DE1146177B - Earthing device for synchronous generators for the purpose of earth fault protection of the stator winding - Google Patents

Earthing device for synchronous generators for the purpose of earth fault protection of the stator winding

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DE1146177B
DE1146177B DEL36854A DEL0036854A DE1146177B DE 1146177 B DE1146177 B DE 1146177B DE L36854 A DEL36854 A DE L36854A DE L0036854 A DEL0036854 A DE L0036854A DE 1146177 B DE1146177 B DE 1146177B
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Dipl-Ing Reinfried Hauser
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/06Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

Erdungseinrichtung für Synchrongeneratoren zum Zwecke des Erdschlußschutzes der Ständerwicklung Bei Generatoren, die auf Sammelschienen arbeiten und ohne Zwischenschaltung eines Transformators ein Netz speisen, kann die Spannungsverlagerung des Sternpunktes nicht als Kriterium für einen Erdschluß im Generator herangezogen werden, weil bei einem Netzerdschluß die gleiche Erscheinung auftritt. Vom Generatorerdschlußschutz wird nämlich Selektivität verlangt, d. h., er darf nur ansprechen und auslösen, wenn der Erdschluß im Generator liegt. Ein sicheres und eindeutiges Kriterium jedoch gewinnt man aus dem über die Fehlerstelle fließenden Strom. Prinzipiell könnte man auch den kapazitiven Netzerdschlußstrom verwenden, aber praktisch ist dies nicht zweckmäßig, besonders weil dieses Kriterium nur zur Verfügung steht, wenn der Generator am Netz ist und dann auch nur, wenn das Netz nicht kompensiert ist. Um stets einen definierten Strom und klare Ansprechbedingungen für das Erdschlußrelais zu haben, wird deshalb eine Erdungseinrichtung vorgesehen, die im Fehlerfall einen sogenannten künstlichen Erdschlußstrom erzeugt. Derartige Einrichtungen sind bereits bekannt; eine häufig angewendete Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. 1 ist der zu schützende Generator, dessen Sternpunkt über einen mit einem Widerstand 2 belasteten Transformator 3 geerdet ist. Eine Stromwandlergruppe 4 in Summenschaltung bildet mit einem Stromwandler 5 in der Erdverbindung einen Differentialstromkreis, in dessen Querzweig das Erdschlußrelais 6 liegt.Earthing device for synchronous generators for the purpose of earth fault protection of the stator winding For generators that work on busbars and without interconnection of a transformer feed a network, the voltage shift of the neutral point can cannot be used as a criterion for a ground fault in the generator because at the same phenomenon occurs with a mains earth fault. From generator earth fault protection namely, selectivity is required, d. h., he may only address and trigger, if the ground fault is in the generator. A safe and unambiguous criterion, however is obtained from the current flowing through the fault location. In principle, you could also use the capacitive mains earth fault current, but this is not practical expedient, especially because this criterion is only available when the generator is connected to the network and then only when the network is not compensated. To always one to have a defined current and clear response conditions for the earth fault relay, Therefore, a grounding device is provided, which in the event of a fault is a so-called artificial earth leakage current generated. Such devices are already known; a frequently used arrangement is shown in FIG. 1 is the one to be protected Generator whose star point is via a transformer loaded with a resistor 2 3 is grounded. A current transformer group 4 in summation circuit forms with a current transformer 5 in the earth connection a differential circuit, in whose shunt the earth fault relay 6 lies.

