömedurch Gleichrichtung derSekundärströme von Zwischenwandlern gebildet werden und der den Sperrstrom liefernde Zwischenwandler einen auf die zweite Harmonische der Nennfrequenz abgestimmten, als Resonanzfilter wirkenden Sekundärstromkreis aufweist. Nach der Erfindung ist in den Sekundärstromkreis des den Auslösestrom führenden Zwischenwandlers ein den Frequenzgang beeinflussendes Glied, z.
B. ein
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Abgleichwiderstand zur Einstellung eines im Auslösefrequenzbereich des Schutzrelais angenähert linearen Frequenzganges eingeschaltet, derart, dass im Zusammenwirken von Sperrstromkreis und Auslösestromkreis dieAuslösewirkung bei innerem Fehler auch noch bei erhöhter Frequenz bis zirka l, 5facherNennfrequenz gesichert ist.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann man zur Erzielung des gewünschten Frequenzganges im Sekundärstromkreis des den Auslösestrom führenden Zwischenwandlers ein Filter zur Erhöhung der Auslösesicherheit bei innerem Fehler und bei einer über die 1, 5 fache Nennfrequenz erhöhtenFrequenz einsetlalten.
Bei der erfindungsgemässen Differentialschutzeinrichtung wird durch das Zusammenwirken der Induktivität des Zwischenwandlers mit dem Abgleichwiderstand bei einem innerhalb des Blockes auftretenden Fehler in dem zulässigen Frequenzbereich oberhalb der Nennfrequenz eine die Sperrwirkung überwiegende Auslösewirkung erzielt.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Differentialschutzeinrichtung zeigt die Fig. 3 in einphasiger Darstellung. Sofern Einzelteile der Einrichtung mit analoger Funktionsweise aus der Fig. 1 übernommen sind, sind diese Einzelteile gleich bezeichnet. Nach der Ausführung der Fig. 3 ist mit 14 ein Block bezeichnet, der aus einem Generator und einem Transformator besteht. Als Schutzrelais dient ein
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dem ein demDurchgangsstromentsprechendergleichgerichteterStrom und einin SeriemitderSekundärwicklungdesZwischenwandlers 5, der eine Primärwicklung mit Mittelanzapfung besitzt, ein Kondensator 12 geschaltet, der-wie in der bekannten Anordnung nachFig. l - bei der zweifachen Netzfrequenz auf die Leerlaufinduktivität des Zwischenwandlers 5 abgestimmt ist.
Im Sekundärstromkreis 10 des Zwischenwandlers 4 ist-wie schon erwähnt-ein veränderbarer ohmscher Abgleichwiderstand 15 eingeschaltet ; dieser dient zur genauen Einstellung des Frequenzganges des Sekundärstromes, dessen Diagramm in Fig. 6 mit i, bezeichnet ist.
Wie bereits ausgeführt, wird durch die Erfindung eine Erweiterung des Frequenzbereiches, innerhalb dessen eine Auslösung bei einem Fehler im Inneren des Blockes erfolgt, erzielt, u. zw. dadurch, dass die Wirkung des Auslösestromes i, bei einem festgelegten Wert des Kurzschlussstromes IK mit zunehmender Frequenz ansteigt. Im vorliegenden Fall kommt es nun darauf an, dass in dem Bereich der Frequenz, der bei Hochlaufen des Generators nach seiner Abschaltung vom Netz durchlaufen wird, der Zuwachs an Sperrwirkung durch die ansteigende Auslösewirkung kompensiert wird, und ein im Block auftretender Kurzschlussfehler bei höherer Frequenz mit der gewünschten Auslösesicherheit festgestellt wird.
Zur Erläuterung dieser Wirkungsweise dienen die Fig. 4 und 5, die Ersatzschaltbilder des Sperrstromkreises 7 bzw. des Auslösestromkreises 10 zeigen. Der Sperrstromkreis 7 ist gemäss Fig. 4 aus der Induktivität 16 des Zwischenwandlers 5 und einem dieser parallelgeschalteten Stromkreis gebildet, der aus dem Kondensator 12 und einem die Belastung des Sperrstromkreises nachbildenden Widerstand 17 besteht. Eine solche Schaltung weist bekanntlich ein Resonanzverhalten auf ; die entsprechende Resonanzkurve ist in Fig. 6 mit iSp bezeichnet. Die Kapazität des Kondensators 12 ist hiebei auf die Induktivität 16 des Zwischenwandlers 5 so abgestimmt, dass bei etwa doppelter Nennfrequenz ein Resonanzmaximum (maximaler Sperrstrom) erreicht wird.
Das in Fig. 5 dargestellte Ersatzschaltbild des Auslösestromkreises 10 weist ausser der mit 18 bezeichneten Induktivität des Zwischenwandlers 4 und der mit 19 bezeichneten Nachbildung der Belastung noch den ohmschen Abgleichwiderstand 15 auf. Mit zunehmender Frequenz erhöht sich der Wechselstromwiderstand der Induktivität 18 und verursacht einen Anstieg des Auslösestromes i. 6..
