DE3722743C2 - Elektrische Schutzeinrichtung mit Wirkkomponentenmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzeinrichtung mit Wirkkomponentenmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sie kann für die Erdschlußrichtungsmessung in gelöschten Netzen und für den Rückleistungsschutz bei motorisch arbeitenden Generatoren vorgesehen sein.

Für die Erdschlußrichtungsmessung werden Erdschlußrichtungsrelais in Gleichrichterbrückenschaltung verwendet.

Aus der Siemens-Veröffentlichung "Der Erdschluß im Netzbetrieb" (Bestell-Nr. A 19 100-E141-B166) und insbes. aus den Bildern 30 und 32 und der zugehörigen Beschreibung sind Erdschlußrichtungsrelais mit kontaktbestückten Relais oder statischen Meßschaltungen bekannt, deren von der Verlagerungsspannung bei einpoligem Erdschluß in einer von der Sammelschiene abgehenden Stichleitung beaufschlagter Spannungspfad mit einer als offene, einseitig geerdete Dreieckwicklung geschalteten Sekundärwicklung eines mit seiner Primärwicklung in geerdeter Sternschaltung an die Sammelschiene angeschlossenen Spannungswandlers verbunden ist. Der vom Erdstrom beeinflußte Strompfad des Erdschlußrelais ist mit der Sekundärwicklung eines die drei Leiter der Stichleitung umfassenden Umbaustromwandlers verbunden. Beide Pfade arbeiten über Zwischenüberträger auf eine Gleichrichterbrückenschaltung zur Bildung der Absolutwerte der geometrischen Summe bzw. Differenz aus dem Summenstrom oder Nullstrom I_M in der Meßstelle und der Verlagerungsspannung U_M. Der Sternpunkt des Hoch- bzw. Mittelspannungssystems ist über eine Löschspule mit Erde verbunden, die den kapazitiven Blindanteil des Erdstromes durch ihren induktiven Spulenblindstrom mindestens teilweise kompensiert. Da die Löschspule ohm′sche Verluste hat und dadurch einen Wirkstrom verursacht, wird der gesamte Spulenstrom einen von 90° abweichenden Winkel zur Verlagerungsspannung einnehmen.

Der an der Meßstelle im Netz fließende gemischte Strom mit Wirk- und Blindstromanteilen hat meistens einen zum Blindstromanteil relativ kleinen Wirkstromanteil. Da letzterer allein für die Erdschlußrichtungsmessung maßgeblich ist, müssen die Erdschlußrichtungsrelais entsprechend ansprechempfindlich ausgelegt werden.

Zur erwünschten Verringerung der Ansprechempfindlichkeit und Verbesserung der Meßgenauigkeit der Erdschlußrichtungsrelais hat man auf der Netzseite verschiedene Maßnahmen, beispielsweise zur Erhöhung des Wirkstromanteils vorgesehen, die mit zusätzlichem Aufwand verbunden sind und nur während des Meßvorganges zum Einsatz kommen dürfen, da sie eine erhöhte Gefährdungsspannung (Vergrößerung des Spannungstrichters an der Erdschlußstelle) mit sich bringen.

Wegen der Abhängigkeit des Erdschlußrichtungsrelais vom relativ kleinen Wirkstromanteil muß dieses nicht nur winkeltreu messen, sondern auch entsprechend empfindlich ansprechen, weswegen Umbauwandler eingesetzt werden. Außerdem werden diese Relais wegen der benötigten Übertrager und Meßgleichrichter in Brückenschaltung mit zunehmenden Winkeln zwischen Summenstrom und Verlagerungsspannung unempfindlicher. Es ergibt sich für negative und positive Winkel bei konstantem Wirkstromanteil des Summenstromes eine wannenförmige Ansprechkennlinie nach Fig. 1, aus der eine Mindestansprechstromstärke bei einem Winkel Null entnehmbar ist.

Für einen Winkel über 80° wird als Ansprechwert z. B. schon das Dreifache des Minimalwerts benötigt, was durch die besagten zusätzlichen Maßnahmen auf der Netzseite erreichbar ist.