Ein zentrales Problem in bezug auf die einwandfreie Erfassung eines Fehlers einerseits und den kostenmäßigen Aufwand für die gesamte Schutzeinrichtung anderrseits ist die Ausbildung der Erdungseinrichtung im Generatorsternpunkt. Es mag naheliegen, die Erdung induktiv vorzunehmen, über eine Drossel also, eine Anordnung, die sehr einfach wäre und keine Wärme erzeugt. Ein künstlicher Erdschlußstrom rein induktiven Charakters ist aber nicht brauchbar, weil dieser durch den kapazitiven Netzerdschlußstrom je nach den Umständen ganz oder teilweise kompensiert werden kann, so daß dann auf der Sekundärseite im Differentialkreis kein Erdschlußkriterium mehr feststellbar ist. Der künstliche Erdschlußstrom muß deshalb ohmisch sein oder wenigsten eine genügend große in Phase mit der Erdschlußspannung liegende Komponente enthalten. Damit taucht aber eine andere Schwierigkeit auf. Arbeitet man mit einem festen ohmschen Widerstand, dann hat man zwar den Vorteil einer sehr einfachen Anpdnung aber der künstliche Erdschlußstrom wächst proportional mit der Erdschlußspannung und es muß n Kauf genommen werden, daß z. B. bei Klemmerdschluß der künstliche Erdschlußstrom das 10fache des Wertes beträgt, der bei einem Erdschluß in 100/0 Entfernungn vom Sternpunkt auftritt, d. h. an der Grenze des üblicherweise ausgeführten, 90'1/o (von der Klemme aus gesehen) betragenden Schutzbereiches. Einmal besteht demnach in diesem Fall der technische Nachteil, daß bei Erdschlüssen in der Nähe der Klemme die Fehlerstelle mit einem ziehlich hohen Strom belastet wird, und zum anderen ist eine sehr schlechte Ausnutzung des Materials gegeben, weil die Erdungseinrichtung für den maximalen Erdschlußstrom ausgelegt werden muß, der ein Vielfaches des kleinsten Stromes beträgt, der das Relais noch mit Sicherheit anregen soll. Ein weiteres Problem ist die Abführung der erzeugten Wärme, da die Einrichtung natürlich auch bei Erdschlüssen im Netz erregt wird, die unter Umständen längere Zeit bestehen können.A central problem with regard to the correct detection of a Error on the one hand and the cost of the entire protective device on the other hand is the formation of the earthing device in the generator star point. It It may seem obvious to establish the grounding inductively, i.e. via a choke, an arrangement which would be very simple and generate no heat. An artificial earth leakage current in inductive character is not usable because this is due to the capacitive Mains earth fault current can be fully or partially compensated depending on the circumstances can, so that there is no earth fault criterion on the secondary side in the differential circuit is more noticeable. The artificial earth fault current must therefore be ohmic or at least one component that is sufficiently large in phase with the earth fault voltage contain. Yet another difficulty arises. Do you work with one fixed ohmic resistance, then you have the advantage of a very simple connection but the artificial earth fault current increases proportionally with the earth fault voltage and it must be taken n purchase that z. B. in the event of a terminal earth fault, the artificial earth fault current 10 times the value in the event of an earth fault at 100/0 distance from the Star point occurs, d. H. at the limit of the usually carried out, 90'1 / o (seen from the terminal) amount of protection area. Once there is therefore in this case the technical disadvantage that with earth faults in the vicinity of the terminal the fault location is loaded with a fairly high current, and on the other hand is given a very poor utilization of the material because the grounding device must be designed for the maximum earth fault current, which is a multiple of the smallest Current is, which should still excite the relay with certainty. Another Problem is the dissipation of the generated heat, since the facility naturally also occurs in the event of earth faults is excited in the network, which may persist for a long time.

Um diese mit einem festen Belastungswiderstand verbundenen Nachteile zu umgehen, sind Einrichtungen mit veränderlichem Belastungswiderstand entwickelt worden, wodurch der künstliche Erdschlußstrom unabhängig von der jeweiligen Höhe der Erdschlußspannung stets ungefähr den gleichen Wert behält. Aber diesem Verfahren haften ebenfalls ziemliche Mängel an. Eine bekannte Einrichtung verwendet z. B. nichtlineare Widerstände in Form von Eisenwiderständen in mit Wasserstoff gefüllten Glaskolben, ein Material, das nicht sehr robust ist und viel Platz und Montagezeit beansprucht. Bei einer anderen Einrichtung ist der Belastungswiderstand mit einem Schleifer ausgerüstet, der durch einen relaisgesteuerten Motorantrieb verstellt wird, was einen verhältnismäßig großen mechanischen Apparat erfordert.To these disadvantages associated with a fixed load resistance To circumvent this, devices with variable load resistance have been developed been, whereby the artificial earth leakage current regardless of the respective height the earth fault voltage always remains approximately the same value. But this procedure there are also quite a few defects. A known device uses e.g. B. non-linear resistances in the form of iron resistances in hydrogen-filled ones Glass bulb, a material that is not very robust and a lot of space and assembly time claimed. In another device, the load resistance is with a Equipped with a grinder controlled by a relay Motor drive is adjusted, which requires a relatively large mechanical apparatus.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erdung des Sternpunktes bzw. des Systemschwerpunktes, insbesondere von Drehstrom-Synchronmaschinen zum Zwecke der Erzeugung eines für die relaismäßige Erfassung von Erdschlüssen in der Ständerwicklung benötigten künstlichen Erdschlußstromes. Erfindungsgemäß wird die Erdung über die Primärwicklung eines Streufeldtransformators hergestellt, dessen Sekundärseite mit einem ohmschen Widerstand belastet ist. Es gelingt auf diese Weise, dem Erdschlußstrom eine ausreichend große, in Phase mit der Erdschluß-Spannung liegende Komponente zu erteilen. Dabei wird durch den Streufeldtransformator die notwendige Strombegrenzung gewährleistet, so daß dieser klein und damit auch der Erdschlußstrom genügend klein gehalten werden kann. Auf der Sekundärseite des Streufeldtransformators ist ein fester ohmscher Belastungswiderstand vorhanden, so daß die eingangs geschilderten Nachteile, die mit dem sonst üblichen veränderlichen Widerstand verbunden sind, wegfallen.The invention relates to an arrangement for earthing the star point or the system focus, especially of three-phase synchronous machines for the purpose the generation of a relay for the detection of earth faults in the stator winding required artificial earth fault current. According to the invention, the grounding is via the Primary winding of a stray field transformer made, the secondary side with is loaded with an ohmic resistance. It succeeds in this way, the earth fault current a sufficiently large component in phase with the earth fault voltage granted. The stray field transformer provides the necessary current limitation guaranteed, so that this is small and thus the earth fault current is sufficiently small can be held. On the secondary side of the stray field transformer is a Fixed ohmic load resistance present, so that the aforementioned Disadvantages associated with the otherwise common variable resistance, fall away.

