DE19629483A1 - Verfahren zum Überwachen von in Sternschaltung betriebenen Wicklungen des Stators einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von in Sternschaltung betriebenen Wicklungen des Stators einer elek­ trischen Maschine, bei dem die Nullspannung an den Klemmen der Wicklungen gemessen und ihr betriebsfrequenter Anteil als Hilfsmeßgröße zur Gewinnung eines Auslösesignals herangezogen wird und aus der Nullspannung Oberwellen unter Gewinnung einer Zwischenmeßgröße ausgefiltert und die Zwischenmeßgröße zur Bildung eines weiteren Auslösesignals herangezogen wird.

Ein Verfahren dieser Art ist in dem Buch von H. Clemens und K. Rothe "Schutztechnik in Elektroenergiesystemen", 3. Auf­ lage, 1961, Seiten 251 bis 253 beschrieben. Dieses bekannte Verfahren dient zur Überwachung der Ständerwicklung eines Ge­ nerators und wird in der Weise durchgeführt, daß zur Erfas­ sung von Erdschlüssen in den Wicklungen des Stators bis etwa 90% der Wicklungen die Nullspannung an den Klemmen der Wick­ lungen gemessen und ihr betriebsfrequenter Anteil mit einem Grenzwert zur Gewinnung eines Auslösesignals verglichen wird. Um einen Hundertprozent-Schutz der Wicklungen zu erreichen, werden nicht nur die Oberwellen der Nullspannung an den Klem­ men der Wicklungen als einem Meßort erfaßt, sondern es werden zusätzlich an einem weiteren Meßort zwischen dem Sternpunkt der Wicklungen und Erde über einen Spannungswandler die an dieser Stelle auftretenden dritten Oberwellen der Nullspan­ nung abgegriffen. Sind die über die Klemmen der Wicklungen erfaßten Oberwellen größer als die über den Spannungswandler gewonnenen Oberwellen, dann wird dies als Zeichen dafür ange­ sehen, daß ein sternpunktnaher Erdschluß in den Wicklungen des Ständers aufgetreten ist und ein weiteres Auslösesignal erzeugt; beim Auftreten eines der beiden Auslösesignale wird ein Steuersignal für einen Leistungsschalter zum Abschalten der Wicklungen des Stators erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen von in Sternschaltung betriebenen Wicklungen des Stators einer elektrischen Maschine anzugeben, mit dem eine Überwachung auf Erdschlüsse zuverlässig und mit vergleichs­ weise geringem Aufwand durchgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der ein­ gangs angegebenen Art erfindungsgemäß der in die Wicklungen hineinfließende Nullstrom erfaßt und durch Filterung eine den Oberwellen des Nullstromes entsprechende weitere Zwischenmeß­ größe gebildet; beide Zwischenmeßgrößen werden hinsichtlich ihrer Phasenlage zueinander überprüft, und bei einem außer­ halb eines vorgegebenen Winkelbereichs liegenden Phasenwinkel zwischen den beiden Zwischenmeßgrößen wird ein Auslösevor­ signal erzeugt; aus der einen Zwischenmeßgröße wird durch Um­ wertung eine einen unsymmetrischen Betrieb der Wicklungen und/oder Schaltvorgänge berücksichtigende Hilfsgröße gewon­ nen, mit der Hilfsgröße wird ein Schwellenwert eingestellt, und bei einer den Schwellenwert übersteigenden weiteren Zwischenmeßgröße wird ein weiteres Auslösevorsignal erzeugt; bei gleichzeitigem Auftreten beider Auslösevorsignale wird das weitere Auslösesignal gewonnen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht darin, daß bei ihm Meßwerte nur an einem einzigen Meß­ ort, nämlich an den Klemmen der Wicklungen, erfaßt werden, so daß bei einem sehr lang gestreckten Stator einer elektrischen Maschine eine Übertragung von Meßwerten von einem Meßort zu einem anderen nicht erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird darin gesehen, daß mit der aus der einen Zwischenmeßgröße gebildeten Hilfsgröße ein sich in Abhängigkeit von der Nullspannung verändernder Schwellenwert für die weitere Zwischenmeßgröße gewonnen wird, wodurch ein Fehlansprechen bei unsymmetrischem Betrieb oder bei Zu- und Abschaltvorgängen verhindert wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem einen Auslösevorsignal nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung ein zusätzliches Auslösesignal gewonnen. Damit ist sichergestellt, daß ein Auslösesignal auf jeden Fall auch beim Ausbleiben eines weiteren Auslösevor­ signals dann erzeugt wird, wenn das eine Auslösevorsignal für eine relativ lange Zeit angestanden hat.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens werden eine dem betriebsfrequenten Anteil der Nullspannung entsprechende Hilfsmeßgröße und eine dem betriebsfrequenten Anteil des Nullstromes entsprechende weitere Hilfsmeßgröße hinsichtlich ihrer Phasenlage zueinan­ der überprüft, und bei einem außerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs liegenden Phasenwinkel zwischen den beiden Hilfsmeßgrößen wird ein Auslösehilfssignal erzeugt; aus der einen Hilfsmeßgröße wird durch Umwertung eine einen unsymme­ trischen Betrieb der Wicklungen und/oder Schaltvorgänge be­ rücksichtigende weitere Hilfsgröße gewonnen, und mit der wei­ teren Hilfsgröße und bei einer den Schwellenwert überstei­ genden weiteren Hilfsmeßgröße wird ein weiteres Auslöse­ hilfssignal erzeugt; bei gleichzeitigem Auftreten beider Aus­ lösehilfssignale wird das eine Auslösesignal gewonnen.

Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sichergestellt, daß ein Auslösesignal auch dann gebildet wird, wenn aus Oberwellenanteilen des Nullstromes und der Nullspannung gebildete Größen nicht zu einem Steuersignal für einen den Stator abschaltenden Leistungsschalter geführt haben, sich jedoch aus den betriebsfrequenten Anteilen des Nullstromes und der Nullspannung das eine Auslösesignal ab­ leiten läßt.

Auch bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird es als vorteilhaft angesehen, wenn aus dem weiteren Auslösehilfssignal nach einer vorbestimmten Zeitverzögerung ein ergänzendes Auslösesignal gewonnen wird.

Mit besonderem Vorteil läßt sich das erfindungsgemäße Verfah­ ren dann anwenden, wenn der Stator der elektrischen Maschine der Langstator einer Magnetschwebebahn ist, weil in diesem Falle der einzige Meßort an den Klemmen des Langstators von besonderem Vorteil ist; Übertragungsleitungen für Meßsignale sind nämlich nicht erforderlich. Bei von Wicklungen eines Langstators einer Magnetschwebebahn gebildeten Wicklungen wird ständig die Betriebsfrequenz gemessen und bei der Aus­ filterung der Oberwellen des Nullstromes und der Nullspannung berücksichtigt; ein die Wicklungen des Langstators speisender Wechselrichter wird hinsichtlich seines Sternpunktes niederohmig geerdet.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein auf Erdschlüsse zu überwachender Stator mit dem ihn speisenden Teil eines Energieversorgungsnetzes und einer Meßeinrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild und in

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Meßeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie­ dergegeben.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist ein zu überwachender Abschnitt 1 eines als Langstator 1 einer ansonsten nicht weiter darge­ stellten elektrischen Maschine ausgebildeter Stator mit nur aus Darstellungsgründen jeweils doppelt eingezeichneten Wick­ lungen 2, 3 und 4 versehen, die im Stern geschaltet und somit an ihrem jeweils einen Ende in einem Sternpunkt 5 zusammenge­ faßt sind. An Klemmen 6, 7 und 8 des zu überwachenden Ab­ schnittes 1 des Langstators liegt ein Kabelumbauwandler 9, mit dem der Nullstrom Io durch den Abschnitt 1 als Summen­ strom durch die Wicklungen 2, 3 und 4 gemessen wird. Der Null­ strom Io wird über einen Eingang E1 einer Meßeinrichtung 10 zugeführt.

Die Meßeinrichtung 10 ist über einen weiteren Eingang E2 mit der Nullspannung Uo beaufschlagt, die in dem dargestellten Beispiel über Hochspannungswiderstände 11 aus den Spannungen an einem Sammelschienenabzweig 13 mit Phasenleitern 14, 15 und 16 gewonnen ist. An den Sammelschienenabzweig 13 ist über einen Leistungsschalter 17 der zu überwachende Abschnitt 1 des Langstators angeschlossen; der Leistungsschalter 17 ist über eine strichliert angedeutete elektrische Verbindung 18 von der Meßeinrichtung 10 betätigbar. Der Sammelschienenab­ zweig 13 ist ferner mit einem Streckenkabel 19 verbunden, das im Falle einer Magnetschwebebahn über nicht dargestellte Um­ richter gespeist ist. Ferner ist in der Figur nicht gezeigt, daß die Umrichter mit ihrem gemeinsamen Sternpunkt über einen niederohmigen Widerstand mit Erde verbunden sind.

