CH626476A5

CH626476A5 - Apparatus for protecting a generator-turbine unit against overstressing of the shaft when the voltage returns after a network short-circuit

Info

Publication number: CH626476A5
Application number: CH1495877A
Authority: CH
Inventors: Dietrich Lambrecht; Kurt Laege; Kurt Dr Fork; Armin Fischer
Original assignee: Kraftwerk Union Ag
Priority date: 1977-03-01
Filing date: 1977-12-07
Publication date: 1981-11-13
Also published as: DE2708844A1; DE2708844C3; JPS53107647A; DE2708844B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzgerät für eine Generator-Turbineneinheit gegen Überbeanspruchung der Welle bei Spannungswiederkehr nach einem Netzkurzschluss, mit einer das Bestehen eines Netzkurzschlusses erfassenden Messeinrichtung, die über eine Vergleichseinrichtung auf einen Schalter zwischen der Generator-Turbineneinheit und dem Netz im auslösenden Sinn einwirkt, wenn gleichzeitig die Auslösebedingung für eine zweite, der Vergleichseinrichtung vorgeschaltete Messeinrichtung erfüllt ist. The invention relates to a protective device for a generator-turbine unit against overloading the shaft upon voltage recovery after a network short-circuit, with a measuring device which detects the existence of a network short-circuit and which acts via a comparison device on a switch between the generator-turbine unit and the network in the triggering sense if at the same time the trigger condition for a second measuring device upstream of the comparison device is fulfilled.

Wenn in der Nähe eines Kraftwerkes ein Kurzschluss im elektrischen Netz auftritt, können die synchronisierenden Momente einander parallel arbeitender Generatoren sehr klein werden. Wenn dieser Zustand - bedingt durch ein verzögertes Ansprechen des Netzschutzes - längere Zeit anhält, können die Läufer der Generatoren zueinander unterschiedliche Phasenlage einnehmen. Hierdurch können nach Abschalten des Netzkurzschlusses bei Wiederkehr der Spannung sehr grosse Drehmomente auf den Läufer eines Generators und damit auf die Wellenabschnitte und Kupplungen zwischen benachbarten If a short circuit occurs in the electrical network near a power plant, the synchronizing moments of generators working in parallel can become very small. If this condition persists for a longer period of time due to a delayed response of the network protection, the rotor of the generators can assume different phase positions. As a result, after switching off the mains short circuit when the voltage returns, very high torques can be applied to the rotor of a generator and thus to the shaft sections and couplings between adjacent ones

Teilturbinen oder zwischen Turbine und Generator wirken. Partial turbines or between the turbine and generator act.

In der DE-OS 2415 448 ist eine Schutzeinrichtung für eine Generator-Turbineneinheit gegen Überbeanspruchung der Welle beschrieben. Hier ist der Blockschalter einerseits vom Auftreten eines Spannungsrückganges und andererseits von einer zu messenden Winkeldifferenz zwischen der Spannung des Generators und des von der Störung betroffenen Netzes abhängig. DE-OS 2415 448 describes a protective device for a generator-turbine unit against overloading the shaft. Here the block switch is dependent on the one hand on the occurrence of a voltage drop and on the other hand on an angular difference to be measured between the voltage of the generator and the network affected by the fault.

Bei generatornahen Kurzschlüssen, bei denen die Netzspannung sehr weit absinkt, lässt sich die Phasenlage der Netzspannung schwer bestimmen. Bei diesen Störfällen wird daher generell der Schalter zwischen Generator-Turbineneinheit und dem angeschlossenen elektrischen Netz geöffnet. In the case of short circuits close to the generator, in which the mains voltage drops very far, it is difficult to determine the phase position of the mains voltage. In the event of these faults, the switch between the generator-turbine unit and the connected electrical network is therefore generally opened.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schutzgerät zu schaffen, bei dem auch bei generatornahen Kurzschlüssen nur dann der Schalter zwischen Generator-Turbineneinheit und Netz geöffnet wird, wenn beim Abschalten des Kurzschlusses eine zu hohe Beanspruchung der Welle und der Wickelköpfe des Generators zu erwarten ist. The object of the present invention is to provide a protective device in which, even in the event of short-circuits close to the generator, the switch between the generator-turbine unit and the network is only opened when the short-circuit is switched off and excessive stress on the shaft and the winding heads of the generator is to be expected .

