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Schnellentregungseinrichtung für elektrische Maschinen Die Erfindung
betrifft eine Schnellentregungseinrichtung für elektrische Maschinen, welche durch
Gegenerregung beim Abschalten der Maschine im Falle innerer oder äußerer Fehler
die vorhandene Erregung ausgleicht, wobei die Gegenerregung im günstigsten Augenblick
abgeschaltet werden soll.
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Bei Fehlern in oder in der Nähe von Generatoren genügt es nicht, die
zugehörigen Schalter für den Haupt- und Erregerstromkreis abzuschalten. Die Spannung
wird trotzdem noch aufrechterhalten und bei Fehlern innerhalb des Generators können
auch weiterhin Ströme fließen. Die Erregung klingt beim Abschalten nicht sofort
ab und induziert daher weiter Spannungen. Man hat deshalb das Magnetfeld in solchen
Fällen über einen Widerstand kurzgeschlossen oder eine Gegenerregung eingeschaltet,
welche dem normalen Erregerstrom entgegengesetzt gepolt ist und daher versucht,
das Feld so schnell wie möglich abzubauen. Nach dem Abbau des Feldes darf aber die
Gegenerregung nicht bestehen bleiben, damit kein Gegenfeld entsteht. Man muß also
darauf achten, daß die Gegenerregung in dem Augenblick abgeschaltet wird, wenn die
Feldstärke durch Null geht.
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Um diesen Zeitpunkt richtig zu erfassen, hat man bei bekannten Einrichtungen
ein Spannungsrelais vorgesehen, welches an den Spannungswandler des Generators angeschlossen
ist, also die Spannung an der Generatorklemme überwacht. Wird diese Null, so ist
auch die Erregung im gleichen Augenblick Null. Dies stimmt aber nur angenähert und
nicht in allen Fällen. Bei Generatoren entstehen nicht nur Längsfelder, welche durch
den Magnetisierungsstrom erzeugt werden, sondern es sind bekanntlich auch Querfelder
vorhanden. Daher geht die induzierte Spannung am Generator nicht in jedem Fall auf
Null herunter, auch wenn die Gegenerregung die Längskomponente kompensiert hat.
Das erwähnte Spannungsrelais muß dann mindestens so hoch eingestellt sein, daß es
oberhalb der vom Querfeld erzeugten Spannung anspricht bzw. abfällt. Wählt man die
Abfallspannung zu tief, so fällt das Relais nicht ab und schaltet die Gegenerregung
nicht aus. Da das Spannungsrelais nicht feststellen kann, ob die Spannung vom Längs-
oder Querfeld herrührt, ist eine Abschaltung im richtigen Zeitpunkt nicht gewährleistet.
Man hat daher versucht, den Abbau der Felder rechnerisch und experimentell zu ermitteln,
um festzustellen, wann das Feld die Ansprechspannung des Relais erreicht und welche
Zeit zwischen dem Erreichen dieser Spannung und dem Nulldurchgang des Längsfeldes
verstreicht. Diese Zeit wurde dann dem Relais als Verzögerungszeit gegeben. Die
Bestimmung dieser Verzögerungszeit ist nun aber bei jedem Generator verschieden
und hängt außerdem auch von der Fehlerart und der dem Fehler vorangegangenen Belastung
ab. Abgesehen von der Rechenarbeit ist also auch das Ergebnis nicht eindeutig.
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Bei einem genauen Studium der Feldverhältnisse im Störungsfalle hat
sich nun ergeben, daß in dem Falle, wo die Gegenerregung wieder ausgeschaltet werden
soll, die durch das Querfeld entstehende Spannungsänderung an der Klemme des Generators
ebenfalls Null ist. Außer dem Spannungs-Null-Durchgang ist also auch der Nulldurchgang
der Spannungsänderung ein Kennzeichen für den richtigen Zeitpunkt der Abschaltung
der Gegenerregung.
