CH651975A5

CH651975A5 - Schutzeinrichtung an einer turbogruppe gegen subsynchrone resonanzen.

Info

Publication number: CH651975A5
Application number: CH212/79A
Authority: CH
Inventors: Muzaffer Dr Canay
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1979-01-10
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1985-10-15
Also published as: SE8000104L; FR2446553A1; AU5094879A; AU533597B2; FR2446553B1; SE446289B; DE2903790A1; US4551780A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung an einer Turbogruppe gegen subsynchrone Resonanzen, welche Gruppe über einen Blocktransformator auf ein Hochspannungsnetz wirkt, wobei der Wellenstrang der Turbogruppe eine oder mehrere Eigenfrequenzen kleiner als die Netzfrequenz aufweist.

Die Stabilität eines Synchrongenerators wird gefährdet, oder sogar verunmöglicht, wenn die Reaktanz zwischen dem Generator und dem starken Netz infolge der sehr langen Übertragungsleitungen zu gross ist. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird insbesondere in den USA. die grosse Reaktanz der Leitungen durch in Serie geschaltete Kondensatoren bis zu 60 bis 80% kompensiert. Die vereinfachte Netzkonfiguration ist in Fig. 1 der Zeichnung schematisch dargestellt. Die Reaktanzen xG des Generators G, xT des Blocktransformators T, -xc des Kompensationskondensators (des Netze.s) C und xL der Leitungen L des Übertragungsnetzes N sind wesentlich grösser als die ohmschen Widerstände rG, rT, rL von Generator G, Blocktransformator T bzw. Netz N und daher massgebend für die Ströme. Die in Fig. 1 angegebenen Werte für die Reaktanzen sind dabei lediglich als beispielhaft anzusehen.

Die induktive Gesamtreaktanz SX zwischen dem Generator G und dem Netz N (Fig. 1) wächst linear mit der Kreisfre-quenz.co der Ströme (Kurve 1 in Fig. 2a). Der in Serie geschaltete Kondensator C wirkt wie eine negative Reaktanz und weist eine umgekehrt proportionale Abhängigkeit mit co auf (Kurve 2 in Fig. 2a). In Fig. 2b ist die resultierende Reaktanz EX zwischen der inneren subtransienten Spannung des Generators und der Netzspannung, nämlich

£0

G + XT + - Xc «

in Funktion von co aufgetragen. Bei der elektrischen Resonanzfrequenz

= ° n * xG + xT + ^

,0 ist die Gesamtreaktanz des Kreises Null.

Bei den dynamischen Vorgängen, wie z.B. Lastabwurf, Kurzschlussfortschaltung (in Fig. 1 durch Schalter S bzw. Blitzsymbol angedeutet) usw., können je nach Anfangsbedingung Ströme mit der Resonanzfrequenz coe entstehen. Durch 15 Zusammenwirken mit dem normalen Drehfeld (mit der Nennfrequenz con) erzeugen diese Ströme Drehmomente, welche mit der Differenzfrequenz

0)n—C0e

20

pulsieren. Fällt nun diese Frequenz mit einer der Eigenfrequenzen des Wellenstranges zusammen,

ram(i) = G>n-®e

25

so tritt eine elektromechanische Resonanz auf. Das mechanische Drehmoment im betreffenden Wellenabschnitt kann nun unzulässig hohe Werte annehmen. Da eine mit Nenndrehzahl laufende Synchronmaschine für die Ströme mit Frequenzen 30 0) <(ön wie ein Asynchrongenerator wirkt, ist es durchaus möglich, dass diese elektromechanische Resonanz vom Generator weiter unterstützt wird. In diesem Falle wird das mechanische Drehmoment im betreffenden Wellenabschnitt bis zum Bruch der Welle ansteigen.

35 Die Grundidee der bekannten Massnahmen zum Schutze der Turbogruppen vor subsynchroner Resonanz besteht darin, dass man mittels eines Filters diejenigen Ströme mit ■ den Frequenzen siebt, welche in der Welle eine subsynchrone Resonanz verursachen (Fig. 3a).

40 Dieser Filter, der im normalen Betrieb kurzgeschlossen bleibt, wird beim Entstehen einer subsynchronen Resonanz durch ein Kontrollglied in den Kreis in Serie geschaltet. Die Abhängigkeit der resultierenden Reaktanz von der Frequenz co ändert sich mit dem Einschalten eines Filters (Fig. 3a). 45 Diese Abhängigkeit sowie die betrachtete Resonanzfrequenz com(i) der Welle sind in Fig. 3b eingetragen. Die gesamte Reaktanz wird nun in der Gegend der mechanischen Eigenfrequenz con-com(i) unendlich gross. Sie wird aber für die Frequenzen C0| und co2 gleich Null. Bei dynamischen Vorgängen so können somit nur Ströme mit den Frequenzen C0| und o)2 entstehen. Da nun kein Strom mit der elektromechanischen Resonanzfrequenz con-com(i) fliessen kann, kann auch kein Drehmoment mit der mechanischen Eigenfrequenz com(j) der Welle auftreten. Somit wird eine subsynchrone Resonanz 55 verhindert.