Wie die Fig. 1 ferner erkennen läßt, weist der Abschnitt 1 des Langstators Wicklungskapazitäten nach Erde auf, die als Ersatzkapazitäten 20, 21 und 22 dargestellt sind. Über diese Kapazitäten fließt auch im erdschlußfreien Fall ein Nullstrom über eine Erdverbindung 23 und über den nicht gezeigten Er­ dungswiderstand zum Sternpunkt der ebenfalls nicht darge­ stellten Umrichter.

Die in Fig. 2 in ihrem prinzipiellen Aufbau dargestellte Meßeinrichtung 10 gemäß Fig. 1 ist mit einer Frequenzmeßein­ richtung 30 versehen, die über den Eingang E2 an der Nullspannung Uo liegt und die jeweilige Betriebsfrequenz der elektrischen Maschine ermittelt, die bei einer Magnetschwebe­ bahn großen Änderungen unterliegt. Außerdem ist an den Ein­ gang E2 ein erster Bandpaß 31 angeschlossen, der über die Frequenzmeßeinrichtung 30 jeweils auf die aktuelle Betriebs­ frequenz der elektrischen Maschine abgestimmt ist und daher an seinem Ausgang 32 eine Hilfsmeßgröße MH1 abgibt, die in ihrer Größe nur jeweils dem betriebsfrequenten Anteil der Nullspannung Uo entspricht. Mit der Nullspannung Uo ist ein weiterer Bandpaß 33 beaufschlagt, der mittels der Frequenz­ meßeinrichtung 30 auf die jeweils dritte Oberwelle abgestimmt ist und demzufolge eine Zwischenmeßgröße MZ1 an seinem Aus­ gang 34 abgibt, die der dritten Oberwelle der Nullspannung Uo proportional ist.

Mittels eines zusätzlichen Bandpasses 35, der über den Ein­ gang E1 mit dem Nullstrom Io beaufschlagt ist, wird mit Un­ terstützung der Frequenzmeßeinrichtung 30 eine weitere Hilfs­ meßgröße MH2 gebildet, die der jeweiligen Grundwelle des Nullstromes Io entspricht. Mittels eines ergänzenden Bandpas­ ses 37 wird wiederum mit Unterstützung der Meßeinrichtung 30 an einem Ausgang 38 eine weitere Zwischenmeßgröße MZ2 er­ zeugt, die der dritten Oberwelle im Nullstrom Io proportional ist.

Die Bandpässe 33 und 37 können in Abweichung von den obigen Angaben auf andere nullsystembildende Oberwellen abgestimmt sein.

Wie die Fig. 2 ferner erkennen läßt, wird in einem in der Figur oberen Auswerteteil 39A in später noch näher beschrie­ bener Weise ein Auslösesignal AS1 und in einem in der Figur unteren Auswerteteil 39B ein weiteres Auslösesignal AS2 er­ zeugt. Dazu werden dem Auswerteteil 39B die eine Zwischen­ größe MZ1 und die weitere Zwischenmeßgröße MZ2 zugeführt. Da­ bei werden beide Zwischenmeßgrößen in einem Phasenmeßglied 40 darauf überprüft, ob der Phasenwinkel zwischen ihnen in einem Bereich zwischen 75 bis 105° kapazitiv liegt; ist dies nicht der Fall, dann ist von einem Erdschluß in den Wicklungen des zu überwachenden Abschnittes 1 des Langstators auszugehen, und es wird von einem Schwellenwertbaustein 41 ein Auslöse­ vorsignal AV1 erzeugt. Dieses Signal liegt an einem Eingang 42 eines UND-Gliedes 43. Ein anderer Eingang 44 des UND-Gliedes 43 ist mit einem weiteren Auslösevorsignal AV2 beauf­ schlagt, wenn der eingestellte Schwellenwert eines weiteren Schwellenwertbausteins 45 überschritten ist. Der weitere Schwellenwertbaustein 45 ist mit einem Eingang 46 unmittelbar mit der weiteren Zwischenmeßgröße MZ2 beaufschlagt und liegt mit einem weiteren Eingang 47 an einer Umwertestufe 48, die eingangsseitig mit der einen Zwischenmeßgröße MZ1 beauf­ schlagt ist. In dieser Umwertestufe 48 wird die eine Zwischenmeßgröße MZ1 so umgewertet, daß bei unsymmetrischem Betrieb der elektrischen Maschine oder bei Zu- und Abschalt­ vorgängen an ihrem Ausgang eine Hilfsgröße H1 entsteht, die den Schwellenwert für den weiteren Schwellenwertbaustein 45 so anhebt, daß von der weiteren Zwischenmeßgröße MZ2 kein weiteres Auslösevorsignal AV2 erzeugt wird. Es wird somit der jeweilige Netzzustand berücksichtigt und dafür gesorgt, daß nur bei Erdschlüssen im Abschnitt 1 ein Auslösevorsignal AV2 entstehen kann. In diesem Falle ergibt sich auch das Aus­ lösevorsignal AV2, so daß bei gleichzeitigem Vorliegen des einen Auslösevorsignals AV1 am Ausgang des UND-Gliedes 43 das weitere Auslösesignal AS2 auftritt, auf das hin über ein nachgeordnet es ODER-Glied 49 am Ausgang 50 ein Steuersignal ST auftritt, mit dem der in Fig. 1 dargestellte Leistungs­ schalter 17 betätigbar ist.

