DE2108607C3

DE2108607C3 - Erdschlußschutzeinrichtung für elektrische Geräte mit in Stern geschalteten Wicklungen

Info

Publication number: DE2108607C3
Application number: DE19712108607
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Nimes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-02-24
Filing date: 1971-02-24
Publication date: 1974-09-26
Also published as: DE2108607A1; DE2108607B2

Description

Für den Erdschlußschutz elektrischer Geräte, die in Stern geschaltete Wicklungen aufweisen, werden die verschiedensten Anordnungen angewendet, um auch einen Erdschluß im Sternpunkt der Maschine oder in der Nähe desselben erfassen zu können.

Allen Erdschlußschutzeinrichtungen für den Schutz elektrischer Geräte mit in Stern geschalteten Wicklungen ist gemeinsam, daß sie eine Verspannung des Sternpiinktesderdemeleklrischen Gerät zugehörigen Wicklungen gegen Erde ausnützen, um eine Erdschlußanzeige zu erhalten.

Diese Sternpunktvcrspannungkann bei einem Synchrongenerator durch die von ihm erzeugte dritte Überschwingung ohnehin vorhanden sein. In vielen F.illen ist aber nicht sichergestellt, daß diese dritte Oberschwingung bei jedem Belastuugszustand eines

ίο Gerätes vorhanden ist, so daß man zur Sicherstellung einer Spannungsdifferenz /wischen dem Sternpunkt der Wicklungen und Erde eine Spannungsquelle einschalten muß. Als solche Spannungsquelle kann eine Gleichspannungsquelle (deutsche Offenlegungsschrift I 803 858) oder eine Wechselspannungsquelle mit Netzfrequenz (deutsche Offenlegungsschrift I 463 729) oder mit netzfremder Frequenz (deutsche Auslegeschrift 1463 574) verwendet werden. Hierdurch ergeben sich sowohl Vor- als auch Nachteile

2" der ein/einen Erdschluß.schiitzeinrichtungen. Die Schwierigkeit bei der Erfassung eines Erdschlusses in Sternpunktnähe oder im Sternpunkt liegt hauptsächlich darin, daß jedes elektrische Gerät mit einem Netz verbunden ist. während sich der Erdschlußschutz nur auf die Teile erstrecken soll, die galvanisch mit den in Stern geschalteten Wicklungen verbunden sind. Bei einer Synchronmaschine heißt das, daß die Synchronmaschinenwicklung und die Wicklungen eines angeschlossenen Transformators den gegen Erdschluß /u schützenden Bereich darstellen. Diese Wicklungen des Transformators haben gegenüber den übrigen Wicklungen Koppelkapa/itäten. über die Störspannimgeii aus dem Netz auf die Wicklungen des elektrschen Gerätes gelangen können. Diese Störspannun-

gen haben entweder Net/frequenz oder Frequenzen bestimmter Oberscl.wingungen des Netzes. Verwendet man daher zur Verspannung des Sternpunktes gegenüber Erde eine Wechselspannung mit Netzfrequenz, so muß diese, um sie eindeutig gegenüber den vom Netz eingestreuten Störspannungen gewählt werden. Die Hohe der Störspannungen läßt sich grundsätzlich begrenzen durch einen zwischen Sternpunkt und Erde geschalteten Belastungswiderstand, wenn dieser genügend niederohmig gewählt wird, al-

lerdings hat eine derartige Auslegung eines Belastungswiderstandes wiederum die Folge, daß im Erdschlußfalle der Erdschlußstrom erhöht wird.

Will man sowohl eine hohe Verlagerungsspannung als auch einen hohen Erdschlußstrom vermeiden, so kann man als Verlagerungsspannung für den Sternpunkt eine Spannung netzfremder Frequenz wählen. Hierfür sind hohe Frequenzen schlecht geeignet, da sie hohe Ströme über die Erdkapazitäten der in Stern geschalteten Wicklungen und der daran angeschlosseneu Leitungen treiben würden. Niedrige Frequenzen sind da trotz eines höheren Aufwandes für Filteranlagen /ur Aushebung des Stromes mit der Frequenz der Spannungsquelle /wischen Steinpunkt und Erde vorteilhafter, man benotigt aber in jedem Fall eine Spannungsquelle netzfremder Frequenz, im allgemeinen also einen aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten, selbstgeführtcn Wechselrichter (deutsche Auslegeschrift 1463 574).

