DE3600814A1 - Elektrische messeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Meßeinrichtung zur Erkennung des Zustandes von Mehrphasenwicklungen in elektrischen Drehmaschinen.

Die Wicklungen elektrischer Maschinen sind aus Spulen aufgebaut. Meist besteht jede Spule aus mehreren Windungen. Wicklungen mit nur einer Windung je Spule bezeichnet man als Stabwicklungen. In Drehstommaschinen bilden stets eine bestimmte Anzahl in Reihe geschalteter Spulen eine sog. Spulengruppe. Die Spulengruppen sind in Reihen- oder Parallelschaltung zum Strang verschaltet.

Eine Diagnose muß sowohl den normalen ungestörten Betrieb als auch den anomalen Betrieb nach Eintritt eines Wicklungsschadens erfassen.

Bei den Wicklungsschäden unterscheidet man zwischen Windungs-, Erd- und Phasenanschlüssen. Beim Windungsschluß sind eine oder mehrere Windungen innerhalb einer Spule kurzgeschlossen, was fast immer einen Ausbrand dieser Spule und oft als Folge einen Erdschluß nach sich zieht. Bei Erdschlüssen hängt das Schadensausmaß einerseits von der Erdung des Maschinensternpunktes und des Netzes, andererseits vom Schadensort innerhalb eines Stranges ab. Phasenschlüsse sind Kurzschlüsse zwischen benachbarten Strängen, die sehr schnell die Zerstörung der Wicklung herbeiführen.

Wegen der aus Wicklungsschäden resultierenden Reparatur-, Stillstands- und Ausfallkosten werden seit Jahren große Anstrengungen auf dem Gebiet der theoretischen und experimetellen Untersuchung zur Schadensverhütung durchgeführt. Als Indikator des Schadens wird in allen bekannten Arbeiten die Abweichung des Stromsystems der Maschine vom ungestörten Betrieb gewählt.

Am einfachsten läßt sich auf diese Weise ein Phasenschluß überwachen, mit dem ein starker Stromanstieg in den betroffenen Strängen einhergeht, und für den deshalb im Grundsatz die gleichen Überwachungsglieder eingesetzt werden können wie für den Überlastschutz. Das bekannteste Schutzsystem gegen Phasenschlüsse ist der sog. Differentialschutz, welcher des relativ großen Aufwandes wegen (sechs Stromwandler, ausgeführter Maschinensternpunkt, Differentialschutzrelais) nur bei sehr großen Maschinen praktische Bedeutung besitzt.

Der Differentialschutz könnte im Grundsatz auch Erdschlüsse erfassen. In der Praxis darf der Differentialschutz aus verschiedenen Gründen aber nicht zu empfindlich eingestellt werden, so daß die Erdschlußströme meist zum Ansprechen des Schutzes nicht ausreichen. Es wurden deshalb zum Schutz gegen Erdschlüsse besondere Schaltungen entwickelt, in denen die Summe der drei Strangströme als Indikator herangezogen wird. Da die Ströme nur über Wandler erfaßbar sind, kann in bestimmten Betriebszuständen, z. B. bei transienten Vorgängen im Anlauf, durch ungleiche Wandlerübertragung eine Fehlauslösung erfolgen. Das Meßglied kann dann nicht so empfindlich eingestellt werden, daß auch Erdschlüsse an ungünstigen Stellen erfaßt werden. Die Ansprechempfindlichkeit herkömmlicher Erschluß-Überwachungssysteme kann durch den Einbau von zusätzlichen sog. Kabelumbauwandlern gesteigert werden. Durch Erdkapazitäten der Anlage oder auch Netzunsymmetrien sind aber auch dann Fehlauslösungen nicht auszuschließen.

Bei den besonders gefährlichen Windungsschlüssen spricht der Differentialschutz und der herkömmliche Erdschlußschutz nicht an. Zur Überwachung von Windungsschlüssen wurde vorgeschlagen, an die drei Stränge einer Drehstrommaschine einen Spannungswandler anzuschließen, dessen Sternpunkt mit dem Sternpunkt der Maschine verbunden ist, und bei dem in einer zusätzlichen offenen Dreieckwicklung bei einem Windungsschluß eine Spannung auftreten soll, die im Fehlerfall ein Windungsschlußrelais zum Auslösen bringt. Besondere Schwierigkeiten bereitet hierbei die Vermeidung von Falschauslösungen aufgrund von in den drei Strängen gleichphasigen Spannungen, die durch Feldoberwellen mit durch drei teilbaren Polpaarzahlen induziert werden.

