DE1234838B

DE1234838B - Fast de-excitation device by means of counter excitation voltage for synchronous machines excited by exciter machines or converters

Info

Publication number: DE1234838B
Application number: DE1961B0065148
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dieter Gruenberg; Dr-Ing Gerhard Hosemann
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1961-12-12
Filing date: 1961-12-12
Publication date: 1967-02-23
Also published as: CH397838A

Description

Schnellentregungseinrichtung mittels Gegenerregungsspannung für über Erregermaschinen oder Stromrichter erregte Synchronmaschinen Gegenstand der Erfindung ist eine Schnellentregungseinrichtung mittels Gegenerregungsspannung für über Erregermaschinen oder Stromrichter erregte Synchronmaschinen, bei der die Gegenerregungsspannung in Abhängigkeit vom Ständerfeld abschaltbar oder verringerbar ist und die Erfassung des Ständerfeldes durch Messung der Statorspannung und des Statorstromes über Wandler erfolgt, die einer elektrischen Steuereinrichtung zur Ausführung der Steuerungsmaßnahmen im Erregerkreis zuführbar sind.Fast de-excitation device by means of counter excitation voltage for over Exciter machines or converters excited synchronous machines are the subject of the invention is a fast de-energizing device by means of counter-excitation voltage for over excitation machines or converter excited synchronous machines, in which the counter excitation voltage can be switched off or reduced depending on the stator field and the detection of the stator field by measuring the stator voltage and the stator current via transducers takes place, which is an electrical control device for executing the control measures can be supplied in the excitation circuit.

Beim Auftreten eines Fehlers im Innern einer Synchronmaschine muß die Energiezufuhr zur Fehlerstelle schnellstens unterbunden werden, wenn der Umfang des entstehenden Schadens auf ein Minimum beschränkt bleiben soll. Dieser Grundsatz gilt vor allem für große Synchronmaschinen, bei denen das Ausmaß der Schäden infolge der Auswirkungen entstehender Lichtbögen sehr erheblich sein kann.If a fault occurs inside a synchronous machine, must the energy supply to the point of failure can be cut off as quickly as possible if the scope the resulting damage should be kept to a minimum. This principle applies especially to large synchronous machines, where the extent of the damage as a result the effects of arcing can be very significant.

Art und Lage eines inneren Fehlers in der Synchronmaschine kann verschieden sein, beispielsweise kann ein Ständererdschluß oder ein symmetrischer oder unsymmetrischer Kurzschluß auftreten. Bei einem Ständererdschluß wird die verkettete Klemmenspannung der Maschine kaum beeinträchtigt, und der nach Erde abfließende Strom ist verhältnismäßig klein. Tritt ein symmetrischer oder unsymmetrischer Kurzschluß auf, so wird die Spannung der betroffenen Phasen stark absinken, während gleichzeitig ein starker Strom fließt.The type and location of an internal fault in the synchronous machine can vary be, for example, a stator earth fault or a symmetrical or asymmetrical Short circuit occur. In the case of a stator earth fault, the linked terminal voltage is the machine is hardly affected, and the current flowing to earth is proportional small. If a symmetrical or asymmetrical short circuit occurs, the Tension of the affected phases drop sharply, while at the same time a strong one Electricity flows.

In Schadensfällen beschriebener Art genügt es nicht, die Maschine sofort vom Netz abzuschalten, sondern man muß für eine rasche Entregung sorgen, da sonst die im Polrad gespeicherte magnetische Energie zusammen mit den Schwungmassen des Polrades den Fehlerstrom auch nach dem Abschalten vom Netz noch einige Zeit aufrechterhalten können.In the event of damage of the type described, it is not sufficient to simply operate the machine immediately disconnect from the network, but you have to ensure rapid de-excitation, otherwise the magnetic energy stored in the pole wheel together with the centrifugal masses of the pole wheel the fault current for some time even after it has been switched off from the mains can maintain.

