DE2712975C2 - Stator earth fault protection for generators in block circuit - Google Patents

Stator earth fault protection for generators in block circuit

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Description

Die Erfindung betrifft einen Statorerdschlußschutz für Generatoren in Blockschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a stator earth fault protection for generators in block circuit according to the preamble of claim 1.

Ein solcher Statorerdschlußschutz für Generatoren in Blockschaltung ist aus der DE-AS 14 63 574 bekannt.Such a stator earth fault protection for generators in block circuit is known from DE-AS 14 63 574.

Für den Erdschlußschutz wird im allgemeinen die bei einem Erdschluß auftretende natürliche Verlagerungsspannung des Sternpunktes gegenüber Erde herangezogen. Diese Verlagerungsspannung bringt beim Überschreiten eines bestimmten einstellbaren Wertes ein Erdschlußrelais zum Ansprechen. Ein 100%iger Schutz läßt sich mit dieser Art des Erdschlußschutzes nicht erreichen, da ein auftretender Erdschluß im Sternpunkt oder in der Nähe desselben keine oder nur eine sehr kleine Verlagerungsspannung hervorruft und daher das Erdschlußrelais nicht zum Ansprechen bringt.The earth fault protection generally uses the natural displacement voltage of the star point relative to earth that occurs in the event of an earth fault. This displacement voltage causes an earth fault relay to respond when a certain adjustable value is exceeded. 100% protection cannot be achieved with this type of earth fault protection because an earth fault that occurs in the star point or in its vicinity causes no or only a very small displacement voltage and therefore does not cause the earth fault relay to respond.

Deshalb hat man zur Erzeugung einer Verlagerungsspannung auch schon eine fremde Spannungsquelle herangezogen.For this reason, an external voltage source has been used to generate a displacement voltage.

Die Wahl der Verlagerungsspannung bestimmt das Meßprinzip und damit auch die Zuverlässigkeit der Schutzeinrichtung. Bis heute werden hauptsächlich zwei verschiedene Verlagerungsarten verwendet:

  • a) Beim Statorerdschlußschutz nach der DE-AS 14 63 574 wird als zusätzliche Verlagerungsspannung eine Spannung mit einer von der Betriebsfrequenz abweichenden Frequenz verwendet. Die Methode hat den Vorteil, daß die Messung in hohem Grade von Störgrößen unabhängig ist, so daß die Amplitude der zusätzlichen Verlagerungsspannung sehr niedrig gewählt werden kann. Als Nachteil fällt jedoch ins Gewicht, daß die Erzeugung der Verlagerungsspannung aufwendig ist. Tritt wider Erwarten einmal die gewählte Frequenz im Generator-Nullpfad auf, so würde das Relais falsch ansprechen. Um dies zu vermeiden, ist es beispielsweise bekannt, die niederfrequente zusätzliche Verlagerungsspannung noch zusätzlich über die Zeit zu codieren (z. B. einige Perioden lang durchzulassen, einige Perioden lang zu sperren). Durch die Codierung wird zwar eine Fehlauslösung vermieden, es entsteht aber wiederum der Nachteil, daß das Relais beim Auftreten einer Störspannung mit der Frequenz der zusätzlichen Verlagerungsspannung blockiert wird, d. h. im Falle eines Fehlers funktionsunfähig wird.
  • b) Andere im Stand der Technik bekannte und in der DE-AS 14 63 574 erwähnte Statorerdschlußschutzvorrichtungen verwenden als zusätzliche Verlagerungsspannung eine betriebsfrequente Spannung (50 bis 60 Hz). Wegen der vorhandenen betriebsfrequenten Störungen über den Erdungswiderstand wird die zusätzliche Verlagerungsspannung zu 15% der Phasenspannung gewählt. Der Vorteil des Verfahrens liegt in der billigen Erzeugung der zusätzlichen Verlagerungsspannung Uv mittels Ableitung vom Wechselstromnetz. Es hat aber auch Nachteile, insbesondere eine große Verlagerungsamplitude, und somit schwere und teure Verlagerungswandler.

The choice of displacement voltage determines the measuring principle and thus also the reliability of the protective device. To date, two different types of displacement are mainly used:
  • a) In the case of stator earth fault protection according to DE-AS 14 63 574, a voltage with a frequency that differs from the operating frequency is used as the additional displacement voltage. The method has the advantage that the measurement is largely independent of interference variables, so that the amplitude of the additional displacement voltage can be selected to be very low. A disadvantage, however, is that generating the displacement voltage is complex. If, contrary to expectations, the selected frequency occurs in the generator zero path, the relay would respond incorrectly. To avoid this, it is known, for example, to additionally encode the low-frequency additional displacement voltage over time (e.g. allowing it to pass for a few periods, blocking it for a few periods). Although the coding prevents false triggering, it does have the disadvantage that the relay is blocked when an interference voltage with the frequency of the additional displacement voltage occurs, i.e. becomes inoperable in the event of a fault.
  • b) Other stator earth fault protection devices known in the state of the art and mentioned in DE-AS 14 63 574 use an operating frequency voltage ( 50 to 60 Hz) as an additional displacement voltage. Due to the existing operating frequency interference via the earthing resistance, the additional displacement voltage is selected to be 15% of the phase voltage. The advantage of the method is the inexpensive generation of the additional displacement voltage Uv by deriving it from the AC network. However, it also has disadvantages, in particular a large displacement amplitude, and thus heavy and expensive displacement transformers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Statorerdschlußschutz für Generatoren in Blockschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, der weitgehend unempfindlich gegen auftretende Störeinflüsse ist und der einfach aufgebaut ist.The invention is based on the object of creating a stator earth fault protection for generators in block circuit of the type mentioned at the beginning, which is largely insensitive to occurring interference and which is simply constructed.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.This object is solved by the characterizing features in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet, Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims. The invention is explained below with reference to the embodiments shown in the drawings.

Fig. 1 zeigt das bekannte Prinzip einer einfachen Spannungsmessung zwischen dem Sternpunkt des Generators und Erde, wobei (ohne Anwendung einer Verlagerungsspannung) 95% der Wicklungslänge, von der Klemme zum Sternpunkt hin gemessen, geschützt werden. Mittels der zusätzlichen Verlagerungsspannung Uv, zugeführt über den Wandler W wird der Sternpunkt gegen Erde verlagert, und somit werden die restlichen 5% ebenfalls noch schutztechnisch erfaßt. E ist der Erdungswiderstand U> bedeutet die maximale Spannungsmessung. Fig. 1 shows the well-known principle of a simple voltage measurement between the star point of the generator and earth, whereby (without applying a displacement voltage) 95% of the winding length, measured from the terminal to the star point, is protected. Using the additional displacement voltage Uv, supplied via the transformer W , the star point is shifted towards earth, and thus the remaining 5% is also covered by protection. E is the earth resistance U> means the maximum voltage measurement.

In Fig. 2 ist das Funktionsprinzip des erfindungsgemäß für die Erzeugung der phasenmodulierten Verlagerungsspannung vorgeschlagenen Phasenschwingelementes dargestellt. Das Schutzobjekt (hier ein Netz 1) wird über einen Begrenzungswiderstand 2 mit Hilfe des Wandlers 3 gegen Erde verlagert. Die Verlagerungsspannung Uv wird einer betriebsfrequenten Quelle 4 entnommen. Der Verlagerungswandler 3 besitzt zwei Primärwicklungen 5 und 6, die sich entsprechend über die zwei Triacs 7 und 8 an die Quelle 4 anschließen lassen. Ein Oszillator 9 öffnet abwechselnd die Triacs 7 und 8 mit einer Frequenz l/t 1, so daß die Verlagerungsspannung Uv ihre Phasenlage mit der gleichen Frequenz immer wieder umdreht (Phasenmodulation). Inv dient zur Erzielung der richtigen Steuersignalphasen. In Fig. 3 sind die zwei Phasenlagen von Uv mit Uv1 und Uv2 bezeichnet. Bei einem Isolationsfehler im Schutzobjekt 1 fließt ein von Uv herrührender Strom Iv(Iv1, Iv2 in Fig. 3) durch den Begrenzungswiderstand 2 und erzeugt dort einen Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall wird über den Isolierwandler 12 (Fig. 2) dem Multiplikator 11 am Eingang x zugeführt. Am Multiplikatoreingang y steht als Referenzsignal die Spannung Uv selbst. Um Rückwirkungen von Störströmen über die Impedanzen des Verlagerungswandlers zu vermeiden, kann das Referenzsignal auch separat synchron erzeugt werden. Dies ist in Fig. 2 der Fall, wo der Referenzsignalgenerator mit dem Oszillator in einem einzigen Block 9 dargestellt ist. Der Meßstrom durch den Widerstand 2 besteht aus einem Nutzsignal Iv und aus einem undefinierbaren Störsignal Is. Is kann beliebige Frequenz, Phasenlage und in gewissen Grenzen auch Amplituden besitzen. Das Produkt am Ausgang des Multiplikators 11 lautet B=Uv x (Iv+Is)=Uv x Iv+Uv x Is. Fig. 2 shows the functional principle of the phase oscillation element proposed according to the invention for generating the phase-modulated displacement voltage. The object to be protected (here a network 1 ) is displaced to earth via a limiting resistor 2 with the aid of the converter 3. The displacement voltage Uv is taken from an operating frequency source 4. The displacement converter 3 has two primary windings 5 and 6 which can be connected to the source 4 via the two triacs 7 and 8. An oscillator 9 alternately opens the triacs 7 and 8 at a frequency l / t 1 so that the displacement voltage Uv repeatedly reverses its phase position at the same frequency (phase modulation). Inv is used to achieve the correct control signal phases. In Fig. 3 the two phase positions of Uv are designated Uv 1 and Uv 2 . In the event of an insulation fault in the protected object 1 , a current Iv (Iv 1 , Iv 2 in Fig. 3) originating from Uv flows through the limiting resistor 2 and generates a voltage drop there. This voltage drop is fed to the multiplier 11 at input x via the insulation transformer 12 ( Fig. 2). The voltage Uv itself is available as a reference signal at the multiplier input y . In order to avoid feedback from interference currents via the impedances of the displacement transformer, the reference signal can also be generated separately and synchronously. This is the case in Fig. 2, where the reference signal generator with the oscillator is shown in a single block 9. The measuring current through the resistor 2 consists of a useful signal Iv and an indefinable interference signal Is. Is can have any frequency, phase position and, within certain limits, amplitude. The product at the output of multiplier 11 is B=Uv x (Iv+Is)=Uv x Iv+Uv x Is.

Der Anteil Uv-Is ist bei Integration über eine beliebig lange Zeit tg gleich Null. Damit gibt es am Widerstand 2 eine Unterscheidungsmöglichkeit zwischen dem Nutzstrom Iv, der nur bei einem Fehler fließen kann, und allen möglichen Störströmen Is. Die Integration erfolgt am Filter 13.The Uv-Is component is zero when integrated over any length of time tg. This makes it possible to distinguish between the useful current Iv, which can only flow in the event of a fault, and all possible interference currents Is at resistor 2. The integration takes place at filter 13 .

Bei einem Versuchsprototyp wurden folgende Werte als günstig befunden:
Uv=2% der Netzphasenspannung
t1=60 ms, wobei die Triacs nur 45 ms lang gezündet werden, die übrigen 15 ms dienen als Sicherheitszeit, um gleichzeitiges Zünden beider Triacs durch Störströme zu vermeiden
13=Filter 12. Ordnung( ≙50 dB)
In a test prototype, the following values were found to be favorable:
Uv=2% of the mains phase voltage
t 1 =60 ms, whereby the triacs are only fired for 45 ms, the remaining 15 ms serve as a safety time to avoid simultaneous firing of both triacs due to interference currents
13=Filter 12th order(≙50 dB)

Fig. 4 zeigt den Anschluß des Phasenschwingelementes an die Blockschaltung 1 Generator-Transformator. Die Verlagerung geschieht über den offenen Dreieck- Spannungswandler 14 mit ungefähr 2% der Phasenspannung. Bei einem Erdfehler, z. B. an der Stelle 15, sinkt die Impedanz der Sekundärseite des Spannungswandlers so tief, daß der Nutzstrom Iv über den Widerstand 2 fließen und dort gemessen werden kann. Sämtliche Störströme durch den Widerstand 2 einschließlich derjenigen, die durch den Erdschluß selbst hervorgerufen werden, sind durch die Art der Meßmethode ausgesiebt. Fig. 4 shows the connection of the phase oscillation element to the block circuit 1 generator-transformer. The displacement takes place via the open delta voltage transformer 14 with approximately 2% of the phase voltage. In the event of an earth fault, e.g. at point 15 , the impedance of the secondary side of the voltage transformer drops so low that the useful current Iv can flow through the resistor 2 and be measured there. All interference currents through the resistor 2 , including those caused by the earth fault itself, are filtered out by the type of measuring method.

Um den Schaltungsaufwand des Multiplikators und des darauf folgenden Filters in Grenzen zu halten, kann ab If=0,5 x Ifmax auf eine einfache betriebsfrequente Messung nach Art des normalen 95% -Statorerdschlußschutzes umgeschaltet werden, wobei If (Fig. 4) der Fehlerstrom nach Erde ist.In order to keep the circuit complexity of the multiplier and the subsequent filter within limits, it is possible to switch to a simple operating frequency measurement in the manner of the normal 95% stator earth fault protection from If=0.5 x If max , where If ( Fig. 4) is the fault current to earth.

Die bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung verwendete, in der Phase variierende Verlagerungsspanung Uv kombiniert die Vorteile beider oben erwähnten, konventionellen Methoden a und b. Die Verlagerungsspannung Uv ist betriebsfrequent und kann leicht erzeugt werden, was auch bei der Methode a der Fall ist. Andererseits kann die Amplitude von Uv in Übereinstimmung mit Methode b relativ klein gemacht werden.The phase-varying displacement voltage Uv used in the solution proposed by the invention combines the advantages of both the above-mentioned conventional methods a and b . The displacement voltage Uv is at operating frequency and can be easily generated, which is also the case with method a . On the other hand, the amplitude of Uv can be made relatively small in accordance with method b .

Claims (7)

1. Statorerdschlußschutz für Generatoren in Blockschaltung mit einer Einrichtung (3-9) zur spannungsmäßigen Verlagerung des Generatorsternpunktes gegen Erde mittels einer zusätzlichen netzfrequenten Verlagerungsspannung (U v ) gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Phase der von der genannten Einrich- i0 tung (3-9) erzeugten zusätzlichen Verlagerungsspannung (U v ) ist im Sinne einer Phasenschwingung dauernd zwischen zwei Lagen hin- und hergeschaltet, - ein von dem im Verlagerungskreis fließenden Strom (I v ) abngeleitetes Meßsignal ist dem einen Eingang (x) eines Multiplikators (11) zugeführt, - an den zweiten Eingang (y) des Multiplikators (11) ist ein Referenzsignal angelegt, das der phasenmodulierten zusätzlichen Verlagerungsspannung (U v ) entspricht, - das Produktsignal am Ausgang des Multiplikators (11) ist einem Filter (13) mit Integrationswirkung zugeführt. 1. Stator earth fault protection for generators in block circuit with a device ( 3-9 ) for the voltage displacement of the generator star point against earth by means of an additional mains frequency displacement voltage ( U v ) , characterized by the following features: - the phase of the additional displacement voltage ( U v ) generated by the device (3-9) mentioned is continuously switched back and forth between two positions in the sense of a phase oscillation, - a measuring signal derived from the current ( I v ) flowing in the displacement circuit is fed to one input ( x ) of a multiplier ( 11 ), - a reference signal corresponding to the phase-modulated additional displacement voltage ( U v ) is applied to the second input ( y ) of the multiplier ( 11 ), - the product signal at the output of the multiplier ( 11 ) is fed to a filter ( 13 ) with integration effect. 2. Statorerdschlußschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3-9) zur spannungsmäßigen Verlagerung des Generatorsternpunktes gegen Erde folgende Elemente auf- a0 weist: - einen Wandler (3) mit zwei Primärwicklungen (5, 6) und einer Sekundärwicklung, - eine betriebsfrequente Quelle (4), die mit dem einen Pol an dem Verbindungspunkt der beiden Primärwicklungen (5, 6) des Wandlers (3) und mit dem anderen Pol parallel an die Eingänge zweier elektronischer Schalter (7, 8) angeschlossen ist, deren Ausgang jeweils mit dem freien Ende einer der Primärwicklungen (5, 6) verbunden ist, und - einen Oszillator (9), der an die Steuerelektroden der elektronischen Schalter (7, 8) angeschlossen ist und durch dessen Ausgangssignal die elektronischen Schalter (7, 8) abwechselnd geöffnet werden. 2. Stator earth fault protection according to claim 1, characterized in that the device ( 3-9 ) for the voltage shift of the generator star point to earth has the following elements: - a converter ( 3 ) with two primary windings ( 5 , 6 ) and one secondary winding, - an operating frequency source ( 4 ) which is connected with one pole to the connection point of the two primary windings ( 5 , 6 ) of the converter ( 3 ) and with the other pole in parallel to the inputs of two electronic switches ( 7 , 8 ), the output of each of which is connected to the free end of one of the primary windings ( 5 , 6 ), and - an oscillator ( 9 ) which is connected to the control electrodes of the electronic switches ( 7 , 8 ) and whose output signal alternately opens the electronic switches ( 7 , 8 ). 3. Statorerdschlußschutz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Oszillators (9) eine Periode von 60 ms aufweisen. 3. Stator earth fault protection according to claim 2, characterized in that the output signals of the oscillator ( 9 ) have a period of 60 ms. 4. Statorerdschlußschutz nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (7, 8) Triacs sind. 4. Stator earth fault protection according to claims 2 or 3, characterized in that the electronic switches ( 7 , 8 ) are triacs. 5. Statorerdschlußschutz nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verlagerungsspannung (U v ) bis zu 2% der Netzphasenspannung beträgt. 5. Stator earth fault protection according to claims 1 to 4, characterized in that the additional displacement voltage ( U v ) is up to 2% of the mains phase voltage. 6. Statorerdschlußschutz nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Oszillators (9) als Zündsignal nur für bis zu 45 ms an den Steuerelektroden der Triacs (7, 8) ansteht. 6. Stator earth fault protection according to claims 2 to 5, characterized in that the output signal of the oscillator ( 9 ) is present as an ignition signal at the control electrodes of the triacs ( 7 , 8 ) only for up to 45 ms. 7. Statorerdschlußschutz nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlagerungskreis ein Begrenzungswiderstand (2) vorgesehen ist, daß der Begrenzungswiderstand (2) parallel an die Primärwicklung eines Isolierwandlers (12) angeschlossen ist und daß die Sekundärspannung des Isolierwandlers (12) als Meßsignal dem einen Eingang (x) des Multiplikators (11) zugeführt ist. 7. Stator earth fault protection according to claims 1 to 6, characterized in that a limiting resistor ( 2 ) is provided in the displacement circuit, that the limiting resistor ( 2 ) is connected in parallel to the primary winding of an insulating transformer ( 12 ) and that the secondary voltage of the insulating transformer ( 12 ) is fed as a measuring signal to one input ( x ) of the multiplier ( 11 ).
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