CH663298A5

CH663298A5 - DEVICE FOR PROTECTING MULTI-PHASE ELECTRICAL MACHINES.

Info

Publication number: CH663298A5
Application number: CH640083A
Authority: CH
Inventors: Franz Dr Maier
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1987-11-30
Also published as: DE3402126A1

Description

Die Erfindung wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Einrichtung der gattungsgemässen Art anzugeben, welche in einfacher Weise sowohl den von einem Erdschluss behafteten Wicklungsstrang ermittelt als auch den Ort dieses Erdschlusses in diesem Wicklungsstrang selektiert. The invention as characterized in the claims solves the problem of specifying a device of the generic type which in a simple manner determines both the winding phase which is subject to an earth fault and also selects the location of this earth fault in this winding phase.

Die Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fehlerortung eines Erdschlusses in der Wicklung einer mehrphasigen elektrischen Maschine sowohl hinsichtlich der Lage des fehlerbehafteten Wicklungsstranges als auch hinsichtlich der Lage der Fehlerortes auf diesem Wicklungsstrang möglich ist. Darüber hinaus weist die erfindungsgemässe Einrichtung auch bei einem Erdschluss im Sternpunkt eine hohe Ansprechempfindlichkeit unabhängig vom Betriebszustand (Belastungsstrom) der mehrphasigen elektrischen Maschine auf und bietet bei Bedarf zudem die Möglichkeit, eine mehrphasige elektrische Maschine sowohl vor Kurz- als auch vor Erdschlussströmen wirkungsvoll zu schützen. The object is achieved in connection with the features of the preamble according to the characterizing part of patent claim 1. The invention is characterized in that the fault location of an earth fault in the winding of a multi-phase electrical machine is possible both with regard to the position of the faulty winding phase and with regard to the position of the fault location on this winding phase. In addition, the device according to the invention also has a high response sensitivity regardless of the operating state (load current) of the multiphase electrical machine even in the event of an earth fault and, if required, also offers the possibility of effectively protecting a multiphase electrical machine against both short and earth fault currents.

Aus dem Zeitschriftenaufsatz «Der Generator-Erdschluss-Schutz» von H. Stalder in Brown Boveri Mitt., Dez. 1944, S. 392 ist zwar eine Schutzeinrichtung für einen Drehstromgenerator bekannt, bei der die Lage des Wicklungsstranges, in dem ein Erdschluss eintritt, mittels eines dreipoligen wattmetrischen Relais festgestellt wird. Die Lokalisierung des diesen Erdschluss bedingenden Fehlerortes innerhalb des fehlerbehafteten Wicklungsstranges ist mit dieser Schutzeinrichtung jedoch nicht möglich. A protective device for a three-phase generator is known from the journal article “The Generator Earth Fault Protection” by H. Stalder in Brown Boveri Mitt., Dec. 1944, p. 392, in which the position of the winding phase in which an earth fault occurs, is determined by means of a three-pole wattmetric relay. However, the location of the fault location causing this earth fault within the faulty winding phase is not possible with this protective device.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Hierbei zeigt die einzige Figur ein Prinzipschaltbild einer er-findungsgemässen Fehlerstrom-Schutzeinrichtung. Here, the single figure shows a basic circuit diagram of a residual current protective device according to the invention.

