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Erdschlußschutzeinrichtung für in Starn geschaltete Zum Schutz von
in Stern geschalteten Wicklungen von elektrischen Maschinen ist es bekannt, neben
der einen Erdschlußstrom treibenden Wicklungsspannung nSt Nennfrequenz auch die
in der Wicklung erzeugte dritte Oberschwingung (bei 50 hz Nennfrequenz 150 Hz) auszunutzen,
um so auch Erdschlüsse in Sternpunktnähe und im Sternpunkt selbst erfassen zu können.
Die Spannung der dritten Oberschwingung ist in jeder der in Stern geschalteten Wicklungen,
in denen jeweils eine Spannung induziert wird, in gleicher Größe und Phasenlage
vorhanden, so daß sich ein von dieser dritten Oberschwingung erzeugter Strom weder
über Ver.
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braucher noch über Kurzschlußpfade zwischen den Leitern schließen
kann. Sie hat jedoch zur Folge, daß eine Spannung zwischen dem Symmetriepunkt des
Dreiphasennetzes und dem Sternpunkt der in Stern geschalteten Wicklungen vorhanden
ist. Diese Verspannung des Sternpunktes hat bei einen Erdschluß im Sternpunkt oder
in einem dem Sternpunkt nahegelegenen Wicklungsteil einen Erdstrom zur Folge, der
über die in Stern geschalteten Wicklungen, die Erdschlußstelle und über ebenfalls
in Stern geschaltete Wicklungen eines Erdungstransformators fließen kann, falls
ein derartiger Erdungstransformator (Transformator mit geerdetem Sternpunkt und
niedriger Nullimpedanz) an die Wicklungen bzw.
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an die mit den Wicklungen verbundenen Leiter angeschlossen ist.
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Dieser Effekt wird bei bekanrten Erdschlußschutzrelais für in Stern
geschaltete Wicklungen ausgenutzt, um eine Erdschlußanzeige auch bei sternpunktnahem
Erdschluß zu gewinnen. Ilierzu dient die im offenen Dreieck geschaltete Sekundärwciklung
eines Erdungstransformators, deren Anschlüsse dann über ein Filter zur Aussiebung
der dritten Oberschwinung an ein Brdschlußschutzrelais geführt sind. Dieses Erdschlußschutzrelais
arbeitet bel einem vollständigen Er Erdschlußschutz £ür die in Stern geschalteten
Wicklungen mit einem Erdschlußschutzrelais zusammen, das mit der natürlichen Verlagerungsspannung
arbeitet, die bei
einem Erdschluß in Klemmennähe durch Verlagerung
des Sternpunktes durch die Betriebsfrequenz auftritt.
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Die zum vollständigen Erdschlußschutz bei einer derartig bekannten
Anordnung ausgenutzte dritte Oberschwingung der in der Wicklung erzeugten Spannung
läßt in dem dafür vorgesehenen 2rdschlußrelais ein durch die Eigenkapazität des
Generators begrencten Strom auch bei fehlerlosem Zustand der Wicklung fließen.
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Das Erdschlußrelais muß daher so eingestellt werden, daß es nur bei
einem Wert ansprechen kann, der über diesem bei fehlerfreior Wicklung fließenden
Strom liegt. Beispielsweise bei elektrischen Synchrongeneratoren ist es aber so,
daß die Größe der in den Wicklungen selbst erzeugten dritten Oberschwingungen von
der Verzerrung des Magnetfeldes in der Maschine abhängt, die ihrerseits wieder abhängig
ist vom Belastungsstrom, und zwar nimmt bei vielen elektrischen Maschinen die dritte
Oberschwingung in der Maschinenspannung mit wachsendem Belastungsstiom zunchst zu
und bei Überschreiten bestimmter Werte wieder ab. Um Pehlauslösungen des Erdschlußrelais
zu vermeiden, muß daher die Ansprechschwelle des Erdschlußrelais größer gewählt
werden, als der maximal auftre-tende Strom einer dritten Oberschwinung, die durch
das Erdschluß relais fließen kann. Diese Festlegung der Ansprechgrenze hat aber
zur Folge, daß das Erdschlußrelais relativ unempfindlich i, so daß wiederum die
Gefahr besteht, daß bei kleinem Spannungswert der dritten Oberschwingung auch bei
auftretendem Erdschluß das Erdschlußrelais nich-t anspricht.