Unter der Voraussetzung, daß die Dreieckspannung zwischen den beiden erdschlußfreien Netzphasen einen Phasenwinkel von genau 90° gegen die Verlagerungsspannung aufweist, könnte statt der netzseitigen Maßnahmen die Dreieckspannung als Erzeugerspannung für einen durch einen steuerbaren Widerstand parallel zur geerdeten Sekundärwicklung des Umbauwandlers bestimmten Kompensationsstrom zur Verringerung des Blindstromanteils dienen. Eine Schaltung zur selbsttätigen Auswahl der jeweils erdschlußfreien Netzphasen zwecks Ermittlung der richtigen Dreieckspannung könnte diese über einen in Reihe zum steuerbaren Widerstand liegenden Trenntransformator aufschalten und der steuerbare Widerstand durch ein Steuerglied hinter der Zuschaltung des Widerstands auf den jeweils kleinstmöglichen umbauwandlerseitigen Meßstrom eingestellt werden. Eine solche niederspannungsseitige Maßnahme wäre aber nur bei Netzen möglich, bei denen im einpoligen Erdschlußfall keine winkelverdrehende Spannungsverlagerung auftreten kann.

Im zweitgenannten Fall des Rückleistungsschutzes für Generatoren ist die Aufgabe gestellt, bei Ausfall der mechanischen Antriebsenergie (Turbine) für den Generator diesen dann auftretenden unerwünschten Zustand des motorischen Betriebes des Synchrongenerators, bei dem dieser elektrische Energie vom Netz bezieht und die Turbine antreibt, zu erfassen. Dabei wird zur Deckung der Verluste Wirkleistung vom Netz bezogen. Diese "negative" Wirkleistung, auch als Schleppleistung oder Rückleistung bezeichnet, wird von einer Rückleistungsschutzeinrichtung erfaßt und bei Überschreiten eines bestimmten, eingestellten Ansprechwertes (z. B. 50% der Schleppleistung) die Synchronmaschine vom Netz getrennt. Je nach Größe der Maschinenerregung ist dieser Wirkleistung noch eine Blindleistung überlagert, die sowohl positiv (Übererregung) als auch negativ (Untererregung) sein kann.

Durch Minderung der Verluste hat sich bei modernen Maschinen die Schleppleistung, besonders von großen Turbosätzen, zunehmend verkleinert, wodurch die Meßanforderung an den Rückleistungsschutz erhöht werden. Beträgt z. B. die Schleppleistung des Turbosatzes 1% von der Nennleistung P_Nenn des Generators, die überlagerte Blindleistung 50% von P_Nenn, dann berechnet sich der Phasenwinkel cot ϕ=1/50, was einen Winkel ϕ=88,9° bedeutet.

Die Rückleistungsschutzeinrichtung, eingestellt auf 05,% von P_Nenn, soll dabei aber noch sicher ansprechen. Der Fehlwinkel der Rückleistungsschutzeinrichtung muß dabei entsprechend cot ϕ=0,5/50, d. h. ϕ=89,43° kleiner als 0,57° sein, wenn der Rückleistungsschutz seine Schutzfunktion entsprechend Fig. 4 erfüllen soll. Die Verhältnisse in Fig. 4 sind zur besseren Übersichtlichkeit nicht maßstabsgerecht dargestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sicheres Ansprechen der jeweils verwendeten Schutzeinrichtung zu erreichen.

Die gestellte Aufgabe wird auf einfache Weise durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß dem Anspruch 2 für eine Erdschlußrichtungsmessung ergibt sich eine einwandfreie Betätigung der Kompensationsschaltung auch in den Fällen, bei denen infolge größerer Erdschluß-Übergangswiderstände keine vollständige Spannungsverlagerung einteten kann.

Bei den hier betrachteten gelöschten Netzen kann die Größe des im Erdschlußfall auftretenden Blindstroms und seine Richtung an der Meßstelle bei der üblichen Überkompensation der Löschspule abgeschätzt werden, wobei die Richtung an allen Meßstellen im Netz in der Regel - bei Überkompensation in jedem Fall - gleich ist, so daß die Polung des niederspannungsseitigen Kompensationsstroms für die Richtungsmessung festliegt. Aus der zu erwartenden ungefähren Größe des fehlerbedingten Blindstroms kann die notwendige Kapazität der Kompensationskondensatoranordnung leicht ermittelt werden, wobei eine exakte Kompensation des Blindstromanteils nicht unbedingt erforderlich ist.