Die in der Figur dargestellte Fehlerstrom-Schutzeinrichtung weist drei identische Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt mit Ringkernen auf, welche jeweils gegensinnig von den als Primärwicklungen wirkenden Zuleitungen jeweils eines von drei als Stern geschalteten Wicklungssträngen Lr, Ls und LT einer elektrischen Maschine durchdrungen sind. Diese Maschine kann beispielsweise ein über einen Schalter S' an ein Drehstromnetz mit den Phasen R, S, T schliessbarer Elektromotor, aber auch ein Transformator oder ein Generator sein. Die Sekundärwicklungen der Differenzstromwandler Wr, Ws und WT sind jeweils in einem Fehlerstrom-Messkreis Zr, Zs und Zt angeordnet. Jeder dieser Messkreise durchdringt der Reihe nach jeweils einen Ringkern eines von drei identischen induktiven Stromwandlern Mr, Ms und Mt sowie jeweils zwei Ringkerne von drei identischen weiteren Differenzstromwandlern Wrs, Wrt und Wst. Hierbei sind die Fehlerstrom-Messkreise Zr, Zs und Zt so geführt, dass zwei Messkreise jeweils den Ringkern eines der Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst — wie in der Figur durch Pfeile angegeben ist — gegensinnig durchdringen. Der Gegensinn von gegebenenfalls in den Fehlerstrom-Messkreisen fliessenden Strömen wird dadurch erzeugt, dass die Sekundärwicklungen der Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt als Stern geschaltet sind. Die Ringkerne der Differenzstromwandler The residual current protective device shown in the figure has three identical residual current transformers Wr, Ws and Wt with toroidal cores, each of which is penetrated in opposite directions by the leads acting as primary windings, one of three winding strands Lr, Ls and LT of an electrical machine connected as a star. This machine can be, for example, an electric motor which can be connected via a switch S 'to a three-phase network with the phases R, S, T, but also a transformer or a generator. The secondary windings of the residual current transformers Wr, Ws and WT are each arranged in a fault current measuring circuit Zr, Zs and Zt. Each of these measuring circuits in turn penetrates a toroidal core of one of three identical inductive current transformers Mr, Ms and Mt as well as two toroidal cores of three identical further differential current transformers Wrs, Wrt and Wst. The fault current measuring circuits Zr, Zs and Zt are designed so that two measuring circuits each penetrate the ring core of one of the differential current transformers Wrs, Wrt and Wst - as indicated by arrows in the figure - in opposite directions. The opposite sense of any currents flowing in the residual current measuring circuits is generated in that the secondary windings of the differential current transformers Wr, Ws and Wt are connected as a star. The toroidal cores of the residual current transformers

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Wrs, Wrt und Wst werden der Reihe nach gegensinnig von den Messkreis-Paaren Zr-Zs, Zr-Zt und Zs-Zt durchsetzt. Wrs, Wrt and Wst are interspersed in opposite directions by the measuring circuit pairs Zr-Zs, Zr-Zt and Zs-Zt.

Die Sekundärwicklungen der Stromwandler Mr, Ms und Mt sind der Reihe nach an nicht dargestellte Erregerorgane von identischen Differentialrelais Dr, Ds und Dt angeschlossen, wohingegen die Sekundärwicklungen der Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst der Reihe nach mit identischen Einrichtungen Ers, Ert und Est zum Schutz von Erdschlüssen verbunden sind. Diese Einrichtungen Ers, Ert und Est weisen jeweils Tief-Fi und Hochpassfilter F3 sowie Relais Ri und R3 auf. Die Anschlüsse der Sekundärwicklungen der Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst sind jeweils einerseits über eines der Tief-passfilter Fi an eines der Relais Ri und andererseits über eines der Hochpassfilter F3 an eines der Relais R3 angeschlossen. The secondary windings of the current transformers Mr, Ms and Mt are connected in series to excitation elements (not shown) of identical differential relays Dr, Ds and Dt, whereas the secondary windings of the differential current transformers Wrs, Wrt and Wst are sequentially connected with identical devices Ers, Ert and Est for protection are connected by earth faults. These devices Ers, Ert and Est each have low-fi and high-pass filters F3 and relays Ri and R3. The connections of the secondary windings of the differential current transformers Wrs, Wrt and Wst are each connected to one of the relays Ri via one of the low-pass filters Fi and, on the other hand, to one of the relays R3 via one of the high-pass filters F3.