Der Wellenstrang einer Turbogruppe weist mehrere Eigenfrequenzen auf. Der Filter muss deshalb für mehrere Frequenzen com(i), com(2),... ausgelegt sein. Solche Filter werden z.B. im Sternpunkt des Generators oder des Blocktrans-6o formators angeordnet. Nähere Einzelheiten sind beispielsweise in der US-PS 3.813.593 oder in Vol. 37 -'Proceedings of the American Power Conference, 1975, S. 916-922, beschrieben.

Die Einschaltung von auf die Eigenfrequenzen ram(i) der 65 Welle abgestimmten Filtern weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf:

a) Die Eigenfrequenzen com(i) der Welle sind nur mit gewissen Toleranzen bekannt. Die Abstimmung des Filters kann

daher problematisch sein und wird durch den Temperatur-Einfluss erschwert.

b) In manchen Fällen ist der ohmsche Widerstand der Leitungen rL so klein, dass die Ströme mit den Frequenzen <x>i, (üt usw. (siehe Fig. 3b) nicht abgedämpft werden. Die Ströme und dadurch die anregenden Drehmomente mit den Frequenzen <a„—K>|, con-co2 usw. können in solchen Fällen stark wachsen. Die mechanischen Drehmomente in der Welle können somit trotz Filter ebenfalls zu hohe Werte annehmen.

c) Das Kurzschliessen des Filters nach Ablauf eines dynamischen Vorganges stellt einen sprungartigen Übergang dar. Unter Umständen kann dies wiederum einen Ausgleichsvorgang hervorrufen, welcher wiederum das Einschalten des Filters erfordert.

Eine andere in der Literatur beschriebene Möglichkeit zur Dämpfung der subsynchronen Resonanzen besteht darin, den oder die Kompensationskondensatoren zwischen Blocktransformator und Netz durch ohmsche Widerstände zu shunten und - falls die Energieverluste in diesem Nebenschlusswiderstand für den (regulären) Netzstrom zu hoch sind - den Netzstrom durch ein einfaches Netzwerk von dem Nebenschlusswiderstand fernzuhalten (vgl. Paper 70 TP 626-PWR - IEEE Trans. PAS-90, Vol. 3, 1971, S. 1305-1311, insbesondere S. 1309, linke Spalte, unten).

Diese Vorgehensweise erfordert unerwünschte Eingriffe in die Übertragungsnetze sowie teure, weil für die Netzhochspannung bemessene Dämpfungsnetzwerke.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzeinrichtung gegen subsynchrone Resonanzen zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Anordnungen nicht aufweist und sich durch wirtschaftlichen Aufbau und hohe Betriebssicherheit für die zu schützende Turbogruppe unter allen Betriebs-zuständen auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einer Schutzeinrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Dämpfung subsynchroner Resonanzen in Serie zu jeder Phase mindestens ein ohmscher Dämpfungswiderstand geschaltet ist, dem jeweils ein auf Netzfrequenz abgestimmter Serienresonanzkreis parallelgeschaltet ist, und dass die Dämpfungswiderstände im Sternpunkt des Blocktransformators und/oder des Generators der Turbogruppe angeordnet sind.

Die der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung zugrundeliegende Idee besteht somit nicht in der Siebung einzelner ungünstiger Frequenzen, sondern darin, durch eine Dämpfungsanordnung, die nur für netzfrequenzfremde Frequenzen wirksam ist, den gesamten Widerstand des Kreises im ungünstigen Frequenzbereich erheblich zu erhöhen : Die in Serie geschalteten induktiven und kapazitiven Reaktanzen des Serienresonanzkreises sind bei Nennfrequenz gleich gross. Im normalen Betrieb ist daher der Spannungsabfall an dieser Serienschaltung Null, so dass über den Dämpfungswiderstand kein Strom fiiesst. Für fremde Frequenzen (ü=l=con dagegen ist dieser Spannungsabfall endlich. Für derartige Frequenzen wird der Dämpfungswiderstand automatisch wirksam.