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Zur Vermeidung dieses Nachteiles kann man die Ansprechschwelle des
Erdschlußrelais abhängig vom in der Wicklung fließenden Strom machen und zwar derart,
daß das Erdschlußrelais mit zunehrnondem Belas tungsstrom in den in Stern geschalteten
Wicklungen unempfindlicher wird. Eine derartige Maßnahme bringt eine wesentliche
Verbesserung im Verhalten des Erdschlußschutzes für in Stern geschaltete Wicklungen,
ist aber besonders bei bestimmten Typen von Synchrongeneratoren und bei hohen Belastungsströmen
in der Statorwicklung unter Umständen noch zu unempfindlich, da die Oberschwingungsspannung
nicht linear mit dem Belastungsstrom zunimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erschlußschutzeinrichtung
zu
schaffen, bei der die Ansprechempfindlichkeit unabhängig von dem bei fehlerfreiem
Betrieb über die gegen Erde geschaltete Eigenkapazität fließenden Erdstrom ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 durch die im Kennzeichen dieses Patentanspruchs enthaltenden Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unt eransprüchen beschrieben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1, 2a und 3
dargestellt.
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In Fig. 1 ist ein synchrongenerator 1mit drei in Stern geschalteten
Wicklungen 1R, 1S und 1T schematisch dargestellt. Die dem Sternpunkt 2 abgewendeten
Klemmen der Wicklungen 1R, iS und 1T sind an ebenfalls in Stern geschaltete Primärwicklungen
3 eines Erdungstransformators 4 angeschlossen. Der Sternpunkt 5 der Transformatorwicklungen
3 ist mit Erde verbunden. Als Sekundärwicklung besitzt der Erdungstransformator
4 eine im offenen Dreieck geschaltete Wicklung 6, an die einerseits ein Widerstand
7 angeschlossen ist, an dem die mit der normalen 3etriebsfrequenz arbeitende Erdschlußschutzeinrichtung
angeschlossen sein kann.
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Weiterhin ist der Sekundärwicklung 6 des Erdungstransformators 4 eine
Filterstufe 8 nachgeschaltet, an deren Ausgang ein Potentiometer 9 angeschlossen
ist, das mit einem Anschluß und dem Potentiometerabgriff an die Wechselstromanschlüsse
einer ersten Gleichrichteranordnung 10 geführt ist. Die Gleichstromanschlüsse dieser
ersten Gleichrichteranordnung 10 sind an die Wicklung eines Erdschlußschutzrelais
1i angeschlossen. Antiparallel zu den Gleichstromanschlüssen der ersten Gleichrichteranordnung
10 sind die Gleichetromanschlüsse einer zweiten Gleichrichteranordnung 12 geschaltet,
deren Wechselstromanschlüsse über eine zweite Pilterstufe 8a mit der Sekundärwicklung
eines Spannungswandlers 14 verbunden sind. Die Primärwicklung des Spannungswandlers
14 ist zwischen Erde bzw. Sternpunkt 5 des Erdungstransformators 4 und den Sternpunkt
2 der zu schützenden, in Stern geschalteten Wicklungen 1R, 1 und 12 geschaltet.
Die Eigenkapazitäten der in Stern geschalteten Wicklungen bzw. des Synchrongenerators
1, der hier als Beispiel für ein zu schützendes Gerät gewählt ist, sind zum besseren
Verständnis ebenfalls in die Schaltung eingetragen und mit 01 und C2 bezeichnet.
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Im fehlerfreien Betrieb entsteht zwischen dem Sternpunkt 2 und den
netzseitigen klemmen des Generators 1 für jede Phase eine gleichphasige Oberschwingungsspannung
mit dreifacher Netzfrequen@ Diese Oberschwingungsspannung teilt sich auf die Primärwicklung
des Spannungswanãlers 14 und des Erdungstransformators 4 auf.
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Sie verursacht danit einen strom über die Sekundärwicklung des Spannungswandlers
14 mit ebenfalls dreifacher Netzfrequenz, die im Gegensatz zu Störfrequensen unverändert
durch die Filterstufe 8a gelangen und über die zweite Gleichrichteranordnung 12
auf die Reaiswicklung des Relais 11 einwirken kann. In ähnlicher Weise liegt eine
Oberschwingungsspannung an den in Stern geschalteten Transformatorwicklungen 3 des
Transformators 4. Da die Oberschwingungsspannung in den Wicklungen 3 alle gleichphasig
sind, addieren sich die, Beträge in der im offenen Dreieck geschalteten Sekundärwicklung
6 des Erdungstransformators 4, so daß sie ungestört über die erste Filterstufe 8
und ein im Potentiometer 9 einstellbarer Teil derselben über die erste Gleit richteranordnung
10 in entgegengesetzter Richtung auf die Wicklung des Erdschlußrelais 11 einwirken
kann. Damit ist die Möglichkeit gegeben, im fehlerfreien Zustand durch Einstellung
des Potentiometers 9 die Ströme in der ersten Gleichrichteranordnung 10 und der
zweiten Gleichrichteranordnung 12 gleich groß werden zu lassen, so daß keine Spannung
an der Wicklung des Erdschlußschutzrelais 11 anliegt.
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Steigt jetzt während des Betriebes durch Veränderung des Belastungsstromes
in den Wicklungen 1R, 1S und 1T die Oberschwingungsspannung an, so erhöht sich sowohl
der Strom in der Gleichrichteranordnung 12 als auch derjenige in der Gleichrichteranordnung
10 im gleichen Verhältnis. Mit dieser Anordnung ist es also möglich, die Empfindlichkeit
des Erdschlußschutzrelais 11 unabhängig von den Schwankungen der Oberschwingungsspannung
in den zu schützenden Wicklungen 1R, 15 und 1T einzustellen. Die Ansprechempfindlichkeit
dieses Relais ist dann nur noch beschränkt durch eventl. Störeinflüsse vom Netz
her oder durch Unsymmetrien in der Schaltung auf der Primär- bzw. Sekundärseite
des Spannungswandlers 14 und des Erdungstransformators 4, die durch Kapazitätsanderung
der mit C1 und C2 bezeichneten Eigenkapazitäten der Maschinenwieklungen in Folge
Temperaturschwankungen zustande kommen können.
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Will man Unsymmetrien auf der Sekundärseite des Erdungstransformators
4 durch den an die Sekundärwicklung 6 angeschlossenen ohmschen Widerstand 7 - an
den die Schaltung für das mit Nermfrequenz arbeitende Erdschlußschutzrelais augeschlossen
sein kann - auch noch vermeiden, müßte mal ainen zweiten gleichartig geschalteten
Erdungatransformator vorstehen. Zur Kompensation dieses Unsymmetriefehlers läßt
sich eine Schaltung anwenden, wie sie in Figur 2a dargestellt ist. Gleiche Teile
sind hier mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Anstelle eines (leistungsschwachen)
Spannungswandlers zwischen Sternpunkt und Erde ist Im Ausfüirungsbeispiel nach Figur
2 zwischen SternpunSt 2 und t'rde ebenfalls ein Erdungstransformatr 15 vorgesehen,
der beispielsweise in gleicher Yieise aufgebaut und geschaltet ist, wie der Erdungstransformator
4 in Fig. 1. Dieser Transformator kann auch ein Einphasentransformator mit entsprechend
größerer Leistung sein, da die Primärwicklungen des Erdungstransformators 15 einander
unmittelbar parallel geschaltet sind. Die Sekundärwicklungen der Erdungstransformatoren
4 und 15 in Pig. 2a sind über einen Verbindungspunkt 16 einseitig miteinander verbunden
und mit ihrem jeweils anderen Ende stehen sie über einen Widerstand 17 miteinander
in Verbindung. Dieser Widerstand 17 eignet sich damit zusammen mit Widerstand 18
wie der Widerstand 7 in Fig. 1 zum Anschluß einer Erdschlußschutzeinrichtung, die
mit Nennfrequenz arbeitet und klemmennahe Erdschlüsse - nicht aber Erdschlüsse im
Sternpunkt 2 - erfassen kann.
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Zwischen einem Abgriff des Widerstandes 17 und dem Verbindungspunkt
16 ist ein ohmscher Widerstand 18 geschaltet, dessen Spannungsabfall bei fehlerfreiem
Betrieb durch Verstellung des Abgriffes am Widerstand 17 auf Null eingestellt werden
kann.
