Mit einem Relais arbeitende Schutzeinrichtung gegen Frequenzveränderungen mit einer anormal grossen Zeitableitung in einem wenigstens eine Synchronmaschine enthaltenden Wechselstromnetz Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit einem Relais arbeitende SchutzeimÜchtung gegen Frequenz- veränderungen mit einer anormal grossen Zeitablei tung in einem wenigstens eine Synchronmaschine enthaltenden Wechselstromnetz.
Bei Wechselstromnetzen, die eigene energieerzeu gende Generatoren enthalten, ist es oft von grossem Wert, die Zeitableitung der Frequenz überwachen zu können. Dies ist z.B. der Fall in Industriean lagen, die teils von einem äusseren Netz Energie entnehmen und teils eigene krafterzeugende Gene ratoren haben. Die Belastung der Anlage ist dabei gewöhnlich in einen qualifizierten oder begünstig ten Teil, der ständig Energiezufuhr fordert, und einen nicht begünstigten Teil, der während einer kürzeren Zeit ohne grössere Ungelegenheit energie los gemacht werden kann, aufgeteilt.
Bei einer plötz lich eintretenden Verminderung der vom äusseren Netz gelieferten Energie, beispielsweise auf Grund von Störungen in diesem Netz, muss die unbegün- stigte Belastung abgeschaltet werden, so dass die eigene Kraftquelle nur die begünstigte Belastung zu speisen braucht. Es ist von grosser Bedeutung, dass diese Abschaltung so schnell geschieht, dass die Frequenz nicht auf einen für die begünstigte Belastung unzulässigen Wert oder so tief sinkt, dass der eigene Generator nur schwer wieder auf volle Drehzahl kommt.
Es ist oft wichtig, dass nur er wünschte Aufteilungen vorgenommen werden, da eine unerwünschte Aufteilung eine Betriebsstörung der Industrieanlage mit sich führen kann. Um Auf teilungen dieser Art durchzuführen, hat man bisher gewöhnlich Unterspannungsschutzanordnungen und Unterfrequenzschutzaübrdnungen. benutzt. Diese Schutzanordnungen sind jedoch oft nicht zufrieden- stellend, da sie nicht genügend schnell sind und oft unerwünschte Ausschaftungen ergeben.
Die, For derung grosser Schnelligkeit und guter Selektivität könnte dagegen in beträchtlich höherem Grade durch einen auf der Zeitableitung der Frequenz geglün- deten Relaissehutz erfüllt werden.
Ein anderer Fall, da ein von der Z & tableitung der Frequenz abhängiger Relaisschutz vorteilhaft wäre, sind grosse Versorgungsnetze, bei denen man bei plötzlich entstehenden Energieverminderungen einen Teil des Netzes abschalten will, um einen totalen Zusammenbruch des ganzen Netzes zu ver hindern. Die Schnelligkeit des verwendeten Relais schutzes ist hierbei von primärer Bedeutung.
Man hat früher für diesen Zweck einen Unterfrequenz- schutz verwendet, wobei es jedoch schwer ist, ge nügende Schnelligkeit zu erhalten, unter anderem weil der Ansprechwert des Schutzes so tief unter die Nennfrequenz des Netzes verlegt werden muss, dass keine unerwünschten Ausschaltungen bei nor malen Frequenzvariationen im Netz erhalten wer den. Ein Relaisschutz, der auf der Zeitableitung der Frequenz gegründet ist, könnte dagegen die erfor derliche Schnelligkeit und Sicherheit gegen uner wünschte Ausschaltungen geben.
Ein entsprechendes Problem liegt bei einem Generator vor, dessen aktive Belastung plötzlich ab getrennt wird, wobei der Generator die Tendenz hat, durchzugehen und die Spannung zu steigern, ehe der Turbinenregler in Aktion getreten ist, Auch in diesem Falle wäre ein auf der Zeitableitung der Frequenz gegründetes Relais von Wert.
Im<U>Zusammenhang</U> mit der Verwendung von SchneRwiedereinschaltung kommt es bisweilen vor, dass man d#ie Wiedereinschaltung blockieren oder gewisse Belastungen, die durch die Wiedereinschal tung beschädigt werden können, wegschalten will. Während der Zeit, in der die beiden Netze ausein- andergeschaltet sind, darf nämlich nur eine gewisse maximale Phasendifferenz zwischen ihnen entstehen, damit eine Wiedereinschaltung vorgenommen wer den kann, ohne dass die dynamische Stabilität beein trächtigt oder der Stromstoss durch die Anlageteile zu stark wird.
