DD224461A1

DD224461A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE PROTECTION OF ELECTRICAL EQUIPMENT FROM OVERVOLTAGE

Info

Publication number: DD224461A1
Application number: DD25896083A
Authority: DD
Inventors: Konrad Rueffer
Original assignee: Sachsenwerk Elektromasch
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1985-07-03

Abstract

Die Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Betriebsmittel vor Ueberspannungen beim Einlaufen transienter Spannungswellen bezieht sich auf den Elektromaschinenbau, dient aber auch dem Schutz von Transformatoren und anderen elektrischen Betriebsmitteln. Ihr Ziel ist das Vermeiden einer Ueberdimensionierung der Isolierung im ungestoerten Betriebsfall zum Schutz vor transienten Spannungswellen mit steiler Stirnflanke, die Aufgabe besteht im Fernhalten von Ueberspannungen beim Einlaufen transienter Spannungswellen infolge inhomogener Spannungsverteilung. Sie wird geloest durch eine Aufteilung der spannungsfuehrenden Teile in Schutzbereiche, Parallelschaltung je eines Ueberspannungsableiters zu jedem Schutzbereich, Anordnung der Ueberspannungsableiter im Betriebsmittel und durch Dimensionierung der Schutzbereiche entsprechend der sich ausbildenden Spannungsverteilung beim Einlaufen einer transienten Spannungswelle sowie konstruktiver und technologischer Gesichtspunkte zum Anordnen und Anschliessen der Ueberspannungsableiter.The circuit arrangement for the protection of electrical equipment against overvoltages when incoming transient voltage waves refers to the electrical engineering, but also serves the protection of transformers and other electrical equipment. Their goal is to avoid over-dimensioning the insulation in the undisturbed operating situation to protect against transient voltage waves with steep front edge, the task is to keep away from overvoltages when incoming transient voltage waves due to inhomogeneous stress distribution. It is solved by a division of the voltage-carrying parts into protection zones, parallel connection of each surge arrester to each protection area, arrangement of the surge arresters in the equipment and by dimensioning the protection areas according to the developing voltage distribution when a transient voltage wave enters and constructive and technological aspects for arranging and connecting the surge arresters.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf den Elektromaschinenbau und die Energietechnik Ihre Anwendung ist möglich fur Elektromotoren^ Generatoren, Transformatoren und fur ähnliche elektrische Betriebsmittel, die vor Überspannungen mit Blitz- oder mit Schaltspannungscharakter geschützt werden sollenThe invention relates to electrical engineering and power engineering. Its application is possible for electric motors, generators, transformers and similar electrical equipment to be protected against lightning or switching voltage surges

Characteristic of the known technical solutions

Zur Begrenzung von Leiter-Erde-Uberspannungen und Leiter-Leiter-Uberspannung an dynamoelektrischen Maschinen ist eine Schaltungsanordnung fur Überspannungsableiter bekannt (DD-Patentanmeldung WP H 02 H/2527014), bei der der Sternpunkt der in Vierableiterschaltung angeordneten Ableiter durch eine kurze galvanische Verbindung mit dem Sternpunkt der zu schutzenden Wicklung verbunden ist Dadurch können äußere Überspannungen und innere Überspannungen mit relativ einfachen Mitteln abgeleitet werdenTo limit the conductor-to-earth overvoltages and phase-to-phase overvoltage on dynamoelectric machines, a circuit arrangement for surge arresters is known (DD patent application WP H 02 H / 2527014), in which the star point of the arrester arranged in vierableiterschaltung by a short galvanic connection with As a result, external overvoltages and internal overvoltages can be dissipated with relatively simple means

Durch die Sternpunktverbindung übernehmen die Wicklungsstrange der dynamoelektrischen Maschine die Potentialsteuerung zwischen Phase und Sternpunkt sowie zwischen Sternpunkt und Erde, so daß Bauelemente zur Potentialsteuerung entfallen können Außerdem kann damit das Zurdverhalten verbessert werdenDue to the neutral connection, the winding phases of the dynamoelectric machine take over the potential control between phase and neutral point as well as between star point and earth, so that components for potential control can be omitted. In addition, the behavior can be improved

Wahrend also die Wicklungsstrange im Ganzen somit vor Überspannungen geschützt werden können, besteht dennoch in bestimmten Fallen die Gefahr der Zerstörung der Isolierung bei Spannungen, die unterhalb der Zündspannung der Überspannungsableiter liegen Insbesondere die bei multiplen Wiederzundungen auftretenden Impulsspannungsfolgen, deren Einzelimpulse vielfach steile Stirnflanken aufweisen und deren Scheiteiwerte von Wiederzündung zu Wiederzündung ansteigen, wenn sich die Schaltkontakte offnen, gefährden infolge einer sehr inhomogenen Spannungsverteilung die Windungsisolierung insbesondere der Eingangsspulen Die Windungsisolierung muß deshalb so ausgelegt werden, daß sie diesen höchsten Beanspruchungen gewachsen ist Fur die meisten Spulen stellt dies eine Uberdimensionierung der Isolierung dar, die den Aufwand fur die Isolierung erhöht, die Wärmeableitung verschlechtert und schließlich die technischen Daten der gesamten Maschine negativ beeinflußtThus, while the winding strands as a whole thus can be protected against overvoltages, there is still the risk of destruction of the insulation at voltages below the ignition voltage of the surge arresters in particular cases, in particular the pulse voltage sequences occurring at multiple reclosures, the individual pulses often have steep front edges and their Burst values increase from re-ignition to re-ignition when the switching contacts open, as a result of a very inhomogeneous voltage distribution endangering the winding insulation, in particular of the input coils. The winding insulation must therefore be designed to cope with these highest stresses. For most coils this represents over-dimensioning of the insulation , which increases the cost of insulation, deteriorates heat dissipation, and eventually negatively affects the specifications of the entire machine

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist das Vermeiden einer Uberdimensionierung der Isolierung, bezogen auf den ungestörten Betriebsfall, zum Schutz vor Uberbeanspruchungen durch transiente Spannungswellen, insbesondere solche mit steiler StirnflankeThe aim of the invention is to avoid over-dimensioning of the insulation, based on the undisturbed operating case, to protect against overstressing by transient voltage waves, especially those with a steep front edge

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verringerung der Spannungsbeanspruchung durch Fernhalten von Uberbeanspruchungen beim Einlaufen transienter Spannungswellen und in einer gleichzeitigen Linearisierung der Spannungsverteilung selbstThe object of the invention is to reduce the voltage stress by keeping away from overstress when entering transient voltage waves and in a simultaneous linearization of the stress distribution itself

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung gelost, die sich von den bekannten Losungen durch eine Aufteilung der spannungsführenden Teile der Betriebsmittel in Schutzbereiche unterscheidet, die mit einem Überspannungsableiter je Schutzbereich unmittelbar parallel geschaltet sind Die Überspannungsableiter sind im elektrischen Betriebsmittel untergebracht Die Dimensionierung der Schutzbereiche entspricht der beim Einlaufen einer transienten Spannungswelle sich ausbildenden Spannungsverteilung, bezogen auf das Isoliervermogen, und berücksichtigt die Spannungsverteilung im ungestörten Betnebsfall sowie konstruktive und technologische Gesichtspunkte zum Anordnen und Anschließen der Überspannungsableiter auf kürzestem WegeAccording to the invention, the object is achieved with a circuit arrangement which differs from the known solutions by a division of the live parts of the equipment in protection areas, which are connected in parallel with a surge arrester per protection area in parallel The surge arresters are housed in the electrical equipment The dimensioning of the protection areas corresponds to when entering a transient voltage wave forming voltage distribution, based on the Isoliervermogen, and takes into account the stress distribution in undisturbed Betnebsfall and constructive and technological considerations for arranging and connecting the surge arrester by the shortest route

Unter Umstanden kann es zur besseren Berücksichtigung konstruktiver und/oder technologischer Gesichtspunkte bei der Aufteilung in Schutzbereiche zweckmäßig sein. Überspannungsableiter mit unterschiedlicher Ansprech- und Loschspannung zu verwendenUnder certain circumstances, it may be expedient for the better consideration of constructive and / or technological aspects in the division into protection areas. Surge arresters with different response and Loschspannung to use

