DE3151866C2 - Aggregate- und Netzschutzeinrichtung für Inselnetze - Google Patents

Abstract

Die Erfindung befaßt sich mit einer automatischen Stromversorgungsanlage für Inselnetze mit mehreren parallel laufenden Generatoren, die mit den erforderlichen Überwachungs-, Regel- und Meßeinrichtungen versehen ist. Um einen Netzzusammenbruch durch einen gestörten Generator zu verhindern, werden ständig die Blindleistungsabgaben (Q ↓i) zweier oder mehrerer Generatoren miteinander und die Leistungsdifferenzen ( Δ Pi) zwischen den berechneten Wirkleistungs-Sollwerten (P ↓s ↓o ↓l ↓l ↓i)und den gemessenen Leistungswerten (P ↓i ↓s ↓t ↓i), bezogen auf die gemittelten Leistungsdifferenzen aller laufender Aggregate verglichen, und ferner ein ständiger Vergleich ( Δ P ↓a ↓i) zwischen der Summe der Zeitflächen der Stellbefehle ( Δ P ↓s ↓o ↓l ↓l ↓i) und der Änderung der gemessenen Wirkleistung ( Δ P ↓i ↓s ↓t ↓i) innerhalb einer vorgegebenen Zeit ( Δ t) durchgeführt. Bei Überschreitung der Unterschiede der anteiligen Blindleistungen ( Δ Qi) über einen Grenzwert ( ± Q ↓G ↓r ↓e ↓n ↓z) liegt eine Erregerstörung, bei Überschreitung der Leistungsdifferenzen ( Δ Pi) über einen Grenz wert ( ± Δ P ↓G ↓r ↓e ↓n ↓z ↓1) und/oder von ( Δ P ↓a ↓i) über einen Grenz wert ( ± Δ P ↓G ↓r ↓e ↓n ↓z ↓2) eine Dieselstörung vor. Bei jeder Grenz wertüberschreitung spricht die Sicherheitsschaltung an, die unwichtige Verbraucher abschaltet. Es werden ein oder mehrere Aggregate gestartet und aufgeschaltet, so daß nach dieser Netzstützung bei drei oder mehreren speisenden Aggregaten das fehlerhafte Aggregat

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für Inselnetze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Stromversorgungssystemen für Schiffe mit nach modernsten Erkenntnissen konzipierten elektrischen Anlagen ist es von großer Bedeutung, daß diese unter allen Bedingungen (Wetter, Seegang usw.) sicher arbeiten. Fehler, die den Ausfall von gegebenenfalls wichtigen Anlageteitan zur Folge haben, müssen so früh wie möglich erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Es ist für Stromversorgungsanlagen bereits eine sogenannte Generatorschutzeinrichtung bekannt, mit der beispielsweise Reglerstörungen erkannt und die darauf beruhenden Netzstörungen vermieden werden können. In diesem Zusammenhang ist auf die DE-AS 23 58 676 hinzuweisen, nach der Rückwirkungen, die auf Grund einer Reglerstörung eines Generators im Netz auftreten, ermittelt und der gestörte Generator abgeschaltet wird, so daß die Anlage mit den parallellaufenden Generatoren ungestört im Betrieb bleiben kann. Dieser

Störfall wird durch einen Zusatzbaustein zur Grundausführung der Schutzeinrichtung beherrscht

Wie bekannt, setzt sich die von einem Generator abgegebene Leistung aus einem Wirk- und einem Blindlastanteil zusammen. Jede der parallellaufenden Maschinen soll ihren Lastanteil zur Netzversorgung übernehmen. Hierfür ist normalerweise eine Lastregelung vorgesehen. Eine Möglichkeit hierfür ist in der DE-OS 21 63 397 angegeben. Mit dieser Schaltungsanordnung soll eine symmetrische Lastverteilung parallellaufender Generato-

ren durch Überwachung der Wirkleistungen erreicht werden. Aus den Wirkströmen der Generatoren wird ein Mittelwert gewonnen, der als Sollwert einer Wirkstromregelung und zugleich einem Grenzwertmelder zugeführt wird, an denen auch die einzelnen Wirk-Ist-Ströme anstehen. Mit dieser Schaltungsanordnung kann nicht mit Sicherheit gewährleistet werden, daß tatsächlich die fehlerhafte Maschine vom Netz getrennt wird. Der Wirklastanteil ist nur abhängig von der Leistungsabgabe der Antriebsmaschine. Eine Wirklastübernahme kann daher nur von der mechanischen Seite eingestellt werden, d. h. eine erhöhte Brennstoffzufuhr bewirkt eine größere Leistungsabgabe von der Antriebsmaschine an den Generator.