Eine genauere Kompensation kann durch eine stufenweise schaltbare Kondensatoranordnung erreicht werden, wobei die jeweils optimale Kondensatorgröße durch Messen des dem Strompfad der Erdschlußrichtungsrelais zugeführten Minimalstromwertes möglich ist. Eine von einem strommessenden Steuerglied abhängig gesteuerte Kondensatoranordnung der vorgenannten Art kann automatisch optimal an die jeweiligen Verhältnisse angepaßt werden.

Beim Beispiel für eine Erdschlußortung mit Kompensationskondensatoren nach Fig. 2 ist für eine überschlägige Berechnung der Kompensationskondensatoren ein Strahlennetz 110/20 kV mit vier Stichleitungen angenommen, von denen drei gleiche Strichleitungen bei einem Erdschluß jeweils 7A-Ladestrom und eine Stichleitung 60A-Ladestrom liefern soll.

Ein 110/20 kV bemessener Leistungstransformator 1 in Dreieck-/Stern-Schaltung speist eine 20 kV-Sammelschiene 2 für die 7A-Stichleitungen 4 und die 60A-Stichleitung 5. Die sterngeschaltete Sekundärwicklung des Leistungstransformators 1 ist über eine 5% überkompensierte Löschspule 3 mit Erde verbunden, die auf 85A eingestellt ist und einen Verluststrom (Wirkstrom) von 3A aufweist. An die Sammelschiene 2 ist ein Spannungswandler 7 und an jede Stichleitung ein Umbauwandler 6 (nur einer dargestellt) angeschlossen. Die ungeerdete Sekundärwicklung des Umbauwandlers 6 ist an den Strompfad und die in einpolig geerdeter offener Dreieckschaltung betriebene Sekundärwicklung des Spannungswandlers 7 an den Spannungspfad des Erdschlußrichtungsrelais 8 angeschlossen. Eine in geerdeter Sternschaltung betriebene zweite Sekundärwicklung liefert die Versorgungsenergie für das Relais. Die mit der Sammelschiene 2 verbundene Primärwicklung des Spannungswandlers 7 ist ebenfalls in geerdeter Sternschaltung angeordnet. Die einpolige Erdung der Sekundärwicklung des Umwandlers 6 erfolgt durch einen Leiter 11 zum geerdeten Pol der in offener Dreieckschaltung betriebenen Sekundärwicklung des Spannungswandlers 7, dessen ungeerdeter Pol über eine Verbindungsleitung 10 mit einem Kompensationskondensator 9 an die Sekundärwicklung des Umbauwandlers 6 angeschlossen ist, d. h., der Kondensatorpfad ist nicht unmittelbar mit Erde verbunden.

Im betrachteten Fall wird von einem kapazitiven Blindstrom von 81A bei einem einpoligen Erdschluß in einer Stichleitung ausgegangen.

Bei einem Erdschluß in einer der Stichleitungen 4 oder 5 gilt:
Spulenblindstrom + Ladestrom der gemessenen Leitung - Ladestrom des gesamten Netzes = Blindstrom am Meßort.

Für eine Stichleitung 4 ergibt sich demanch 85+7-81=11A.

Der Winkel

Es wäre bei diesem Winkel ein Ansprechwert von höchstens 10 mA für die Relaiseinstellung zulässig.

Dem netzseitigen Blindstrom von 11A entsprechen auf der Sekundärseite des Umbauwandlers 11/60=0,183 A.

Von dem 11A-Blindstrom sollen für das Rechenbeispiel 10A statt des Idealwerts von 11A durch den Kompensationskondensator kompensiert werden, was sekundärseitig einem Strom von 10/60=0,167 A entspricht.

Bei einem einpoligen Erdschluß mit voller Verlagerungsspannung ist der Spannungswandler so eingestellt, daß an seiner in offener Dreieckschaltung betriebenen Sekundärwicklung 100 V auftreten, so daß sich ein Widerstandswert 100/0,167≈600 Ω ergibt.