exemplary

Die Erfindung wird am Beispiel eines Drehstrom-Asynchron-Motors mit einer Nennspannung von 6kV naher erläutert. Seine zu schutzende Standerwicklung besteht aus Ganzformspulen, die in einem Schaltkranz verschaltet sind Aus der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der transienten Spannungswelle, ihrem zeitlichen Verlauf und dem Vergleich der sich daraus ergebenden Spannungsbeanspruchung mit dem Isoliervermogen laßt sich dem zulassigen Spannungswert von 5kVein Schutzbereich von 40m zuordnen Bei einer Leiterlange je Spule von 18m werden damit jeweils 2 Formspulen durch einen Überspannungsableiter mit einer maximalen Ansprechspannung von 5kV geschützt Dazu sind die Schaltverbindungen am Anfang der ersten Spule und am Ende der zweiten Spule mit den beiden Anschlüssen des Überspannungsableiter zu verbinden Fur alle weiteren Spulen erfolgt der Anschluß des Überspannungsableiter analog In einer Maschine mit 54 Ganzformspulen sind somit 27 ZnO-Vanstoren mit einem Scheibendurchmesser von 24mm und einer Dicke von 13mm einzubauenThe invention will be explained in more detail using the example of a three-phase asynchronous motor with a nominal voltage of 6 kV. Its protected stator winding consists of full-form coils, which are connected in a ring gear. From the known propagation velocity of the transient voltage wave, its time course and the comparison of the resulting voltage stress with the insulating capacity, the permissible voltage value of 5kV can be assigned a protection range of 40m For each coil of 18m, 2 form coils each are protected by a surge arrester with a maximum response voltage of 5kV. For this, connect the connections at the beginning of the first coil and at the end of the second coil to the two terminals of the surge arrester Surge arresters analogue In a machine with 54 full-form coils, 27 ZnO vanstors with a disc diameter of 24mm and a thickness of 13mm are to be installed

Die räumliche Anordnung der Überspannungsableiter erfolgt entlang dem Schaltkranz innerhalb des Standergehauses Deshalb ist die vorgeschlagene Ableiterbeschaltung eine „innere Ableiterbeschaltung" zum primären Schutz der LangsisolationThe spatial arrangement of the surge arresters along the switching collar within the Standergehauses Therefore, the proposed Ableiterbeschaltung an "internal Ableiterbeschaltung" for primary protection of the longitudinal insulation

-2- 258 960 5-2- 258 960 5

Bisher angewendete Ableiterbeschaltungen sind außerhalb der Betriebsmittel bzw. in einem gesonderten Gehäuse außen am Betriebsmittel angeordnet („äußere Ableiterbeschaltung"). Es kann sich auch ergeben, daß jeweils einer Spule ein Überspannungsableiter zuzuordnen ist, wie es andererseits auch mehr als zwei Spulen sein können. Zweckmäßigerweise wird dabei ein Wickelschritt nicht überschritten.Previously applied arrester circuits are arranged outside of the operating means or in a separate housing on the outside of the operating means ("outer arrester circuit") .It may also be the case that one arrester is to be assigned to one coil, as may be more than two coils on the other hand. Conveniently, a winding step is not exceeded.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende:The operation of the invention is as follows:

Beim Einlaufen einer transienten Spannungswelle in das Betriebsmittel wird beim Erreichen der Ansprechspannung der Überspannungsableiter des Eingangs-Schutzbereiches (Schutzbereich 1) die Spannung über diesem Schutzbereich begrenzen.When a transient voltage wave enters the equipment, when the response voltage reaches the surge arrester of the input protection area (protection area 1), the voltage across this protection area will be limited.

Nacheinander sprechen alle weiteren Überspannungsableiter an, bis die Spannungswelle über den geerdeten Sternpunkt gegen Erde abgeleitet wird. Bei offenem Sternpunkt wird die Spannungswelle gegen die anderen Phasen abgeleitet. Liegt eine Dreiecksschaltung vor, wird die Spannungswelle nach Durchlaufen des Wicklungsstranges 1 am Eingang des Wicklungsstranges 2 entsprechend den Wellenwiderständen (Freileitungs- oder Kabelanschluß) eine Aufteilung und damit bezüglich des Betriebsmittels eine Dämpfung erfahren. Gleichzeitig wird die Spannungsverteilung liniarisiert und damit die Hauptisolation gleichmäßiger beansprucht.Successively, all other surge arresters respond until the voltage wave is diverted to earth via the grounded star point. When the star point is open, the voltage wave is derived against the other phases. If there is a triangular circuit, the voltage wave after passing through the winding strand 1 at the input of the winding strand 2 according to the characteristic impedance (overhead line or cable connection) will be divided and thus with respect to the equipment a damping. At the same time, the stress distribution is linearized and thus the main insulation is stressed more evenly.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bringt gegenüber den bekannten Lösungen folgende Vorteile:The circuit arrangement according to the invention brings the following advantages over the known solutions:

Der wesentlichste Vorteil dieser Erfindung liegt im unmittelbaren Schutz der Längsisolation elektrischer Betriebsmittel begründet. Dadurch können hohe ökonomische Vorteile bei der Bemessung der Isolierung dieser Betriebsmittel erreicht werden. Gleichzeitig werden die Wärmeableitung verbessert und die Dicke der isolierten Leiter verringert. Dies kann zur Verringerung der Abmessungen des gesamten Betriebsmittels und zur Verbesserung der technischen Daten genutzt werden.The most significant advantage of this invention is due to the immediate protection of the longitudinal insulation of electrical equipment. This can be achieved high economic benefits in the design of the isolation of these resources. At the same time, heat dissipation is improved and the thickness of the insulated conductors is reduced. This can be used to reduce the size of the entire equipment and to improve the technical data.

Zusätzlich werden durch die spannungsbegrenzende Wirkung der inneren Ableiterbeschaltung Überschläge der Längsisolation im Wickelkopfbereich, insbesondere bei sehr steilflankigen transienten Spannungsbeanspruchungen unter dem Einfluß von Verschmutzung, verhindert.In addition, by the voltage-limiting effect of the internal Ableiterbeschaltung rollovers of the longitudinal insulation in the winding head area, especially at very steep transient voltage stresses under the influence of contamination prevented.

Weiterhin sind infolge der durch die natürlichen Spannungsverteilung bei Betriebsspannung und bei transienter Spannung gegebene niedrige Wechselspannungsbeanspruchung und bei der bestehenden hohen transienten Spannungsbeanspruchung der Längsisolation mit der vorgeschlagenen Schutzschaltung niedrigere Schutzpegel der Längsisolation realisierbar als mit den bisher angewendeten äußeren Ableiterbeschaltungen der Betriebsmittel.Furthermore, due to the given by the natural voltage distribution at operating voltage and transient voltage low AC stress and the existing high transient voltage stress of the longitudinal insulation with the proposed protection circuit lower levels of protection of the longitudinal insulation can be realized than with the previously applied external Ableiterbeschaltungen the resources.

Damit wird der Einsatz funkenstreckenloser Überspannungsableiter, wie z.B. von Metalloxidvaristoren, möglich, die aufgrund ihrer Schaltcharakteristik einen wesentlich besseren Schutz der Isolierung ermöglichen als Überspannungsableiter mit Funkenstrecken.Thus, the use of sparkless surge arresters, e.g. Metalloxidvaristoren possible, which allow much better protection of the insulation due to their switching characteristics as surge arresters with spark gaps.

Ebenso ist es aufgrund der realisierbaren Differenz zwischen Ansprech- und Löschspannung möglich, Alterungseffekte der Metalloxidvariastoren von vornherein in die Schutzkonzeption des elektrischen Betriebsmittels ein2ubeziehen, ohne den Schutzpegel auf ein unökonomisches Niveau abzusenken. Die Aufteilung der Abschnitte der Längsisolation in Schutzbereiche ermöglicht außerdem den ökonomischen Einsatz der Überspannungsableiter an sich bei gegenüber äußeren Schutzbeschaltungen verbessertem Schutzpegel. Aufgrund gegenwärtiger Preisrelationen verhalten sich die Aufwendungen für die vorgeschlagene Schutzbeschaltung gegenüber den äußeren Schutzbeschaltungen wie 1:2 bis 1:5.Likewise, due to the realizable difference between the response and erase voltage, it is possible to incorporate the aging effects of the metal oxide varistors in the protection concept of the electrical equipment without lowering the protection level to an uneconomical level. The division of the sections of the longitudinal insulation into protection areas also allows the economical use of the surge arresters per se with respect to outer protective circuits improved protection level. Due to current price relations, the expenses for the proposed protective circuit compared to the external protective circuits behave like 1: 2 to 1: 5.

Claims

-1- 258 960

invention claims

1 circuit arrangement for the protection of electrical equipment against surges when entering transient voltage waves, in particular for dynamoelectric machines, transformers and similar electrical equipment, characterized by

- division of the live parts of the electrical equipment into protected areas,

- direct parallel connection of one surge arrester to each protected area,

- Spatial arrangement of surge arresters in the electrical equipment and

- Dimensioning of the protection areas according to the developing voltage distribution when entering a transient voltage wave, based on the Isoliervermogen and taking into account the distribution of voltage in undisturbed operating conditions and constructive and technological considerations for arranging and connecting directly the surge arrester

2 circuit arrangement according to item 1, characterized by protection areas with assignment of Uberspannungsableitem with different response and Loschspannung