Einrichtung für den thermischen Rotorschutz einer Synchronmaschine. Die Rotorkörper von Synchronmaschinen werden vor allem durch die Erregerstromver- luste in ihrer Wicklung erwärmt.
Diese haben besonders bei Turbomaschinen erheblichen Einfluss auf die Rotorabmessungen. Gewisse Betriebserscheinungen bringen Zusatzverluste in den Rotorkörpern, die mit den Erreger- stromverhisten zusammen zu einer Erwärmung des Rotors führen, welche für die Isolation der Rotorwicklung unzulässig ist.
Solche Zusatz verluste werden vor allem bewirkt durch eine Urisymmetrie der Statorströme (Gegenfeld- kompönente) und durch höhere Harmonische der Statorströme, insbesondere bei Gleichrich- terbelastung. Dabei ist zu beachten, dass die Erregerstromverluste im Wicklungskupfer, also im Innern der Wicklungsisolation erzeugt werden.
Der Entstehungsort der Zusatzver luste ist jedoch eine dünne äussere Schicht der Polschuhe bei Rotoren mit ausgeprägten Polen, respektive der Rotoroberfläche bei Turbogeneratoren oder eine Dämpferwicklung. Der Entstehungsort liegt dabei immer ausser halb der Wicklungsisolation.
Um Rotorschäden infolge übermässiger Zu- satzverhiste zu vermeiden, war es mit Rück sicht auf die bei Belastung durch Gleichrichter entstehenden höheren Harmonischen bisher üblich, entweder bei normal bemessenen Ma schinen das maximal zulässige Mass der Last zum vorneherein festzulegen und seine Ein haltung der Betriebsführung zu überbinden oder die Maschine speziell für die volle Be lastung für Gleichrichter zu bemessen. Dabei ist die Gleichrichterlast, welche zugelassen wer den kann, um so höher, je grösser die Phasen zahl der gespeisten Gleichrichteranlagen ist.
Eine automatische Überwachung von Syn chronmaschinen hinsichtlich ihrer Beanspru chung. durch die Gleichrichterlast hat sich bis- . her nicht eingebürgert. Auch den Zusatzver lusten in den Rotoren, welche durch eine Uri symmetrie der Statorströme verursacht wer den,. wurde bisher wenig Beachtung geschenkt. Soweit sie ihren Ausgangspunkt in_ unsymme trischen Kurzschlüssen. haben, kann mit rascher Beseitigung durch den Kurzschluss- schutz der Netze und Maschinen gerechnet werden.
Wo bei der Bemessung der Maschinen von vorneherein mit @ einer definierten ein phasigen, also unsymmetrischen Belastung gerechnet werden muss, wird dieser Einfluss durch Einbau einer passenden Dämpferwick- lung berücksichtigt. Bei den besonders emp findlichen Turbomaschinen 'wird mit einer dauernd zulässigen Asymmetrie von 7 % der Gegenfeldstromkomponente gegenüber den Statorströmen .gerechnet. Trotzdem hat sich Glas Bedürfnis nach einer Überwachung dieser Belastungsweise in der Praxis eingestellt.
So werden heute grosse Turbogeneratoren mit Maximal-Stromrelais ausgerüstet, welche über entsprechende Filterschaltungen proportional zur Gegenkomponente der Rotorströme erregt Werden. Häufig werden zwei Relais dieser Art in Reihe an die FilterschaltLmg angeschlossen, wobei ein empfindlicheres auf eine Einstellung zwischen 7 und 15% Gegenstromkomponente anspricht und ein Warnsignal betätigt, wäh rend ein zweites unempfindlicheres zwischen 20 und 40% Gegenstromkomponente einstellbar ist und bei Überschreiten seines.
Ansprech- wertes über ein Schütz mit fester, einstell barer Zeitverzögerung die Auslösung des Ge- neratorschalters bewirkt.
Dieses bekannte Überwachungsverfahren arbeitet nicht ganz befriedigend, weil dabei die Wärmekapazität des überwachten Rotors nicht berücksichtigt wird. Die Wärmekapazi tät der Eisen- und der Kupfermassen hat zur Folge, dass bei kleiner Überschreitung die zu lässige Stromasymmetrie bedeutend länger dauern kann, bis an der am meisten gefähr deten Isolation der Rotorwicklung eine unzu lässige Erwärmung auftritt, als bei einer er heblichen Überschreitung. Vorliegende Erfin dung vermeidet diese Nachteile.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für den thermischen Rotorschutz einer Syn chronmaschine, welche auf die Gegenkompo nente der Statorströme anspricht.