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Man hat nun auch Fälle festgestellt, in denen an der Klemme des Generators
die Spannung und die Spannungsänderung schon eine bestimmte Zeit vor dem Nulldurchgang
des Längsfeldes auf Null zurückgegangen ist, nämlich bei einem dreipoligen Kurzschluß
der Maschine. In diesem Falle ist aber das Feld noch nicht abgeklungen und verursacht
das Fließen von Strömen in den Wicklungen. Diese Ströme gehen erst durch Null durch,
wenn das Feld verschwunden ist. Als weiteres Kennzeichen für den richtigen Abschaltaugenblick
der Gegenerregung kann man also auch das Vorhandensein von Strömen und Stromänderungen
ausnutzen.
Es ist bei Schnellentregungseinrichtungen an sich bekannt,
statt die elektrischen Meßgrößen unmittelbar auf den Erregerkreis wirken zu lassen,
die Änderung der Meßgröße auszunutzen.
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Es ist ferner bereits bekanntgeworden, das gleichzeitige Verschwinden
des Stromes und der Spannung im Ständer der Maschine als Kriterium des Nulldurchganges
des Ständerwechselfeldes für die Abschaltung der Gegenerregung auszunutzen. In diesem
Falle wird erreicht, daß mit Sicherheit kein Ständerfeld mehr vorhanden ist. Hiermit
ist wohl eine eindeutige Feststellung des Abschaltmomentes gegeben. Dies gilt aber
nicht für alle Fehlerfälle. Es wurde schon gesagt, daß beim Verschwinden des Längsfeldes
noch ein Querfeld vorhanden sein kann, das eine Spannung erzeugt. Dann ist im günstigsten
Moment nicht zugleich Spannung und Strom Null. Bei der erwähnten bekannten Einrichtung
kann es also vorkommen, daß keine Abschaltung der Gegenerregung erfolgt, obwohl
ein günstiger Moment vorliegt, bis tatsächlich die Gesamtspannung auf Null, also
auch das Querfeld auf Null abgesunken ist. Mit der Anordnung sind wohl; der dreipolige
Kurzschluß und die Fälle zu erfassen, bei denen die Belastungsströme vor dem Fehler
sehr gering waren. Wenn aber ein ein- oder zweipoliger Fehler vorliegt, dann bleibt
das durch die Gegenerregung unbeeinflußte Querfeld und damit eine Spannung bestehen,
so daß die Anordnung dann nicht arbeiten kann.
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Um nun in allen Fällen den richtigen Zeitpunkt für die Abschaltung
der Gegenerregung zu erfassen, ohne dabei für jeden Generator besondere Rechenarbeit
leisten zu müssen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zugleich Unterspannungsrelais
und Spannungsänderungsrelais, angeschlossen an die Klemmenspannung, sowie Unterstromrelais
und Stromänderungsrelais, angeschlossen an der Sternpunktseite der Maschinen, für
die Wiederabschaltung der Gegenerregung vorgesehen werden, die im Bereich des Nulldurchganges
der den Relais zugeführten Größen abfallen, wobei ein vom Strom und/oder von der
Stromänderung beaufschlagtes und ein von der Spannung und/oder der Spannungsänderung
beaufschlagtes Relais abgefallen sein muß.
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Hierdurch erreicht man, daß für alle betrachteten Fälle eine Abschaltung
der Gegenerregung im richtigen Augenblick möglich ist.
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Eine weitere Ausgestaltung dieses Gedankens ist es, vor dem Spannungs-
und Stromkreis je ein Filter vorzusehen, welches nur das Mitsystem durchläßt. Dies
ist vorteilhaft, wenn bei unsymmetrischen Fehlern, also bei ein- oder zweipoligen
Kurzschlüssen, sowie Windungsschlüssen eine starke Gegenkomponente auftritt. Da
das durch die Erregung erzeugte Rotorfeld immer nur eine Mitkomponente hat, kann
nur die Mitkomponente der Klemmenspannung und der Ströme ein Maß für den Zustand
der Erregung sein.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit 1 ist
der zu schützende Generator bezeichnet. In seiner Sternpunktverbindung sind die
Stromwandler 2 vorgesehen, an seiner Klemme die Spannungswandler 3. Beide
Wandler können zugleich auch für andere Schutzsysteme und für die Messung in bekannter
Weise verwendet werden. 4 und 5 sind die Filter für das Mitsystem, welche das Gegen-
und Nullsystem von der angeschlossenen Anlage abhalten. Die Innenschaltung ist nicht
weiter dargestellt, sie besteht in bekannter Weise aus einer geeigneten Kombination
von Impedanzen und Widerständen. An das Filter 4 sind die Spannungsrelais 6 und
7 angeschlossen, von denen das Relais 6 auf Spannungsänderungen, das Relais 7 auf
die Spannung selbst anspricht. Im abgefallenen Zustand sind die Kontakte 8 und 9
dieser Relais geschlossen.