Diese Fehlerstrom-Schutzeinrichtung wirktk nun wie folgt: This residual current device now works as follows:

Im fehlerfreien Zustand verschwindet die Differenz des zu jedem der drei Wicklungsstränge Lr, Ls und Lt fliessenden und des von diesem Wicklungsstrang zurückfliessenden Stromes, so dass sich die Magnetfelder dieser Ströme in jedem der drei Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt aufheben und die Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt nicht angeregt werden. Die über die natürlichen Erdkapazitäten der jeweiligen Wicklungsstränge fliessenden natürlichen Erdströme durchfluten jedoch die Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt und verursachen in deren Sekundärwicklungen Ströme, welche über die Fehlerstrom-Messkreise Zr, Zs und Zt die Messwandler Mr, Ms und Mt sowie die Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst pri-märseitig durchfluten. Da die Wicklungsstränge Lr, Ls und LT annähernd gleiche natürliche Erdkapazitäten aufweisen, sind auch die natürlichen Erdströme der Wicklungen gleich. Wegen geeigneter Führung der Fehlerstrom-Messkreise Zr, Zs und Zt durchfluten je zwei erdstromproportionale und bei schadenfreier Wicklung der Maschine gleich grosse Ströme jeden der Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst gegensinnig, so dass sich deren magnetische Wirkungen aufheben und die Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst bei schadenfreier Maschine keinen Sekundärstrom erzeugen. In the fault-free state, the difference between the current flowing to each of the three winding phases Lr, Ls and Lt and the current flowing back from this winding phase disappears, so that the magnetic fields of these currents in each of the three differential current transformers Wr, Ws and Wt cancel and the differential current transformers Wr, Ws and Wt are not stimulated. However, the natural earth currents flowing over the natural earth capacitances of the respective winding strands flow through the residual current transformers Wr, Ws and Wt and cause currents in their secondary windings which, via the fault current measuring circuits Zr, Zs and Zt, the measuring transformers Mr, Ms and Mt as well as the residual current transformers Wrs, Flood through the wrt and wst on the primary side. Since the winding strands Lr, Ls and LT have approximately the same natural earth capacities, the natural earth currents of the windings are also the same. Due to a suitable routing of the residual current measuring circuits Zr, Zs and Zt, two currents proportional to the earth current and with damage-free winding of the machine flow equally through each of the residual current transformers Wrs, Wrt and Wst in opposite directions, so that their magnetic effects cancel each other and the residual current transformers Wrs, Wrt and Wst Do not generate a secondary current with a damage-free machine.

Mindestens einer der Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt spricht jedoch an, wenn in mindestens einer der Wicklungen Lr, Ls und Lt ein Fehlerstrom fliesst. Ein solcher Fehlerstrom kann etwa durch einen Kurschluss hervorgerufen werden. Besteht der Kurzschluss — wie in der Figur dargestellt ist — zwischen den Wicklungssträngen Ls und Lt, so bewirkt der die Differenzstromwandler Ws und Wt unkompensiert durchflutende Kurzschlussstrom in dessen Sekundärwicklungen Ströme, welche in den Fehlerstrom-Messkreisen Zs und Zt fliessen und Signale hervorrufen, welche oberhalb eines beispielsweise beim 0,1- oder 0,2fachen des Nennstromes der zu schützenden Ma- However, at least one of the differential current transformers Wr, Ws and Wt responds if a fault current flows in at least one of the windings Lr, Ls and Lt. Such a fault current can be caused, for example, by a short circuit. If there is a short circuit - as shown in the figure - between the winding phases Ls and Lt, the short-circuit current flowing through the residual current transformers Ws and Wt without compensation causes currents in its secondary windings which flow in the fault current measuring circuits Zs and Zt and cause signals which are above one for example at 0.1 or 0.2 times the nominal current of the

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schine liegenden Schwellwertes eine Auslösung der Differentialrelais Ds und Dt verursachen. Die Differentialrelais Ds und DT geben Auslösesignale As und At ab. Die Auslösesignale As und At bewirken die Öffnung des Schalters S' und damit die Unterbrechung der Stromzufuhr der elektrischen Maschine. Hingegen bewirken die Verriegelungssignale Vs und VT eine Blockierung der Erdschluss-Schutzeinrichtung Ers, Ert und Est- The actual threshold values cause the differential relays Ds and Dt to trip. The differential relays Ds and DT emit trip signals As and At. The trigger signals As and At open the switch S 'and thus interrupt the power supply to the electrical machine. In contrast, the locking signals Vs and VT block the earth-fault protection device Ers, Ert and Est-