Nach der Beziehung

ergibt sich für f=50 Hz und C=5 µF:

Somit ergibt sich ein Stromwert

Die Differenz von 0,183-0,157=0,026 A bei einem Kompensationskondensator von 5 µF bekommt das Relais zur Auswertung.

Der sekundärseitige Wirkstrom beträgt 3/60=0,05 A und damit der Winkel arc tg 0,026/0,05=27,5°.

Bei diesem Winkel ist für die Relaiseinstellung ein Ansprechwert von 30 mA ausreichend niedrig.

Bei einem Erdschluß in der Stichleitung 5 (60A Ladestrom) ergeben sich als primärer Blindstrom am Meßort 85+60-81=64 A, d. h. 64/60=1,067 A sekundärseitig.

Es ergibt sich ein Winkel von arc tg 64/3=87,3°, bei dem keine brauchbare Messung möglich wäre.

Bei einer Kompensation von 63 A, das sind 63/60=1,05 A sekundärseitig, ergeben sich mit 100 V/1,05 A=95,2 Ω.

Nach der obengenannten Gleichung ergeben sich bei f=50 Hz: 32 µF für den Kompensationskondensator.

Theoretisch lassen sich daraus ermitteln als Widerstandswert:

und somit als Strom

errechnen.

Das Relais erhält die Differenz 1,067-1,005=0,062 A Blindstrom und 3/60=0,05 Wirkstrom, woraus sich ein Winkel arc tg 0,062/0,05=51,1° ergibt, bei dem 20 mA Ansprechwert ausreichen.

Aus Ersparnisgründen kann in der Praxis gemäß Fig. 3 mehreren Stichleitungen 4′, 4′′, 4′′′ mit ihren Umbauwandlern 6′, 6′′, 6′′′ sowie dem einzigen Spannungswandler 7 ein einziges Erdschlußrichtungsrelais 8 zugeordnet sein, das mit Hilfe von Umschaltern 12′, 12′′, 12′′′ nacheinander jeweils auf die einzelnen Umbauwandler geschaltet wird. Mit Hilfe der betreffenden Umschaltkontakte a zur Entlastung des Spannungswandlers 7 werden zusätzlich auch die einzelnen Kompensationskondensatoren 9′, 9′′ bei dieser Suchschaltung synchron mit Hilfe der Kontakte b geschaltet, wobei die einzelnen Kompensationskondensatoren den Bedingungen der Stichleitungen entsprechend bemessen sind. Bei Stichleitungen mit gleichen oder annähernd gleichen Ladeströmen kann der Kompensationskondensator 9′′ für zwei oder mehrere Stichleitungen mittels Leiter 13 wirksam werden. Im Stromkreis der Kompensationskondensatoren sind Strom-Sicherungen 14 zur Absicherung vorgesehen.

Für kurze Stichleitungen mit kleinem Ladestrom kann unter Umständen der Kompensationskondensator entfallen.

Zur Kompensation eignen sich insbesondere Kondensatoren mit hoher Zeitkonstanz und geringer Temperaturabhängigkeit sowie einer ausreichenden Wechselspannungsauslegung von etwa 250 V bei 50 Hertz.

Beim Beispiel für einen Rückleistungsschutz für einen Generator 18 nach Fig. 5 entsprechend den Anforderungen nach der nicht maßstabsgerechten Fig. 4 wird dem als Wirkleistungsrelais 15 arbeitenden üblichen Rückleistungsrelais eine steuerbare und vorzeichenrichtig schaltbare Kompensationskondensatorenanordnung 9a mit sehr kleinem Fehlwinkel zugeordnet, die den Blindstrom so weit kompensiert, daß das Rückleistungsrelais mit einem Strom beaufschlagt wird, der nur noch einen für die genaue Wirkleistungsmessung akzeptablen Blindstromanteil enthält.