Die Anwendung der Schnellentregung empfiehlt sich sowohl bei auftretenden Ständererdschlüssen, um die Schäden an den Ständerblechen klein zu halten, als auch bei symmetrischen oder unsymmetrischen Kurzschlüssen, obgleich die entstehenden Kurzschlußströme den Abbau des Polradflusses beschleunigen, so daß hierbei der Entregungsvorgang erheblich rascher vor sich geht. Die zu ergreifenden Maßnahmen gegen die genannten Schäden in kleineren und mittleren Synchronmaschinen sollen hier weniger Beachtung finden, dagegen wird die Anwendung der Schnellentregung bei Schadensfällen in großen Synchronmaschinen im besonderen behandelt.The use of fast de-excitation is recommended for both Stator earth faults to keep the damage to the stator laminations small, as well in the case of symmetrical or asymmetrical short circuits, although the resulting ones Short-circuit currents accelerate the reduction of the pole wheel flux, so that the de-excitation process goes much faster. The measures to be taken against the said Less attention should be paid to damage in small and medium-sized synchronous machines find, on the other hand, the application of the rapid de-energization in cases of damage in large Synchronous machines treated in particular.

Mit Hilfe bekannter Schnellentregungseinrichtungen läßt sich die magnetische Energie der Polradwicklung in verhältnismäßig kurzer Zeit vernichten und damit ein rascher Feldabbau in der Maschine erreichen. Da die Flußänderung in der Zeiteinheit proportional der angelegten Spannungsänderung ist, wird man stets bemüht sein, im ersten Zeitabschnitt der Schnellentregung eine möglichst hohe negative Spannung an die Polradwicklung zu legen. Diese negative Spannung verringert den Polradstrom, der bei weiterem Absinken den Wert Null durchläuft, um dann ebenfalls negative Werte anzunehmen. Der Vorzeichenwechsel des Polradstroms erfolgt auf Grund der in der Dämpferwicklung und im massiven Polradeisen fließenden Ströme bereits nach wenigen Zehntelsekunden oder noch rascher. Zu diesem Zeitpunkt ist der Fluß erst um einige Prozente abgebaut. Daher ist man bei Stromrichtererregung darauf angewiesen, die Anschlüsse des Stromrichters durch einen Stromwendeschalter umzupolen oder eine besondere Gefäßgruppe in Antiparallelschaltung vorzusehen, um einen raschen und vollständigen Abbau des Magnetflusses zu erzielen.The magnetic Destroy energy of the rotor winding in a relatively short time and thus a achieve rapid field degradation in the machine. Because the flow change in the unit of time is proportional to the applied voltage change, one will always endeavor to im the first time segment of the rapid de-energization a negative voltage as high as possible to put on the rotor winding. This negative voltage reduces the rotor current, which passes through the value zero as it falls further, to then also negative values to accept. The change in sign of the rotor current takes place on the basis of the Damper winding and currents flowing in the massive pole iron after just a few Tenths of a second or faster. At this point the flow is only a few Percent reduced. Therefore, one is dependent on converter excitation on the To reverse the connections of the converter using a commutator switch or a to provide a special group of vessels in anti-parallel connection in order to achieve a rapid and to achieve complete removal of the magnetic flux.

Wird die Gegenerregung mit negativer Polradspannung längere Zeit fortgesetzt, so wird der Polradfluß in Längsrichtung allmählich abgebaut, durchläuft den Wert Null und geht auf die entgegengesetzte Richtung über. Bei jedem Entregungsvorgang im Anschluß an einen symmetrischen Fehler im Innern der Maschine würde daher die Spannung oder der Strom durch Null gehen, wenn nur ein Längsfeld vorhanden wäre. In diesem Augenblick müßte die Gegenerregung aufgehoben werden. Als Folge der vorangegangenen Maschinenbelastung ist jedoch noch ein Querfeld vorhanden, auf Grund dessen der Betrag der Spannung und des Stromes nicht den Wert Null durchlaufen, sondern ein vom Wert Null beträchtlich abweichendes Minimum, so daß bei weiter anhaltender Gegenerregung die Fehlerströme in unerwünschter Weise wieder ansteigen.If the counter-excitation is continued for a long time with negative rotor voltage, so the pole wheel flux is gradually reduced in the longitudinal direction, runs through the value Zero and goes in the opposite direction. With every de-excitation process in connection with a symmetrical fault inside the machine, the Voltage or current go through zero if only a longitudinal field were present. At this moment the counter-excitation should be canceled. As a result of the previous Machine load, however, there is still a cross-field, due to which the Amount of voltage and current do not pass through the value zero, but a minimum which deviates considerably from the value zero, so that if the Counter excitation, the fault currents rise again in an undesirable manner.

