DE2944522A1 - Schutzrelaiseinrichtung - Google Patents
SchutzrelaiseinrichtungInfo
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- H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
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Description
DR.-iNC. ERNST STRATMANN
PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9
29U522
48,165
7972
7972
Düsseldorf, 2. Nov. 1979
Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
. Schutzrelaiseinrichtung
.Die Erfindung betrifft Schutzrelaiseinrichtungen, insbesondere
solche, die dazu dienen, an ein dreiphasiges elektrisches Leistungssystem angeschlossene Turbinengeneratoren gegenüber potentiell
zerstörerischen untersynchronen Oszillationen zu schützen.
Turbinengeneratoren, die elektrische Leistung erzeugen, sind bereits durch Wellendrehmomente erheblich beschädigt worden,
die durch elektrisch ausgelöste mechanische Schwingungen an Resonanzfrequenzen des mechanischen Systems erzeugt wurden.
Zerstörende Oszillationen können sich langsam aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Leistungssystem und
dem mechanischen System des Turbinengenerators aufbauen, oder eine kurzzeitige Störwelle von hohem Wert, wie sie aufgrund
eines Kurzschlusses in einem serienkompensierten übertragungssystem
vorkommen kann, kann für ein "Schock"-Drehmoment sorgen, das eine untersynchrone Oszillation des mechanischen Systems
bei einer Resonanzfrequenz auslöst.
Viele unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten wurden bereits benutzt,
um die durch diese untersynchronen Oszillationen entstehenden Probleme zu beseitigen, wie beispielsweise das Ein-
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iiDLiN wMT (BLZ 10010010) 132736-109 DiUTtcHl ·ανκ (BLZ S00 700 10) 6160233
fügen von elektrischen Leistungsfiltern in die elektrischen
Leitungen, um untersynchrone Ströme zu blockieren oder zu dämpfen. Auch wurden zusätzliche Steuerungen für Serienkondensatoren
vorgesehen, die die Größe von Kurzschlußströmen reduzieren. Zusätzliche Steuerungen wurden ebenfalls im Anregungssystem
für den Turbinengenerator angeordnet, was zu einer vergrößerten Systemdämpfung führt. Diese Lösungswege für das in Rede stehende
Problem können jedoch fehlerhaft arbeiten oder versagen. Ein derartiges Versagen kann beispielsweise durch eine Filterfehlabstimmung,
durch ein Wegdriften des elektrischen Leistungssystems von der Synchronfrequenz oder dadurch eintreten, daß die Auslösesignale
die Steuerung für die Serienkondensatoren nicht erreichen. Da zudem das Problem sehr kompliziert ist, könnte es möglich
sein, daß die "Lösung" das System nicht gegen Untersynchronresonanz von allen denkbaren Ursachen schützt. Es ist daher wünschenswert,
irgendeine Lösung des Untersynchronresonanzproblems dadurch abzusichern, daß eine Schutzrelaiseinrichtung vorgesehen wird,
die einen unannehmbaren untersynchronen Schwingungszustand erkennt
und entweder ein Auslösesignal für einen Schaltkreistrenner liefert, um den Turbinengenerator von der Leitung abzutrennen,
oder eine andere Art von Korrekturaktion auslöst.
Eine Schutzrelaiseinrichtung für eine derartige Funktion muß zwischen Untersynchronschwingungen unterscheiden, die potentiell
schädlich sind, und denen, die es nicht sind, da ein Turbinengenerator nur dann von der Leitung abgetrennt werden sollte,
wenn schadenerzeugende Schwingungen des Generators drohen. Da jedoch derartige Schwingungen innerhalb einer sehr kurzen Zeitperiode
erzeugt werden können, muß die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Schutzrelaiseinrichtung schnell genug sein, um die
Erkennung und die korrigierende Aktion durchzuführen, bevor tatsächlicher Schaden eintritt. Die Schutzrelaiseinrichtung
muß einen weiten Betriebsbereich sowie eine Empfindlichkeit aufweisen, die noch 0,01 PU (eine bestimmte beliebige Einheit)
eines untersynchronen Stromes in Anwesenheit eines synchronen Stromes (mit einer Frequenz von beispielsweise 50 oder 60 Hz)
in der Größe von vielen PU erkennt. Der Untersynchronstrom kann
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auch eine Größe von vielen PU besitzen.
In der US-Patentschrift 41 25 884 der Anmelderin wird ein verbessertes Überwachungsgerät offenbart, mit dem ein Signal geliefert
wird, das auf den in einem elektrischen Leistungssystem fließenden untersynchronen Strom reagiert. Ein Signal, das auf
einen in einer der Phasenleitungen des dreiphasigen elektrischen Leistungssystems fließenden Strom reagiert, wird mit einem
Bezugssignal multipliziert, das Synchronfrequenz und eine konstante Amplitude besitzt. Das Produkt enthält Komponenten, die die
folgenden Frequenzen enthalten: (1) die doppelte Synchronfrequenz,
(2) die Summe der Synchronfrequenz und jeder Untersynchronfrequenz,
und (3) die Differenz zwischen der Synchronfrequenz und jeder Untersynchronirequenz. Ein Breitband- oder Bandpassfilter läßt
die Komponente (3) hindurch, das eine direkte Beziehung zu den untersynchronen Oszillationsfrequenzen aufweist, während die
Komponenten (1) und (2) im wesentlichen blockiert oder gedämpft werden.
In der US-Patentschrift 41 06 071 der Anmelderin wird ein Erkennungsgerät
zur Verarbeitung eines Signals offenbart, das auf den Untersynchronstrom in einem elektrischen Leistungssystem
reagiert, wie das Signal (3), das weiter oben erläutert wurde. Dieses Erkennungsgerät liefert ein Auslösesignal aufgrund einer
wachsenden Schwingung im interessierenden Frequenzbereich, wie beispielsweise 15 bis 45 Hz (bei einer Synchronfrequenz von
60 Hz), wenn die Schwingung eine vorbestimmte Schwellwertgröße
überschreitet.
In der US-Patentanmeldung 959 045 vom 8. November 1978 der Anmelderin,
die auch in Deutschland unter dem Aktenzeichen P ... angemeldet wurde, wird eine dreiphasige Ausführungsform für
die Überwachung und die Erkennungsfunktionen einer Untersynchronstromschutzrelaiseinrichtung
beschrieben. Folgefilter erzeugen Signale, die zu der positiven Folgekomponente einer jeder Untersynchronoszillation
in einem dreiphasigen elektrischen Leistungssystem bezogen sind, und Schmalbandfilter untersuchen die Signale
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auf Oszillationen mit vorgewählten Frequenzen, die als kritische mechanische Resonanzfrequenzen des zu schützenden Gerätes bekannt
sind. Diese Patentanmeldung erkennt auch, daß anstelle der Untersuchung
von nur den üntersynchronoszillationen, die in ihrer Größe anwachsen, Oszillationen aufgrund einer elektrischen Stoßwelle
mit einer bestimmten Frequenz, die eine vorbestimmte Größe überschreitet, das mechanische System des Turbinengenerators
zu einer mechanischen Resonanz durch Schockwirkung anregen kann. Somit muß eine korrigierende Aktion früher vorgenommen werden,
als es eine Schutzrelaiseinrichtung tun kann, die nur wachsende Schwingungen untersucht.