Um die Wirkung der Dämpfungsanordnung bei tiefen mechanischen Eigenfrequenzen der Welle zu verstärken,

kann gemäss einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes dem Dämpfungswiderstand jeweils eine Induktivität parallelgeschaltet werden. Der resultierende Widerstand kann durch eine Serienschaltung mehrerer Einzelwiderstände, denen jeweils ein auf Netzfrequenz abgestimmter Serienresonanzkreis parallelgeschaltet ist, erhöht oder ein vorgegebener Widerstandswert durch Aufteilung in (kleinere) Widerstände erzielt werden.

Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die aus Dämpfungswiderstand und Serienreso651 975

nanzkreis sowie gegebenenfalls dazu parallelgeschalteter Induktivität bestehende Dämpfungsanordnung durch einen Schalter überbrückbar, wobei Mittel, z.B. ein Frequenzrelais, zur Aktivierung (Öffnung) des Schalters beim Auftreten netz-frequenzfremder Frequenzen vorgesehen sind. Nach Ablauf der Störung wird der Schalter wieder geschlossen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Netzkonfiguration zur Erläuterung der dem Erfindungsgegenstand zugrundeliegende Problematik,

Fig. 2 zwei Diagramme zur Erläuterung des Entstehens subsynchroner Resonanzen,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise einer auf dem Filterprinzip beruhenden Schutzeinrichtung.

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung, bei der die Dämpfungsanordnung im Sternpunkt des Blocktransformators angeordnet ist,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes, bei dem die Dämpfungsanordnung im Sternpunkt des Generators angeordnet ist,

Fig. 6 drei Diagramme zur Erläuterung der Charakteristik der Dämpfungsanordnungen,

Fig. 7 graphische Darstellungen, in denen der Einfluss der erfindungsgemässen Dämpfungsanordnung auf Statorstrom, elektrischem Drehmoment und mechanischem Drehmoment in der Welle der Erregermaschine derjenigen ohne Schutzeinrichtung gegenübergestellt ist.

In Fig. 4 umfasst die Turbogruppe eine Turbine 1, die über eine Welle 2 einen Generator G treibt. Der im vorliegenden Fall dreiphasige Synchrongenerator speist über einen Drei-Phasen-Blocktransformator T ein Dreiphasennetz N. Der Blocktransformator T enthält eine im Dreieck (A) geschaltete Primärwicklung 3 und eine im Stern (Y) geschaltete Sekundärwicklung 4, mit den Wicklungszweigen 5, 6 und 7. Jeder Wicklungszweig weist einen Hochspannungsan-schluss 8 und einen Niederspannungsanschluss 9 auf. Die Hochspannungsanschlüsse 8 der Wicklungszweige 5, 6 und 7 sind mit entsprechenden Leitungen 10, 11 und 12 des Dreiphasennetzes N verbunden.

Üblicherweise sind die Niederspannungsanschlüsse 9 der Wicklungszweige zusammengeschaltet und mit der Erdleitung 13 des Dreiphasennetzes N verbunden, wie es in Fig. 4 durch die strichlierten Verbindungsleitungen angedeutet ist. Im Zuge der Leitungen 10, 11 und 12 sind ferner die zur Kompensation der induktiven Reaktanz des Netzes N dienenden Kompensationskondensatoren 14, 15 und 16 eingeschaltet.

Die Verbindungsleitungen vom Sternpunkt des Blocktransformators T zu den Wicklungszweigen 5, 6, 7 sind aufgetrennt, und es sind an den Niederspannungsanschlüssen 9 über Verbindungsleitungen 17, 18, 19 Dämpfungsanordnungen 20,21,22 in Serie mit den Wicklungszweigen 5, 6, 7 gegen Erde geschaltet.

Diese Dämpfungsanordnungen bestehen jeweils aus einem ohmschen Widerstand 23, 24 bzw. 25, dem jeweils ein aus einem Kondensator 26,27 bzw. 28 und einer Induktivität 29, 30 bzw. 31 bestehender Serienresonanzkreis parallelgeschaltet ist. Zusätzlich ist jedem der Widerstände 23, 24,25 eine Induktivität 32,33, 34 parallelgeschaltet.