Noch unübersichtlicher gestalten sich die Verhältnisse bei unsymmetrischen Fehlern in der Maschine, da beispielsweise bei einem Fehler zwischen zwei Phasen sehr große Ströme bei kleiner Spannung fließen, während der Strom in der dritten Phase bei kaum beeinträchtigter Spannung gering ist.The relationships are even more confusing with asymmetrical ones Errors in the machine, for example in the event of an error between two phases very large currents flow at low voltage, while the current in the third Phase is low when the tension is barely affected.

Zwecks Bestimmung des Zeitpunktes, an dem die Gegenerregung aufgehoben werden muß, genügt es nicht, Ströme und Spannungen hinsichtlich ihres Durchganges durch Null zu überwachen, wie das beispielsweise in Anordnungen der Fall ist, die in der österreichischen Patentschrift 173 761 bzw. in der deutschen Patentanmeldung l3940 VIII b/21 dl beschrieben wurden. Eine zeitabhängige Abschaltung der Gegenerregung kommt ebenfalls nicht in Betracht, da der Fluß je nach Fehlerart schnell oder langsam abgebaut werden kann. Die Überwachung des Polradwinkels, d. h. des Winkels zwischen der Achse der Polradwicklung und dem Ständerspannungszeiger ist wiederum schwierig und aufwendig, weil hierfür das Vorhandensein besonderer Geber für die Polradstellung und den Ständerspannungszeiger vorausgesetzt werden muß.For the purpose of determining the point in time at which the counter-excitation is lifted must be, it is not enough to measure currents and voltages with regard to their passage to be monitored by zero, as is the case, for example, in arrangements which in the Austrian patent specification 173 761 or in the German patent application l3940 VIII b / 21 dl. A time-dependent shutdown of the counter excitation is also out of the question, as the flow is fast or slow depending on the type of fault can be broken down. The monitoring of the rotor angle, d. H. of the angle between the axis of the rotor winding and the stator voltage pointer is again difficult and expensive, because this requires the presence of special encoders for the pole wheel position and the stator voltage indicator must be assumed.

Es ist auch bekanntgeworden, aus den vier dreiphasigen Größen Ständerstrom, Ständerstromänderung, Ständerspannung und Ständerspannungsänderung ein Kriterium für den Abbau der Gegenerregung zu schaffen. Bei diesen Anordnungen sind jedoch stets dreiphasige Größen zu überwachen, was einen erhöhten Aufwand erfordert. Außerdem ist bei unsymmetrischen Fehlern nicht erkennbar, welche Phase fehlerhaft ist.It has also become known, from the four three-phase quantities of stator current, Stator current change, stator voltage and stator voltage change are one criterion to create for the reduction of the counter excitation. However, in these arrangements always monitor three-phase variables, which requires increased effort. aside from that In the case of asymmetrical faults, it is not possible to identify which phase is faulty.