Diese Aufgabe wird bei dem Schutzgerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die zweite, der Vergleichseinrichtung vorgeschaltete Messeinrichtung foigendermassen aufgebaut ist: This object is achieved according to the invention in the protective device of the type mentioned at the outset by the second measuring device upstream of the comparison device being constructed as follows:

a) Eine bei Auftreten einer Leistungsänderung angestos-sene Zeitstufe und eine Einrichtung zur Messung der innerhalb der Laufzeit der Zeitstufe auftretenden Leistungsdifferenz sind einem Leistungsmessgerät nachgeschaltet. a) A time step triggered when a power change occurs and a device for measuring the power difference occurring within the running time of the time step are connected downstream of a power meter.

b) Der Einrichtung zur Messung der Leistungsdifferenz und der Zeitstufe ist eine weitere Vergleichseinrichtung nachgeschaltet, die feststellt, ob vor Ablauf der Zeit der Zeitstufe ein vorgegebener einstellbarer Wert für die gemessene Leistungsdifferenz überschritten wird. b) The device for measuring the power difference and the time stage is followed by a further comparison device which determines whether a predefined, adjustable value for the measured power difference is exceeded before the time of the time stage has expired.

c) Der weiteren Vergleichseinrichtung ist eine weitere Zeitstufe nachgeschaltet, deren Verzögerungszeit der zulässigen Zeit für die Wiederkehr der Netzspannung entspricht. c) The further comparison device is followed by a further time stage, the delay time of which corresponds to the permissible time for the mains voltage to return.

d) Der Ausgang der weiteren Zeitstufe ist an einen Eingang der erstgenannten Vergleichseinrichtung angeschlossen. d) The output of the further time stage is connected to an input of the first-mentioned comparison device.

Aus der DE-OS 24 48 635 ist es ausserdem zur Verminderung der Beanspruchung einer Turbinen-Generatorwelle bekannt, die einzelnen Pole des Schalters, der nach Auftreten eines dreipoligen Kurzschlusses wieder schliesst, so zu steuern, dass zunächst zwei der drei Schalterpole und anschliessend erst der dritte Schalterpol geschlossen wird. Durch diese Massnahme lässt sich eine Überbeanspruchung der Welle ebenfalls vermindern, aber nicht in allen Fällen ausschliessen. From DE-OS 24 48 635 it is also known to reduce the stress on a turbine generator shaft to control the individual poles of the switch, which closes again after a three-pole short circuit occurs, in such a way that first two of the three switch poles and then only the third switch pole is closed. Overloading the shaft can also be reduced by this measure, but not excluded in all cases.

Ausserdem ist es aus der DE-OS 25 03 034 bekannt, zur Vermeidung des Auseinanderlaufens von Generatorspannung und Netzspannung dem Schalter zwischen Generator und Netz im Kurzschlussfall einen Widerstand parallel zu schalten. Mit einer derartigen Einrichtung lässt sich theoretisch die Drehmomentbeanspruchung bei Spannungswiederkehr im Netz weitgehend ausschliessen, allerdings ist es notwendig, die Zu- bzw. Abschaltung des Widerstandes zu ganz bestimmten, von der Störung abhängigen Zeiten vorzunehmen, andernfalls können Pendelungen zwischen Netz und Generator auftreten. In addition, it is known from DE-OS 25 03 034 to connect a resistor in parallel in the event of a short circuit to prevent the generator voltage and the mains voltage from diverging. Theoretically, with such a device, the torque stress upon voltage recovery in the network can be largely excluded, however, it is necessary to switch the resistor on and off at very specific times depending on the fault, otherwise oscillations between the network and the generator can occur.