Die Erfindung betrifft damit eine Erdschlußschutzeinrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmalen, die bereits aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 463 729 bekannt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

<f

ErdschluUschut/einrichiung fur elektrische (ienite mit in Stern geschalteten Wicklungen zu schaffen, hei der trot/ Verwendung einer Verlagerungsspannung mit Net/frequenz eine Unterscheidung getroffen werden kann, ob ein /wischen Sternpunkt und Erde flie-Wender Strom ein Strom ist, der von einer vom Net/ her uherlragenen Störspannungherrührt, oder oh dieser Strom ein infolge der angelegten Verlageruiigsspannung und einem Erdschluß Heißender Fehlerstrom ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen <5 Erdschlußschutzeinrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Fig. 2 a und 2 b bis 5 a und 5 b zeigen die abhängig von der Stellung des Umschalters u\ jeweils im Betrieb befindlichen Teile aus der Schaltung nach Fig. 1. Γη Fig. 6 ist ein Ausfiihrungshcispiel fur die Frd- *° schlußsehutzeinrichlung mit elektronischen Bauelementen dargestellt.

in Fig. 1 ist ein Netz N iiber als Koppelkondensatoren Cl, Cl und C'3 dargestellte b'igenk;ipa/itat eines Transformators mitden Wicklungen einer S\n- *5 chronmaschine .S' verbunden. Die Wicklungen der Synchronmaschine S sind zu einem Sternpunkt Si zusammengefaßt. Dieser Sternpunkt .SV ist über einen Belastungswiderstand RB mit Erde ER verbunden. Die Größe dieses Belastungswiderstandes hesiimmi die Hohe der vom Net/ eingestreuten Störspannungen abhängig von der Größe der vorhandenen Koppelkapa/itäten Cl, C2 und C3, die zwischen den Wicklungen einer· in Fig. 1 nicht eingezeichneten Irans formators vorhanden sein können. J5

Der mittlere Anschluß des Umschaltkontakies u\ eines periodisch betätigten Umschalters U ist uber Erde mit dem Bclastungswiderstand RB verbunden. In der dargestellten Lage ist sein linker äußerer Anschluß über einen Widerstand Rl mit einer Verlagerungsspannungsqiielle £ verbunden. Der andere Anschluß der Vcrlagerungsspariniingsquelle ist an den Sternpunkt Sl des Generators S geführt. Außerdem liegt zwischen den Anschlüssen der Verlagerungsspannimgsqiielle E die Reihenschaltung zweier Widerstande R3 und R4, die damit zusammen mit dem Widerstand Rl und dem Belastungswidersland RIi eine Brückenschaltung bilden. Die zwcile Diagonale dieser Brückenschaltung zwischen Jem gemeinsamen Anschluß des Widerstandes Rl und des Belasiungs-Widerstandes Rh und dem gemeinsamen Anschluß der Widerstände R3 und R4 wird durch die Primärwicklung eines Wandlers Wl und einen Kontakt al des Umschalters U gebildet.

Die Sekundärwicklung ιΚλ Wandlers W\ ist über cmc erste (ilcichrichtcranordnung Gl mit einer Grenzwertstufe G.S'l verbunden, die im vorliegenden Ausfiihrungsbeispiel als Erdschi ußcrfassungsglicd dient, da ein Erdschluß von der Erdschliißschutzeinrichluiig dann angezeigt werden soll, wenn am Ausgang dieser Grenzwertstufc GSl ein Signal vorhanden ist. Parallel zu den Gicichstromanschliisscn der Gleichrichlcranordnung Gl liegt außerdem ein Integrierkondcnsator C4 und ein Enlladewiderstand RS. Antiparalle) zur Gleichrichteranordnung Gl ist eine Gleichrichteranordnung G2 geschaltet, die wcchselstromseitig an di<: Sekundärwicklung eines Wandlers Wl angeschlossen ist. Die Primärwickling dieses Wandlers Wl liegt einerseits am Sternpunkt Sl und andererseits an dein auf der rechten Seite dargestellten Anschluß des Umschaltkontaktes wt. Parallel zu dieser Primärwicklung ist außerdem ein Widerstand Rl geschaltet, der so dimensioniert ist, daß die Belastung zwischen Sternpunkt und Erde sich bei Umschaltung nicht iindert. Der Umschalter U wird in kurzen Zeitabständen betätigt. Damit besitzt die Schaltung nach Fig. 1 eine Wirkungsweise, wie sie an Hand der Fig. 2 his 5 im folgenden erläutert wird.