Gegenüber diesen umständlichen und mehr oder weniger unzulänglichen Methoden zeigt die Erfindung eine einfache Lösung. Diese Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsmaßnahmen im Minimum des Ständerfeldes auslösbar sind in der Weise, daß aus dem Ständerstrom in einem Gerät und der Ständerspannung in einem Gerät zunächst die Bildung des Mitstromes und der Mitspannung des mitlaufenden Spannungs- und Stromsystems und sodann die Bildung des Differentialquotienten des Mitstromes in einem Gerät und der Mitspannung in einem Gerät erfolgt, und die Steuerungsmaßnahmen im Erregerkreis durch die Steuereinrichtung dann ausführbar sind, wenn nach einer einstellbaren Zeit in den jeweils dem Ständerstrom und der Ständerspannung zugeordneten Geräten entweder der Differentialquotient des Mitstromes oder der Differentialquotient der Mitspannung durch Null auf einen positiven Wert übergeht.Compared to these cumbersome and more or less inadequate Methods, the invention shows a simple solution. This solution is characterized by that the control measures in the minimum of the stator field can be triggered in such a way, that from the stator current in one device and the stator voltage in one device first the formation of the co-current and the co-voltage of the accompanying voltage and current system and then the formation of the differential quotient of the entrainment in a device and the co-voltage takes place in a device, and the control measures in the excitation circuit can then be executed by the control device if according to an adjustable Time in the devices assigned to the stator current and the stator voltage either the differential quotient of the entrainment or the differential quotient of the With voltage passes through zero to a positive value.

Da über die Polradwicklung nur das mitlaufende System beeinflußt werden kann, werden über Strom-und Spannungswandler der mitlaufende Ständerstrom und die mitlaufende Ständerspannung gebildet. Der Zeitpunkt für das Abschalten der Entregung ist dann erreicht, wenn die zeitliche Änderung des Stromes oder der Spannung im Mitsystem durch Null auf positive Werte übergeht. Der durch ein- oder dreiphasige Gleichrichtung gebildete Betrag des mitlaufenden Stromes oder der mitlaufenden Spannung wird daher differenziert und beispielsweise über ein zeitliches Verzögerungsglied auf eine Steuereinrichtung gegeben, welche die Gegenerregung abschaltet oder zurücksteuert. Das Verzögerungsglied soll z. B. bei einem Ständererdschluß, bei dem die Ständerspannung nach der Lastabschaltung noch anwachsen kann, eine Fehlschaltung verhindern. Das Verzögerungsglied ist so einzustellen, daß der Nulldurchgang des Strom- oder Spannungsbetrages im Mitsysteai auch bei Klemmenkurzschluß und maximaler Gegenerregung noch mit Sicherheit erfaßt wird.Since only the running system can be influenced via the rotor winding the stator current and the concurrent stator voltage formed. The time to switch off the de-excitation is reached when the change in current or voltage over time in the Positive sequence passes through zero to positive values. The one by one or three phase Rectification formed amount of the following current or the following voltage is therefore differentiated and, for example, via a time delay element given to a control device, which switches off the counter-excitation or controls it back. The delay element should z. B. in the case of a stator earth fault in which the stator voltage can still increase after the load cut-off, prevent faulty switching. That The delay element is to be set in such a way that the current or voltage value crosses zero in the Mitsysteai even with terminal short-circuit and maximum counter-excitation still with certainty is detected.

Nach einem Merkmal der Erfindung wird zum Abbau des verbleibenden Querfeldes in an sich bekannter Weise (deutsche Auslegeschrift l079179) ein niederohmiger Widerstand parallel zu den Polradschleifringen geschaltet. sobald die Gegenerregung aufgehoben wird. Dieser Entregungswiderstand kann auch zwecks Entlastung eines Polwendeschalters eingeschaltet werden, der zur Umschaltung eines zur Entregung im Nulldurchgang des Polradstromes vorgesehenen Stromrichters dient.According to a feature of the invention is to break down the remaining Cross field in a manner known per se (German Auslegeschrift l079179) a low resistance Resistance connected in parallel to the pole wheel slip rings. as soon as the counter excitation will be annulled. This de-excitation resistor can also be used to relieve a pole reversing switch be switched on, which is used to switch a for de-excitation in the zero crossing of the Polradstromes provided converter is used.