Da alle bisherigen Lösungsvorschläge auf dem Prinzip basieren, die Symmetrie der Strang- bzw. der Netzströme zu überprüfen, haftet ihnen der gemeinsame Nachteil an, daß sie auch auf Netzunsymmetrien reagieren. Dadurch war bisher eine Überwachung von Wicklungsfehlern in manchen Fällen, z. B. in Netzen mit großen Einphasenlasten, gar nicht möglich.

Zur Vermeidung der bei allen bekannten Schutzeinrichtungen gegen Wicklungsfehler auftretenden Mängel und Schwierigkeiten soll bei der vorliegenden Erfindung nicht auf die äußeren Spannungen oder Ströme zurückgegriffen werden, die sich bei manchen gefährlichen Wicklungsfehlern, insbesondere bei Windungsschlüssen, nur sehr geringfügig verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und zur Diagnose ständig verfügbar ist und die zu Überwachung eines Wicklungsfehlers ein Signal liefert, das einen Fehler deutlich erkennbar anzeigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Erkennung des Zustandes von Mehrphasenwicklungen in elektrischen Drehfeldmaschinen (Synchron- und Asynchronmaschinen), die in einem Meßspulensystem induzierte Spannung heranzuziehen. Hierzu ist das Meßspulensystem so zu bemessen, daß in ihm im ungestörten Betrieb der Maschine keine bzw. eine unbedeutend kleine Spannung induziert wird, wohingegen die Meßspulenspannung bei einem Wicklungsfehler deutlich ansteigt. Für eine aussagefähige Überwachung muß die Meßspulenspannung möglichst unabhängig sein von der räumlichen Anordnung des Meßspulensystems in Bezug auf die Fehlerstelle.

Die Meßspulen werden in die Nuten des Ständerblechpaketes eingelegt. Ihre Windungszahl bestimmt u. a. die Höhe der Meßspannung, im Regelfall wird man Spulen mit einer Windung ausführen. Der Leiterquerschnitt der Meßspulen kann nach rein mechanischen Gesichtspunkten bestimmt werden. Der Platzbedarf in den Nuten ist deshalb so klein, daß die Leiter ohne Beeinträchtigung der Hauptwicklung entweder am Nutgrund oder unter dem Nutenverschlußkeil angeordnet werden können.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist eine genaue Kenntnis des Feldspektrums im Luftspaltfeld der Maschine sowohl im ungestörten Betrieb als auch beim Betrieb nach Eintritt eines Wicklungsschadens erforderlich. Im ungestörten Betrieb entstehen aufgrund der diskreten Verteilung der durchfluteten Wicklung insbesondere die sogenannten Wicklungsfelder mit den Polpaarzahlen g = 0; ± 1; ± 2; . . .

In der Gleichung bedeuten m die Strangzahl der Mehrphasenwicklung und n* den Nenner der gekürzten Nutzahl je Pol und Strang p = (p = Polpaarzahl der Maschine, N = Ständernutzahl). Der Fall n* = 1 beinhaltet Glanzlochwicklungen, die Fälle n* ≠ 1 Bruchlochwicklungen. Die Polpaarzahlen der Wicklungsfelder nach vorstehender Gleichung schließen die sog. Nutungsfelder mit den Polpaarzahlen = p + g ₁ · N (g ₁ = ± 1; ± 2; . . .) ein. Neben den Wicklungs- und Nutungsfeldern sind bei vielen Drehfeldmaschinen die sog. Zahnsättigungsfelder mit der Polpaarzahl = 3p nicht vernachlässigbar.