Die Blindlastverteilung erfolgt von der elektrischen Seite. Eine Erhöhung oder Verringerung der Blindleistungsabgabe an das Netz wird durch eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung der Erregung erreicht Die vom Netz angeforderte Blindleistung wird als Erregerstrom-Sollwert einem Erregerstromregler vorgegeben.

so Eine Störung kann von einem Generator ausgehen, dessen Erregereinrichtung defekt ist Hier sind zwei Fälle möglich:

a) Der Spannungsregler ist defekt, z. B. fehlt der Spannungs-Istwert Bei den meisten Konstant-Spannungs-Generatoren wird die Erregung voll ausgefahren. Der störungsbehaftete Generator übernimmt fast die gesamte Blindstromlieferung, während die parallel arbeitenden Generatoren entregt werden. Der gestörte

Generator wird dann über seine Überstrom-Schutzeinrichtung abgeschaltet während die anderen Generatoren soweit entregt sind, daß sie über ihre Unterspannungs-Schutzeinrichtungen vom Netz getrennt werden.

b) Die Erregereinricntung ist durch einen Leitungsbruch oder durch den fehlenden Sollwert außer Betrieb. Der gestörte Generator nimmt Blindleistung aus dem Netz auf. Die intakten Generatoren werden schließlich wegen Überlast abgetrennt, so daß das Netz zusammenbricht.

Diese Störungen werden von der vorgenannten Schutzeinrichtung mit einer entsprechenden Zusatzeinrichtung erfaßt. Für die praktische Anwendung ist aber zusätzlich eine Meßeinrichtung für den Erregerstrom und für die Blindstromkomponente erforderlich. Bei einem bürstenlosen Generator ist eine direkte Messung des Erregerstromes nicht ohne weiteres möglich. Ein weiterer Mangel dieser Schutzeinrichtung ist darin zu sehen, daß kein Vergleich der Phasenlage der einzelnen Generatorströme erfolgt. Schließlich reagiert diese Schutzeinrichtung erst bei einer Blindleistungsaufnahme des gestörten Generators.

Eine andere Störung kann von einem Bordnetzdiesel kommen. Durch eine leckende Brennstoffleitung, eine defekte Brennstoffpumpe, verstopfte Filter usw. kann die Wirkleistungsabgabe mehr oder weniger schnell verringert und sogar Rückleistung aufgenommen werden. Bisherige Generator-Schutzeinrichtungen können erst bei Rückleistungsenassung wirksam werden und schalten das gestörte Aggregat nach einer vorgegebenen Zeit ab. Hierbei kann es im ungefährlichen Fall zum Ansprechen der Sicherheitsschaltung, im ungünstigen Fall 5 — bei hochausgelasteten Dieseln und/oder bei einem zu langsamen Zusetzen eines weiteren Aggregates — zum »black out« führen.

Bei einer Dieselreglerstörung bzw. einer Dieselstellerstörung ist die Möglichkeit von Überdrehzahlen gegei;ä ben. Das führt erst nach Erreichen eines Drehzahlgrenzwertes zur Sperrung der Brennstoffzufuhr und zum

B verspäteten Abschalten des Generators wegen Rückleistung.

:4 Schlicülich muß bei Turbogeneratoren wegen ihrer geringen Schleppleistung die Einstellgrenze kleiner als

2% eingestellt werden. Beim Entlasten und Auslaufenlassen eines Aggregates kann ein vorzeitiges Abschalten über einen zusätzlichen Generatorschutzbaustein durch Überschwingungen erfolgen.

Alle diese Störungsfälle konnten bisher nur durch zusätzliche Baugruppen zu einer Standardausführung der :ä Generatorschutzeinrichtung erfaßt werden.

£ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsanlage zu schaffen, mit der sowohl Fehler

p{ an einem Generator als auch an einem Diesel erkannt, das fehlerhafte Aggregat abgeschaltet und ein Netzzu-

¹Sj sammenbruch mit Sicherheit vermieden wird.

Jj Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst. Weiter-

|i bildungen der Erfindung sind in den Unuransprüchen enthalten.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht darin, daß eine höhere Netz- und Aggregatsicherheit und Verfügbarkeit erreicht wird und Fehlerfälle schon im Entstehen erkannt werden, ohne daß ein größerer Aufwand an technischen Einrichtungen getrieben werden müßte.

Für die Stromversorgungsanlage werden pro Aggregat die Wirkleistung und die Scheinleistung gemessen. Die Scheinleistungsmessung ist eine Strommessung, da durch den Einsatz von Konstant-Spannungs-Generatoren die Spannung als konstant angesehen werden kann. Für die Wirklastregelung wird die Summe der Wirkleistungen und für den Lastwächter die Summe der Scheinleistungcn gebildet. Sowohl bei kompoundierten Generatoren mit Erregermaschine und Ausgleichsleistung als auch bei bürstenlosen Generatoren ist die Blindlastverteilung bei ungestörtem Erregersystem unabhängig von der Schieflastregelung. Entsprechend den Nennlastdaten (cos ψΝ=03) wird die Wirklast P mit 0,8 gegenüber der Scheinlast bewertet. Die einzelnen Blindlasten ergeben sich dann zu

Q-

worin i = 1 ... η bedeuten. Die Blindlast Qi kann bei einem Generator, der als Asynchronmotor läuft und ein l.; induktiver Verbraucher ist, nicht als kapazitiver Lasterzeuger erkannten werden, wenn nur zwei Generatoren

!', am Netz laufen. Das ist auch ohne Bedeutung, wenn dabei eine allgemeine Störung erkannt wird, indem

j IQl - φ| > AQcrem

erfaßt, sofort ein Startbefehl an ein weiteres Aggregat gegeben und durch Abwurf unwichtiger Verbraucher das j: Netz entlastet wird.

's; Werden ein drittes oder weitere Aggregate kurzzeitig an das Netz gelegt, so wird dieses stabilisiert, so daß im

('.;. vorbeschriebenen Fehlerfall a) das Abschalten des überregten Generators nicht zu einem »black out« führt und

\.';- im Fehlerfall b) die ungestörten Aggregate strommäßig entlastet werden.

Sind am gestörten Netz drei oder mehr Generatoren angeschlossen, so kann ein gestörter Generator nach folgender Auswahlschaltung selektiert und abgeschaltet werden. Hierfür wird auf die Figur mit den Diagrammen I und II hingewiesen. In I sind drei Generatoren mit ihren Blindlasten 1, 2 und 3 sowie gestrichelt die Nennblindleiitung Qn dargestellt Der erste Generator liefert gegenüber der Nennleistung Q/v zuviel Blindleistung in das Netz. Diese Blindleistungsverteilung entspricht dem eingangs erwähnten Fehlerfall a), bei dem ein so Generator fast den gesamten Blindleistungsanteil übernommen hat. Der fehlerhafte Generator kann nach folgender Logik erkannt werden.

Fehlerfall a)

I. Qi > Qn

H- (?2 - Ql < JQcrtnz

Q\ gestört

Nach II liefern der zweite und der dritte Generator mehr Blindleistung in das Netz als der Nennleistung Qn entspricht, weil der gestörte Generator zusätzlich Blindleistung aufnimmt.

Fehlerfall b)

n.<ft Q1 gestört.

Auch für vier am Netz arbeitende Generatoren ist die Auswahllogik ohne bildliche Darstellung verständlich. Fehlerfall a) 15 I. <?i ► Qn

ΪΪ. Qi - Q₃ = Qa - Q₃ < JQarcnz

Q1 gestört Fehlerfall b)

Ql+C2+ft _<g

25

a+a+a _<Qi

_3o ßl gestört.

Als Variante für die Leistungserfassung könnte auch der Hardware Multiplizierer für Ix Ux cos φ entfallen und stattdessen außer /noch der Phasenwinkel φ bzw. sein Sinuswert gemessen werden. Hiermit lassen sich die Leistungen berechnen.

Wirkleistung P, = /, χ cos #>/

Blindleistung Q₁ = I₁ χ sin tp,

Scheinleistung S,- = /,■

40 Die Auswahllogik bestimmt den i. Generator für den Fehlerfall a), wenn sin _fl > s»* »ι + sin ft + · · - + sin ft,

45 für den Fehlerfall b), wenn

so Aus der Messung des Phasenwinkels φ und des Scheinstromes / an π Aggregaten, wobei η wenigstens 3 ist, lassen sich Erregerstörungen an einem Aggregat erkennen. Eine Übererregung liegt dann vor, wenn

j, χ sjn _Λ > ⁷' x sin j», + /₂ x sin g>₂ + · · - 7, X sin φ.

Analog wird ein Aggregat untererregt sein, wenn das Produkt /, χ jp, bzw. 7,-x sin O,jeweils sehr viel kleiner als der jeweilige Quotient werden.