In der Induktivität 18 des Zwischenwandlers 4 ruft der Messstrom einen induktiven Spannungsabfall hervor, der nicht nur ein Abbild der Grösse des Messstromes ist, sondern auch eine Frequenzabhängigkeit aufweist. Mit steigender Frequenz nimmt die Grösse der Spannung an der Ersatzinduktivität 18
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zirka 1, 5 facher Nennfrequenz die Grösse des Relaisstromes ÍR für die Auslösung ausreichend ist. Anderseits ist bei der zweifachen Nennfrequenz das Ansteigen des Differenzstromes iA so weit begrenzt, dass eine Fehlauslösung des Differentialschutzes sicher vermieden wird.
Durch Veränderung des Widerstandes 15 kann der Anstieg der Charakteristik des Auslösestromes iA so eingestellt werden, dass der Relaisstrom iR im gewünschten Frequenzbereich eine Auslösung der Dif- ferentialschutzeinrichtung bei innerem Fehler gewährleistet.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung weisen die Schaltungs-
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elemente folgende Werte auf :
Die Stromwandler 2 und 3 übersetzen den zu- und abfliessenden Strom des Blockes auf 5 A bei Nennstrom. Der Zwischenwandler 4 weist zwei Windungen primär und 4000 Windungen sekundär auf und besitzt einen Luftspalt im magnetischen Kreis. Seine Leerlaufinduktivität beträgt 9, 65 Henry auf 4000 Windungen bezogen. Der Zwischenwandler 5 besitzt eine mit einer Mittelanzapfung versehene Primärwicklung mit je einer Windung für jede Hälfte. Die sekundäre Windungszahl beträgt 5000 ; auf diese Windungszahl bezogen, ergibt sich eine Leerlaufinduktivität von 25, 2 Henry.
Der Kondensator 12 hat eine Kapazität von zirka 0, lMF, und liefert mit der Induktivität des ZwischenwandFers 5 eine Resonanz bei 100 Hz. Der ohmscheAbgleichwiderstand 15 ist mit etwa 5 000 Ohm bemessen. Das Schutzrelais 9 besitzt einen Einstellbereich von 0, 18 bis 0, 36 mA, der etwa 30 - 60ale des Wandlernennstromes entspricht. Der Widerstand des Relais 9 beträgt 50 Ohm.
Beim Anwenden der erfindungsgemässen Einrichtung kann man einen aus einem Generator und einem Transformator bestehenden Anlageteil mit einem gemeinsamen Differentialschutz versehen, wobei ein im Anlageteil auftretenderKurzschluss (innerer Fehler) im noch zulässigen Bereich über der Nennfrequenz sicher erfasst wird, während beim äusseren Kurzschluss sowie bei Aufmagnetisierungsvorgängen, wie sie bei Abschaltung eines nahen Netzkurzschlusses auftreten können, ein unerwünschtes Ansprechen der Differentialschutzeinrichtung vermieden wird.
Die erfindungsgemässe Schutzeinrichtung kann auch für Netztransformatoren, die nicht mit Genera-
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falls nachAbschalten eines Nahkurzschlusses eineFrequenzerhöhung erfahren, wenn sie mit einemKraftwerk verbunden sind, welches nachAbschalten des Netzkurzschlusses eine erhöhte Frequenz aufweist. Tritt indiesem Zustand ein innerer Fehler im Transformator auf, so ist auch hier die Auslösung bei erhöhter Frequenz gesichert. Daher wird die erfindungsgemässe Schutzeinrichtung auch bei Netztransformatoren Anwendung finden, die nicht im Block mit einem Generator zusammenarbeiten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Differentialschutzeinrichtung für Transformatoren oder Blockschaltungen von Generator und Transformator mit einem Schutzrelais, das einerseits von einem vom Durchgangsstrom der Maschine abhängigen Teilstrom (Sperrstrom) und anderseits von einem vomDifferenzstrom (Differenz zwischen zu-und abfliessendem Strom der Maschine) abhängigen Teilstrom (Auslösestrom) gegensinnig beaufschlagt wird, wobei die Teilströme durch Gleichrichtung der Sekundärströme von Zwischenwandlern gebildet werden, und der den Sperrstrom liefernde Zwischenwandler einen auf die zweite Harmonische der Nennfrequenz abgestimmten, als Resonanzfilter wirkenden Sekundärstromkreis aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass in den Sekundärstromkreis des den Auslösestrom führenden Zwischenwandlers ein den Frequenzgang beeinflussendes Glied, z. B. ein Abgleichwiderstand, zur Einstellung eines im Auslösefrequenzbereich des Schutzrelais angenähert linearen Frequenzganges eingeschaltet ist, derart, dass im Zusammenwirken von Sperrstromkreis undAuslösestromkreis die Auslösewirkung bei innerem Fehler auch noch bei erhöhter Frequenz bis zirka 1, 5 facher Nennfrequenz gesichert ist.