Die Serienresonanzkreise 26-31 sind auf Nennfrequenz con abgestimmt, d.h. die induktiven und kapazitiven Reaktanzen sind bei Nennfrequenz gleich gross. Die Bemessung der Induktivitäten 32, 33,34 richtet sich nach der Grösse der zu dämpfenden tiefsten mechanischen Eigenfrequenzen des Wellenstranges.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Schutzeinrichtung gegen subsynchrone Resonanzen ist die

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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Dämpfungsanordnung nicht wie in der in Fig. 4 veranschaulichten Anordnung im Sternpunkt des Blocktransformators T sondern, im Sternpunkt des Generators G angeordnet. Der Drei-Phasen-Generator G, dessen drei Statorwicklungen mit 35,36,37 bezeichnet sind, wird von der Turbine 1 über die Welle 2 angetrieben. Der Generator speist über den Blocktransformator T das Dreiphasennetz N, wie es im einzelnen im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben ist. Die drei Sekundärwicklungszweige des Blocktransformators T sind nieder-spannungsseitig miteinander verbunden und an die Erdleitung 13 des Dreiphasennetzes N angeschlossen.

In Serie mit den Statorwicklungen 35,36,37 liegen Dämpfungsanordnungen 20', 21', 22'. Diese können prinzipiell den gleichen Aufbau aufweisen wie diejenigen im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4. Im vorliegenden Fall bestehen diese jedoch aus drei in Serie geschalteten Teil widerständen 23a, 23b, 23c, 24a, 24b, 24c bzw. 25a, 25b, 25c. Jedem Teilwiderstand ist ein auf Nennfrequenz con abgestimmter Serienresonanzkreis parallelgeschaltet, der aus der Serienschaltung eines Kondensators 26a, 26b, 26c, 27a, 27b, 27c bzw. 28a, 28b, 28c und einer Induktivität 29a, 29b, 29c, 30a, 30b, 30c bzw. 31 a, 31 b, 31 c besteht. In gleicher Weise wie in Fig. 4 sind den Teilwiderständen Induktivitäten 32a, 32b, 32c, 33a, 33b, 33c bzw. 34a, 34b, 34c parallelgeschaltet.

Die Wirkungsweise der Schutzeinrichtungen gemäss der Erfindung gemäss den Fig. 4 und 5 wird nachstehend unter Zuhilfenahme der in den Figuren 6 und 7 dargestellten graphischen Darstellungen näher erläutert.

Bekanntlich weist ein mit Nenndrehzahl laufender Generator für Ströme mit Frequenzen co<con einen negativen Widerstand auf und wirkt somit wie eine Quelle. Wenn der resultierende Widerstand der hier beschriebenen Dämpfungseinrichtung bei der betrachteten Frequenz grösser ist als der Betrag des negativen Widerstandes des Generators, dann bestellt eine wirksame Dämpfung, auch wenn die Leitungen keinen ohmschen Widerstand gehabt hätten.

Im normalen Betrieb, d.h. bei Nennfrequenz con, ist der Spannungsabfall zwischen den Niederspannungsanschlüssen 9 und Erde Null, so dass kein Strom über die ohmschen Widerstände 23, 24, 25 fliesst (Fig. 4). Für fremde Frequenzen (0=1= 0)n dagegen ist die Spannung zwischen den Niederspannungsanschlüssen 9 und Erde nicht mehr Null; für diese Frequenzen werden die Dämpfungswiderstände 23,24, 25 automatisch wirksam. Nach Ablauf des dynamischen Vorgangs ist die Spannung zwischen den Niederspannungsanschlüssen 9 und Erde wieder Null. Das Wirksamwerden und Verschwinden der Dämpfungswiderstände zum Schütze der Welle gegen subsynchrone Resonanzen ist demgemäss ein stetiger Vorgang, der keine weiteren Instabilitäten verursachen kann.

Die gleichen Überlegungen gelten für den Fall, wo die Dämpfungsanordnungen im Sternpunkt des Generators (Fig. 5) angeordnet sind.

Der durch die Dämfpungsanordnung erzielte zusätzliche Widerstand Ar ist in Fig. 6 in Funktion der normierten Frequenz ca/(ün aufgetragen, wobei das Diagramm a) für eine Dämfpungsanordnung gemäss Fig. 4, jedoch ohne die zusätzlichen Induktivitäten 32,33 und 34 gilt, das Diagramm b) für eine solche mit zusätzlicher Induktivität und das Diagramm c) für eine aus drei Teilwiderständen bestehende Dämpferanordnung gemäss Fig. 5 gültig ist. Wie aus den drei Diagrammen hervorgeht, kann je nach der Verteilung der mechanischen Eigenfrequenzen oe>m(i, eine der den Diagrammen zugrundeliegenden Schaltungskonfigurationen verwendet werden. Somit kann man für den gewünschten Frequenzbereich eine ausreichende Dämpfung erreichen. Die bei dynamischen Vorgängen auftretenden Stromkomponenten mit fremden Frequenzen co + con klingen unter der Wirkung der zusätzlichen Dämpfungswiderstände sehr schnell ab.