In den Fig. 2a, 3a, 4a und 5a sind jeweils die Schaltungen dargestellt, wie sie in der in Fig. 1 gezeichneten Stellung der Kontakte des Umschalters U vorhanden sind. In den Fig. 2 b, 3 b, 4 bund 5 b sind die Schaltungen aus Fig. 1 dargestellt, die in der entgegengesetzten Lage zu der in Fig. 1 gezeichneten Stellung des Umschalters U gebildet werden.

Aus Fig. 2a ist zu sehen, daß in der Schalterstellung nach Fig. ) eine Brückenschaltung besteht, in deren einer Diagonalen die Verlagerungsspannungsquelle /:' liegt, während 1.'■'·.: andere Diagonale den Wandler Wl und die Gleichrichteranordnung Gl enthalt. Die Seilender Bruekenschaltungsind von den Widerstanden RH, Rl. Ri und /?4 gebildet. Diese Widerstände sollen so dimensioniert sein, daß die Brucke abgeglichen ist. so daß am Gleichstromausgang der (ileichrichleranordnung Gl die Spannung f.-' - 0 vorhanden ist. In Fig. 2 ist dabei angenommen, daß kein Erdschluß in einer der Wicklungen der Synchronmaschine .S"oder in einem galvanisch damit verbundenen Teil besteht.

Ohne diesen Erdschluß und ohne eine vom Netz /V eingestreute Störspannung ergibt sich auch an der Gleidiriehteranordiumg G2 die Spannung i/= O. Dies ist aus Fig. 2b zu ersehen. In dieser Schaltung hai der Umschaitkoniakl «1 seine in Fig. 1 nicht dargestellte Lage eingenommen. Die Primärwicklung des Stromwandler Wl ist parallel zum Belastungswiderstand RH und zum Widerstand Rl geschaltet, während die Verlagerungsspanniingsquclle E nur einseitig an diesen Stromkreis angeschlossen ist. Ohne Erdschluß und ohne Störspannung ist also weder an der Gleichrichterallordnung Gl noch an der Gleichrichteranordnung G2 eine Spannung vorhanden, so daß die Grenzwertstufe G.S'l lein Ausgangssignal abgibt.

In Fig. .1 ist nun angenommen, daß ein Erdschluß im Generatorsternpimkt besieht. Die in Fig. 3a abgestimmte Bruckenschaliiing ist durch den Parallelpfad /u dem Belastungswiderstand RB verstimmt, so daß sich am Ausgang der Gleichrichteranordnung Gl eine Spannung U - (7, ergibt. Die Spannung /Z₁ ist dabei proportional zur Spannung der Verlagerungsspamuini'squelle E. Aus F i g. 3 ergibt sich, daß wegen 1' angeschalteten Verlageruiigsspannungs-

quene /·.' und wegen des Parallelpfades zum BeIa shingswideistand RH an der Gleichrichteranordir.ing (H kei: j Spannung auftreten kann. In diesem Fall wird also der Integrierkondensator C4in Fig. 1 aufgeladen, so daß die Grenzwertstufc (JSi anspricht und ein Erdschluß gemeldet wird.

In Fig. 4 ist nun angenommen, daß beispielsweise infolge eines Erdschlusses im Netz N eine Störspannung mit Net/.frequenz auf die Wicklungen der Synchronmaschine S gelangt. Hierdurch entsteht ein Spannungsabfall am Belastungswiderstand RB in Fig. 4 a. so daß in der in Fig. I dargestellten Stellung

des Umschalters U auch an der Reihenschaltung tics Widerstandes R4 und der Primärwicklung des Wandlers Wl die Störspannung anliegt. Da der Wan,Her Wl wegen des hohen Widerstandes auf der Gleichstromseite der Cileichiichlcianordnung Gl als sein hochohmig gegenüber R4 angesehen werden kann, wird an ilen Glciclistiomklemmen der Glcichrichleranordnung Gl eine Spannung (I = (J₁, auftreten, wenn mit U₁, die Große der am Bclaslungswiderstaiid abfallenden, vom Net/ eingestreuten Seilspannung >ⁿ bezeichnet wird. Diese Spaniiungsquelle ist parallel zum Belastungswiderstand RIi eingezeichnet. Von der Verlagerungsspannungsquelle E herrührend ergibt sich kein Spannungsanteil an der Gleiehricliteranordnung Gl, da wie in Fig. 2a die Brtickenschal- «s tung abgeglichen isl.

Aus Fig. 4b isl nun zu sehen, daß wiederum die Primärwicklung des Wandlers Wl parallel zum Belastungswiderstand RH liegt, so daß an ihm die vom Netz Neingestreute Störspannung ebenfalls unverän- ^ dert abfällt. Für die Gleichrichlcranordnung (H gilt also ebenfalls L/= U_n. F-Is entstehen also an den Gleichstromanschliisscn der Glcichrichteranordnungen Gl und G2 jeweils pulsierende Gleichspannungen, die versuchen, den Integrierkondensator C'4 in unterschiedlichen Richtungen aufzuladen. Dieser wird daher niemals die Spannung erreichen, die nötig ist, um die Grcnzwcrtstufe GS2 auszusteuern, so daß kein Erdschluß angezeigt wird. Ein vom Netz eingestreute Stürspannung kann also keine Erdschlußanzeige fur die Synchronmaschine S auslösen.

In Fig. 5 ist nun angenommen, daß ein Erdschluß an einem Punkt der Wicklungen der Synchronmaschine S vorhanden ist. Hierbei liegt in Fig. 5 a in der in Fig. 1 dargestellten Lage des Umschalters C paralle) zum Bclastungswiderstand RH eine Span nung (/ = U₂ und ein Widerstand /?6. der als Widerstand der Erdschlußstelle angesehen werden kann. Durch die Parallelschaltung des Belastungswiderstandes RH und des Widerstandes Rd stellt sich wieder eine Verstimmung der Bruckcnschaltung ein. so daß die Spannung U= U₁ + (V₁ am Ausgang der Glcichrichteranordnung Gl auftritt.

In der anderen Schaltstellung des Umschalters (/, die in Fig. I nicht dargestellt ist, gilt im angenommenen Fall die Schaltung nach Fi". 5 b. Wiederum ist dem Belastungswidcrstand RH eine Spannung U₁ und ein Widerstand R6 parallel geschaltet. Damit liegt an der Primärwicklung des Wandl·"-^ W2 wiederum die Spannung U— U₂, während ein Spannungsanteil von 5" der Verlagerungsspannungsquelle £ nicht vorhanden ist. Die Gleichspannungen an den Glcichrichtcranordniingen Gl und G2 sind damit verschieden groß.

so daß wiederum eine Spannung am Aufladekorulen s.iitoi ( 4 auftritt, die ein Ausgangssignal an der (iren/werlslufe GM zur Folge hat. Um zu vermeiden, daß bei bestimmter Große und Phasenlage der Span uungen f/_, und f/, an der Grcn/.wertslufe GM eiiu /u geringe Spannung auftritt, kann man eine sich pe riodisch in Amplitude oder Phasenlage ändernde Spannung fur die Verlagerungsspannungsquelle wählen.

In I- i iz. (i ist nun ein Ausfülmingshcispicl fur die Schaltung nach Fig. I unter Verwendung elektronischer Bauelemente dargestellt. In dieser Figur ist nur der in Fig. I links vom Bclastiingswiderstand RR dargestellte Teil der Schallung wiedergegeben. Der Umschaltkontakt iil in Fig. 1 ist in Fig. ft ersetzt durch zwei Gleichrichtcranordnungcn G3 und i/4, die mit ihren Wechselstromanschlüsscn in gleicher Weise wie der Umschaltkontakt u\ in die Schaltung eingefügt sind, während ihre Glcichstromanschliisse iibcr je einen Transistor TX und T2 unmittelbar miteinander verbunden sind. Der Basisanschluß des Transistors 7Ί ist dabei direkt mit dem Ausgang einer Grenzwenstufe GS2 verbunden, an deren Ausgang eine Wechselspannung liegt, während der Basisanschluß des Transistors Tl mit dem Ausgang der Grenzwettstufe GS2 über eine Umkehrstufe Nl verbunden ist, so daß die Transistoren 71 und Tl immer abwechselnd leitend bzw. gesperrt sind. Unmittelbar an den Ausgang der Grenzwertstufe GS2 ist die Basis eines Transistors Γ3 angeschlossen, der im Gleichstromkreis eitler Glcichricntcranordnung G5 liegt. Diese ist in den Diagonalzwcig zwischen dem gemeinsamen Anschlußpunkt der Widerstände Ri und R4 unter Vorschaltung eines Vorwiderstandes Rl eingeschaltet om\ erfüllt damit die Funktion des Kontaktes i(2 in Fig. 1