Zwar ist bereits eine Erdschlußschutzeinrichtung mit einem Relais und einem dem Relais zugeordneten Stromwandler bekannt, der als Sättigungswandler ausgebildet ist. Allerdings handelt es sich hier darum, eine Überlastung der Stromspule des Erdschlußrelais zu verhindern und den Winkelfehler des Wandlers möglichst klein zu halten. Es liegt aber nicht die Aufgabe vor, eine Anordnung zu schaffen, die einen künstlichen Erdschlußstrom erzeugt und die Nachteile der auf diesem Gebiet üblichen Anordnungen vermeidet.There is already a ground fault protection device with a relay and a current transformer assigned to the relay, known as the saturation transformer is trained. However, this is an overload of the current coil to prevent the earth fault relay and the angle error of the converter as small as possible to keep. But it is not the task to create an arrangement that an artificial earth leakage current generated and the disadvantages of the field avoids common arrangements.

Streufeldtransformatoren und ihre stromabhängige Drosselwirkung sind an sich bekannt. Eine der möglichen Ausführungsformen eines solchen Streufeldtransformators ist der Erläuterung halber in Fig. 2 dargestellt.Stray field transformers and their current-dependent choke effect are known per se. One of the possible embodiments of such a stray field transformer is shown in Fig. 2 for the sake of explanation.

Zwischen den beiden, die Primär- bzw: die Sekundärwicklung tragenden Schenkeln 11 bzw. 12 ist ein dritter mit einem Luftspalt versehener Schenkel 13 als magnetischer Nebenschluß angeordnet. Solange die primär angelegte Spannung U, klein ist, das bedeutet, wenn der Erdschluß in der Nähe des Sternpunktes liegt, ist der Schenkel 12 ungesättigt und der von U, erzeugte Fluß wird praktisch ausschließlich über den Schenkel 12 seinen Rückschluß finden; die Sekundärspannung ist, umgerechnet mit dem Windungsverhältnis, praktisch gleich der Primärspannung U, Mit steigender Erdschlußspannung U,. aber wird ein immer größerer Teil des von. ihr im Schenkel 11 erzeugten Flusess über den magnetischen Nebenschluß des Schenkels 13 abfließen und der Fluß im Schenkel 12 nach Erreichen der Sättigung nicht mehr wesentlich ansteigen. Dies wirkt sich so aus, als ob kontinuierlich das Übersetzungsverhältnis geändert bzw. ein veränderlicher induktiver Blindwiderstand vorgeschaltet würde: Die in der Sekundärwicklung erzeugte EMK und damit auch der Belastungsstrom steigen sehr viel weniger als proportional mit der primären Erdschlußspannung U, an. Bei geeigneter Dimensionierung des Streusteges erreicht man einen der Kurve b in Fig. 3 ähnlichen Verlauf des Sekundärstromes J2 in Abhängigkeit von der primären Erdschlußspannung U, Die Gerade a würde in dieser Figur dem Verlauf des Belastungsstromes bei Verwendung eines normalen Transformators entsprechen.Between the two legs 11 and 12 carrying the primary or secondary winding, a third leg 13 provided with an air gap is arranged as a magnetic shunt. As long as the primarily applied voltage U, is small, that is, when the earth fault is in the vicinity of the star point, the leg 12 is unsaturated and the flux generated by U, will find its conclusion almost exclusively via the leg 12; the secondary voltage, converted with the turns ratio, is practically equal to the primary voltage U, as the earth-fault voltage U, increases. but is becoming an ever larger part of the. their fluxes generated in the limb 11 flow away via the magnetic shunt of the limb 13 and the flux in the limb 12 no longer increases significantly after saturation has been reached. The effect of this is as if the transformation ratio were continuously changed or a variable inductive reactance would be connected upstream: The EMF generated in the secondary winding and thus also the load current increase much less than proportionally with the primary earth-fault voltage U. With suitable dimensioning of the scattering web, a course of the secondary current J2 similar to curve b in FIG. 3 is achieved as a function of the primary earth fault voltage U. In this figure, the straight line a would correspond to the course of the load current when using a normal transformer.