In den meisten Fällen ist das eine Netz sehr gross, während das andere Netz bedeutend kleiner ist, in welchem Falle die Phasendifferenz zwischen den Netzen direkt proportional der Zeit ableitung der Frequenz in dem kleineren Netz und der Störungszeit in zweiter Potenz wird. Man kann daher vorteilhaft mittels eines an das kleinere Netz angeschlossenen, von der Zeitableitung der Frequenz abhängigen Relaisschutzes überwachen, ob die Pha sendifferenz einen für die Wiedereinschaltung zu lässigen Wert überschreitet.
Der Grund dafür, dass man früher in nur gerin gem Umfange auf der Zeitableitung der Frequenz gegründete Relaisschutze für den oben beschrie benen Zweck verwendet hat, ist, dass die bisher be kannten Frequenzableitungsschutzanordnungen sehr kompliziert und ausserdem oft von Variationen der Spannung abhängig sind, weswegen das Risiko un erwünschter Ausschaltungen besteht.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutz einrichtung der eingangs genannten Art, die mit denselben Vorteilen wie eine direkt auf der Zeit ableitung der Frequenz gegründete Einrichtung zur überwachung von Synchronmaschinen enthaltenden Wechselstromnetzen verwendet werden kann, die aber konstruktiv bedeutend einfacher als bekannte Fre- quenzableitungssehutzanordnungen und ausserdem von Spannungsvariationen unabhängig ist.
Die Schutz einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, dass sie ein an die Leitungen der Synchron maschine des überwachten Netzes angeschaltetes und in Abhängigkeit von sprunghaften Änderungen der von dieser abgegebenen oder aufgenommenen Lei stung wirksames Leistungssprungrelais enthält. Die Erfindung gründet sich darauf, dass eine mit einer grossen Zeitableitung beginnende Frequenzänderung in einem elektrischen Netz mit einer sprunghaften Änderung der Leistung der Maschine des Netzes einhergeht.
Für jede Synchronmaschine des Netzes, das heisst für jeden Generator oder Motor, gilt ausserdem, dass die Zeitableitung der Frequenzän- derung im ersten Augenblick direkt proportional der Grösse des Leistungssprunges ist. Eine Schutz einrichtung, die sich auf dem Leistungssprung in den Leitungen zu einer der Synchronmaschinen des überwachten Netzes gründet, hat somit dieselbe Funktion wie ein Schutz, der direkt auf der Zeit ableitung der Frequenz gegründet ist.
Die Erfindung wird im folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in der die Fig. <B>1,</B> 2 und<B>3</B> Beispiele von drei verschie- denen Ausführungsformen der Schutzeinrichtung nach der Erfindung darstellen. Fig. <B>1</B> zeigt ein Wech selstromnetz<B>1,</B> das einen Synchrongenerator 2 mit Zuleitungen<B>3</B> enthält.
Die Schutzeinrichtung besitzt ein aus einem Waagebalkenrelais 4 bestehendes Lei- stungssprungrelais, bei welchem die eine der beiden den beweglichen Teil des Relais beeinflussenden Kräfte von zwei zusammenwirkenden elektrodyna mischen Systemen<B>5</B> und<B>6</B> erzeugt wird, die über einen, Spannungstransformator<B>7</B> und einem Strom transformator<B>8</B> gemäss der Zweiwattmetermethode an die Zuleitungen<B>3</B> des Generators 2 angeschlos sen sind. Die beiden elektrodynamischen Systeme <B>5</B> und<B>6</B> entwickeln folglich zusammen ein Moment, das der abgegebenen Wirkleistung des Generators 2 proportional ist.
Die andere, den beweglichen Teil des Relais 4 beeinflussende Kraft wird von einem magnetodynamischen System<B>9</B> erzeugt, dessen Wick lung über ein motorangetriebenes Potentiometer <B>10</B> an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. Das Po- tentiometer <B>10</B> wird von einem Gleichstromserien- motor <B>11</B> betätigt, der von einem Umschaltekontakt 12 des Waagebalkenreiais 4 in der einen oder an deren Richtung gestartet wird.
Unter der Vorausset zung, dass das magnetodynamische System<B>9</B> ein gleich grosses Moment entwickelt wie die leistungsmessen den elektrodynamischen Systeme<B>5, 6,</B> nimmt der Umschaltekontakt 12 seine Neutrallage ein, und der Motor<B>11</B> des Potentiometers <B>10</B> steht still.
Wenn die Leistung in den Zuleitungen<B>3</B> des Generators 2 geändert wird, wird das Gleichgewicht zwischen den Momenten der beiden Steuerelemente des Waage- balkenrelais 4 aufgehoben, und der Umschaltekon- takt 12 schliesst in der einen oder anderen Richtung, wobei der Gleichstrommotor<B>11</B> in entsprechender Richtung anläuft und das Potentiometer <B>10</B> so ein stellt,
dass das Gleichgewicht zwischen den Momen ten der beiden Steuerelemente wieder hergestellt wird und der Umschaltekontakt 12 in seine Neu- trallage zurückgeht. Der Umschaltekontakt 12 ist wie ein Zweistufenkontakt ausgeführt, welcher beim Ansteigen des resultierenden Momentes des Waage- balkenrelais 4 erst einen der Kontakte<B>13</B> oder 14, die den Gleichstrommotor<B>11</B> betätigen, schliesst und erst nach einem weiteren Ansteigen des Momentes einen der Kontakte<B>15</B> und<B>16</B> schliesst, die die Arbeitskontakte der Schutzeinrichtung ausmachen.
Bei normalen, ziemlich langsamen Variationen der aktiven Leistung des Generators 2 werden die Ver änderungen des erzeugten Momentes von dem lei stungsmessenden System<B>5, 6</B> so schnell durch das Moment des Gleichstromsystems<B>9</B> kompensiert, dass der Umschaltekontakt 12 nicht zur Schliessung des einen der Kontakte<B>15</B> oder<B>16</B> kommt, weshalb der Schutz nicht auslöst.
Bei schnellen Leistungs veränderungen kann dagegen das Gleichstromsystem <B>9</B> auf Grund der Anlaufzeit des Gleichstrommotors <B>11</B> und der Funktionszeit des Umschalters 12 die Änderung des Momentes des Leistungssystems<B>5, 6</B> nicht beizeiten kompensieren, und wenn die Lei- stungsveränderung gross genug ist, schliesst der Um schalter 12 auch einen der Kontakte<B>15</B> und<B>16</B> und der Schutz spricht an. Die Anordnung wirkt folg lich wie ein Sprungrelais für die Leistung, welches nur funktioniert, wenn plötzliche Veränderungen, die eine gewisse Grösse überschreiten, in der Lei stung des Generators 2 auftreten.
Da die Grösse des aktiven Leistungssprunges direkt proportional der Zeitableitung im Anfangsaugenblick der nach folgenden Frequenzveränderung im Netz ist, wirkt die Anordnung effektiv wie ein Relaisschutz gegen Frequenzveränderungen mit einer anormal grossen Zeitableitung.
Fig. 2 zeigt eine Schutzeinrichtung, deren prin zipieller Aufbau dem des in Fig. <B>1</B> gezeigten Schut zes gleich ist. Auch diese Schutzeinrichtung ent hält ein Waagebalkenrelais 4 mit einem leistungs messenden Steuerelement<B>5, 6,</B> das an die Zuleitungen <B>3</B> des Generators 2 gemäss der Zweiwattmetermethode über den Spannungstransformator<B>7</B> und den Strom transformator<B>8</B> angeschlossen ist. Das kompensie rende Gleichstrornsystem <B>9</B> ist jedoch an den Aus gang eines dieselbe Leistung messenden Kompen sationsgebers<B>17</B> angeschlossen.
Dieser besteht im wesentlichen aus einem Waagebalkensystem, das teils von zwei elektrodynamischen Systemen<B>18</B> und <B>19</B> teils von einem magnetodynamischen System 20 beeinflusst wird. Die elektrodynamischen Systeme sind gemäss der Zweiwattmetermethode an die Zu leitungen<B>3</B> des Generators 2 angeschlossen und erzeugen deshalb ein der aktiven Leistung in die sen Zuleitungen proportionales Moment. Dieses Mo ment wird von einem gleich grossen Moment des magnetodynamischen Systems 20 ausgeglichen, wel ches System mit einer Gleichstromwicklung verse hen ist, die von dem vom Kompensationsgeber<B>17</B> abgegebenen Gleichstrom durchflossen wird.
Bei Gleichgewicht ist somit dieser Gleichstrom, der auch das magnetodynamische Gleichstromsystem<B>9</B> in dem Waagebalkenrelais 4 speist, proportional der Lei stung in den Zuleitungen<B>3</B> des Generators 2. Die Glelichstromwicklung in dem magnetodynamischen System 20 des Kompensationsgebers<B>17</B> ist an die Anode eines Elektronenröhrenverstärkers angeschlos sen, der im wesentlichen aus der Pentode in einer Pentoden-Triodenröhre 21 besteht.
Die Pentode er hält ihre Steuergitterspannung von einem Oszillator, der die Triode des Rohres 21 und einen Resonanzkreis 22 enthält, über einen variablen Schaltkondensator<B>23,</B> der von dem resultierenden Moment zwischen den leistungsmessenden Systemen<B>18, 19</B> des Kompen sationsgebers und dem kompensierenden Gleich stromsystem 20 beeinflusst ist.
Eine Veränderung der Leistung beeinflusst folglich die Steuergitter- spannung der Pentode durch den variablen Konden sator<B>23,</B> so dass der abgegebene Strom verändert wird, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Wenn z. B. die gemessene Leistung wächst, über windet das Moment des leistungsmessenden Systems <B>18, 19</B> das Moment des kompensierenden Gleich- stromsystems 20, und eine Drehung des Waagebal- kensystems wird erhalten.
Hierdurch stinkt die Ka pazität des Kondensators<B>23,</B> was zur Folge hat, dass der Strom vom Oszillatorkreis durch den Gleich richter 24 und dessen Abzweigwiderstand abnimmt. Hierdurch nimmt die negative Steuerspannung des Steuergitters der Pentode gb, so dass die Pentode einen ansteigenden Anodenstrorn durch das kompen sierende System 20 abgibt, bis dieses ein Moment abgibt, das das Moment des leistungsmessenden Systems<B>18, 19</B> ausgleicht. Das Waagebalkensystem des Gebers<B>17</B> ist jedoch mit einer beträchtlichen Dämpfung versehen, z.
B. mittels eines Öldämp- fungszylinders, so dass Veränderungen in dem ab gegebenen Strom des Gebers<B>17</B> wesentlich ver zögert werden gegenüber den Veränderungen in der gemessenen aktiven Leistung.
Bei schnellen Ver änderungen der aktiven Leistung wird daher das Moment des Gleichrichtersystems <B>9</B> des Waagebal- kenrelais 4 sich nicht eben so schnell ändern wie das Moment des leistungsmessenden Systems<B>5, 6,</B> und wenn die Leistungsveränderung gross genug ist, wird die Schutzeinrichtung dadurch ansprechen, dass der Umschaltekontakt 12 des Waagebalkenrelais 4 in der einen oder anderen Richtung schliesst.
Fig. <B>3</B> zeigt eine Einrichtung, die ein Leistungs- sprungrelais enthält, das nach einem etwas anderen Prinzip aufgebaut ist. Das Leistungssprungrelais besitzt einen Kompensationsgeber<B>25,</B> der an die Zuleiitungen <B>3</B> des Generators 2 -über den Spannungs transformator<B>7</B> und Stromtransformator<B>8</B> in sol cher Weise angeschlossen ist, dass es die Leistung in den Zuleitungen<B>3</B> misst. Der Geber<B>25</B> ist in derselben Weise wie der in Fdg. 2 gezeigte Geber aufgebaut mit der Ausnahme,
dass teils dessen Aus gangskreis so geschaltet ist, dass er eine Gleichspan nung anstelle eines Gleichstroms abgibt, und teils, dass er nicht mit einer Dämpfung versehen ist. Der Geber<B>25</B> gibt folglich eine Gleichspannung, die direkt proportional der Leistung des Generators 2 ist und die nicht nennenswert im Verhältnis zu dieser verzögert ist. Diese abgegebene Gleichspannung ist an ein Spannungssprungrelais <B>26</B> angeschlossen, das ein polarisiertes Relais mit zwei einander entgegen wirkenden Wicklungen<B>27</B> und<B>28</B> ist, die in Reihe miteinander an den Eingang des Relais angeschlos sen sind, wobei die eine Wicklung mit einem Kon densator<B>29</B> parallel geschaltet ist.
Wenn die dem Sprungrelais <B>26</B> zugeführte Gleichspannung konstant ist oder sich verhältnismässig langsam ändert, sind die Amperewindungszahlen in den beiden Wicklungen <B>27</B> und<B>28</B> gleich gross, und der Umschaltekontakt <B>30</B> des Relais<B>26</B> bleibt in der Neutrallage. Entsteht jedoch eine sprunghafte Änderung in der das Relais beeinflussenden Gleichspannung, was bedeutet, dass eine entsprechende sprunghafte Änderung der akti ven Leistung in den Zuleitungen<B>3</B> entstanden ist, so witd auf Grund der Ladung oder Entladung des Kondensators<B>29</B> die eine der Wicklungen<B>27,
28</B> eine grössere Amperewindungszahl bekommen als die andere, und falls die sprunghafte Änderung in der das Relais<B>26</B> beeinflussenden Gleichspannung genügend gross ist, wird der Umschaltekontakt <B>30</B> des Relais<B>26</B> in der einen oder anderen Richtung schliessen.
Wenn die beschriebene Schutzeinrichtung an eine Zuleitung eines Synchronmotors in dem überwach ten Wechselstromnetz angeschlossen ist, ist somit das zu dem Schutz gehörende Leistungssprungrelais dm- stande, den ganzen Sprung der Leistung zu messen, das heisst von der Leistung, die normalerweise dem Motor zugeführt wird bis zu der Leistung, die der Motor auf Grund seiner kinetischen Energie even tuell bei einem Fehler des Netzes liefert. Die in Fig. <B>3</B> gezeigte Ausführungsform der Erfindung kann dies ohne irgendwelche Modifikationen durchführen, weshalb sie sowohl bei Synchromnotoren wie Syn chrongeneratoren verwendet werden kann.