DE1076257B

DE1076257B - Verfahren und Einrichtung zur UEberwachung elektrischer Kondensatoren in oberschwingungshaltigen Netzen

Info

Publication number: DE1076257B
Application number: DES62798A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Manfred Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-04-28
Filing date: 1959-04-28
Publication date: 1960-02-25
Also published as: CH382284A

Description

Der Leistungskondensator ist wegen seiner Anspruchslosigkeit bezüglich Aufstellung und Wartung und wegen seiner geringen Verluste als Blindleistungserzeuger weit verbreitet. In manchen Fällen müssen jedoch Oberschwingungen in der Netzspannung berücksichtigt werden, so daß ein Kondensator häufig einen bedeutend erhöhten Strom aufnimmt, obwohl er mit Nennspannung betrieben wird. Es ist nun nicht leicht festzustellen, ob ein Kondensator über eine zugelassene Dauergrenzleistung z. B. von 135% nach VDE 0560 der Nennleistung hinaus belastet wird oder nicht.

Bei Vorhandensein von Oberschwingungen kann die Leistung, die ein Kondensator aufnimmt, nicht einfach aus dem Produkt der Effektivwerte von Strom und Spannung ermittelt werden. Sie kann auch nicht mit einem normalen Leistungsmesser gemessen werden.

Theoretisch wäre es möglich, das vorhandene Frequenzgemisch zu analysieren, die Leistung der Grundwelle und der ermittelten Oberschwingung zu messen und anschließend zu addieren. Dies ist jedoch für die Praxis eine zu umständliche Methode, so daß man bestimmte Betriebsgrenzwerte für die einzelnen Kondensatortypen festgelegt hat. Es wurde z. B. als obere Grenze des zulässigen Stromes der l,5fache Wert des Nennstromes festgelegt. In Ermangelung geeigneter Meßeinrichtungen wurde der überlastungsschutz für derartige Leistungskondensatoren bisher mit Hilfe von Überstrom- und Überspannungsrelais durchgeführt. Diese Einrichtungen erfüllen ihren Zweck jedoch nur in oberschwingungsfreien Netzen einwandfrei. Nachweislich können aber in Netzen mit Oberschwingungen Gesamtströme von wesentlich höherer Stromstärke als in oberschwingungsfreien Netzen zugelassen werden, ohne daß die Leistungsgrenze überschritten wird. Ähnliches gilt auch für die Spannungen. Bei Anwendung der genannten Schutzeinrichtungen wird also der Anwendungsbereich der Kondensatoren mehr als nötig eingeschränkt.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie bezieht auf ein Verfahren zur Überwachung von Kondensatoren in oberschwingungshaltigen Netzen.

Erfindungsgemäß wird als kritische Einflußgröße die Summe der Quadrate der Effektivwerte des Kondensatorstromes und der Kondensatorspannung meßtechnisch erfaßt.

Diesem Überwachungsverfahren liegen folgende Überlegungen zugrunde: Wird ein Kondensator an einer Spannung betrieben, die außer der Grundschwingung noch Oberschwingungen enthält, so ist seine Leistung _m

Verfahren und Einrichtung
zur überwachung elektrischer

Kondens ator en
in oberschwingungshaltigen Netzen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Manfred Hoffmann, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

Dabei sind Cu₁ die Kreisfrequenz der Grundschwingung, η die Ordnungszahl der Oberschwingung und U_n die Effektivspannung der Oberschwingung mit der Ordnungszahl n. Nimmt man zur Vereinfachung der Rechnung an, daß außer der Grundschwingung nur eine einzige Oberschwingung vorhanden ist, so ist

N ^

oder durch die Ströme ausgedrückt

T 2 rs

Außerdem ist der Effektivwert der Gesamtspannung U gleich der geometrischen Summe der Spannung von Grundschwingung U₁ und Oberschwingung U_n:

+ U_nK
Entsprechend gilt für den Strom

n — l

I=IlI₁* + I_nK-Berücksichtigt man ferner, daß
I₁ = U₁(U₁ C

ist, so lassen sich aus den Gleichungen (2) bis (6) nach einfachen Zwischenrechnungen die Unbekannten

909 757/212

U₁, U_n, I₁ und I_n eliminieren, und man erhält für den Effektivwert des Stromes in Abhängigkeit von der Leistung und dem Effektivwert der Spannung die Gleichung

Bezieht man diesen Strom auf den Nennstrom des Kondensators

Oi₁C

^lnenn ^nenn

und setzt man voraus, daß die.Frequenz der Grundschwingung nicht von der Nennfrequenz abweicht, dann ist

— η

Die Effektivwerte des Stromes / und der Spannung U sowie die Leistung N sind in dieser Gleichung auf die Nennwerte I_nem, U_nenn und N_nenn bezogen, stellen also normierte Werte dar, so daß abgekürzt geschrieben werden kann:

I U „ N

U_n,

= U_N;

N_n

Damit lautet die Gleichung:

Durch Quadrieren ergibt sich:

Da N_n = konstant und η = konstant ist, ist dies die Gleichung eines Kreises mit dem Radius

Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an einem Kondensator in Netzen mit einer Oberschwingung läßt sich also mittels Kreiskurven darstellen.