Die Wandler M'l und Wl. sind in dieser Schaltung nicht mehr erforderlich. Der Gleichrichleranordnung (12 ist im Unterschied zu Fig. 1 ebenfalls ein Vorwiderstand RH vorgeschaltet, sie liegt ansonsten unmittelbar zwischen der der Arbeitsscitc des Umschaltkontaktes «1 entsprechenden Glcichrichtcranordnung G4 und dem Sternpunkt .Si. Die übrige Schaltung entspricht derjenigen nach Fig. 1 mit dem Unterschied, daß an Stelle der Grcnzwcrtstufe GSl zw:i Gren/.wcrtstufen GSIl und GS12 vorgesehen sind, die jede auf eine Polarität der Spannung ansprechen. An den Ausgang der Grenzwertstufen GSlI und GS12 ist daher ein Oderglicd Ol geschaltet, dessen Ausgangdanndem Ausgang der Grenzwertstufe GSl in Fig. 1 entspricht und ein Signa! liefert, wenn ein Erdschluß in dem zu schützenden Gerät oder einem damit galvanisch verbundenen Teil vorhanden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

.' ■; r c

Claims

Patentansprüche:

1. Erdschlußschutzeinrichtung für elektrische Geräte mit in Stern geschalteten Wicklungen unter Verwendung einer netzfrequenten Verlagerungsspannungzwischen Sternpunkt und Erde sowie einem ebenfalls zwischen Sternpunkt und Erde geschalteten Helastungswiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerungsspannungsquelle (E) in einem Diagonalzweig einer Brückenschaltung (RB, Rl, Λ3, Λ4) liegt, von der ein Zweig durch den zwischen Sternpunkt (Si) und Erde (ER) liegenden Belastungswiderstand (RB) gebildet wird und von der der zweite Diagonalzweig über eine erste Gleichrichteranordnung (Gl) in auslösendem Sinn auf ein Erdschlußerfassungsglied (Grenzwertstufe GSl) einwirkt, und daß in die Brückensehaltungperiodisch schaltende UmschaKir (U) eingefugt sind, die die Brückenschaltung auftrennen und einen Parallelzweig zum Belastungswiderstand (RB) schalten, der über eine zweite Gleichrichteranordnung (Gl) das Erdschlußerfassungsglied (Grenzwertstufe GSl) in sperrendem Sinn beeinflußt.

2. Erdschlußschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdschlußerfassungsglied aus einer Grenzwertstufe (GSl) mit vorgeschaltetem Inteiirierglied (R5. C4) bestoht.

3. Erdschlußschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch pekeiwdchnei, daß der zweite Diagonalzweig der ßrückenschaltung. der über die erste Gleichrichterancrdrü.ng (Gl) in auslösendem Sinn auf das Erdschlußerfassungsglied (Grenzwertstufe GSl) einwirkt, und der Parallelzweig zum Belastungswiderstand (RB) je einen Stromwandler (Wl; Wl) enthalt, deren Sekundärwicklungen an die Wechselspannungsanschlüsse der ersten bzw. zweiten Gleichrichteranordnung (Gl; Gl) angeschlossen sind.

4. Erdschlußschutzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Diagnonalzweig bzw. in den Parallelzweig geschalteten Gleichrichteranordnungen (Gl, Gl) gleichstromseitig zueinander antiparallcl geschaltet sind und daß parallel dazu das Erdschlußerfassungsglied (GSl) liegt.

5. Erdschlußschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Parallelzweig zum Belastungswiderstand (RIS) ein Widerstand (Rl) parallel geschaltet ist, dessen Widerstandswert so bemessen ist, daß sich die zwischen Sternpunkt (Sr) und Erde (ER) vorhandene Belastung bei Betätigung des Umschalters (U) nicht ändert.