Es zeigt sich nun, daß ein Stromverhalten gemäß der Kurve b sehr ideal den Erfordernissen entspricht. Da nämlich in dem Maße, wie die Erdschlußspannung größer wird, auch ein (relativ zum Spannungsabfall am Belastungswiderstand) immer größerer Teil der Erdschlußspannung in gewünschter Weise vom Blindwiderstand des Transformatorstreufeldes aufgezehrt wird, und deshalb auch die Phasenverschiebung zwischen der Erdschlußspannung und dem Strom über den Belastungswiderstand immer größer wird; muß dieser Strom absolut in einem gewissen Maße ansteigen, damit stets eine ausreichend große, mit der Erdschlußspannung in Phase liegende Komponente vorhanden ist. Fig. 4 möge dies erläutern: Unter der idealisierten Voraussetzung; daß die bei Erdschluß in 10-°/o Entfernung vom Sternpunkt auftretende Erdschlußspannung U, voll durch den Spannungsabfall am Belastungswiderstand aufgebraucht wird; kann: der künstliche: Erdschlußstrom durch den Vektor A dargestellt werden. Liegt der Erdschluß in der Nähe der Klemme, dann tritt die maximale Erdschlußspannung (100e/0) auf, und dann muß am Belastungswiderstand ein Spannungsabfall A, entstehen; d. h. der Belastungsstrom muß im Verhältnis i größer sein, damit wieder eine dem Betrag von A 1 gleiche Wirkkomponente vorhanden ist. Der Vektor A3 ist der vom Streublindwiderstand aufgenommene Teil der Erdsehlußspannung.It can now be seen that a current behavior according to curve b is very ideal meets the requirements. Namely to the same extent as the earth fault voltage becomes larger, also a (relative to the voltage drop at the load resistor) always Larger part of the earth fault voltage in the desired manner from the reactance of the Transformer leakage field is consumed, and therefore also the phase shift between the earth fault voltage and the current through the load resistance gets bigger; this current must absolutely increase to a certain extent, and thus always a sufficiently large component in phase with the earth fault voltage is present is. Let FIG. 4 explain this: Under the idealized assumption; that the earth-fault voltage occurring in the event of an earth fault at a distance of 10% from the star point U, fully consumed by the voltage drop across the load resistor; can: the artificial: earth fault current can be represented by the vector A. Is the Earth fault near the terminal, then the maximum earth fault voltage occurs (100e / 0) on, and then a voltage drop A must occur at the load resistor; d. H. the load current must be greater in relation to i, so that it corresponds again to the amount of A 1 the same active component is present. The vector A3 is that of the stray blind resistance recorded part of the ground fault voltage.

Durch Anwendung bekannter geometrischer Lehrsätze ergibt sich, daß A2 = 3,16 - A1 sein muß.By applying known geometric theorems it follows that A2 = 3.16 - A1 must be.

Mit der beschriebenen Erdungseinrichtung kann erreicht werden, daß der Strom über den Belastungswiderstand nur in diesem unbedingt erforderlichen Maße ansteigt. Als weiterer Vorteil einer solchen kombiniert ohmisch-induktiven Erdungseinrichtung sei erwähnt, daß der Blindanteil des von ihr erzeugten künstlichen Erdschlußstromes den kapazitiven Netzerdschlußstrom je nach den Verhältnissen mehr oder weniger kompensiert und dadurch die Fehlerstelle wesentlich entlastet.With the earthing device described can be achieved that the current through the load resistor only to the extent that is absolutely necessary increases. Another advantage of such a combined ohmic-inductive grounding device it should be mentioned that the reactive component of the artificial earth fault current generated by it more or less compensates for the capacitive network earth fault current depending on the circumstances and thereby the point of failure is significantly relieved.

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Anordnung zur Erdung des Sternpunktes bzw. des Systemschwerpunktes, insbesondere von Drehstrom-Synchronmaschinen zum Zwecke der Erzeugung eines für die relaismäßige Erfassung von Erdschlüssen in der Ständerwicklung benötigten künstlichen Erdschlußstromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdung über die Primärwicklung eines Streufeldtransformators hergestellt wird; dessen Sekundärseite mit einem ohmschen Widerstand belastet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1076 243; deutsche Patentschriften Nr. 951021, 673 370, 455160.PATENT CLAIM: Arrangement for earthing the star point or the system center of gravity, in particular of three-phase synchronous machines for the purpose of generating a for the relay-based detection of earth faults in the stator winding required artificial ones Earth fault current, characterized in that the earthing via the primary winding a leakage transformer is produced; its secondary side with an ohmic Resistance is loaded. Publications considered: German Auslegeschrift No. 1076 243; German patents No. 951021, 673 370, 455160.
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