Um den Abbau des Querfeldes zu beschleunigen, kann man gemäß einer bekannten Einrichtung (deutsche Patentschrift 563 562) beispielsweise gleichzeitig mit dem Aufheben der Gegenerregung und dem Parallelschalten des Widerstandes im Polradkreis den Ständer allpolig etwa über einen Erdungstrenner kurzschließen.In order to accelerate the reduction of the cross-field, one can according to a known device (German patent 563 562) for example simultaneously with the cancellation of the counter-excitation and the parallel connection of the resistance in the Pole wheel circuit short-circuit the stator on all poles, for example via an earthing switch.

Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht darin, daß bei Stromrichtererregung der Stromrichtertransformator im Anschluß an das die Schnellentregung einleitende Signal sofort und ohne Phasenvergleich auf das Reservenetz umzuschalten ist. Ein Phasenvergleich ist für den Stromrichtertransformator nicht erforderlich, da sich dieser wie eine ohmsche Last verhält; er kann daher sofort auf das Reservenetz geschaltet werden. Damit ist die rasche Sicherstellung der Gegenerregungsspannung bei einer Störung im Innern einer großen Synchronmaschine gewährleistet.Another feature of the invention is that with converter excitation the converter transformer following the one that initiates the rapid de-excitation Signal is to be switched to the reserve network immediately and without phase comparison. A Phase comparison is not required for the converter transformer because this behaves like an ohmic load; it can therefore be switched to the reserve network immediately will. This ensures that the counter excitation voltage is quickly ensured for a Disturbance inside a large synchronous machine guaranteed.

Die Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung. Mit 1 ist die Ständerwicklung einer Maschine bezeichnet, mit 2 das Polrad. Die Entregungseinrichtung ist am Beispiel eines Stromrichters 3 mit dem Stromrichfiertransformator 4 und dem Polwendeschalter 5 als Erregerstromquelle gezeigt. Im Spannungswandler 7 werden die drei Leitererdspannungen uRE, usE und UTE gemessen. Im Gerät 8 wird der Betrag der Mitspannung um in bekannter Weise durch Phasenschwenkung und geometrische Addition der Leitererdspannungen URE -f- USE - ei 120' -f- UTE . ei 240-sowie durch anschließende Gleichrichtung gewonnen. An Stelle der Leitererdspannungen kann man in Netzen ohne Sternpunkterdung die Spannungen zwischen den Leitern zur Bildung der Mitspannung verwenden, wobei man mit einer (statt zwei) Phasenschwenkungen auskommt. Die Oberschwingungen im Betrag der Mitspannung kann man dadurch reduzieren, daß man neben u"1 auch die supplementäre Spannung um - ei 120' erzeugt und beide in einer Dreiphasenschaltung gleichrichtet. In entsprechender Weise werden in den Stromwandlern 11 die Leiterströme gemessen, daraus in Gerät 12 der Betrag des Mitstromes gewonnen. Die in den Geräten 8 bzw.12 als Gleichspannungen dargestellten Beträge der Mitspannungen bzw. Mitströme werden in den Differenziergeräten 9 und 13 differenziert. 10 und 14 sind Zeitglieder. Das Steuergerät 15 sperrt das Gitter des Stromrichters 3, sobald die Mitspannung oder der 1vlitstrom z. B. nach Ablauf einer in den Zeitgliedern 10 und 14 eingestellten Verzögerungszeit Bleichbleiben oder anwachsen, und schaltet über den Schalter 6 den niederohmigen Entregungswiderstand 16 ein, der das restliche Querfeld abbaut. In gleicher oder ähnlicher Weise kann man auch Synchronphasenschieber und Synchronmotoren ausrüsten. Die Zeitglieder 10 und 14 können unter Umständen auch wegfallen, nämlich dann, wenn sich durch die Wirkungsweise der zur Gewinnung der Mitspannung bzw. des Mitstromes dienenden Geräte 8, 9, 12, 13 bereits eine hinreichende Zeitverzögerung ergibt.The drawing shows an exemplary embodiment according to the invention in a schematic representation. 1 with the stator winding of a machine is designated, with 2 the pole wheel. The de-excitation device is shown using the example of a converter 3 with the converter 4 and the pole reversing switch 5 as the excitation current source. The three conductor earth voltages uRE, usE and UTE are measured in the voltage converter 7. In the device 8, the amount of the co-voltage is increased in a known manner by phase swiveling and geometric addition of the conductor earth voltages URE -f- USE - ei 120 '-f- UTE . ei 240-as well as obtained by subsequent rectification. Instead of the conductor earth voltages, the voltages between the conductors can be used in networks without star point earthing to create the positive voltage, whereby one (instead of two) phase swings can be used. The harmonics in the amount of the co-voltage can be reduced by generating the supplementary voltage by - ei 120 'in addition to u "1 and rectifying both in a three-phase circuit The amounts of the co-voltages or co-currents shown as direct voltages in devices 8 and 12 are differentiated in differentiators 9 and 13. 10 and 14 are timing elements Co-voltage or the 1vlitstrom, for example, after a delay time set in timers 10 and 14 has elapsed, it remains bleach or increases, and switches on the low-resistance de-excitation resistor 16 via switch 6, which reduces the remaining transverse field and equip synchronous motors. The timers 10 and 14 can under U There would also be no need, namely when the operation of the devices 8, 9, 12, 13 used to obtain the co-voltage or the co-current already results in a sufficient time delay.

Wird das Polrad 2 nicht über einen Stromrichter 3, sondern über eine rotierende Erregermaschine erregt, so treten an Stelle der Teile 3, 4 und 5 die Haupt- und Hilfserregermaschine mit dem bekannten, zur Schwingungs- oder Gegenspannungsentregung erforderlichen Zubehör.If the pole wheel 2 is not excited by a converter 3, but by a rotating exciter, the main and auxiliary exciter with the known accessories required for vibration or counter-voltage de-excitation take the place of parts 3, 4 and 5.

Claims

Claims: 1. Fast de-excitation device by means of counter-excitation voltage for synchronous machines excited by excitation machines or converters, in which the counter-excitation voltage can be switched off or reduced depending on the stator field and the stator field is detected by measuring the stator voltage and the stator current via converters, which are an electrical control device for executing the Control measures can be supplied in the exciter circuit, characterized in that the control measures can be triggered in the minimum of the stator field in such a way that the stator current in a device (12) and the stator voltage in a device (8) are initially used to form the co-current (I i, "1) and the co-voltage (1 u,"!) Of the accompanying voltage and current system and then the formation of the differential quotient of the co-current (d i ", ld t) and the co-voltage (d u./d t) in one device ( 9) takes place, and the control measures in the excitation circuit by the control device ng (15) can be executed if, after an adjustable time (T), either the differential quotient of the associated current (d i ", / d t) or the differential quotient of the associated voltage in the devices (14, 10) assigned to the stator current and the stator voltage (d u./d t) passes through zero to a positive value.

2. Fast de-energizing device according to claim 1, characterized in that a resistor (16) can be switched in parallel to the excitation winding of the pole wheel (2).

3. Fast de-energizing device according to claim 1 or 2, characterized in that the stator winding (1) can be short-circuited before, at the same time with or following the disconnection or reduction of the counter-excitation.

4. Fast de-excitation device with power converter supply the excitation via a converter transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the converter transformer (4) upon initiation of the Fast de-energization can be switched to a reserve network immediately and without phase comparison is. Considered publications: German Patent Specifications No. 385 756, 563 562; German Auslegeschrift No. 1079179; German interpretation documents S 29010 VIII b / 21 d1 (announced on November 15, 1956), L 18515 VIII b / 21 dl (published on the 30th

5. 1956); German patent applications S 3227 VIII b / 21 d1 (announced on September 17, 1953, S 13940 VIIIb / 21 d2 (published on

6 B. 1953); Austrian U.S. Patent No. 173,761.