Dadurch werden sowohl das anregende elektrische Drehmoment als auch die mechanischen Drehmomente in der Welle erheblich verkleinert.

In den graphischen Darstellungen der Fig. 7 ist die Wirkung der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung bezüglich Statorstrom i des Generators G, dem elektrischen Drehmoment Te und dem mechanischen Drehmoment Tm in der Welle der Erregermaschine des Generators G derjenigen ohne Schutzeinrichtung gegenübergestellt, wobei eine Netzkonfiguration entsprechend Fig. 4 (ohne Überbrückungsschalter 38, 39,40) zugrundegelegt ist, wobei die induktive Reaktanz 0,3, die kapazitive Reaktanz des Resonanzkreises 0,3, der Dämpfungswiderstand 0,2, die induktive Reaktanz der dem Dämpfungswiderstand parallelgeschalteten zusätzlichen Induktivität 0,25 betragen.

Ein zum Zeitpunkt tj auftretender dreipoliger Kurzschluss in der Hochspannungsleitung L hat zum Zeitpunkt T> die durch die vorhandenen Netzschutzeinrichtungen bewirkte Fortschaltung des Kurzschlusses zur Folge. Infolge des Zusammenwirkens der Serienkondensatoren 14, 15, 16 mit dem Netz tritt beispielsweise in der Welle der Erregermaschine eine subsynchrone Resonanz auf (z.B. bei coe/o)n = 0,675 entsprechend Fig. 2b). Das Drehmoment in der Welle der Erregermaschine nimmt sofort sehr hohe und unzuverlässige Werte an (Fig. 7c). Die Diagramme der Figuren 7d, 7e und 7f zeigen den zeitlichen Verlauf der gleichen Grössen bei Verwendung einer Seriendämpfung nach der Schaltung gemäss Fig. 4 mit der Charakteristik des Verlaufs des wirksamen Widerstandes nach Fig. 6. Das elektrische Drehmoment wird stark reduziert, das mechanische Drehmoment in der Welle der Erregermaschine (Diagramm gemäss Fig. 7f, worin Tm gegenüber Fig. 7c 5mal vergrössert gezeichnet ist) zeigt keine Resonanzerscheinung mehr, obwohl die Resonanzfrequenzen etwa gleich geblieben sind.

Im Bedarfsfall können die Dämpfungsanordnungen 20, 21,22 bzw. 20', 21', 22' während des normalen Betriebes durch Schalter 38, 39,40 überbrückt sein. Dies ist in Fig. 4 beispielsweise veranschaulicht. Beim Auftreten von Frequenzen co 4= on werden diese Schalter mittels eines Frequenzrelais 41 geöffnet. Das Frequenzrelais 41 enthält im wesentlichen einen Frequenzdiskriminator, der dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Eingangssignal neben Netzfrequenz netzfre-quenzfremde Komponenten aufweist.

In gleicher Weise lassen sich auch in dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel die Dämpfungsanordnungen 20', 21' und 22' in Abhängigkeit von der Frequenz hinzu- bzw. abschalten.

4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

G

7 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Schutzeinrichtung an einer Turbogruppe gegen subsynchrone Resonanzen, welche Gruppe über einen Blocktransformator auf ein Hochspannungsnetz wirkt, wobei der Wellenstrang der Turbogruppe eine oder mehrere Eigenfrequenzen kleiner als die Netzfrequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung subsynchroner Resonanzen in Serie zu jeder Phase mindestens ein ohmscher Dämpfungswiderstand (23,24,25) geschaltet ist, dem jeweils ein auf Netzfrequenz (con) abgestimmter Serienresonanzkreis (26,29 ; 27, 30; 28,31) parallelgeschaltet ist, und dass die Dämpfungswiderstände im Sternpunkt des Blocktransformators und/oder des Generators der Turbogruppe angeordnet sind.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungswiderstand aus mehreren Teilwiderständen (23a, 23b, 23c; 24a, 24b, 24c; 25a, 25b, 25c) besteht, wobei den Teilwiderständen auf Netzfrequenz abgestimmte Serienresonanzkreise parallelgeschaltet sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der aus Dämpfungswiderstand und Serienresonanzkreis bestehenden Anordnung eine Induktivität (32,33,34) geschaltet ist.

4. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Dämpfungswiderstand und Serienresonanzkreis bestehende Dämpfungsanordnung (20,21,22) durch einen Schalter (38,39,40) überbrückbar ist, wobei Mittel (41,42) zur Aktivierung des Schalters (41) beim Auftreten von netzfrequenzfremden Frequenzen (co 4= con) vorgesehen sind.