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Schutzrelaiseinrichtung gemäß der US-Patentanmeldung 959 045
(entsprechende deutsche Patentanmeldung P ...), in der Form, daß die Folgefilter beseitigt werden, wodurch die Gerätekosten
sich reduzieren, und gleichzeitig noch andere bestimmte Vorteile erreicht werden.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs durch ein Gerät zur Schaffung von AusgangsSignalen, die auf
Untersynchronströme reagieren, die in einem dreiphasigen elektrischen Leistungssystem fließen, das eine mit synchroner Leistungsfrequenz
erzeugte dreiphasige Spannung besitzt, in dem folgende Merkmale vorhanden sind: erste Einrichtungen zur Lieferung
von drei Signalen, die auf die in den drei Phasen des dreiphasigen elektrischen Leistungssystems fließenden Ströme
reagieren, zweite Einrichtungen, die drei Bezugssignale liefern, wobei die Bezugssignale sinusförmige dreiphasige Signale mit
Synchronfrequenz und konstanter Amplitude sind, Multiplikatoreinrichtungen, die jedes der strombezogenen Signale der ersten
Einrichtung mit einem unterschiedlichen Bezugssignal der zweiten Einrichtung multiplizieren, um drei Ausgangssignale zu schaffen,
die auf das Produkt der miteinander multiplizierten Signale reagieren, wobei die Ausgangssignale jeweils erste, zweite und
dritte Elemente umfassen, welche Frequenzen besitzen, die (1) die doppelte Synchronfrequenz, (2) die Summe der Synchron-
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frequenz und einer jeden Untersynchronfrequenz bzw. (3) die Differenz zwischen der Synchronfrequenz und jeder Untersynchronfrequenz
aufweisen, wobei erfindungsgemäß Summiereinrichtungen vorgesehen sind, die die drei Ausgangssignale der Multiplikatoreinrichtungen
summieren, um ein Summensignal zu liefern, und dadurch, daß die Summiereinrichtungen die positive Folgekomponente
der drei Elemente der Ausgangssignale der Multiplikatoreinrichtungen
liefern, und daß Filtereinrichtungen vorgesehen sind, die auf das Summensignal reagieren und ein Untersynchronstromsignal
liefern, das auf die positive Folgekomponente eines in dem dreiphasigen elektrischen Leistungssystem fließenden
Untersynchronstromes reagiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
Es zeigt
Fig. 1 in einer graphischen Darstellung eine Untersynchronoszillation
(SSO) eines Turbinengenerators (Maschine), die durch mechanische Störungen in dem Maschinensystem
entstehen, sowie dadurch sich ergebende untersynchrone Schwingungen (SSC), die in dem Leitungsstrom erzeugt
werden;
Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer elektrischen Störimpulswelle von verhältnismäßig
großer Amplitude, die in dem elektrischen System erzeugt wurde, sowie eine sich ergebende untersynchrone
Schwingung (SSO) in der Maschine;
Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer elektrischen Störstoßwelle von kleinerer Größe als
die der Fig. 2 und die in der Maschine sich ergebende Untersynchronoszillation;
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Fig. 4 eine teilweise schematische und teilweise in Blockdiagrammform
dargestellte erfindungsgemäße Schutzrelaiseinrichtung;
Fig. 4A ein detailliertes Blockdiagramm eines Dreiphasenspannungsgenerators,
der in der in Fig. 4 dargestellten Schutzrelaiseinrichtung verwendet werden kann;
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Erkennungsschaltkreises,
der erfindungsgemäß aufgebaut ist und auf sowohl stoßartige Untersynchronstromoszillationen, die von dem
elektrischen System erzeugt werden (SSC), wie auch von anwachsenden untersynchronen Oszillationen reagiert,
die von der zu schützenden Maschine erzeugt werden (SSO);
Fig. 6 ein detailliertes Blockdiagramm eines Störwellendetektors, der für die in Fig. 5 dargestellte Auslösefunktion
im mittleren Bereich sowie für den unmittelbaren Stoßstörwellenbetrieb benutzbar ist; und
Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Betriebs der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Mittelbereichs-Störstoßwellenauslösefunktion.
Die vorliegende Beschreibung offenbart ein Gerät, das Signale liefert, die auf die positive Folgekomponente eines Untersynchronstromes
(sub synchroneous current = SSC) dadurch reagieren, daß jedes der drei Signale, die in bezug stehen zu den drei
Leitungsströmen des elektrischen Leistungssystems, mit unterschiedlichen Bezugssignalen multipliziert wird, die von einer
dreiphasigen Präzisionsbezugsquelle stammen, wobei diese Bezugssignale konstante Amplitude aufweisen und Synchronfrequenz besitzen.
Eine lineare Summierung der drei sich ergebende Produkte der Multiplikationsfunktion sowie eine Breitbandfilterung erzeugen
ein Signal, das auf die positive Folgekomponente irgend eines Untersynchronstromes reagiert, der in dem zugehörigen
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dreiphasigen elektrischen Leistungssystem fließt.
Der Ausgang des Breitbandverstärkers wird in einem zweistufigen
Meßschaltkreis verarbeitet, der auf elektrische Stoßwellen von der Leitung reagiert. Eine der Stufen liefert ein Ausgangssignal/
wenn der Ausgang des Breitbandfilters einen ersten vorbestimmten verhältnismäßig großen Wert überschreitet. Die andere Stufe
arbeitet/ wenn die erste vorbestimmte Größe nicht überschritten wird/ jedoch eine vorbestimmte zweite Größe, die kleiner als
die erste Größe ist. Das Überschreiten der zweiten Größe löst ein Signalmuster aus, mit dem der Ausgang des Breitbandfilters
verglichen wird. Wenn der Ausgang des Breitbandfilters das Mustersignal überschreitet/ liefert die zweite Stufe ein Ausgangssignal.
Der Ausgang des Breitbandfilters wird auch von einem Meßschaltkreis verarbeitet, der wachsende Schwingungen
erkennt/ und es kann ein Schmalbandfilter und Meßschaltkreis für jede interessierende Frequenz vorhanden sein.
Es sei nun auf die Zeichnungen, insbesondere die Fig. 1, 2 und 3 Bezug genommen. Es sind dort graphische Darstellungen wiedergegeben, die zeigen/ daß die Anwesenheit von Untersynchronoszillationen
in einem Phasenstrom eines dreiphasigen elektrischen Leistungssystems entweder von mechanischen oder elektrischen
Störungen oder auch durch eine kombination beider Störungsarten resultieren kann. Fig. 1 umfaßt eine Kurve 10, die eine untersynchrone Oszillation (sub synchroneous oscillation = SSO) eines
Turbinengenerators (Maschine) repräsentiert, welche Oszillation durch eine mechanische Störung am Punkt 12 ausgelöst wurde.
Die meisten mechanischen Störungen werden nicht von ausreichender Heftigkeit und nicht von der richtigen Frequenz sein, um
zerstörende mechanische Oszillationen in der Maschine zu induzieren. Wenn jedoch derartige mechanische Oszillationen induziert
werden, kann die Zerstörung an der Maschine schwerwiegend sein, es ist daher wichtig, die Maschine gegen derartige Oszillationen
zu schützen. Ein abrupter Wechsel in der DampfVersorgung ist ein Beispiel für eine mechanische Störung, die zur Auslösung
einer Resonanz führen kann.
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In Fig. 1 "schockt" die mechanische Störung bei 12 den Maschinengenerator
und bringt diesen bei einer kritischen untersynchronen Frequenz zu einer mechanischen Resonanz, welche in ihrer Größe
ansteigt, bis die Maschine zerstört ist. Fig. 1 umfaßt auch eine Kurve 14, die den untersynchronen Leitungsstrom in dem
elektrischen System darstellt, der von der untersynchronen Oszillation der Maschine erzeugt wird. Es ist zu erkennen, daß nur
geringe oder gar keine Anzeige im Leitungsstrom für die mechanische Oszillation 12 zu erkennen ist, die die mechanische Resonanz
auslöst. Die untersynchrone Stromoszillation 14 beginnt mit sehr kleiner Größe und wächst dann an. Eine untersynchrone
Stromoszillation dieser Art wird als Hselbsterregte" Untersynchronstromoszillation
bezeichnet.
Eine untersynchrone Oszillation der Maschine kann auch durch eine Störung in der übertragungsleitung oder in dem elektrischen
System ausgelöst werden, das mit der Maschine verbunden ist, was zu einer Wechselwirkung zwischen dem elektrischen System
und der Maschine und zu Instabilität und Oszillationen führt. Beispielsweise kann eine vorübergehende untersynchrone Stromoszillation
mit einer Frequenz nahe oder bei einer der kritischen Frequenzen des Turbinengenerators, erzeugt beispielsweise durch
einen schweren übertragungsfehler, wie einen Leitungs-Leitungs-Kurzschluß
oder einem Leitungs-Erd-Kurzschluß, eine mechanische untersynchrone Schwingung in der Maschine erzeugen, die eine
schnell anwachsende Amplitude besitzt. In diesem Falle wird das untersynchrone Stromsignal in dem Phasenstrom des elektrischen
Systems anfänglich durch den Fehler dominiert, der von der untersynchronen Stromstoßwelle erzeugt wird. Während der von
dem untersynchronen Strom erzeugte Fehler abklingt, wird der von der Maschine reflektierte untersynchrone Strom dominant
werden. Fig. 2 zeigt graphisch diese Situation, wobei die Kurve eine untersynchrone Stoßwelle erläutert, die bei 18 mit verhältnismäßig
großer Amplitude beginnt und dann abklingt. Diese Stoßwelle weist die ausreichende Höhe und Frequenz auf, um die Maschine
zu einer mechanischen Oszillation mit wachsender Tendenz bei einer untersynchronen Resonanzfrequenz oder kritischen Frequenz
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zu veranlassen. Die Kurve 20 erläutert die wachsende mechanische
Schwingung der Maschine. Der mit Kurve 16 dargestellte Untersynchronstrom
hört dann auf, abzuklingen, während die Maschinenoszillation stärker dominant wird, und der Untersynchronstrom
beginnt bei 22 zu wachsen, während die Maschinenoszillation
sich weiter aufbaut.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, daß selbst
eine kleinere elektrische Störung, wie beispielsweise ein Schalterstromstoß oder ein höherer Reaktanzfehler eine Stoßwelle
erzeugen kann, die eine Frequenz und eine Zeitdauer aufweist, die ausreicht, um mechanische Untersynchronresonanz der Maschine
zu erzeugen. Kurve 24 repräsentiert den anfänglich von der elektrischen Störung bei 26 erzeugten untersynchronen Leitungsstrom, welcher abklingt, und dann, aufgrund der mechanischen
Oszillation der Maschine, bei 28 in eine wachsende Oszillation übergeht. Kurve 30 erläutert die wachsende untersynchrone Schwingung
der Maschine, die ein Anwachsen des untersynchronen Stroms bei 28 (Kurve 24) erzeugt.
Eine genaue und zuverlässige Anzeige von schädlichen untersynchronen
Strömen wird dadurch geschaffen, daß die positiven Folgekomponenten der Untersynchronströme überwacht werden, sowohl
vor wie auch nach der Schmalbandfilterung der UnterSynchronsignale.
Die Schmalbandfilterung wählt eine besondere Untersynchronfrequenz oder ausgewählte Frequenzen aus, von denen bekannt ist, daß
sie mechanische Resonanzfrequenzen der jeweiligen Turbinengeneratormaschine sind, die geschützt werden soll. Genauigkeit und
Zuverlässigkeit werden dadurch sichergestellt, daß untersynchrone Stromsignale geliefert werden, die auf die positive Folgekomponente
des Untersynchronstromes reagieren, wobei der kollektive Untersynchronstrom in einem breiten Untersynchronband oder
-bereich für Stoßwellen untersucht wird, sowie auf die überwachte Frequenz bzw. Frequenzen, die hinsichtlich selbsterregter
Oszillationen untersucht werden. Da nur die positive Folgekomponente des untersynchronen Stromes in der Lage ist, zerstörende
Wellendrehmomente zu erzeugen, wird ein zuverlässigeres Relais
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dadurch geschaffen, daß lediglich diese Komponente untersucht wird. Außerdem liefert der für die Bestimmung der positiven
Folgekomponente erforderliche dreiphasige Lösungsweg eine vollständige Darstellung des untersynchronen Stromes.
In Fig. 4 wird teilweise schematisch und teilweise in Blockdiagrammform
eine Schutzrelaiseinrichtung 32 wiedergegeben, die erfindungsgemäß aufgebaut ist. Das Schutzrelais 32 erfordert
bestimmte strombezogene Signale I., Iß und I-, von dem dreiphasig
gen elektrischen Leistungssystem, das überwacht wird, sowie ein dreiphasiges Bezugssignal, das die Signale V-, Vß und V-,
umfaßt. Die Bezugssignale V , V und Vc können von den Leitungsspannungen des elektrischen Leistungssystems oder auch von einem
separaten dreiphasigen Prazisionsspannungsgenerator erzeugt werden, der Teil der Schutzrelaiseinheit ist, wie im folgenden
noch erläutert wird. Fig. 4 illustriert ein dreiphasiges elektrisches Leistungssystem 33, das Leitungen a, b und c aufweist,
die mit dem zu schützenden Turbinengenerator verbunden sind. Zwar ist das Schutzrelais hauptsächlich für den Schutz des
Turbinengenerators gedacht, es sei aber darauf hingewiesen, daß das Relais auch andere Maschinenarten zu schützen in der
Lage ist, die an ein elektrisches Leistungssystem angeschlossen sind, wie beispielsweise große Motoren und Induktionsgeneratoren.
Der Generator des Turbinengenerators erzeugt eine Dreiphasenspannung bei Synchronfrequenz, wie beispielsweise 60 Hz. Stromtransformatoren
34, 36 und 38 liefern Stromsignale, die auf den in den Leitern a, b bzw. c fließenden Strom reagieren, und
Widerstände 40, 42 und 44 setzen die Stromsignale zu Spannungssignalen um. Die Signalspannungen, die auf die in den Leitern a,
b und c fließenden Ströme reagieren, werden Signalkonditionierungs- und Überspannungsschutzschaltungen 46, 4 8 bzw. 50 zugeführt.
Diese Schaltungen, die ein aktives Filter mit Operationsverstärker und Zenerdioden umfassen können, um hochfrequentes
Rauschen zu unterdrücken und Stromspitzen zu begrenzen, sind in der US-Patentschrift 41 25 884 in Einzelheiten dargestellt
und es sei auf diese Patentschrift zur näheren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung verwiesen.
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Die Ausgänge der Schaltung 46, 4 8 und 50 liefern die erforderlichen
strombezogenen Signale Iw Iß und Ic für das Schutzrelais
32, und die Ausgänge werden Synchronkomponenten und Komponenten irgendwelcher Untersynchronströme enthalten, die
in dem elektrischen Leistungssystem 33 fließen.
Die Bezugssignale V., Vn und V0 sind dreiphasige Sinusspannungen
AB C
von Synchronfrequenz, die eine konstante Amplitude aufweisen. Sie können jeweils in der gleichen Weise abgeleitet werden,
wie das Bezugssignal V, , indem Potentialtransformatoren mit
einer an den Leitung sie item angeschlossenen Primärwicklung
und einer an den Signalkonditionierungs- und Überspannungsschutzschaltkreis angeschlossenen Sekundärwicklung Verwendung finden.
Das konditionierte Spannungssignal wird einem Begrenzer zugeführt, der eine Rechteckwelle von konstanter Amplitude mit
Synchronfrequenz bildet, welche Rechteckwelle von einem aktiven Tiefpassfilter zu einer Sinuswelle umgeformt wird. Geeignete
Signalkonditionierungs-, Begrenzungs- und Filterschaltungen sind aus der US-Patentschrift 41 25 884 bekannt. Wie auch in
der Fig. 4 dargestellt ist, können die Signale VA, Vß und Vc
auch durch einen dreiphasigen Präzisionsspannungsgenerator 52 geliefert werden, der die drei Signale mit der Synchronleistungsfrequenz
erzeugt.
Der Generator 52 braucht nicht in Phasensynchronisation mit dem elektrischen Leistungssystem 33 zu stehen, da irgendwelche
zum Phasenwinkel in Beziehung stehende Signale nachfolgend von den Untersynchronstromsignalen weggefiltert werden, die erfindungsgemäß
vorhanden sind, wie im folgenden noch erläutert wird.
Fig. 4A ist ein detailliertes Blockdiagramm eines dreiphasigen Präzisionsspa2nungsgenerators 52 für eine Frequenz von 60 Hz,
der verwendet werden kann, um die in Fig. 4 mit der Bezugszahl
bezeichnete Funktion auszuführen. Die in der Fig. 4A dargestellte Anordnung ermöglicht es, die Frequenz des elektrischen Leistungsgenerators oder des elektrischen Systems als eine Bezugsgröße
zu verwenden, solange wie die Amplitude und die Frequenz dieses
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Signals sich innerhalb vorbestimmter Grenzen befindet. Wenn
sich die Amplitude und/oder die Frequenz außerhalb dieser Grenzen befindet, übernimmt automatisch eine quarzgesteuerte Spannungsquelle die Lieferung der Spannungssignale von richtiger Größe
bei der Frequenz von 60 Hz. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Signale genau auf die Frequenz des elektrischen Generators
oder des Leistungssystems reagieren, solange wie diese Frequenz nicht zu weit von der synchronen Nennfrequenz abweicht.
Genauer gesagt, eine Bezugseinrichtung 53 liefert ein Signal mit einer vorbestimmten Größe und einer Frequenz, die von der
erzeugten Frequenz abhängig ist. Beispielsweise kann die Einrichtung 53 eine mit Zähnen versehene Scheibe aufweisen sowie
eine Aufnahmeeinrichtung, die ein Signal aufgrund der Zähne abgibt, wobei die gezahnte Scheibe aufgrund des mechanischen
Antriebssystems eines elektrischen Generators, der geschützt werden soll, angetrieben wird. Das Signal von der Einrichtung
wird einer Phasenblockierschleife 55 zugeführt. Die Phasenblokkierschleife
55 umfaßt einen Phasenvergleicher 57, ein Tiefpassfilter 59, einen spannungsgesteuerten Oszillator 61, der im
folgenden als VCO 61 bezeichnet wird, und einen durch 60 dividierenden Zähler 63. Das Signal von der Einrichtung 53 wird
dem einen Eingang des Phasenvergleichers 57 zugeführt, der Ausgang des Phasenvergleichers 57 wird dem Tiefpassfilter 59
zugeführt, und der Ausgang des Filters 59 liefert eine gefilterte Fehlersignalspannung zur Steuerung der Ausgangsfrequenz
des VCO 61. VCO 61 liefert nominell ein Signal, das eine Frequenz von beispielsweise 3,6 kHz aufweist. Sein Ausgang wird
zu einem anderen Eingang des Vergleichers 57 über den durch 60 teilenden Zähler 63 zugeführt. Irgend eine Differenz zwischen
der Frequenz des VCO 61 und der Frequenz des Signals von der Einrichtung 53 erzeugt ein Fehlersignal, das den VCO veranlaßt,
der Frequenz des Signals der Einrichtung 53 zu folgen.
Der Ausgang des VCO 61 wird einem Eingangsanschluß eines Analogschalters
65 zugeführt, wie beispielsweise einem Schalter, wie er von der Firma RCA unter dem Handelsnamen CD4O16A vertrieben
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wird. Wenn die Amplitude und die Frequenz des Signals von der Einrichtung 53 in den gewünschten Bereichen liegen, liefert
ein Leistungsversorgungsmonitor 67 ein "wahres" Signal C für den Steuereingang des Schalters 65, welches Signal diesen Schalter
wirksam schließt. Die Frequenz des Signals am Ausgang des Schalters 65 wird in dem durch 10 dividierenden Zähler 69 durch
heruntergeteilt. Der Ausgang des Zählers 69 wird dem Eingang eines durch 6 dividierenden Zählers 71 zugeführt, der sechs
decodierte Ausgänge 0 bis 5 besitzt.
Drei Setz-Rückstell-Flipflops 73, 75 und 77 reagieren auf die
Ausgänge des Zählers 71. Die Setz-Rückstell-Eingänge des Flipflop 73 sind mit den Ausgängen-1 bzw. 4 verbunden, die Setz-Rückstell-Eingänge
des Flipflop 75 mit den Ausgängen 3 bzw. 0 und die Setz-Rückstell-Eingänge des Flipflop 77 mit den Ausgängen
5 bzw. 2.
Die Ausgänge der Flipflops 73, 75 und 77 liefern drei Rechteckwellensignale,
die zueinander 120° außer Phase sind, welche Signale direkt als Signale VA, V„ und V_ ohne Filterung zum
Zwecke der Umsetzung der Quadratwelle in eine Sinuswelle verwendet werden können. Das 60 Hz-Schwebungssignal, das sich aus
der 180 Hz-Harmonischen der Rechteckwellensignalfrequenz ergibt,
die mit der 120 Hz-Komponente des strombezogenen Signals zur Schwebung kommt, sollte in nachfolgenden Breitbandfiltern des
Schaltkreises der Fig. 4 ausreichend gedämpft werden. Wenn die Dämpfung nicht ausreichend ist, könnte ein einziges auf die
Frequenz von 60 Hz abgestimmtes Kerbfilter am Ausgang des Breitbandfilters vorgesehen werden, wodurch weniger Hardware erforderlich
wird, da sonst drei Filter erforderlich würden, um die Umsetzung der drei Rechteckwellensignale in Sinuswellen zu bewirken.
Eine Notbezugssignalquelle umfaßt einen Quarzoszillator 79, einen durch N teilenden Zähler 81 und einen Analogschalter 83.
Der Analogschalter 83 ist normalerweise abgeschaltet, und zwar aufgrund eines von dem Leistungsversorgungsamplituden- und
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Frequenzmonitor 67 gelieferten niedrigen Signals C.
Wenn die Einrichtung 53 versagt, ein Signal zu liefern, das in den gewünschten Bereichen liegende Amplitude und Frequenz
aufweist, liefert der Monitor 67 ein Niedrigsignal C, um den Schalter 65 zu öffnen und ein hohes Signal C, um den Schalter
zu schließen. Der Zähler 69 wird also weiterhin ein Signal mit der erforderlichen Amplitude und Frequenz erhalten. Wenn das
Signal der Einrichtung 53 zum normalen Wert zurückkehrt, wartet der Monitor 67 eine vorbestimmte Zeitperiode, um der phasenverriegelten
Schleife 55 zu ermöglichen, sich zu beruhigen, bevor auf die Quelle 53 zurückgeschaltet wird.
Die Frequenz von 3,6 kHz ist eine beliebig gewählte hohe Frequenz,
die das Umschalten zwischen den zwei unterschiedlichen Quellen ermöglicht, ohne daß eine erhebliche Abweichung bei den 60 Hz-Signalen
V-, V und Vr aufgrund von Phasenfehlanpassung des
3,6 kHz-Signals zum Zeitpunkt des Schaltens auftritt.
Mit Bezug wiederum auf Fig. 4 sei erläutert, daß die strombezogenen
Signale IA, I_ und Ic mit den Bezugssignalen VA, Vß
bzw. Vc in Synchronmodulatoren- oder Multiplikatoren 54, 56
bzw. 58 multipliziert werden. Wie bereits ausgeführt wurde, ist der Phasenwinkel zwischen den multiplizierten Signalen wegen
der nachfolgenden Filterung nicht wichtig, jedoch müssen die Phasendrehungen gleich sein. Mit anderen Worten, nachdem einmal
ein Bezugssignal ausgewählt wurde, um dieses mit dem Phasenstromsignal zu multiplizieren, muß das Phasenstromsignal, das dem
ausgewählten Phasenstromsignal folgt, bezüglich der Vektordrehung mit dem Bezugssignal multipliziert werden, das dem gewählten
Bezugssignal, ebenfalls bezüglich der Vektordrehung, folgt.
Die Multiplikationsfunktion kann durch einen Präzisionsananlogmultiplikator
durchgeführt werden, wie beispielsweise mittels eines Gerätes aus der Serie M310 der Firma Intronix Corporation.
Die Multiplikationsfunktion beseitigt die Synchronfrequenzkomponente <*>
Q und liefert ein Signal mit drei Komponenten:
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(1) einen Frequenzausdruck 2Q0 von doppelter Synchronfrequenz,
(2) einen Schwebungsfrequenzausdruck (Cj0 +iOs) för jede vorhandene
üntersynchronstromfrequenz Cj s, und (3) einen Schwebungsfrequenzausdruck
((J0 - UJ ) für jede vorhandene Üntersynchronstromfrequenz
.
Um die positiven Folgekomponenten eines jeden untersynchronen Stroms zu liefern, der in αem elektrischen Leistungssystem 33
fließt, werden die Ausgänge der Multiplikatoren 54, 56 und 58 in der Summiereinrichtung 60 linear summiert. Die Summiereinrichtung
60, wie sie dargestellt ist, kann die Form eines Operationsverstärkeraddierers
haben, der einen Operationsverstärker und Widerstände 64, 66, 68 und 70 umfaßt. Widerstände 64, 66
und 68 verbinden die Ausgänge der Multiplikatoren 54, 56 bzw. mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 62,
und Widerstand 70 ist ein Rückführungswiderstand, der den Ausgang des Operationsverstärkers zurück zu seinem invertierenden
Eingang führt. Der nichtinvertierende Eingang ist mit Masse oder Erde verbunden. Wenn die Werte der vier Widerstände untereinander
gleich sind, ist der Ausgang des Operationsverstärkeraddierers gleich der Summe der Eingänge.
Der Ausgang der Summiereinrichtung 60 wird einem Breitbandoder
Bandpassfilter 72 zugeführt, um die Ausdrücke 2V>0 und
(Cjη +Cj ) zu dämpfen, sowie auch irgendwelche Ausdrücke, die
auf den Phasenwinkel reagieren, während der Ausdruck (CJ0 ~CJS)
durchgelassen wird. Die Summierung und Filterung ist linear, so daß die Filterung vor der Summiereinrichtung durchgeführt
werden kann. Die dargestellte Reihenfolge ergab sich durch Hardware-Überlegungen, da auf diese Weise nur ein Breitbandfilter
anstelle von dreien notwendig ist.
Das Breit-.bandfilter 48 kann ein modifiziertes Butterworth-Filter
von 17. Ordnung (Tiefpass von 13. Ordnung und Hochpass von 4. Ordnung) sein, wie es in der US-Patentschrift 41 25 884 in
größeren Einzelheiten dargestellt ist. Es besitzt eine Bandbreite von annähernd 30 Hz (15 bis 45 Hz), wobei wiederum eine Synchron-
030021/0720
frequenz von 60 Hz vorausgesetzt wird.
Die Multiplikation eines jeden Phasenstromes der drei Phasenströme
mit den drei Bezugswerten der dreiphasigen Quelle, die Summierung der drei Produkte davon und die Breitbandfilterung
der Summe erzeugt die positive Folgekomponente von irgendwelchen Untersynchronströmen, die in dem elektrischen Leistungssystem
fließen, wie anhand der folgenden Aufstellung gezeigt sei: man nehme an, daß die Folgekomponente einer bestimmten untersynchronen Frequenz, Oj_, in einem gegebenen System folgendermaßen
definiert ist:
(D
10 = Ifr cos to t (Nullfolge),
11 = Ia cos (Ui t + 01) (positive Folge), und
1 r S
I~ = Iy cos (Cj t + 02) (negative Folge) .
Δ I S
Somit ergibt sich definitionsgemäß für die Phasenströme vonVjj
in Vektordarstellung
(2)
1AS = 1O + 1I + I2 '
1BS = 1O + a2j1 + aI2' Und
1CS = 1O + aI1 + a I2/
wobei a = ej12°.
wobei a = ej12°.
Setzt man (1) in (2) ein, ergibt sich:
030021/0720
(3)
1AS = 1C* cos^gt + τβ cos (cjgt + φΛ) + iy cos (Lügt + 02),
IBS = la cos lügt + Ip cos (Oügt + 01 + 240°) .+ Iy cos
(0) et + 0~ + 120°) , und
S fc
Ics = I01 cosCOgt + Ip cos (Cügt + 01 + 120°) + ΐγ cos
(ωst + 02 + 240°).
Man nehme nun an, daß die Komponenten des Untersynchronstromes durch (1), (2) und (3) gegeben sind und daß die Dreiphasenbezugsspannungen
folgendermaßen lauten:
(4)
VA = cos (U ot,
Vn = cos ( Ujt - 120°) , und
rs O
Vc = cos ((J Qt + 120°).
Nach Multiplikation und Breitbandfilterung erhalten wir:
(5)
IAS - CI AS x cos(jQt] bandpass-behandelt « I0I cos ((j -(Js)t'.
IAS - CI AS x cos(jQt] bandpass-behandelt « I0I cos ((j -(Js)t'.
+ Ip cos O^o'^s^ "^U+ 1^008 CWo-iJe)t - 02],
lßS = £las χ cos ((J t - 12O°)3 bandpass-behandelt = Iq( cos
[(U)0- U)8)t - 120°] + I^ cos [((O0-(J8) t - 0^ + τγ cos
[((Jo-(jg)t - 02 + 120°], und
030021/0720
cs Cs X COS ^ ot + 120°^ bandpass-behandelt = IÄ cos
[(Wo-iJs)t + 120°] + Ip cos C(U)0- Li5) t - 0^1
+ lycos C((0o-Cüs)t - 02 - 12O°3.
Sununierung ergibt:
(6)
As + 1Bs + 1Cs =
I01 cos L(too-(jJs)t] + cos [(^o-<os)t - 12O°3 + cos
01 o s
[((iJo-(Js)t + 12O°3 + Iß 3 cos U(GJo-Us)t - 0^
+ Ic [cos (Co0-(O5) t - 023 + cos [(t0o-(üs)t - 02
- 120°] + cos C(U)0-(J8) t - 02 + 120°U
= Ια [θ] + Ip 3 cos [((O0-(J3) t - 0^ + ΐγ [θ]
= 3i£ cos [(Cj0-(O3) t + 0^} ,
was eine positive Folgeerkennung ermöglicht.
was eine positive Folgeerkennung ermöglicht.
Bestimmte kritische Untersynchronfrequenzen, die als mechanische Resonanzfrequenzen der zu schützenden Maschine bekannt sind,
werden selektiv dadurch untersucht, daß Schmalbandfilter zur Filterung des Ausganges des Breitbandfilters 72 vorgesehen
werden. Bei dem üblichen Turbinengeneratorsystem werden nur zwei oder drei mechanische Resonanzfrequenzen von Interesse
sein. Beispielsweise sind Schmalsbandfilter 74, 76, 78 und 80 dargestellt, die auf Untersynchronfrequenzen F1, F2, F3 bzw. FN
abgestimmt sind.
Jedes der Schmalbandfilter besitzt vorzugsweise eine Bandbreite
030021/0720
von nur wenigen Hertz, wie beispielsweise 3 Hz. Beispielsweise
kann jedes der Schmalbandfliter von der 4. Ordnung sein, bestehend
aus zwei Bandpassfiltern 2. Ordnung, die zur Erlangung einer möglichst flachen Durchlaßkurve bei der gewünschten Band*
breite gestuft abgestimmt sind. Die Übergangsfunktion des Schmalbandfilters
lautet:
2 +0(C +U2 s
s +0(Cj1S + CJ, s +acu-s
wobei Ot - 1/Q und Q die gewünschte Selektivität der kombinierten
zwei Stufen 2. Ordnung und Cu10 die Mittenfrequenzen der Stufen
ι, i
2. Ordnung sind.
Das allgemein mit 82 bezeichnete Erkennungssystem, das die auf
die positiven Folgekomponenten der Untersynchronströme von vorbestimmten Frequenzwerten verwendet, kann beispielsweise einen
Stoßwellendetektor und einen Selbsterregungsdetektor für jede überwachte Frequenz umfassen. In der US-Patentanmeldung 959
(deutsche Patentanmeldung P ...) wird ein Stoßwellenpegeldetektor erläutert, der angewendet werden kann, während die US-Patentschrift
41 06 071 einen Selbsterregungsdetektor erläutert, der ebenfalls Verwendung finden kann. Eine Erkennung eines Untersynchronstromes
mit kritischer Frequenz führt bei den Erkennungsschaltkreisen 82 dazu, daß ein Signal geliefert wird, das zur
Auslösung von geeigneten Korrekturmaßnahmen benutzt werden kann. Beispielsweise könnte das von den Erkennungsschaltkreisen gelieferte
Ausgangssignal einem Auslöseschaltkreis 84 zugeführt werden, der wiederum ein Auslösesignal für die Auslösespule
eines Trennschalters liefert, der die geschützte Maschine mit dem dreiphasigen elektrischen Leistungssystem 33 verbindet.
Fig. 5 ist ein detailliertes Blockdiagramm, das eine verbesserte Erkennungsanordnung 82 zeigt, auf deren Konstruktion nachfolgend
noch eingegangen wird. Diese Anordnung verringert die Auslösezeit für Stoßwellenzustände, indem die Ausgänge der Schmalbandfilter
wie auch die Ausgänge der Breitbandfilter abgefühlt werden.
030021/0720
Es ist erkannt worden, daß der erste Impuls einer großen Stoßwelle
nicht zu einer Frequenzunterscheidung führen kann und daß eine schnellere Antwort auf eine derartige Stoßwelle möglich
ist, wenn die untersychronen Stromsignale nicht durch ein Schmalbandfilter hindurchgeführt werden. Es wurde weiter erkannt,
daß einige Stoßwellen keine ausreichend hohe Anfangsgröße haben mögen, um ein sofortiges Auslösen des Generatorschaltkreistrenners
zu rechtfertigen, daß jedoch Stoßwellen unterhalb dieser Größe, aber oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes Untersynchronoszillationen
der mit dem elektrischen Leistungssystem verbundenen Maschine auslösen können. Die vorliegende Erfindung liefert
Einrichtungen, um derartige im mittleren Bereich liegende Stoßwellen auszuwerten.