Die Einrichtung besteht in einem Relais, welches mit einer Heizwicklung versehen ist, und unter Zwischenschalten eines thermischen Abbildes des Rotors mindestens ein Tempera turmessorgan heizt, wobei diese Wicklung von einem der Gegenkomponente des Statorstromes proportionalen Heizstrom durchflossen ist, und das Temperaturmessorgan einen Kontakt aufweist, welchen der Auslöseschutz des Sta- torstromschalters nachgeschaltet ist.
Gemäss dieser Erfindung wird es in ein fachen Fällen möglich, die Einwirkung der Stromasymmetrie zu überwachen. Die Ente Rahme der Gegenkomponente der unsymme- trischen Statorströme erfolgt dabei über an sich bekannte Mittel, wie Stromwandler, Fil ter, Gleichrichter.
Um mit verhältnismässig kleinen Strom wandlern und Filterimpedanzen auszukommen und dabei doch genügend grosse Leistung für die Aufheizung der thermischen Abbildung des Rotors zu erhalten, kann die Zwischen schaltung eines Verstärkers vorgesehen wer den. Dieser Verstärker, welcher die Heiz energie für die Heizwicklung liefert, kann ein Röhrenverstärker oder ein magnetischer Verstärker sein.
Um die thermische Abbildung möglichst wirklichkeitsgetreu zu machen, ist es zweck- in * ss' <B>,</B> die E#wärmungseinflüsse der Erreger- a ig wicklung ebenfalls nachzubilden. Zu diesem Zweck ist ein vorzugsweise aus Metall, z. B. Kupfer, bestehender innerer Körper und eine diesen umgebenden Wärmeisolierschicht vor gesehen. Der innere Körper ist die Nachbil dung der Kupferwicklung, während die Wärmeisolierschicht als Nachbildung der elek trischen Isolation wirkt.
Die Heizwicklung für die Einwirkung der Gegenkomponente ist auf dieser Isolierschicht angeordnet. Zur thermi schen Nachbildung der Polschuh-Eisenmasse kann die Heizwicklung noch zusätzlich in eine Metallschicht eingesetzt werden. Es kann dafür ein äusserer auf der Isolierschicht angeordneter Mantel, vorzugsweise aus Eisen, vorgesehen werden.
Im innern Körper kann ferner eine Heiz- wicklung eingebaut sein, durch welche ein dem. Erregerstrom proportionaler Heizstrom fliesst. Damit wird eine Grundheizung erreicht, die proportional den Erregerverlusten ist und so der Einfluss der Grunderwärmung in der Er regerwicklung entsprechend berücksichtigt.
Neben der Heizwicklung, die einen der Ge genkomponente proportionalen Strom führt, kann noch eine weitere Heizwicklung vorge sehen werden, die einen dem Verluststrom der höheren Harmonischen proportionalen Strom führt. Zur Aussiebung dieser Ströme sind ent sprechende Durchlassfilter-vorgesehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
1 bedeutet die zu schützende Synchron- maschine, z. B. ein Generator. Dieser liefert über den Schalter 3 Energie auf das Netz. Die Erregung des Rotors erfolgt durch die Er regermaschine 2. Von den Stromwandlern 5a und 5c wird über ein Siebgerät, welches den Statorströmen die Stromkomponente des Ge genfeldes entzieht, ein Verstärker 7 ausge steuert. Der Ausgang des Verstärkers ist auf eine erste Heizwicklung 21 einer Relaisanord- jung 9 geschaltet. Diese Relaisanordnung ist als thermisches Abbild des Rotors ausgebildet.
Auf der Relaisanordnung ist eine zweite Heiz wicklung 22 vorhanden, welche von einem Teil der Oberwellenströme des Generators durchflossen "ist. Zu diesem Zwecke ist die Sekundärwicklung des Stromwandlers 5b über ein Hochpassfilter 8 zwecks Aussiebung der Oberwellen mit der zweiten Heizwicklung ver bunden. Auf der Relaisanordnung ist eine dritte Heizwicklung 23 vorgesehen, welche mit dem Nebenschluss 13 im Erregerstromkreis verbunden ist. Diese Heizwicklung führt einen dem Erregerstrom des Rotors proportionalen Strom.
Sämtliche Heizwicklungen sind auf der thermischen Nachbildung angeordnet, in deren Innerem das Temperaturmessorgan 26 liegt. Die thermische Nachbildung besteht aus einem innern Körper 24. In diesem ist das Temperaturmessorgan 26 eingesetzt, wel ches ein Thermoelement in Verbindung mit einem auf einen bestimmten Strom anspre chendes Relais 10 ist. Als Temperaturmess- organ kann auch ein Thermokontakt ver wendet werden. Der innere Körper 24 be steht zweckmässig aus Metall, zum Beispiel aus Kupfer.
Seine Wärmekapazität ist so gewählt, dass er die thermische Abbildung des Kupfers der Erregerwicklung bildet. Darauf ist eine Wärmeisolierschicht 25 angeordnet; sie wirkt als thermische Nachbildung für die Isolation der Erregerwicklung gegenüber dem Rotoreisen. Auf dieser Isolation sind die Wicklungen 21 und 22 angeordnet. Diese Wicklungen 21 und 22 können eventuell noch in einen äussern Mantel eingelegt sein. Dieser Mantel besteht zweckmässig aus Eisen und bil det die thermische Abbildung der äussern Ro- toreisenteile, in welchen Wirbelstromwär- mung infolge der Gegenkomponente und der Oberwellen auftritt.
Die Wirkungsweise ist folgende: Durch die drei Heizwicklungen 21, 22 und 23 erfolgt eine Rufheizung der thermischen Nachbildung entsprechend den Erwärmungsbeiträgen auf dem Rotor der einzelnen Einflüsse, nämlich der Gegenstromkomponente, der Oberwellen- ströme und des Grunderregerstromes. Unter dem Einfluss der Grunderregung wird zu nächst durch die Wickung 23 der innere Kern in einer Zeit aufgewärmt, die der Er wärmungszeit der Rotorwicklung entspricht.
Bei der so erreichten Temperatur erfolgt noch kein Ansprechen des Temperaturmessorgans. Erst unter dem Einfluss der Heizwicklungen 21 und 22 erfolgt eine weitere Temperatur steigerung, falls im Stator eine Gegenkom ponente des Statorstromes oder Oberwellen ströme oder beides auftritt. Die Temperatur der Nachbildung nimmt dabei in gleicher Zeit in gleichem Masse zu, wie die im Rotor an den zu überwachenden kritischen Stellen, z. B. in der Rotorisolation. Erst diese zusätzliche Erwärmung kann das Temperaturmessorgan zum Ansprechen bringen.
Durch das Anspre chen des Temperaturmessorgans erfolgt die Betätigung .des Auslöseschutzes für die end gültige Abschaltung der Maschine.
In einfacheren Fällen ist es auch möglich, ohne besondere Berücksichtigung der Grund temperatur der Erregerwicklung auszukom men. Die Heizwicklung 23 kann dabei fehlen oder abgeschaltet sein. Es genügt, die Ruf heizung der Abbildung allein auf Grund der Gegenstromkomponente und des Oberwellen einflusses durchzuführen. Unter Umständen genügt sogar allein die Erwärmüng der Nach bildung durch die Gegenstromkomponente. In diesem Falle kann auch die Wicklung 22 weg gelassen oder abgeschaltet werden.
Es kann auch ein zweites Temperaturmess- organ 27 vorgesehen werden, welches über ein. Zwischenrelais 11 zur Betätigung eines Warn signalgebers 12 bei Annäherung an die Gefahr temperatur dient, bevor die endgültige,Aus lösung des Ausschaltbefehls bei Überschreiten der Gefahrtemperatur durch 26, 10 erfolgt.
Durch die Erfindung wird es möglich, die Erwärmungsverhältnisse in einem. Rotor rich tig auszubilden. Das Ganze wird hinsichtlich der Rufheizung und Abkühlungsverhältnisse so bemessen, dass im thermischen Abbild an der Messstelle sich Temperaturen ergeben, welche in guter Annäherung den Tempera turen des überwachten Rotors entsprechen.