Ebenso lassen sich aus der Wirk- und Scheinleistungsmessung die Blindleistungsmessung mit

berechnen und bei π Aggregaten eine Übererregung erkennen, werden Qi> Qn wird Eine Untererregung liegt

dann vor, wenn der mittlere Wert der Blindlasten der ungestörten Generatoren wesentlich größer ist als der Wert des gestörten Generators. Bei einem ungestörten Diesel wird nach einer Zeit Jt als Mittelwert

1. die Differenz zwischen P₅₀Ii und P₁₅, unter einem Grenzwert J Pcm* liegen und

2. jeder Stellimpuls einem JP₁₅, entsprechen.

Es wird nun ständig die Wirkleistungsabweichung JP,Tür i=\ ...n nach AP₁ = -

~ Pitt I 10

1 "

für die laufenden Aggregate berechnet und mit Grenzwerten ±JP_Crcnz verglichen oder ständig die Solleistungs- 15 änderung JP₁₀S während der Zeit Jt= ti— U für jedes Aggregat nach

'2

= J (Länge Stellbefehl »höher«) - (Länge Stellbefehl »tiefer«) dt-AP_isl

t,

berechnet und mit der gemessenen Leistungsänderung JP„, verglichen. Die Gleichung hierfür ist

20

- JPm = JP, 25

Wenn jetzt

JPi < -JPcrenz\.\

oder ' ' 3o

JP. < -

wird, iu die Tendenz zu Überdrehzahlen, und wenn

JP, > JPorcnzU 35

JP. > J Purem 22

wird, eine Tendenz zu Unterdrehzahlen erkennbar.

renzx.j und JPcmazi stellen untere und obere Grenzwerte für das Meßverfahren für JP, und JPcnmu und 40 z u entsprechende Grenzwerte für das Meßverfahren

JP. = JPtou-JPist

dar. Bei Oberschreiten von JPcm* durch JP wird die Sicherheitsschaltung ausgelöst und ein oder mehrere 45 Aggregate gestartet, synchronisiert und danach das gestörte Aggregat abgeschaltet

Dieses Auswahlverfahren läßt sich als Teilsystem eines Diagnose- und Trendsystems eines Diesels entwickeln, da die Grenze für JP feiner gestuft und beim Ansprechen der kleinsten Stufe ein Alarm ausgegeben werden kann. Steigt JP, so wird am Steller, an der Brennstoffpumpe oder am Ventil ein. sich entwickelnder Fehler erkennbar bzw. der Diesel hat infolge beginnender Fehler einen schlechteren Wirkungsgrad. Das System kann 50 noch verbessert werden, indem JP in Abhängigkeit der Leistung verändert und die Stellimpulsdauer um die Lose verringert wird.

Für den Zeitpunkt des Zusynchronisierens wie auch des Abschaltens eines Aggregates treten Wirk- und Blindlastpendelungen auf. Die Schutzeinrichtung wird daher erst ca. 10—20 s nach dem Synchronisieren und nach der Abschaltung wieder aktiviert Diese Zeit ist ausreichend, da die zu überwachenden Fehler des Aggrega- 55 tes vor dem Synchronisieren durch Spannungs- und Frequenzabfrage erkannt und nur ungestörte Aggregate zusynchronisiert und ausgeschaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen . 60

65

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Aggregate- und Netzschutzeinrichtung für Inselnetze mit mehreren parallellaufenden elektrischen Generatoren wowie mit den für einen Parallelbetrieb erforderlichen Meß- und Regeleinrichtungen, welche neben anderen Größen die Blindleistungsabgabe oder -aufnahme erfassen, mit einem Sollwert vergleichen, und das fehlerhafte Aggregat abschalten, wenn die Abweichung einen Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Generatoren parallellaufen, daß die Differenz zwischen einem berechneten Wirkleistungs-Sollwert und einem aus Messungen gemittelten Wirideistungs-Istwert dieser Generatoren oder die Summe der Zeitflächen der Stelibefehie an die Antriebsmaschine jedes Generators mit

   ίο der gemessenen Wirkleistungsänderung eines jeden Generators jeweils nach einer vorgegebenen Zeit periodisch gebildet bzw. verglichen wird, und daß für den Fall, daß die sich hieraus oder aus dem Blindleistungsvergleich ergebende Abweichung einen jeweils vorgegebenen Grenzwert überschreitet, die Sicherheitsschaltung anspricht, unwichtige Verbraucher abschaltet, wenigstens ein Reserve-Aggregat startet und zur Netzstützung aufschaltet und erst danach das fehlerhafte Aggregat abschaltet

   is 2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkleistung durch Messung des

   Phasenwinkels und des Scheinstromss erfaßt wird.

   3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkleistung durch Messung der Schein- und Blindleistung erfaßt wird.

   4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aggregat- und Netzüberwachung für die Dauer der Ausgleichs vorgänge ausgesetzt wird.