Insbesondere erläutert Fig. 5 ein Erkennungssystem 82, das alle
bekannten Untersynchronstromzustande eines Turbinengenerators handhaben kann, soweit bisher untersucht werden konnte. Jede
spezifische Untersynchronfrequenz von Interesse, gefiltert durch Schmalbandfilter in einem Frequenzbereich von etwa 15 bis 45 Hz,
wird daraufhin untersucht, ob sie eine Größe überschreitet, die weitere Maßnahmen rechtfertigt. Solche, die derartige weitere
Maßnahmen rechtfertigen, werden dann daraufhin untersucht, ob
die Oszillation anwächst und die Anwachsrate wird ebenfalls ermittelt.
Wie bereits bezüglich der Fig. 1, 2 und 3 erläutert wurde, kann ein anwachsender Untersynchronstrom entweder das Ergebnis einer
Untersynchronoszillation in der Maschine sein, der durch reine mechanische Vorgänge ausgelöst wurde, oder durch elektrische
Störungen im übertragungssystem verursacht sein. Wenn die Auslösung
durch eine Stoßwelle im elektrischen System erfolgte, kann ein Stoßwellenteil des Erkennungsschaltkreises ein Auslösesignal
liefern, falls bestimmte festgelegt Parameter erfüllt werden, wenn jedoch der Stoßwellenschaltkreis nicht nach Korrekturmaßnahmen
ruft, wird der Selbsterregungsteil des Schaltkreises eine tatsächliche Untersynchronoszillation der Maschine feststellen.
030021/0720
Es gibt zwei Funktionsteile von diesem Teil des Auslöseerkennungssystems:
(1) eine Auslösung bei langsamem Anstieg (SRRT = slow rate-of-rise trip) und eine Auslösung bei schnellem Anstieg
(FRRT = fast rate-of-rise trip).
Die SRRT-Funktion wird für jede interessierende Untersynchronfrequenz
geliefert, wie bei 90, 92 und 94 für die Frequenzen F1, F2 bzw. FN angedeutet, während die FRRT-Funktion für jede
Untersynchronfrequenz von Interesse ausgeführt wird, wie bei 96, 98 und 100 angedeutet.
Die FRRT-Funktion überwacht ein SSC-Auftreten über eine Zeitperiode,
die gegeben wird durch
Zeit zum Auslösen - T = T + k/I .
O S
wobei T ein fester Zeitwert ist, der auf 200 ms oder mehr eingestellt
werden kann, während
k eine Konstante und
I die Stromgröße des SSC darstellt.
Damit ein SSC-Zustand eine SRRT-Auslösung durchführen darf,
muß er die folgenden Bedingungen erfüllen»
(1) Ie muß höher als ein Schwellwert sein, der mit I__ bezeich-
S ' So
net ist (I -Startschwellwert), um die Auslösezeit T anlaufen
zu lassen.
(2) Jede nachfolgende Spitze von Ig muß gleich oder größer
als die unmittelbar vorausgehende Spitze sein, d. h.
Ip (n+1) * Ip (n),
wobei I (n) = Spitzenwert von Ig bei der η-ten Spitze
und I (n+1) = Spitzenwert von I_ bei der n+1-ten Spitze
P ; s
darstellt.
Zur Zeit t
der mit I- bezeichnet ist (I -Endschwellwert)
Zur Zeit t
der mit I- bezeichnet ist (I -Endschwellwert)
(3) Zur Zeit t = T muß I größer als ein Schwellwertpegel sein,
Die FRRT-Erkennung ist ähnlich zu der SRRT-Erkennung, jedoch
so ausgeführt, daß sie eine kürzere Auslösezeit liefert, wenn ein SSC mit einer schnell anwachsenden Rate angetroffen wird.
Die Auslösezeit wird in diesem Falle auf einen festen Wert ein-
030021/0720
gestellt und mit T- bezeichnet. Die für eine FRRT-Erkennung
notwendigen Voraussetzungen sind:
1. I muß größer sein als eine mit I f bezeichnete Einstellung,
2. jede Spitze muß größer als die vorhergehende Spitze sein, und zwar um einen festen Prozentwert 6 , d. h.
> (1 +6
(oder innerhalb einer gegebenen Zeitperiode muß eine andere Spitze vorhanden sein, die größer als die auftretende
Spitze ist), und
3. nach Ablauf der Zeit T^ müssen eine oder mehrere ansteigende
Spitzen aufgetreten sein, bevor die Erzeugung eines Auslösesignals zugelassen wird.
Es sei angemerkt, daß FRRT und SRRT einander nicht ausschließen. Ein SSC-Auftreten könnte zuerst in SRRT und dann in FRRT sein.
Es könnte auch zurück in SRRT laufen, wenn die Anstiegsrate sich verlangsamt.
Für ein gegebenes Auftreten wird die maximale Auslösezeit auf T begrenzt, und die minimale Auslösezeit beträgt T1. Wenn ein
gegebenes Auftreten einen Teil seiner Wachstumszeit als ein SRRT-FaIl verbraucht und den Rest seiner anwachsenden Zeit als
ein FRRT-FaIl, wird die Gesamtauslösezeit zwischen T- und T
liegen.
Schaltungseinrichtungen zur Ausführung der SRRT- und FRRT-Funktionen
sind in Einzelheiten in der US-Patentschrift 41 06 071
dargestellt, jedoch braucht die dort beschriebene Schaltung zur Sicherstellung, daß sich die Untersynchronfrequenz des Signals
innerhalb eines vorbestimmten Bereiches bewegt, nicht angewendet zu werden, da die Schmalbandfilter des vorliegenden
Gerätes sicherstellen, daß das untersuchte Signal sich in einem sehr engen Frequenzband von 1 oder 2 Hz befindet.
030021/0720
Die Ausgänge der SRRT-Funktionen 90, 92 und 94 werden in einem ODER-Schaltkreis 102 mit einer ODER-Funktion verknüpft, welcher
Schaltkreis ein Auslösesignal für eine Auslöseanzeige 1O4, wie beispielsweise einen Zähler oder eine Anzeige sowie für einen
Auslöseschaltkreis 84 liefert.
Die Ausgänge der FRRT-Funktionen 96, 98 und 100 werden in einem
ODER-Schaltkreis 106 einer ODER-Funktion unterworfen, welcher Schaltkreis ein Auslösesignal für eine Auslöseanzeige 108 und
für den Auslöseschaltkreis 84 liefert.
Fig. 1 erläutert die Anwendung der SRRT- und FRRT-Funktionen bei einer anwachsenden Stoßwelle 10, die dargestellt ist. Wenn
ein Startschwellenwert I__ am Punkt 110 überschritten wird,
wird er eine verhältnismäßig lange Auslösezeit starten, wie bei 112 angedeutet. Wenn ein Schwellwert Isfr überschritten
wird, wird ein Umwechseln der Auslösezeit zu einem kürzeren Wert stattfinden. Wenn !„£_ am Punkt 110 überschritten wird,
um ein Beispiel zu nennen, wird die kürzere Auslösezeit eintreten, wie bei 114 angedeutet. Das Erfordernis "eine Spitze mehr"
für die FRRT-Funktion bringt die minimale Auslösezeit zum Punkt 116 und der Auslösebereich ist bei 118 angedeutet.
Der Stoßwellenauslöseteil des Erkennungssystems 82 ist so konstruiert,
daß kritische üntersynchronstromauftritte erfaßt werden, die hauptsächlich durch Störungen des Übertragungssystems
erzeugt werden, die "hohe" oder "mittlere" Größe besitzen. Eine typische untersynchrone Stromwellenform dieser Art ist in Fig.
dargestellt. Ein Generator, wenn er einem derartigen untersynchronen Strom ausgesetzt wird, muß schnell abgetrennt werden,
um Wellenbeschädigung zu verhindern. Eine gewisse umgekehrte Zeitcharakteristik ist für eine Stoßwellenauslösung tolerierbar,
und dies ist ein wichtiger. Faktor bei der Bildung des Stoßwellenerkennungssystems
gemäß der Erfindung.
Es gibt zwei Auslösefunktionen in der StoBwellenauslöseerkennung.
Die erste ist eine sofortige Stoßwellenauslösung (ITT), die
03 0 021/0720
bei 120 erläutert ist, welche eine Auslösepegeleinstellung zwischen
2 und 3 PU aufweisen mag. Dieser Auslöseschaltkreis, der einfach ein Operationsverstärkerpegeldetektor sein kann, wie
es die US-Anmeldung 959 045 (deutsche Patentanmeldung P ...) zeigt, wird eine Auslösung unmittelbar nachfolgend dem Überschreiten
der Pegeleinstellung durch das Untersynchronstromsignal beginnen. Die zweite Funktion ist eine Stoßwellenauslösung im
Mittelbereich (MRTT), die bei 22 erläutert ist, welche Auslösung den Bereich abdeckt, der zwischen 0,5 und 1,5 PU liegt.
Es sei angemerkt, daß die Stoßwellenauslösefunktionen 120 und 122 so angeschlossen sind, daß sie den Ausgang des Breitbandfilters
72 aufnehmen, statt daß ihnen die Ausgänge der Schmalbandfilter zugeführt werden. Diese Anordnung beseitigt die Zeitverzögerung,
die durch die Schmalbandfilter verursacht würden, wodurch eine frühere Auslösung ermöglicht wird, wenn die Zustände
diktieren, daß eine Auslösung notwendig ist, um die zugehörige Maschine zu schützen. Wie in Fig. 5 dargestellt ist,
kann der Ausgang des Breitbandfilters 72 einem Vollweggleichrichter
123 zugeführt werden, bevor er den Stoßwellenauslösefunktionen 120 und 122 zugeführt wird, um so die Untersuchung
eines jeden Halbzyklus der Stoßwelle zu erleichtern.
Die Ausgänge der Stoßwellenauslösungserkennungsfunktionen 120 und 122 werden dem Auslöseschaltkreis 84 und auch den Auslöseanzeigern
124 bzw. 126 zugeführt.
Die Mittelbereichstoßwellenauslösefunktion 122 ist in Fig. 6
in Einzelheiten dargestellt. Um die Auslösung vom MRTT-Typ einzuleiten, muß im allgemeinen die Anfangsamplitude der untersynchronen Stromstoßwelle größer als ein Pegel sein, der als
Überwachungspegel bezeichnet ist. Der Ausgang des Vollweggleichrichters 122 wird einem Pegeldetektorschaltkreis 130 zugeführt.
Wenn der Ausgang des Vollweggleichrichters 123 einen vorbestimmten Wert I„ überschreitet, wird sein Ausgang hoch
werden oder den Pegel einer logischen 1 annehmen. Der Pegeldetektor 130 kann ein Operationsverstärkerpegeldetektor oder ein
030021/0750
rücktriggerbarer monostabiler Multivibrator sein, der ein eine logische 1 darstellendes Signal liefert, solange jede Spitze
den Wert IM überschreitet. Der Ausgang des Pegeldetektorschaltkreises
130 schaltet, wenn er hoch ist, ein zwei Eingänge aufweisendes UND-Gatter 132 ein. Der andere Eingang für dieses
UND-Gatter 132 ist mit einem Nulldurchgangserkennungsschaltkreis 134 verbunden. Der Nulldurchgangserkennungsschaltkreis 134
reagiert auf das untersynchrone Stoßwellenausgangssignal vom Breitbahdfilter 72 vor der Gleichrichtfunktion 123. Der Nulldurchgangserkennungsschaltkreis
kann einen Operationsverstärkerdifferentiator umfassen, der einen Impuls jedesmal dann liefert,
wenn das Untersynchronstromsignal durch 0 hindurchläuft, und
ein monostabiler Multivibrator liefert ein eine logische 1 darstellendes Signal aufgrund eines jeden derartigen Impulses.
Wenn somit das Untersynchronstromsignal den Schwellwert IM überschreitet,
wird das UND-Gatter 132 ein eine logische 1 darstellendes Signal für jeden Nulldurchgang des Untersynchronstromsignals
abgeben.
Der Ausgang des UND-Gatters 132 wird einem Binärzähler 136 zugeführt,
der einen programmierbaren Festwertspeicher (PROM) und einen Digitalanalogkonverter adressiert. Der Speicher oder
PROM 138 ist so programmiert, daß er ein abklingendes Digitalschrittsignal liefert, das in analoge Form umgesetzt wird, um
ein Muster für einen Eingang für den Vergleicher 140 zu liefern. Der andere Eingang des Vergleichers 140 wird mit dem Ausgang
des Vollweggleichrichters 122 verbunden. Wenn der Ausgang des Vollweggleichrichters 122 das Mustersignal überschreitet, das
vom PROM 138 geliefert wird, liefert der Vergleicher 140 ein eine logische 1 darstellendes Ausgangssignal. Dieses eine logische
1 darstellende Ausgangssignal des Vergleichers 140 kann als ein Auslösesignal verwendet werden, in welchem Falle
es direkt dem Auslösekreis 84 zugeführt wird. Dieses Signal wäre jedoch auch geeignet, um eine Anzeige zu liefern, daß das
Untersynchronstromsignal das Muster überschritten hat, mit einer Anzeige, daß das Untersynchronstromsignal sich in einem Frequenzbereich
befindet, der nahe einer kritischen oder Resonanzfrequenz
03002170720
der zu schützenden Maschine liegt. In diesem Falle würde ein Frequenzbestimmungsschaltkreis 142 angeschlossen werden, um
den Ausgang des Breitbandfilters 72 aufzunehmen, und verschiedene Frequenzeinstellungen wären in dem Schaltkreis geladen
oder eingegeben, beispielsweise mittels Drehknöpfeh, um die
Parameter des Frequenzbereiches bzw. der Frequenzbereiche einzustellen. Wenn sich der Untersynchronstrom innerhalb eines
der ausgewählten Frequenzbänder befindet, gibt der Schaltkreis ein eine logische 1 darstellendes Signal ab. Der Frequenzbestimmungsschaltkreis
kann der gleiche sein, wie er in der US-PS 41 06 071 beschrieben wird, wobei dieser Schaltkreis hier dazu
benutzt wird, festzustellen, ob das Untersynchronstromsignal sich zwischen 15 Hz und 45 Hz befindet. Die Ausgänge des Vergleichers
140 und des Frequenzbestimmungsschaltkreises 142 werden einem UND-Gatter 144 zugeführt. Wenn der Vergleicher 140 anzeigt,
daß das Unterstromsignal das Mustersignal überschritten hat, und wenn der Frequenzbestimmungsschaltkreis zeigt, daß das Untersynchronstromsignal
sich innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes befindet, wird das UND-Gatter 144 ein Ausgangssignal
für den Auslöseschaltkreis 84 liefern.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die den Betrieb des Mittelbereichstörimpulsauslöseschaltkreises 122 darstellt. Die
durchgezogene Kurve 146 gibt das Störwellenuntersynchronstromsignal am Ausgang des Breitbandfilters 72 wieder, während die
gestrichelte Kurve 148 das Untersynchronstromsignal nach Vollweggleichrichtung
wiedergibt. Es ist aus der graphischen Darstellung der Fig. 7 zu erkennen, daß der große Anfangsimpuls
der Untersynchronstörwelle 146 die Einstellung ITT nicht erreicht
hat, so daß der Pegeldetektor des unmittelbaren Störwellenauslösedetektors 120 kein Auslösesignal abgeben wird. Jedoch hat
das Signal 146 die kleinere Schwellwerteinstellung IM des Pegeldetektors
130 überschritten, und der Zähler 136 wird aktiviert,
um den PROM 138 zu veranlassen, ein vorbestimmtes Stufenmuster taktweise abzugeben. Das Schrittmuster 150 besitzt eine inverse
Kennlinie. Wenn innerhalb der Überwachungsperiode die Amplitude der Untersynchronstromkurve 146 stets kleiner als das verklingende
030021/0720
Bezugsmuster 150 1st, wird kein Auslösesignal erzeugt, und dieses
besondere Auftreten des Untersynchronstromstörwellensignals wird als unkritisch bezüglich seines Stoßverhaltens angesehen.
Wenn die Untersynchronetromkurve 146 das Mustersignal überschreitet,
wie es bei 152 erläutert ist, wird der Vergleicher 140 ein eine logische 1 darstellendes Signal abgeben, und wenn das
Untersynchronstromsignal sich innerhalb eines kritischen Frequenzbandes
befindet, wird ein Auslösesignal erzeugt.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß das Mustersignal 150 aufgrund der Frequenz der Untersynchronstromstörwelle stufenförmig
abgegeben wird. Es wird angenommen, daß dies ein sehr wünschenswertes Merkmal ist, jedoch kann als alternative Ausführungsform
der Pegeldetektor 130 dazu verwendet werden, einfach
einen Generator zu aktivieren, der ein glatt abklingendes Signal 154 als Funktion der Zeit liefert, mit keinem Zusammenhang
zu der Frequenz des Untersynchronstromsignals.
Die Funktion des Störwellenauslöseschaltkreises ist auch in
den Fig. 2 und 3 dargestellt. Γη Fig. 2 überschreitet der erste
Impuls der Störwelle 16 die Pegeleinstellung ITT, und ein mittelbares
Auslösesignal würde am Punkt 156 abgegeben werden. Der Mittelbereichstörwellenauslöseschaltkreis, der frequenzabhängig
ist, würde sein Muster nicht gestartet haben, da der erste Nulldurchgangspunkt
nicht zu der Zeit der unmittelbaren Auslösung aufgetrten wäre.
In Fig. 3 liegt die Störwelle 24 unterhalb der Einstellung ITT,
überschreitet jedoch die Schwellwerteinstellung Iw. Somit wird
ein Mustersignal 158 erzeugt. Wenn das Mustersignal 158 und das Untersynchronstromsignal 24 sich schneiden, wie es bei 160
gezeigt ist, liefert der Vergleicher 140 ein Ausgangssignal.
Die folgende Tabelle I gibt eine Liste des von der vorliegenden erfindungsgemäßen Schutzrelaiseinrichtung gelieferten Schutzes:
030021/0720
Auslöse- Erkennungs- Signalein- zeit Ursprung stellung
Störwelle sofortige Auslösung 2-3 PU 34 ms max. (ITT)
selbsterregt
Mittelbereich (MRTT)
0,5-2 PU 0,5 s
Breitband filter
Breitband filter
langsame Anstiegsrate 0,01 PU mind. 200 ms Schmal-(SRRT) und größer band
filter
schneller Anstieg (FRRT)
0,05 PU mind. 50 ms Schmalband filter
ES/jn 3
030021/0720
Claims (12)
- Ernst stratmannPATENTANWALT D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9Düsseldorf, 2. Nov. 197948,165
7972•Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.PatentansprücheGerät zur Lieferung von Ausgangssignalen, die auf die innerhalb eines dreiphasigen elektrischen Leistungssystems fließende Untersynchronströme reagieren, wobei das System eine mit synchroner Leistungsfrequenz erzeugte dreiphasige Spannung besitzt, mit Einrichtungen zur Lieferung von drei Signalen aufgrund der in den drei Phasen des dreiphasigen elektrischen Leistungssystems fließenden Strömen, zweiten Einrichtungen zur Lieferung von drei Bezugssignalen, die Synchronfrequenz aufweisende sinusförmige dreiphasige Signale konstanter Amplitude sind, mit Multiplikatoreinrichtungen zur Multiplikation jedes der strombezogenen Signale der ersten Einrichtung mit unterschiedlichen Bezugssignalen der zweiten Einrichtung, um drei Ausgangesignale aufgrund des Produktes der multiplizierten Signale zu liefern, welche Ausgangssignale jeweils erste, zweite und dritte Elemente mit Frequenzen umfassen, die abhängig sind von (1) dem Doppelten der Synchronfrequenz 2L) , (2) der Summe (ld +0J) einer jeden Unter synchron frequenz und der Synchronfrequenz, bzw. (3) der Differenz (&J_-Ue) zwischen der Synchronfrequenz und jeder Untersynchronfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß Summiereinrichtungen (60) vorgesehen sind, um die drei Ausgangssignale der Multiplikatoreinrichtungen zu summieren, um ein Summensignal zu liefern,030021/0720iiRLiN wi«T (BLZ 100 100 10) 132736-109 ■ diut«ch( »anκ (BLZ 30070OtO) 6160 203wobei die Summeneinrichtungen die positive Folgekomponente der drei Elemente der Ausgangssignale der Multiplikatoreinrichtungen liefert, und daß Filtereinrichtungen (72, 74, 76, usw.) vorgesehen sind, die auf das Summensignal reagieren und die ein Untersynchronstromsignal aufgrund der positiven Folgekomponente eines in dem dreiphasigen elektrischen Leistungssystem fließenden Untersynchronstromes liefern. - 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtungen ein Breitbandfilter (72) umfassen, das so abgestimmt ist, daß es das dritte Element des Summensignals hindurchläßt, während das erste und zweite Element im wesentlichen blockiert wird, sowie ein Schmalbandfilter (74), das auf eine vorbestimmte Untersynchronfrequenz abgestimmt ist.
- 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtungen eine Vielzahl von Schmalbandfiltern umfassen, die auf entsprechende mehrere Untersynchronstromsignale (F1, ...FN) abgestimmt sind, wobei jedes Schmalbandfilter auf die positive Folgekomponente eines in dem dreiphasigen elektrischen Leistungssystem fließenden Untersynchronstromes bei vorbestimmter unterschiedlicher Untersynchronfrequenz reagiert.
- 4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Detektoreinrichtungen (82), die auf das Untersynchronstromsignal reagieren, wobei die Detektoreinrichtungen ein Auslösesignal aufgrund von vorbestimmten Parametern des Untersynchronstromsignals liefern.
- 5. Gerät nach Anspruch 4, wenn dieser abhängig von Anspruch ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtungen ein Breitbandfilter (72) und ein Schmalbandfilter (74) aufweisen, und daß die Detektoreinrichtungen einen Vollweggleichrichter zur Gleichrichtung des Ausganges des Breit-030021/0720bandfliters besitzen, und daß Störwellendetektoreinrichtungen (120, 122 in Fig. 5) vorgesehen sind, die auf den gleichgerichteten Ausgang des Breitbandfilters reagieren, und daß Selbsterregungsstörwelleneinrichtungen (90, 96 usw.) vorgesehen sind, die auf den Ausgang des Schmalbandfliters reagieren.
- 6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Störwellendetektoreinrichtungen erste Auslöseeinrichtungen (120 in Fig. 5) umfassen, die ein Auslösesignal liefern, wenn das Untersynchronstromsignal einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet, sowie zweite Auslöseeinrichtungen (122), die ein Mustersignal (150 oder 154 in Fig. 7) erzeugen und ein Auslösesignal nur dann abgeben, wenn das Untersynchronstromsignal das Mustersignal überschreitet.
- 7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mustersignal (150 in Fig. 7), das von der zweiten Auslöseeinrichtung erzeugt wird, auf die Frequenz des Untersynchronstromsignals reagiert (mittels 134 in Fig. 6).
- 8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Auslöseeinrichtung ein Auslösesignal nur dann abgibt, wenn die Frequenz des Untersynchronsignals sich in einem vorbestimmten Bereich befindet.
- 9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Auslöseeinrichtungen ein Auslösesignal nur dann liefern, wenn die Frequenz des Untersynchronstromsignals sich in einem von mehreren unterschiedlichen Frequenzbereichen befindet.
- 10. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mustersignal (154 in Fig. 7), das von der zweiten Auslöseeinrichtung erzeugt wird, von der Frequenz des Untersynchronstromsignals unabhängig ist.030021/0720
- 11. Gerät nach einem der Anspruch= 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Auslöseeinrichtungen ein Muster nur nach dem ersten Halbzyklus des Untersynchronstromsignals und nur dann abgeben, wenn das Untersynchronstromsignal einen vorbestimmten Überwachungspegel überschreitet.
- 12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplikatoreinrichtung ein erstes Paar von Signalen der ersten und zweiten Einrichtungen mit den Signalen eines anderen Paares multipliziert, wobei diese von der Multiplikatoreinrichtung multiplizierten weiteren Signale die nächsten vektorgedrehten Signale bezüglich des ersten Paares sind.Beschreibung;030021/0720
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