Weist einer der Wicklungsstränge Lr, Ls und Lt einen Isolationsfehler auf, so erhöht sich der bei schadenfreiem Wicklungsstrang infolge der natürlichen Erdkapazität des Wicklungsstranges fliessende Erdstrom je nach Lage des Isolationsfehlers ganz beträchtlich. Da dieser Erdstrom den den schadhaften Wicklungsstrang überwachenden Differenzstromwandler unkompensiert durchflutet, spricht dieser Differenzstromwandler an. Ist dies etwa der Differenzstromwandler Wr, welcher gerade einen in der Figur dargestellten Erdschluss des Wicklungsstranges Lr detektiert, so tritt im Fehlerstrom-Messkreis Zr ein Sekundärstrom auf, welcher den Messwandler Mr und die Differenzstromwandler Wrt und WRs durchflutet. Da ein Fehlerstrom, welcher auf einem Erdschluss beruht um Grössenord-nungen kleiner als ein Fehlerstrom ist, welcher auf einem Kurzschluss beruht, bleibt das Differentialrelais Dr passiv und kann die Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers, Ert und Est nun nicht mehr durch Abgabe eines Verriegelungssignals Vr blockieren. Die durch den Erdstrom verursachten Sekundärströme der Differenzstromwandler Wrs und Wrt werden den Filtern Fi und F3 der Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers und Ert zugeführt. Befindet sich die Fehlerstelle in verhältnismässig grosser Entfernung vom Sternpunkt der Wicklungsstränge Lr, Ls und LT, so herrscht dort der Einfluss der Grundwellenspannung der Phasen R, S und T vor und die Sekundärströme werden durch die an die Grundwellenfrequenz angepassten Tiefpassfilter Fi hindurchtreten und die Relais Ri anregen. Da nun die in den beiden Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers und Ert befindlichen Relais Ri angeregt sind, ist angezeigt, dass der Fehler im Wicklungsstrang Lr in verhältnismässig grosser Entfernung vom Sternpunkt lokalisiert ist. Befindet sich die Fehlerstelle hingegen im sternpunktnahen Bereich des Wicklungsstranges Lr oder im Sternpunkt selbst, so wird der Fehlerstrom im wesentlichen durch die in den Phasen R, S und T vorhandene dritte Oberwelle getrieben und die Sekundärströme treten nun durch die auf die Frequenz der dritten Oberwelle abgestimmten Hochpassfilter F3 der Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers und Ert hindurch und regen die Relais R3 an. Da nun die in den beiden Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers und Ert befindlichen Relais R3 angeregt sind, ist angezeigt, dass der Fehler im Wicklungsstrang Lr im Bereich des Sternpunktes oder im Sternpunkt selbst ist. If one of the winding strands Lr, Ls and Lt has an insulation fault, the earth current flowing in the case of a damage-free winding strand due to the natural earth capacitance of the winding strand increases considerably depending on the location of the insulation fault. Since this earth current flows through the residual current transformer monitoring the defective winding phase without compensation, this residual current transformer responds. If this is, for example, the residual current transformer Wr, which is currently detecting an earth fault in the winding strand Lr shown in the figure, then a secondary current occurs in the residual current measuring circuit Zr, which flows through the measuring transformer Mr and the residual current transformers Wrt and WRs. Since a fault current that is based on an earth fault is smaller by an order of magnitude than a fault current that is based on a short circuit, the differential relay Dr remains passive and can no longer block the earth fault protection devices Ers, Ert and Est by emitting a locking signal Vr . The secondary currents of the residual current transformers Wrs and Wrt caused by the earth current are fed to the filters Fi and F3 of the earth fault protection devices Ers and Ert. If the fault location is at a relatively large distance from the star point of the winding phases Lr, Ls and LT, then the influence of the fundamental wave voltage of phases R, S and T prevails and the secondary currents will pass through the low-pass filter Fi adapted to the fundamental wave frequency and the relays Ri stimulate. Since the relays Ri in the two earth fault protection devices Ers and Ert are now excited, it is indicated that the fault in the winding phase Lr is located at a relatively large distance from the star point. If, on the other hand, the fault location is in the area of the winding phase Lr near the star point or in the star point itself, then the fault current is essentially driven by the third harmonic present in phases R, S and T and the secondary currents now occur due to those matched to the frequency of the third harmonic High-pass filter F3 of the earth fault protection devices Ers and Ert and excite the relay R3. Since the relays R3 in the two earth fault protection devices Ers and Ert are now excited, it is indicated that the fault in the winding phase Lr is in the area of the star point or in the star point itself.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Device for protecting multi-phase electrical machines with winding strands (Lr, Ls, Lt) in star connection against fault currents with a first relay (Ri), which responds to a fault in one of the winding strands in the region of the faulty winding strand (eg Lr) remote from the star point, and with a second relay (e.g. R3), which responds to a fault in one of the winding strands near the star point of the faulty winding strand (e.g. Lr), characterized in that each phase (e.g. R) is independent of the remaining phases (e.g. S, T) assigned to the first residual current transformer (e.g. Wr), the primary winding of which is formed by the current connections of the winding phase (e.g. Lr) connected to this phase (e.g. Lr), and the secondary winding of which is connected to a residual current measuring circuit (e.g. Zr), and that any combination of two phases (eg R, S) a second differential current is independent of the remaining phases (eg T) dler (e.g. Wrs) is assigned to a primary winding, which is formed by the residual current measuring circuits (e.g. ZR, Zs) of the assigned phases (e.g. R, S) arranged in the opposite direction.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the secondary windings of the second differential current transformers (eg Wrs) are each connected to the input of an earth fault protection device (eg Ers), and that parallel to the input of the earth fault protection device (eg Ers) a series connection of a low-pass filter (Fi) with the first relay (Ri) and a high-pass filter (F3) with the second relay (R3) is arranged.