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An das Filter 5 sind die Stromrelais 10 und 11 angeschlossen, von
denen das Relais 10 auf den Strom im Sternpunkt des Generators, also auch
im Generator selbst, das Relais 11 auf die Stromänderung anspricht. Im abgefallenen
Zustand sind die Kontakte 12 und 13 geschlossen.
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An die Kontakte ist ein Hilfsrelais 14 angeschlossen, das die
Unterbrechung der Gegenerregung veranla.ßt. Dies ist, da sie selbst nicht zur Erfindung
gehört, nicht dargestellt.
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Die Schaltung ist nun so getroffen, daß immer mindestens ein vom Strom
und/oder von der Stromänderung beaufschlagtes und ein von der Spannung und/oder
der Spannungsänderung beaufschlagtes Relais abgefallen sein müssen, damit das Hilfsrelais
14 betätigt wird. Dies wird dadurch erreicht, da.ß die Kontakte 12 und 8 sowie 13
und 9 parallel liegen und beide Paare gemeinsam hintereinandergeschaltet sind.
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Die Wirkungsweise ist nun folgende: Bei einem Fehler am oder im Generator
1 wird der nicht gezeichnete zugehörige Leistungsschalter ausgeschaltet und gleichzeitig
damit die Gegenerregung eingeschaltet. Sobald nun entweder die Spannung auf Null
absinkt und gleichzeitig der Strom im Generator, fallen in an sich bekannter Weise
die Relais 7 und 10
ab, und das Hilfsrelais 14 zieht an und bewirkt
dadurch die Abschaltung der Gegenerregung. Dieser Fall tritt beispielsweise bei
einem dreipoligen Fehler an der Generatorklemme auf, wenn keine Querfelderregung
vorhanden ist. Auch bei ein- oder zweipoligen Fehlern, bei denen durch die Belastung
keine Querfelderregung bedingt ist, das heißt also bei kleiner Belastung, genügt
es, die Gegenerregung abzuschalten, wenn die Spannung auf Null und der Strom zugleich
auf Null sinkt. Bei unsymmetrischen Fehlern aber, bei denen vorher eine stärkere
Belastung vorhanden war, tritt ein Querfeld auf. In diesem Falle geht die Spannung
nicht auf Null herunter. Wohl aber tritt keine Spannungsänderung ein, wenn der Strom
gerade Null ist und das Längsfeld verschwunden ist. Um auch diesen Fall zu erfassen,
sind die Spannungsänderungsrelais 6 und das Stromänderungsrelais 11 vorgesehen,
welche dann abfallen und die Gegenerregung wegschalten. Es hat sich gezeigt, daß
in diesem Falle gerade der richtige Augenblick für die Abschaltung gegeben ist.
Bei Klemmenkurzschlüssen sind die Spannungs- und Spannungsänderungsrelais 6 und
7 dauernd abgefallen, während die Strom- und Stromänderungsrelais 10 und 11 im richtigen
Zeitpunkt abfallen. In dem Fall, daß der Fehler auf der Netzseite des Leistungsschalters
liegt, verschwindet der Strom sofort, die Spannung bleibt aber noch erhalten. Dann
sind die Spannungs- und Spannungsänderungsrelais maßgebend für den richtigen Zeitpunkt.
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Der Vorteil der Anordnung ist, daß eine richtige Abschaltung der Gegenerregung
bei allen möglichen Fehlerfällen gewährleistet ist ohne großen Aufwand an Schutzeinrichtungen
und ohne besondere Rechenarbeit leisten zu müssen.