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Parallel zu dem Widerstand 18 liegt eine Filterstufe 19, deren Ausgang
über eine dritte Gleichrichteranordnung 13 an das Erdschlußrelais @11 angeschlossen
ist. Parallel zum Erdschlußrelais 11 liegt eine vierte Gleichspannungsquelle 20
in Reihe zu einem einstellbaren Widerstand 21. Die vierte Gleichspaannungsquelle
20 ist so gepolt, daß ihr Strom dem von der dritten Gleichrichteranordnung 13 gelieferten
Strom entgegenwirkt. In Fig, 2a ist angedeutet,.daß die in Stern geschalteten Wicklungen
1R, 1S und 1T an ein Netz N angeschloesen sind. In diesem Netz N kdnnen z.B. durch
Anschluß von gesättigten Transformatoren oder
Drosselspulen ebenfalls
Störspannungen entstehen, die sich in Bezug auf den Erdungstransformator 4 zu den
vom ynchrongenerator 1 gelieferten Oberwellenspannungen addieren.
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Lit Hilfe der Gleichs@annungsquelle 20 und dem dazu in Reihe geschalteten
einstellbaren Widerstand 21 ist man nun in der Lage, die Einwirkung dieser Störspannung
auf das Erdschlußrelais 11 ZU kompensieren, wie im Zeigerdiagramm nach Sig. 2b zu.
ersehen ist. Die in Fig. 2a mit Pfeilen gekennzeichneten Spannungen U1 und U2 besitzen
im wesentlichen die gleiche Phasenlage. Yur Spannung U1 addiert sich eine Störspannung
U1S und zur Spannung U2 einc Störspannung U°S mit gegeneinander um 1800 versetzter
Phasenlage. Von den resultierenden, in Fig, 2b gestrichelt eingezeichneten Spannungen
werden durch Gleichrichtung in der dritten Gleichrichteranordnung 13 nur die Differenz
der Betrage Einfluß auf das Erdschlußschutzrelais 11 nehmen können. Diese Differenz
der Beträge entspricht der Spannung UK, die notwendig ist, um im fehlerfreien Betrieb
die Spannung am Erdschlußschutzrelais 11 gleich Null zu machen. Durch Anwendung
der Schaltung nach Fig. 2a ergibt sich also gegenüber der Schaltung nach Fig. 1
die Möglichkeit einer zusätzlichen Symmetrierung von Störspannungen aus dem Netz.
Anstelle des Transformators 15 ließe sich auch ein leistungsschwächerer Spannungswandler
einsetzen, wenn man an diesen einen hochohmigen Belastungswiderstand (Teil des Widerstandes
17 und Widerstand 18) anschließ-t. Da die Belas-tungswiderstände - auf die Primärseite
bezogen - den mit Cl und 02 bezeichneten Eigenkapazitäten elektrisch parallel geschaltet
sind, würden die Ströme in den Transformatoren 15 und 4 verschieden groß werden,
da dann eine Phasenverschiebung der Spannungen U1, U2 in Fig. 2b vorhanden ist.
Eine Möglichkeit, derartige Unsymmetrien auszugleichen, ist bei der Schaltung nach
Fig. 3 gegeben. Diese entspricht weitgehend der Schaltung nach Fig. 2a. Anstelle
des mit drei Wicklungen versehenen Erdungetransformators 15 auf der Sternpunkt-seite
der zu schützenden Wicklungen ist hier ein mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung
versehener Transformator 22 dargestellt. An diese Sekundärwicklung ist ein Belastungswiderstand
25 angeschlossen, der gegenüber dem niederohmig auszuführenden Widerstand 26 an
der Sekundärwicklung des Transformators 4 einen hohen Widerstandswert bçsitzt. Zusätzlich
zu den Schaltungaelementen
nach Fig. 2a ist in die Schaltung nach
Fig. 3 ein Kondensator 23 auf der einen Seite des Widerstandes 17 und eine Drosselspule
24 auf der anderen Seite dieses Widerstandes 17 in die Schaltung eingefügt. Dies
hat zur Folge, daß die in Fig. 3 nt Ua und Ub bezeichneten Spannungen gegeneinander
eine Phasenverschiebung um einen durch die Auslegung des Kondensators 23 und der
lrosselspule 24 gegebenen Winkel einschließt. Dieser Winkel kann nun durch entsprechende
Auslegung der zu beiden Seiten des Widerstandes 17 geschalteten Blindwiderstände
so gewählt werden, daß der Phasenwinkel,der bei ungleichen Belastungswiderständen
zwischen den Spannungen an den Sekundärwicklungen des Erdungstransformators 4 und
des Transformators 22 auftritt, ausgeglichen wird. Im übrigen ist die Funktionsweise
der Schaltung nach Fig. 3 mit derjenigen nach Fig. 2a identisch.