Im Gegensatz zu diesen bekannten Einrichtungen ermöglicht es das erfindungsgemässe Schutzgerät, dass abhängig von der Ursache des Auseinanderlaufens von Generator- und Netzspannung entschieden wird, ob die Generator-Turbineneinheit durch den zugehörigen Schalter vom Netz getrennt wird oder nicht. Hiermit erhält man eine Schutzeinrichtung, die selektiv abhängig von der Störung nur dann eine Abschaltung vornimmt, wenn dies mit Rücksicht auf die zu erwartende Überbeanspruchung der Turbinen-Generatorwelle notwendig ist. In contrast to these known devices, the protective device according to the invention makes it possible, depending on the cause of the divergence of generator and mains voltage, to decide whether or not the generator-turbine unit is separated from the mains by the associated switch. This provides a protective device which, depending on the fault, selectively only switches off if this is necessary in view of the expected overstressing of the turbine generator shaft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Prinzipschaltung in der Zeichnung dargestellt. An embodiment of the invention is shown in a basic circuit in the drawing.

Das dargestellte Schutzgerät schützt die Welle 1 zwischen Turbine 2 und Generator 3, indem es einen Schalter 4 zwischen The protective device shown protects the shaft 1 between the turbine 2 and the generator 3 by having a switch 4 between

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

eineman den Generator 3 angeschlossenen Transformator 5 und dem elektrischen Netz 6 auftrennt, wenn infolge eines eine bestimmte Mindestzeit andauernden Kurzschlusses im Netz 6 die Gefahr einer Überbeanspruchung der Welle 1 besteht. Die Turbine 2 ist ein Ventil 7 vorgeschaltet, das die Dampfzufuhr zu der Turbine 2 regelt. Über eine gestrichelt dargestellte Verbindung 8 kann auch dieses Ventil von dem erfindungsgemässen Schutzgerät gleichzeitig mit der Auslösung des Schalters be-einflusst werden. a transformer 5 connected to the generator 3 and the electrical network 6 if there is a risk of overloading the shaft 1 as a result of a short circuit in the network 6 which lasts for a certain minimum time. The turbine 2 is preceded by a valve 7 which regulates the steam supply to the turbine 2. Via a connection 8 shown in dashed lines, this valve can also be influenced by the protective device according to the invention simultaneously with the triggering of the switch.

Das Schutzgerät ist an ein Leistungsmessgerät 9 angeschlossen, das über einen Stromwandler 13 und einen Spannungswandler 14 mit der elektrischen Leitung zwischen Transformator 5 und Generator 3 verbunden ist. Ausserdem ist an den Spannungswandler 14 über eine Leitung 16 eine Unterspannungsmesseinrichtung 10 angeschlossen, deren Ausgang über ein Oder-Glied 36 zu einem Und-Glied 32 geführt ist. Das Leistungsmessgerät besitzt zwei Ausgangsleitungen 17 und 18, die eine der jeweiligen Leistung proportionale Gleichspannung führen. Die Ausgangsleitung 18 ist über einen Differenzierkondensator 27 und einen Grenzwertmelder 28 an den Eingang einer Zeitstufe 29 geführt. Der Ausgang des Grenzwertmelders 28 wirkt ausserdem auf den Steueranschluss eines Schalttransistors 20, der in die Leitung 17 zwischen das Leistungsmessgerät 9 und einen Analogwertspeicher 21 eingeschaltet ist. Von der Ausgangsleitung 17, an die ein Glättungskondensator 19 angeschlossen ist, geht eine Leitung 22 ab, die zu einem Differenzglied 23 führt. Der zweite Eingang des Differenzgliedes 23 ist über eine Leitung 24 mit dem Ausgang des Analogwertspeichers 21 verbunden. Dem Differenzglied 23 ist ein Messgerät 41 und ein Grenzwertmelder 25 nachgeschaltet. Der Ausgang des Grenzwertmelders 25 führt zu einem Und-Glied 26. Der zweite Eingang des Und-Gliedes 26 ist über eine Leitung 30 mit dem Ausgang der Zeitstufe 29 verbunden; der Ausgang des Und-Gliedes 26 ist über eine zweite Zeitstufe 40 an einen Eingang des Und-Gliedes 32 geführt. Das Und-Glied 32 ist über eine Leitung 34 an die Auslösespule 12 des Schalters 4 angeschlossen. Eine zwischen Messgerät 41 und der Zeitstufe 40 eingeschaltete Leitung 42 dient zur Beeinflussung der Verzögerungszeit der Zeitstufe 40. Hierdurch kann man bei grossen Leistungssprüngen eine kürzere zulässige Zeit für die Abschaltung des Netzkurzschlusses vorgeben. The protective device is connected to a power meter 9, which is connected to the electrical line between transformer 5 and generator 3 via a current converter 13 and a voltage converter 14. In addition, an undervoltage measuring device 10 is connected to the voltage converter 14 via a line 16, the output of which is led via an OR gate 36 to an AND gate 32. The power meter has two output lines 17 and 18, which carry a DC voltage proportional to the respective power. The output line 18 is led via a differentiating capacitor 27 and a limit indicator 28 to the input of a time stage 29. The output of the limit detector 28 also acts on the control connection of a switching transistor 20, which is connected in the line 17 between the power meter 9 and an analog value memory 21. A line 22 leads from the output line 17, to which a smoothing capacitor 19 is connected, which leads to a differential element 23. The second input of the differential element 23 is connected via a line 24 to the output of the analog value memory 21. A measuring device 41 and a limit indicator 25 are connected downstream of the differential element 23. The output of the limit detector 25 leads to an AND gate 26. The second input of the AND gate 26 is connected via a line 30 to the output of the time stage 29; the output of the AND gate 26 is guided to an input of the AND gate 32 via a second time stage 40. The AND gate 32 is connected via a line 34 to the trip coil 12 of the switch 4. A line 42 connected between the measuring device 41 and the time stage 40 serves to influence the delay time of the time stage 40. In this way, in the event of large jumps in power, a shorter permissible time for switching off the mains short circuit can be specified.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist folgende: Sobald sich die vom Leistungsmessgerät 9 gemessene Leistung so schnell ändert, dass der Grenzwert des Grenzwertmelders 28 überschritten wird, entsteht an dessen Ausgang ein Signal, das sich selbst hält und einerseits die Zeitstufe 29 anstösst und andererseits den Schalttransistor 20 ausschaltet. The operation of this circuit is as follows: As soon as the power measured by the power measuring device 9 changes so quickly that the limit value of the limit value detector 28 is exceeded, a signal is generated at its output that holds itself and on the one hand triggers the time stage 29 and on the other hand the switching transistor 20 turns off.

Während der Laufzeit der Zeitstufe 29 erhält der untere Eingang des Und-Gliedes 26 ein Signal. Nach Ablauf der Zeitstufe 29 wird die Selbsthaltung des Signals am Ausgang des Grenzwertmelders 28 aufgehoben und damit der Schalttransistor 20 wieder eingeschaltet. The lower input of the AND element 26 receives a signal during the running time of the time stage 29. After the time stage 29 has elapsed, the latching of the signal at the output of the limit value detector 28 is canceled and the switching transistor 20 is thus switched on again.

Der dem Schalttransistor 20 nachgeschaltete Analogwertspeicher 21 ist so ausgelegt, dass er bei eingeschaltetem Schalttransistor 20 eine Ausgangsspannung abgibt, die gleich der Eingangsspannung ist und dass er bei ausgeschaltetem Schalttransistor 20 seine Ausgangsspannung unverändert beibehält. Bis zur Ausschaltung des Schalttransistors 20 besitzen daher die The analog value memory 21 connected downstream of the switching transistor 20 is designed such that when the switching transistor 20 is switched on it outputs an output voltage which is equal to the input voltage and that it maintains its output voltage unchanged when the switching transistor 20 is switched off. Until the switching transistor 20 is switched off, therefore

626 476 626 476

Leitungen 22 und 24 das gleiche Potential, so dass der Ausgang des Differenzgliedes 23 den Wert Null hat. Nach Anstossen der Zeitstufe 29, die eine einstellbare Laufzeit in der Grössenord-nung von 50 ms besitzt, wird sich das Potential auf der Leitung 22 entsprechend der jeweiligen momentan abgegebenen Leistung einstellen, während das Potential auf der Leitung 24 sich nicht mehr ändert. Lines 22 and 24 have the same potential, so that the output of the differential element 23 has the value zero. After triggering the time stage 29, which has an adjustable running time in the order of 50 ms, the potential on the line 22 will adjust in accordance with the respective power currently being output, while the potential on the line 24 will no longer change.

Am Ausgang des Differenzgliedes 23 entsteht daher eine Spannung, die der Leistungsdifferenz vor und nach Ausschalten des Schalttransistors 20 proportional ist. Wenn diese Leistungsdifferenz den Schwellwert des Grenzwertmelders 25 überschreitet, steht ein Signal am oberen Eingang des Und-Gliedes 26 an. Die Und-Bedingung des Und-Gliedes 26 ist also erfüllt, wenn innerhalb der Laufzeit der Zeitstufe 29 die vom Differenzglied 23 gemessene Leistungsdifferenz den einstellbaren Schwellwert des Grenzwertmelders 25 überschreitet. A voltage is therefore generated at the output of the differential element 23, which voltage is proportional to the power difference before and after the switching transistor 20 is switched off. If this power difference exceeds the threshold value of the limit indicator 25, a signal is present at the upper input of the AND element 26. The AND condition of the AND element 26 is therefore fulfilled if the power difference measured by the differential element 23 exceeds the adjustable threshold value of the limit value detector 25 within the running time of the time stage 29.

Nach Anregung der Schutzeinrichtung durch den Differenzierkondensator 27 und den Grenzwertmelder 28 wird also geprüft, ob innerhalb einer einstellbaren kurzen Zeit (Verzögerungszeit der Zeitstufe 29) ein nennenswerter Leistungsabfall (Differenzglied 23) auftritt. Ist dies der Fall, ist die Und-Bedin-gung des Und-Gliedes 26 erfüllt, so wird dieses Ausgangssignal festgehalten und es wird die dem Und-Glied 26 nachgeschaltete Zeitstufe 40 angestossen. Die Zeitstufe 40 ist auf eine Zeit eingestellt, die etwa der Zeit entspricht, die für die Wiederkehr der Spannung hinsichtlich der Belastbarkeit der Welle 1 noch als zulässig angesehen wird (zum Beispiel 150 ms). Nach Ablauf dieser Zeit erhält das Und-Glied 32 an seinem oberen Eingang ein Signal, der untere Eingang erhält immer dann ein Signal, wenn die Spannung mindestens einer Phase noch niedriger ist als ein in der Unterspannungsmesseinrichtung 10 eingestellter Mindestwert. After the protective device has been stimulated by the differentiating capacitor 27 and the limit value detector 28, it is checked whether an appreciable drop in performance (differential element 23) occurs within an adjustable short time (delay time of time stage 29). If this is the case, the AND condition of the AND element 26 is fulfilled, this output signal is recorded and the time stage 40 connected downstream of the AND element 26 is triggered. The time stage 40 is set to a time which corresponds approximately to the time which is still considered permissible for the return of the voltage with regard to the load capacity of the shaft 1 (for example 150 ms). After this time, the AND element 32 receives a signal at its upper input, the lower input always receives a signal when the voltage of at least one phase is still lower than a minimum value set in the undervoltage measuring device 10.