Das Spektrum der Luftspaltfelder kann z. B. bei einem Windungsschluß näherungsweise aufgefaßt werden als die Überlagerung der im ungestörten Betrieb auftretenden Drehfelder und des Wechselfeldes (sog. Störfeld), welches durch den Kurzschlußstrom in der beschädigten Windung erregt wird. Dieses Wechselfeld ist für ein konkretes Beispiel in Fig. 1 eingetragen worden. Im oberen Teil ist der Zonenplan einer Drehstromwicklung (m = 3) mit q = 3 Nuten je Pol und Strang mit der Wicklungssehnung w/τ = 8/9 für die Polzahl 2p = 4 gezeichnet. Die Spule mit dem angenommenen Windungsschluß ist durch Umrahmung ihrer Spulenseiten gekennzeichnet. Der Kurzschlußstrom in der kurzgeschlossenen Windung erregt den in Fig. 1 skizzierten Strombelag a, aus dessen Integration sich das Störfeld b ergibt.

Die Fourier-Analyse der bei Windungsschlüssen auftretenden Stör- Wechselfelder liefert im allgemeinen Fall von Null verschiedene Amplituden für alle Polpaarzahlen zwischen Eins und Unendlich und zusätzlich einen unipolaren Anteil.

Der Unipolarfluß kann einfach durch ein Meßspulensystem erfaßt werden. Eine auf dem Unipolarfluß aufbauende Überwachung bietet sich im allgemeinen aber deshalb nicht an, weil die Größe des Unipolarflusses vom magnetischen Widerstand im Stirnraum der Maschine abhängt, und dieser sich wiederum mit dem Schlupf der Maschine ändert. Das Meßsignal wäre somit nicht nur in gewünschter Weise eine Funktion des Fehlerstromes, sondern in unerwünschter Weise auch abhängig vom Belastungszustand.

Um die Wicklungsfelder und das Zahnsättigungfeld aus der Meßspannung zu eliminieren, wird eine Anordnung gewählt, bei welcher n gleiche Meßspulen mit der tangentialen Weite von W Nutteilungen gleichmäßig über den Umfangswinkel verteilt im Ständerblechpaket mit N Nuten angeordnet und in Reihe geschaltet sind. Die Meßspannung ist dann proportional dem Faktor

Die Größen W, n und a sind so zu wählen, daß der vorstehende Faktor für das Maschinenhauptfeld mit der Polpaarzahl = p zu Null wird, für die Wicklungsoberfelder und das Zahnsättigungsfeld zu Null bzw. zu einem Minimum wird, daß hingen d ₁ für eines der zur Überwachung benutzten Störfelder zu einem Maximum wird. Da bei den vorkommenden Störfeldern mit den Polpaarzahlen = k = 1; 2; . . . die Amplituden mit wachsender Polpaarzahl abnehmen, wird man zur Überwachung vorzugsweise das Feld mit einer der beiden kleinsten Polpaarzahlen heranziehen, für welche sich die vorstehenden Kriterien erfüllen lassen.

In der Praxis wird man die Möglichkeit bevorzugen, die bezüglich Spulenweite und Versatz der Spulen ganzzahlige Vielfache der Nutteilung ergibt.

Falls der Unipolarfluß aus der Meßspannung eliminiert werden soll, so kann man eine zweite identische Spulengruppe mit der ersten gegensinnig in Reihe schalten, wobei der Umfangswinkel α, um welchen die beiden Spulengruppen versetzt angeordnet sind, für das zur Überwachung herangezogene Störfeld mit der Polpaarzahl k zu α = π/k gewählt wird. Der resultierende Faktor für die Meßspulenspannung lautet dann

Da es sich bei dem zur Erkennung eines Wicklungsschadens herangezogenen Luftspaltfeld der Polpaarzahl k um ein Wechselfeld, bzw. bei Berücksichtigung der Läuferrückwirkung um ein elliptisches Drehfeld handelt, ist die resultierende Meßspulenspannung außer von dem Fehlerstrom auch abhängig von der räumlichen Lage zwischen der Schadensstelle und dem Meßspulensystem. Ein elliptisches Drehfeld kann aufgefaßt werden als die Überlagerung von zwei gegenläufigen Kreisdrehfeldern unterschiedlicher Amplitude. Die von jedem einzelnen Kreisdrehfeld herrührende induzierte Spannung in einem Meßspulensystem nach Anspruch 1 bzw. nach den Ansprüchen 1 und 2 ist erfaßbar, indem man nach Anspruch 3 ein identisches zweites Meßspulensystem anordnet, welches gegenüber dem ersten um den Winkel c = 0; 1; 2; . . .

versetzt angeordnet ist, wobei k die Polpaarzahl des für die Überwachung ausgenutzten Störfeldes nach Anspruch 1 bedeutet. Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Ausnutzung der Symmetrischen Komponenten für ein Zweiphasensystem.

Der Wicklungsplan für das erfindungsgemäße Meßspulensystem ist in Fig. 2 für eine dreisträngige, vierpolige Maschine, deren Wicklung in N = 36 Nuten eingelegt ist, aufgezeichnet. Bei der Wicklung handelt es sich wegen somit um eine Ganzlochwicklung (n* = 1).

In Fig. 2 sind n = 2 Meßspulen gleichmäßig über den Umfangswinkel verteilt angeordnet und in Reihe geschaltet. Die Spulenweite wurde zu W = N/18 Nutteilungen gewählt. Der Faktor ϕ ₁ nimmt somit die Form an

Zwei Meßspulen der gewählten Art (in Fig. 2 z. B. im System 1 die Spulen 1-19, 7-25 bzw. im System 2 die Spulen 10-28, 16-34) genügen dem Anspruch 1, denn für das Maschinenhauptfeld, für alle Wicklungsoberfelder und für das Zahnsättigungsfeld erhält man

Auf der anderen Seite ist bei der gewählten Anordnung für das Feld mit der kleinsten Polpaarzahl = k = 1, die nicht mit den Polpaarzahlen der Wicklungs- und Zahnsättigungsfelder übereinstimmt, der Faktor wohingegen für die nächstfolgenden Störfelder mit den Polpaarzahlen = 3 und = 4 der Faktor ϕ ₁ zu Null wird. Im einzelnen gilt

Da das Meßspulensystem auf die kleinste Polpaarzahl k = 1 der Störfelder zugeschnitten ist, sind gemäß Anspruch 3 in Fig. 2 zwei identische Meßspulensysteme um den Winkel α = π, also um achtzehn Nutteilungen, gegeneinander versetzt angeordnet und gegensinnig in Reihe geschaltet (in System 1 die Spulen 19-1, 25-7).

In Fig. 2 ist ein dem System 1 identisches Meßspulensystem 2 eingezeichnet, wobei die beiden Systeme mit k = 1 und c = 0 um β = π/2 entsprechend neun Nutteilungen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Claims (4)

1. Elektrische Meßeinrichtung an elektrischen Drehfeldmaschinen (Synchron- und Asynchronmaschinen), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung des Zustandes von Mehrphasenwicklungen, insbesondere zur Unterscheidung des ungestörten Betriebes von einem Wicklungsschaden, n gleiche Meßspulen mit der tangentialen Weite von W Nutteilungen gleichmäßig über den Umfangswinkel verteilt im Ständerblechpaket mit N Nuten angeordnet und in Reihe geschaltet sind, und daß die Größen W, n und a so gewählt sind, daß der der Meßspannung proportionale Faktor für das Maschinenhauptfeld mit der Polarzahl = p zu Null wird, für die Wicklungsoberfelder mit den Polpaarzahlen mit g = ± 1; ± 2; . . . ; (m = Strangzahl der Mehrphasenwicklung, n* = Nenner der gekürzten Nutzahl je Pol und Strang) und das Zahnsättigungsfeld mit der Polpaarzahl = 3p zu Null bzw. zu einem Minimum wird, und daß der Faktor ϕ ₁ für ein Feld aus dem Spektrum der Störfelder mit den Polpaarzahlen = kmitk = 1; 2; . . . ; die nicht mit den Polpaarzahlen der Wicklungs- und Zahnsättigungsfelder übereinstimmen, zu einem Maximum wird.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für k einer der beiden kleinsten Werte eingesetzt wird.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei identische Meßspulensysteme um den Umfangswinkel α = gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei k die Polpaarzahl des Störfeldes = k mit dem kleinsten Betrag bedeutet, und gegensinnig in Reihe geschaltet sind.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei um den Umfangswinkel β gegeneinander versetzte identische Meßspulen in das Blechpaket eingelegt sind, wobei der Winkel b der Beziehung c = 0; 1; 2; . . . genügt und k die Polpaarzahl = k mit dem kleinsten Betrag bedeutet.