In Fig. 1 ist dieser Zusammenhang in drei Kreisen für N_n=I; 1,35 und 1,45 dargestellt. Für den Gültigkeitsbereich dieser Kreiskurven müssen zwei Grenzbedingungen in Betracht gezogen werden:

Die eine Grenze ist erreicht, wenn keine Oberschwingungen auftreten, also nur die Grundschwingung vorhanden ist, die zweite Grenze ist erreicht, wenn nur eine Oberschwingung und keine Grundschwingung vorhanden ist. In diesen beiden Fällen, in denen es sich jeweils nur um eine einzige Frequenz handelt, besteht natürlich ein linearer Zusammenhang zwischen Strom und Spannung, der sich durch eine Gerade darstellen läßt. In Fig. 1 sind zwei solche Geraden eingezeichnet, für die beiden Fälle, daß nur die Grundwelle bzw. nur die fünfte Oberschwingung vorhanden ist. Im ersteren Falle gilt die Beziehung:

bzw. In =

Im zweiten Falle ergibt sich dieBeziehung :I_N=5 U_n.

Gemäß den in der genannten Kreisgleichung dargestellten Zusammenhängen ist es nun möglich, die Leistung eines Kondensators zu ermitteln und diesen Wert als Signal für Auslöse- oder Regeleinrichtungen zu verwenden.

Es ist dazu erforderlich, die Summe der Quadrate der Effektivwerte bzw. die Quadrate vom Vielfachen der Effektivwerte von Kondensatorstrom und Kondensatorspannung zu ermitteln und zu addieren.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Anordnung. Darin ist der zu schützende Leistungskondensator mit 1 bezeichnet. Die Wirkungsweise der Anordnung ist dabei kurz folgende: Ein Bimetallstreifen 2 wird beheizt, und zwar einmal über die Heizwicklung 5, die von einem in dem Wandler 3 gebildeten und mit einem Widerstand 4 eingestellten, der Kondensatorspannung proportionalen Strom durchflossen wird. Die zweite Wicklung 8 wird von

ίο einem dem Kondensatorstrom proportionalen Strom gespeist, der über den Wandler 6 abgegriffen und über den Justierwiderstand 7 eingestellt wird. Dadurch tritt eine dem Quadrat der Spannung und des Stromes des Kondensators 1 proportionale Verformung des Bimetallstreifens 2 auf, die über ein nicht gezeichnetes Getriebe auf die Anzeigeeinrichtung 10 bzw. gleichzeitig auch auf die einstellbare Schalteinrichtung 9, die z. B. im Regelkreis der Anlage liegt, übertragen wird.

ao Wesentlich ist, daß zwei elektrische Meßeinrichtungen, deren Anzeige dem Quadrat der zugeführten Ströme proportional ist, so zusammengeschaltet sind, daß der Ausschlag der gemeinsamen Anzeigeeinrichtung der Summe der Effektiv wer te der zugeführten Meßströme proportional ist. Diese Einrichtungen arbeiten entsprechend der eingangs aufgeführten Ableitung streng exakt beim Vorhandensein nur einer Oberwelle bekannter Ordnung. Treten mehrere Oberschwingungen auf, so· ist die Messung nicht mehr genau. Oberschwingungen, deren Ordnungszahl höher ist als diejenige, für die die Messung berechnet ist, täuschen eine jeweils höhere Belastung des Kondensators vor. Die Messung ist dann zwar nicht mehr genau, aber die tatsächliche Belastung des Kondensators ist mit Sicherheit nicht größer als die gemessene. Trotz dieser Einschränkung wird der Leistungsbereich des Kondensators bei einem derartigen Überlastungsschutz gegenüber den eingangs erwähnten Schutzeinrichtungen, wie z. B. Überstrom- und Überspannungsrelais, die an ein bestimmtes Wertepaar von Strom und Spannung gebunden sind, wesentlich erweitert.

Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis ist es zweckmäßig, die Schutzeinrichtung grundsatzlich für die kleinste Ordnungszahl der auftretenden Oberschwingungen zu bemessen.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß nach diesen Prinzipien gebaute Schutzeinrichtungen insbesondere auch für Siebkreiskondensatoren Verwendung finden können, da in diesen mit einem besonders starken Auftreten von Oberschwingungen zu rechnen ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Überwachung elektrischer Kondensatoren in oberschwingungshaltigen Netzen, dadurch gekennzeichnet, daß als kritische Einflußgröße die Summe der Quadrate der Effektivwerte des Kondensatorstromes and der Kondensatorspannung meßtechnisch erfaßt wird.

2. Überwachungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom- und ein Spannungsmeßsystem, deren Stellgrößen jeweils dem Quadrat des ihnen zugeführten Meßstromes proportional sind, so miteinander gekoppelt sind, daß sich ihre Stellgrößen addieren.

3. Überwachungseinrichtung für Kondensatoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

Strommeßeinrichtungen Verwendung finden, die nach dem Stromwärmeprinzip arbeiten.

4. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Bimetallstreifen mit zwei Heizwicklungen, von denen die eine in einem Strommeßpfad und die andere in einem Spannungsmeßpfad der zu satorwicklung liegt.

überwachenden Konden-

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 032 843; deutsche Patentschrift Nr. 601 784.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen