DE2018981C3 - Mehrphasiger Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf :inen mehrphasigen Generator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Generator ist in der DE-PS 9 58 308 beschrieben. Danach ist ein dreiphasiger Generator über drei Einzelleiter mit einem Transformator verbunden, in dem die Spannung für die Übertragung hinauftransformiert wird. Bei Generatoren steigen die Nennleistungen jedoch bis zu 2000 MVA und mehr an, so daß die Leiterströme übermäßig hoch werden, wenn die bestehenden Spannungswerte nicht überschritten werden sollen. Beispielsweise beträgt der Leiterstrom für einen 1350 MVA-Generator bei 26 kV 30 000 A. Der Leiterstrom für einen 2500 MVA-Generator bei 24 kV beträgt bereits 60 000 A.

Bei Mehrphasenstrom-Übertragungssystemen nach DE-PS 5 81 791 ist es bekannt, für jede Phase eine gerade Anzahl von Adern vorzusehen, die nahe beieinander verlegt und so geschaltet sind, daß die Ströme in der Hälfte der Adern der gleichen Phase um 180° gegen die der anderen Hälfte der Adern verschoben sind, wobei die so entstehenden Übertragungs-Teilsysteme elektrisch voneinander getrennt sind. Dabei können die Adern der Phasen deren Ströme um 180° verschoben sind, zu einer Einheit zusammengefaßt und ggf. mit einer gemeinsamen Bewehrung versehen sein.

Bei Generatoreinheiten liegt das Hauptproblem jedoch in der Höhe der Ströme und insbesondere der Kurzschlußströme. Diese sind in der Generatoreinheit viel größer als nach der Transformation auf den Übertragungsleitungen. Außerdem können zwar Streufelder außerhalb der Ummantelung der Leiter auf dem größten Teil der Leiterlänge weitgehend eliminiert

werden, aber in der Nähe der Leiterenden treten diese Probleme weiterhin auf. Auch bezüglich der von den hohen Strömen entwickelten Wärme sind die Schwierigkeiten in einer Generatoreinheit selbst wesentlich gravierender als bei Übertragungsleitungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, in einer Generatoreinheit, die einen Sammelschienenabschnitt und einen Transformator umfaßt, Fehlerströme zu begrenzen und dadurch die elektromechanischen Auswirkungen im Kurzschlußfall herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Generatoreinheit einfach aufgebaut und billiger hergestellt werden kann. So werden allein durch die Verwendung einer größeren Anzahl von Phasen in der Generatoreinheit als bisher die Leitungsströme herabgesetzt (für die gleiche Spannung) und somit wird die Sammelschienenkonstruktion vereinfacht und die Verluste durch die Sammelschienenummantelung werden verkleinert

Weiterhin können durch die Aufspaltung der Wicklung in mehr als einen Phasensatz mit getrennten Mittelpunkten die Leiter von getrennten Phasensätzen mit praktisch entgegengesetzter Phasenlage in einer gemeinsamen Ummantelung geführt werden, wodurch ihre Felder sich weitgehend aufheben und die Verluste der Ummantelung und die Außenfelder weiter verkleinert werden. Bei einem Fehler bzw. einem Schluß von einem oder mehreren der gegenphasigen Leiter rücken die strombegrenzenden Kompensationsimpedanzen, die neutralen Punkte im Potential auseinander und senken die Fehlerströme. Dadurch wird die Wärmebelastung der Generatoreinheit wesentlich gesenkt, die insbesondere bei den ständig steigenden Nennleistungen und den demzufolge zu berücksichtigenden Kurzschlußströmen einen äußerst kritischen Faktor darstellt

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines bekannten Systems aus einem Dreiphasengenerator und getrennten Phasensammelschienen,

Fig. la und Ib sind der Fig. 1 entsprechende Vektordiagramme für Normal- und Fehlerzustände.

Fig.2 ist eine vereinfachte Darstellung einer sechsphasigen Generatoreinheit.

F i g. 2a und 2b sind Vektordiagramme, die den Normal- und Fehlerzuständen für eine Anordnung gemäß F i g. 2 entsprechen.

Fig.3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer sechsphasigen Generatoreinheit mit einem Transformator, durch den sich wieder eine dreiphasige Leistung gewinnen läßt.

F i g. 4 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.

In F i g. 1 ist schematisch ein bekannter dreiphasiger Generator 10 dargestellt, dessen Nuten angeordnet und derart verbunden sind, daß eine Phasenwicklung A, eine Phasenwicklung flund eine Phasenwicklung Centsteht. In bekannter Weise kann jede Phasenwicklung eine oder mehrere Zonenbreiten und einen oder mehrere parallelgeschaltete Kreise aufweisen, die derart angeordnet sind, daß eine Unsymmetrie zwischen den Spulen verhindert ist.

Der neutrale Punkt N der im Stern geschalteten Phasenwicklungen A, B und C ist über eine strombegrenzende Kompensationsimpedanz 11 mit Erde verbunden, die einen Einphasentransformator mit einer Primärspule 12 und einer Sekundärspule 13 τ aufweist, der ein Lastwiderstand 4 parallelgeschaltet ist. Bei einem Fehler bzw. Schluß zwischen einem Leiter und Erde werden die Ströme durch die den Mittelpunkt erdende Kompensationsimpedanz 11 auf Werte in der Größenordnung von 10 A begrenzt.

Die Phasenwicklungen A, B und C sind auf entsprechende Weise mit getrennten Phasensammelschienenabschnitten la, 16, 17 verbunden. Am Beispiel des Phasensammelschienenabschnittes 15 ist dargestellt, daß jeder von ihnen eine geerdete Metallumhüllung 15a η aufweist, die einen Sammelschienenleiter 156 umgibt, welcher von einem Abstandsisolator 15c getragen wird. Derartige Phasensammelschienenabschnitte können verschiedene Formen aufweisen und sind so aufgebaut und konstruiert, daß unerwünschte Wirkungen der 2u Felder von den innen angeordneten elektrischen Leitern auf ein Minimum reduziert sind und daß sie desgleichen den infolge von Wirbelströmen und möglichen Kurzschlüssen entstehenden Kräften standzuhalten vermögen.

F i g. 1 a stellt die Spannungsvektoren für die drei Phasen dar und zeigt eine Verbindung zwischen dem neutralen Punkt und Erde, die über die Primärwicklung 12 des Transformators und eine kapazitive Kopplung hergestellt wird. Fig. Ib gibt die Wirkungsweise dieser jo bekannten Vorrichtung im Falle eines Fehlers wieder. Falls die Phasenwicklung B mit Erde in Berührung kommt, wird der neutrale Punkt N infolge der Sperrwirkung der Kompensationsimpedanz, die durch eine Impedanz 18 gegen Erde dargestellt ist, etwa auf j5 Phasenspannung gegen Erde gelegt Damit erhalten die Phasenwicklungen A und Ceine Spannung gegen Erde, die etwa um den Faktor fö größer ist als die Phasennennspannung.

In Fig.2 ist ein Generator 20 gezeigt, der zwei -to vollständig getrennte Sätze von Dreiphasenwicklungen aufweist Der Phasenwicklungssatz ABC ist zu einem neutralen Punkt N verbunden, während der Phasenwicklungssatz XYZ einen neutralen Punkt M aufweist Die Wicklungen in dem Generator sind in dieser Ausführungsform derart angeordnet, daß die zwei Phasenwicklungssätze ABC und XYZ um 60° gegenüber den erzeugten Phasenspannungen in jeder der Wicklungen verschoben sind. Es können verschiedene Wicklungsschaltungen verwendet werden, um diese Anordnung innerhalb des Generators zu erzeugen. Wicklungsanordnungen zur Herstellung zweier vollständig getrennter Wicklungen auf einem Statorkern eines Generators sind beispielsweise in der US-PS 26 30 540 beschrbben.

Die Wicklungsanordnung gemäß Fig.2 kann dadurch ausgeführt werden, daß die Innenanschlüsse bekannter Wicklungen mit zwei Kreisen durch Umkehrung Mittelpunktverbindungen umgeschaltet werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der neutrale Punkt N des Phasenwicklungssatzes ABC über eine strombegrenzende Kompensationsimpedanz 21 mit Erde verbunden, während der Mittelpunkt Aides Phasenwicklungssatzes AYZgetrennt über eine andere strombegrenzende Kompensationsimpedanz 22 geerdet wird. Diese Impedanzen können mit der in Verbindung mit Fig. I beschriebenen Kompensationsimpedanz H identisch sein. Von den getrennten Phasenwicklungssätaen werden Leiterpaare zu den getrennten Sammelschienenabschnitten 23, 24, 25 geführt Jeder Sammelschienenabschnitt, wie z. B. der Sammelschienenabschnitt 23, enthält zwei Leiter 23a, 236, die von gegenüberliegenden Abstandsisolatoren 23c, 23c/getragen werden. Ein Isolierschild 23e, das sich aus zwei im Abstand angeordneten Trennblechen mit einem dazwischen befindlichen Luftspalt zusammensetzt trennt die zwei Leiter. In einigen Fällen kann zwischen den Leitern auch ein zusätzliches Blech aus dünnem Metall oder ein Schirm vorgesehen sein. Die zwei Leiter sind in einer gemeinsamen Ummantelung 23f eingeschlossen. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß die zwei Leiter in jeder Ummantelung unabhängige neutrale Punkte M und N besitzen. Vorzugsweise sind sie so ausgewählt daß sie eine im wesentlichen entgegengesetzte Phasenlage aufweisen. So befinden sich in der Ummantelung 23 f die Phasenwicklungen C und Z, die praktisch um 180° gegeneinander phasenverschoben sind. Auf ähnliche Weise befinden sich die Leiter der Phasen wicklungen ΥντΛ B als Paar in dem Sammeischienenabschniit 24 und die ' eiter der Phasen A und X sind als Paar in dem Sammelschienenabschnitt 25 angeordnet

F i g. 2a zeigt das Vektordiagramm für den sechsphasigen Generator der die zwei getrennten Dreiphasensätze gemäß F i g. 2 enthält Unter symmetrischen Bedingungen liegen beide neutrale Punkte Λ/und N auf dem gleichen Potential, was durch die einzige Erdung 24 angedeutet ist

Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, liegen bei der vorteilhaftesten Anordnung zwei Leiter mit praktisch entgegengesetzter Phase in der gleichen Sammelschienen-Ummantelung. Im Falle eines Fehlers zwischen 2 Leitungen innerhalb in der Ummantelung, der dem ungünstigsten Zustand entspricht, würden die Spannungsvektoren so zu liegen kommen, wie es in F i g. 2b angegeben ist Hier sei angenommen, daß die zwei Phasenwicklungen δ und Y in dem Saminelscl.ienenabschnitt 24 einen Leitungsschluß gebildet haben. Da die Erdströme vom Mittelpunkt durch die Kompensationsifiipedanzen 21 und 22 begrenzt sind, werden die neutralen Punkte M, Λ/gegenphasig um gleiche Beträge verschoben werden und da die Spannungen an den Phasenwicklungen Sund Yentgegengesetzt sind, fließt entweder zwischen den Leitungen oder nach Erde praktisch kein Fehlerstrom. Obwohl die entsprechenden dielektrischen Beanspruchungen zwischen den keinen Schluß aufweisenden Phasenwicklungen A und X im Sammelschienenabschnitt 25 und zwischen den Phasenwicklungen C und Z im Sammelschienenabschnitt 23 vergrößert sind, werden sie nicht größer als die mit dem Faktor ^multiplizierten vorherigen Werte, was durch die gestrichelte Linie in F i g. 2b dargestellt ist

F i g. 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Generator derart gewickelt ist, daß zwei dreiphasige Sätze entstehen, die um 30° C gegeneinander phasenverschoben sind. Die Generatorwicklung kann in der Weise ausgeführt werden, wie es in der eingangs genannten DE-PS 9 58 308 beschrieben ist. Anstelle der dort angegebenen gemeinsamen Mittelpunkt-Erdverbindung wird der neutrale Punkt Λ/für die Phasen A, B, C jedoch über eine strombegrenzende Kompensationsimpedanz 31, und der neutrale Punkt M des Phasenwickhngssatzes XVZ wird über eine Kompensationsimpedanz 32 geerdet. Die Leiter werden in Paaren durch Sammelschienenabschnitte 23, 24, 25 geführt, die in gleicher Weise aufgebaut sein können,

wie es in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben wurde.

Um die zwei dreiphasigen Sätze mit einer Verschiebung von 30° wieder zusammenzufassen, kann eine besondere Transformatoranordnung verwendet werden, um in einem der dreiphasigen Sätze für eine Phasenverschiebung von 30° zu sorgen. Diese Anordnung ist als eine im Dreieck geschaltete Primärwicklung eines Transformators 33 für die Phasenwicklungen ABC und eine im Stern geschaltete Sekundärwicklung eines Transformators 34 für den Phasenwicklungssatz XYZ dargestellt. Die Wirkungsweise dieser Anordnung würde gegenüber der in Verbindung mit F i g. 2 beschriebenen ähnlich sein, außer daß die entsprechenden Leuerpaare nicht eine Phasenverschiebung von 180". sondern eine Phasenverschiebung von 150° aufweisen. Somit ist die Aufhebung der von den zwei Leitern resultierenden elektromagnetischen Felder nicht so vollständig, wie es der Fall sein könnte, wenn

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t-IIU. L^lllll 311 V_/1IH_ Ulli Ulllt.ll *TIIII\UI TCII IUU pi ICI-St-11 « U I * schoben sind. Nichtsdestoweniger wird eine weitgehende Aufhebung erzielt, so daß die induzierten Ströme und die Verluste in der Ummantelung viel kleiner sind als wenn für jeden der sechs Leiter unabhängige Ummantelungen von praktisch gleichen Abmessungen verwendet wurden. Im Falle eines Leitungsschlusses zwischen den Leitern innerhalb einer Ummantelung oder eines Schlusses zwischen einem einzelnen Leiter und der Ummantelung sind die Fehlerströme durch die Kompensationsimpedanzen 31, 32 wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen auf einen kleinen, nicht zerstörend wirkenden Wert begrenzt. Ährlich wie bei bekannten Systemen können Relaiseinrichtungen verwendet werden, um den Spannungsanstieg am Mittelpunkt zu bestimmen, so daß Trennschalter geöffnet und der Generator abgeschaltet werden können, um den Fehler zu beheben.

In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den Generator derart zu wickeln, daß zwei vollständig getrennte Dreiphasenwicklungssätze entstehen, die um einen Nutenschritt versetzt sind. Ein derartiger Generator 40 ist in F i g. 4 gezeigt, wobei der Winkel für den Nutenschritt stark übertrieben dargestellt ist. Die Phasenwicklungen sind jedoch derart verbunden, daß zwei Dreiphasensätze entstehen, die zeitlich gegeneinander um 180" plus einen Nutenschritt verschoben sind. Die neutralen Punkte M und N sind, wie vorstehend über Kompensationsimpedanzen 41 und 42 geerdet. Die Leiter von Wicklungen mit praktisch entgegengesetzter Phase werden wie oben in Paaren durch Sammelschienenabschnitte 43, 44, 45 herausgeführt. Diese sind in Fig. 4 als koaxiale röhrenförmige Konfigurationen dargestellt, obwohl sie auch wie in Fig. 2 ausgeführt sein können, jeder dieser Sammelschienenabschnitte weist einen Innenleiter, wie z. B. den Innenleiter 43a. einen im Abstand angeordneten koaxialen Außenleiter 43öund eine im Abstand angeordnete koaxiale und geerdete Ummantelung 43cauf. Diese sind durch nicht dargestellte Abstandsisolatoren gegeneinandei isoliert. Es ist ferner möglich, zwischen den röhrenförmigen Abschnitten ein Transformator! hindurchzuleiten, um für eine weitere Isolierung zu sorgen.

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Dreiphasensatz zusammengefaßt durch einen an sich bekannten phasenverschiebenden Transformator. In F i g. 4 sind zwei im Dreieck geschaltete Transformator-Primärwicklungen 46, 47 gezeigt, die mit im Stern geschalteten Sekundärwicklungen 48,49 gekoppelt sind. Die Transformator-Primärwicklung 47 ist mit Zusatzwindungen versehen, wie es mit Ziffer 47a angedeutet ist, um die Phasenverschiebung durch den einen Nutensch itt in der Generatorwickliing zu kompensieren.

Neben den sechsphasigen Generatoren sind jedoch auch andere Mehrphasensysteme verwendbar, in denen die Generatorwicklungen mehr &.!s einen Phasensatz bilden können, die jeweils mit einem eigenen Mittelpunkt versehen sind. Obwohl es beispielsweise in den Figuren nicht gesondert dargestellt ist, können auch zwei Zweiphasensätze verwendet werden. In diesem Falle würden vier Phasenwicklungen verwendet werden, die im Generator um 90° gegeneinander verscho ben sind. Es würden dann zwei Sammelschienenabschnitte vorhanden sein, in denen jeweils zwei Leiter mit einer Phasenverschiebung von 180° zueinander angeordnet sind.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Mehrphasiger Generator, bei dem die Ausgangsanschlüsse einer aus mehreren Strängen bestehenden Generatorwicklung an den Außenanschlüssen ihrer nachgeschalteten Transformatoren anliegen, weiche über dreiphasige Wicklungssysteme mit einem Drehstromsystem verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorwicklung (20; 30; 40; 50) mehr als einen mehrphasigen Wicklungssatz umfaßt, dessen jeweils neutraler Punkt (M, N) über eine strombegrenzende Kompensationsimpedanz (21, 22; 31, 32; 41, 42; 51—53) mit Erde verbunden ist und die Außenanschlüsse der Wicklungssätze mit den Außenanschlüssen der Transformatoren (33, 34; 46—49; 55) über Leiter (23a, 236; 43a, 436; 54) verbunden sind, die paarweise in geerdeten Ummantelungen (23/; 43c) liegen und innerhalb einer Ummantelung entgegengesetzte Phasenlage haben.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Leiter (23a, 236; in der geerdeten Ummantelung (23$ auf getrennten Isolatoren (32c; 23d) angebracht sind, die auf gegenüberliegenden Seiten des Leiterpaares angeordnet sind.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei koaxiale Leiter (43a, 43b) in einer koaxialen geerdeten Ummantelung {43c) angeordnet sind.