3. Device according to claim 1, characterized in that the residual current measuring circuits (Zr, Zs, Zt) are connected as a star.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that each fault current measuring circuit (eg Zr) forms the primary winding of an inductive transducer (eg Mr), the secondary winding above a predetermined threshold value of the measured fault current, a differential relay provided for short-circuit protection (e.g. Dr) activated.

The invention is based on a device for protecting multiphase electrical machines according to the preamble of patent claim 1.

With this generic term, the invention relates to a state of the art of devices for the protection of multiphase electrical machines, as described in the article “Performance of third harmony ground fault protection schemes for generator stator windings” by R.L. Schlake et al. in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-100, No. July 1981, p. 3195 ff. With this device, the star point of the winding phases of a generator to be monitored for earth faults is connected to the primary side of an earthing transformer. A load is provided on the secondary side of the earthing transformer, to which two relays are each connected in parallel. One of the two relays is tuned to the basic frequency of the generator voltage and is used to detect earth faults in the area of the winding strands remote from the star point, whereas the other of the two relays is tuned to the third harmonic of the generator voltage and is used to detect earth faults in the area of the winding strands near the star point. However, the value of the third harmonic of the generator voltage is dependent both on the design of the generator and on its operating state, i.e. its reactive and / or active power, depending. In the case of large active powers, the value of the third harmonic of the generator voltage can be a multiple of the value of this voltage which occurs when the active power is comparatively low. There is therefore a difficulty in adapting the relay, which is matched to the third harmonic of the generator voltage, for detecting earth faults in the area of the winding strands close to the star point, in such a way that the value of the third harmonic of the generator voltage, which changes considerably depending on the operating state of the generator, does not Influences the response of this relay and false triggers can be avoided with certainty.