Anstelle der Unterspannungsmesseinrichtung oder zusätzlich kann an einem Eingang des Und-Gliedes 32 auch der Ausgang einer anderen Messeinrichtung angeschlossen sein, die geeignet ist festzustellen, ob der Netzkurzschluss noch besteht oder nicht. Hierzu lässt sich beispielsweise auch die abgegebene Leistung des Turbosatzes oder der jeweils fliessende Strom als Kriterium verwenden. Es ist ausserdem denkbar, den Schaltzustand der wesentlichen Schalter im Netz 6 abzufragen, um ein Kriterium dafür zu gewinnen, ob ein Netzkurzschluss noch besteht. Instead of the undervoltage measuring device or additionally, the output of another measuring device can also be connected to an input of the AND element 32, which is suitable for determining whether the mains short-circuit still exists or not. For this purpose, for example, the output of the turboset or the current flowing can also be used as a criterion. It is also conceivable to query the switching status of the essential switches in the network 6 in order to obtain a criterion for whether a network short circuit still exists.

Ist nach Ablauf der Verzögerungszeit der Zeitstufe 40 der Fehler beseitigt, so ist die Und-Bedingung des Und-Gliedes 32 nicht erfüllt und die Generator-Turbineneinheit bleibt mit dem Netz 6 verbunden. Ist zu dieser Zeit aber zum Beispiel mindestens eine Spannung des Netzes 6 noch so weit unterhalb der Netzspannung, dass von der Unterspannungsmesseinrichtung 10 und dem nachgeschalteten Oder-Glied 36 ein Signal abgegeben wird, so ist die Und-Bedingung des Und-Gliedes 32 erfüllt und die Auslösespule 12 wird veranlasst, den Schalter 4 auszuschalten. Gleichzeitig kann auch das Ventil 7 geschlossen oder automatisch auf einen kleineren Durchlasswert eingestellt werden. Es wäre auch denkbar, dieses Ventil abhängig vom Ausgang des Messgerätes 41 zu steuern. Hierdurch lassen sich Pendelungen des Generators nach Wiederkehr der Spannung vermindern. If the error is eliminated after the delay time of the time stage 40 has elapsed, the AND condition of the AND element 32 is not fulfilled and the generator-turbine unit remains connected to the network 6. If, for example, at least one voltage of the network 6 is still so far below the network voltage at this time that the undervoltage measuring device 10 and the downstream OR gate 36 emit a signal, the AND condition of the AND gate 32 is fulfilled and the trip coil 12 is caused to turn off the switch 4. At the same time, the valve 7 can also be closed or automatically set to a smaller passage value. It would also be conceivable to control this valve depending on the output of the measuring device 41. In this way, oscillations of the generator can be reduced after the voltage returns.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

626476 PATENT CLAIMS

1. Protection device for a generator-turbine unit against overloading the shaft upon voltage recovery after a network short-circuit, with a measuring device (10) that detects the existence of a network short-circuit and that triggers via a comparison device (32) on a switch between the generator-turbine unit and the network Sense acts if at the same time the trigger condition for a second measuring device upstream of the comparison device (32) is fulfilled, characterized in that the second measuring device upstream of the comparison device (32) is constructed as follows:

a) A time step (29) triggered when a power change occurs and a device (20, 21, 23) for measuring the power difference occurring within the running time of the time step (29) are connected downstream of a power meter (9).

b) The device (20, 21, 23) for measuring the power difference and the time step (29) is followed by a further comparison device (26) which determines whether a predetermined, adjustable value for the measured power difference is within the running time of the time step (29) is exceeded.

c) The further comparison device (26) is followed by a further time stage (40), the delay time of which corresponds to the permissible time for the mains voltage to return.

d) The output of the further time stage (40) is connected to an input of the first-mentioned comparison device (32).

2. Protection device according to claim 1, characterized in that the first-mentioned comparison device (32) is additionally dependent on a device for measuring the output power.

3. Protection device according to claim 1 or 2, characterized in that it has control connection means (8) to establish a control connection (8) between the first-mentioned comparison device (32) and one of the turbine (2) upstream of the generator-turbine unit valve (7) , by means of which the valve (7) can be influenced simultaneously with the triggering of the switch (4).

4. Protection device according to claim 1, characterized in that the delay time of the time stage (40) is dependent on the amount of the measured power difference in accordance with the permissible time for switching off the network short-circuit.