Ein zusätzliches Auslösesignal AS3 ergibt sich dann, wenn nach einer vorgegebenen Zeitdauer, die von einer Zeitstufe 51 bestimmt ist, das eine Auslösevorsignal AV1 noch immer an­ steht, weil dies dann ein Zeichen dafür ist, daß im Abschnitt 1 ein Erdschluß aufgetreten ist, obwohl das weitere Auslöse­ signal AS2 nicht aufgetreten ist. Auch in diesem Falle wird dann das Steuersignal ST an den Leistungsschalter abgegeben.

Der in seinem Aufbau dem Auswerteteil 39B entsprechender Aus­ werteteil 39A arbeitet ähnlich wie der Auswerteteil 39B, nur werden hier betriebsfrequente Anteile des Nullstromes Io und der Nullspannung Uo verarbeitet. Dies geschieht in der Weise, daß die eine Meßhilfsgröße MH1 und die weitere Hilfsmeßgröße MH2 in einem weiteren Phasenmeßglied 61 hinsichtlich ihrer Phase miteinander verglichen werden; ergibt sich auch hier, daß ein Phasenwinkel zwischen 75 und etwa 105° kapazitiv ver­ lassen wird, dann spricht eine Schwellenwertstufe 62 an und gibt ein Auslösehilfssignal AH1 an ein weiteres UND-Glied 63 ab. Die eine Hilfsmeßgröße MH1 wird außerdem einer Umwer­ tungsschaltung 64 zugeführt, in der eine weitere Hilfsgröße H2 gebildet wird. Mit dieser weiteren Hilfsgröße ist dafür gesorgt, daß eine nachgeordnete Schwellenwertanordnung 65 nur dann an ihrem einen Ausgang 66 ein weiteres Auslöse­ hilfssignal AH2 abgibt, wenn der zu überwachende Abschnitt 1 nicht durch Unsymmetrien oder Zu- und Abschaltvorgängen ge­ stört ist. Zur Gewinnung des weiteren Auslösehilfssignals AH2 liegt an einem Eingang 67 der Schwellenwertanordnung 65 die weitere Meßhilfsgröße MH2; überschreitet diese weitere Meß­ hilfsgröße MH2 in ihrem Wert jeweils mit der weiteren Hilfs­ größe H2 eingestellten Schwellenwert, dann tritt am Ausgang der Schwellenwertanordnung 65 das weitere Auslösehilfssignal AH2 auf, das ebenfalls an einem Eingang des UND-Gliedes 63 liegt. Treten beide Auslösehilfssignale AH1 und AH2 gleich­ zeitig auf, dann wird am Ausgang des UND-Gliedes 63 das eine Auslösesignal AS1 erzeugt, das über das ODER-Glied 49 zur Ausgabe eines Steuersignals ST für den Leistungsschalter 17 führt.

Steht das eine Auslösehilfssignal AH1 am Ausgang der Schwel­ lenwertstufe 62 für eine Zeitdauer an, die größer als die von einem weiteren Zeitglied 68 vorgebende Zeitdauer ist, dann wird auch ein ergänzendes Auslösesignal AS4 an das ODER-Glied 49 abgegeben und daraufhin das Steuersignal ST erzeugt.

Nach den vorangehenden Ausführungen dürfte verständlich sein, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren sehr gut mittels einer Datenverarbeitungsanlage durchführen läßt, der über Ab­ tast-Halte-Schaltungen und Analog-Digital-Wandler dem Null­ strom Io und der Nullspannung Uo entsprechende digitale Werte zugeführt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Überwachen von in Sternschaltung betriebenen Wicklungen (2, 3, 4) eines Stators (1) einer elektrischen Maschine mit nicht wirksam geerdetem Sternpunkt (5) auf Erd­ schlüsse, bei dem

• - die Nullspannung (Uo) an den Klemmen (6, 7, 8) der Wicklungen (2, 3, 4) gemessen und ihr betriebsfrequenter Anteil als Hilfsmeßgröße (MH1) zur Gewinnung eines Auslösesignals (AS1) herangezogen wird und
• - aus der Nullspannung (Uo) Oberwellen unter Gewinnung einer Zwischenmeßgröße (MZ1) ausgefiltert und die Zwischenmeß­ größe (MZ1) zur Bildung eines weiteren Auslösesignals (AS2) herangezogen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der in die Wicklungen (2, 3, 4) hineinfließende Nullstrom (Io) erfaßt und durch Filterung eine den Oberwellen des Nullstromes (Io) entsprechende weitere Zwischenmeßgröße (MZ2) gebildet wird,
• - beide Zwischenmeßgrößen (MZ1, MZ2) hinsichtlich ihrer Phasenlage zueinander überprüft werden,
• - bei einem außerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs liegenden Phasenwinkel zwischen den beiden Zwischenmeß­ größen (MZ1, MZ2) ein Auslösevorsignal (AV1) erzeugt wird,
• - aus der einen Zwischenmeßgröße (MZ1) durch Umwertung eine einen unsymmetrischen Betrieb der Wicklungen und/oder Schaltvorgänge berücksichtigende Hilfsgröße (H1) gewonnen wird,
• - mit der Hilfsgröße (H1) ein Schwellenwert eingestellt wird und bei einer den Schwellenwert übersteigenden weiteren Zwischenmeßgröße (MZ2) ein weiteres Auslösevorsignal (AV2) erzeugt wird und
• - bei gleichzeitigem Auftreten beider Auslösevorsignale (AV1, AV2) das weitere Auslösesignal (AS2) gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - aus dem einen Auslösevorsignal (AV1) nach einer vorgegebe­ nen Zeitverzögerung ein zusätzliches Auslösesignal (AS3) gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine dem betriebsfrequenten Anteil der Nullspannung (Uo) entsprechende Hilfsmeßgröße (MH1) und und eine dem be­ triebsfrequenten Anteil des Nullstromes (Io) entsprechende weitere Hilfsmeßgröße (MH2) hinsichtlich ihrer Phasenlage zueinander überprüft werden,
• - bei einem außerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs lie­ genden Phasenwinkel zwischen den beiden Hilfsmeßgrößen (MH1, MH2) ein Auslösehilfssignal (AH1) erzeugt wird,
• - aus der einen Hilfsmeßgröße (MH1) durch Umwertung eine einen unsymmetrischen Betrieb der Wicklungen und/oder Schaltvorgänge berücksichtigende weitere Hilfsgröße (H2) gewonnen wird,

mit der weiteren Hilfsgröße (H2) ein Schwellenwert einge­ stellt wird und bei einer den Schwellenwert übersteigenden weiteren Hilfsmeßgröße (MH2) ein weiteres Auslöse­ hilfssignal (AH2) erzeugt wird und

• - bei gleichzeitigem Auftreten beider Auslösehilfssignale (AH1, AH2) das eine Auslösesignal (AS1) gewonnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - aus dem einen Auslösehilfssignal (AH1) nach einer vorgege­ benen Zeitverzögerung ein ergänzendes Auslösesignal (AS4) gewonnen wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - bei von Wicklungen (2, 3, 4) eines Abschnittes 1 eines Langstators einer Magnetschwebebahn gebildeten Wicklungen ständig die Betriebsfrequenz gemessen und bei der Ausfilte­ rung der Oberwellen des Nullstromes (Io) und der Nullspan­ nung (Uo) berücksichtigt wird und
• - ein die Wicklungen (2, 3, 4) des Langstators speisender Netz­ teil (19) hinsichtlich seines Sternpunktes niederohmig ge­ erdet wird.