Da die Blindleistung des Generators 18 betriebsabhängig sowohl in ihrer Größe als auch Richtung verschieden ist, wird der Kompensationsblindstrom der Kondensatoranordnung 9a von einer die Blindleistung U · I · sin phi messenden Blindleistungsmeßanordnung 16 gesteuert: Die Kapazität der anzuschaltenden Kondensatoranordnung 9a berechnet sich dabei gemäß U·I·sin phi=U ² · ω C. Für konstante Spannung und vorgegebene Frequenz (ω = 2π f) ist also die Kapazität proportional dem Blindstrom I·sin phi. Die Richtung des Kompensationsblindstromes wird um 180° gedreht, wenn die Blindleistung U · I · sin phi ihr Vorzeichen wechselt (entsprechend dem Vorzeichenwechsel von sin phi). Dabei wird von der Blindleistungsmeßanordnung 16 ein Umschalter 17 entsprechend gesteuert.

Der Stromausgang I des Wirkleistungsrelais 15 ist mit der Sekundärseite des Stromwandlers 6 und dem Stromausgang I der Blindleistungsmeßanordnung 16 fest verbunden und außerdem mit einem Pol unmittelbar an die verstellbare Kompensationskondensatoranordnung 9a und mit dem anderen Pol an zwei Gegenkontakte des Umschalters 17 angeschlossen, dessen mittlerer Gegenkontakt mit dem anderen Pol der Kompensationskondensatoranordnung 9a verbunden ist. Die beiden Schaltkontakte des Umschalters 17 sind fest mit den beiden Polen der Sekundärwicklung des Spannungswandlers 7 verbunden, die ihrerseits noch mit den Spannungsausgängen U des Wirkleistungsrelais 15 und der Blindleistungsmeßanordnung 16 verbunden sind.

Eine vollkommene Kompensation des Blindstromes ist im allgemeinen nicht erforderlich, da es genügt, den Blindstrom nur so weit zu reduzieren, daß das Wirkleistungsrelais 15 eine genaue Messung durchführen kann. Werden beispielsweise bei einer Blindleistung P_B=50% P_N nur P_B=40% P_N kompensiert, so ergibt sich bei einer Wirkleistung von P_w=1% P_N und der verbleibenden Blindleistung von P_B=10% P_N ein cotϕ+1%/10%=0,1; also ϕ=84,2°. Ohne Kompensation hätte sich dagegen cotϕ+1%/50%=0,02; also ϕ+88,9° ergeben.

Während eine Wirkleistungsmessung bei einem Phasenwinkel von ϕ≈89° meßtechnisch Schwierigkeiten bereitet, ist bei ca. ϕ=85° eine Wirkleistungsmessung mit den heute verfügbaren Wirkleistungsrelais problemlos. Da in der Praxis eine Teilkompensation des Blindstromes ausreicht, sind folgende Vereinfachungen zulässig:

• a) Die Blindleistungsmeßanordnung braucht bezüglich Amplituden- und Winkelgenauigkeit keine hohen Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen.
• b) Es braucht nicht eine der Blindleistung proportionale Kompensations-Kapazität zugeschaltet zu werden, sondern es genügt eine ein- oder zweistufige Teilkompensation bei großen Blindleistungen. Als Blindleistungsmeßanordnung kann hierbei ein Blindleistungsrelais verwendet werden, das bei Überschreiten eines eingestellten Blindleistungswertes eine bestimmte Kapazität vorzeichenrichtig zuschaltet.
• c) Statt einer Blindstrommessung in jeder Phase des Mehrphasensystems braucht nur in einer Phase diese Messung durchgeführt und davon abhängig die mehrphasige Kompensation gesteuert zu werden.
• d) Anstelle der Blindleistungsmessung kann auch eine Blindstrommessung ausreichend sein.

Wichtig für die erfindungsgemäße Blindstromkompensation ist jedoch stets, daß die Kompensationskondensatoren einen ausreichend kleinen Fehlwinkel (0,5°) aufweisen. Dies ist mit heutigen Kondensatoren leicht erfüllbar, die einen Verlustfaktor von z. B. tg δ=0,5 · 10^-3 besitzen, was einem Fehlwinkel von δ<0,03° entspricht.

Claims (8)

1. Elektrische Schutzeinrichtung mit Wirkkomponentenmessung bei großem Phasenwinkel, die über Strom- und Spannungswandler mit einem zu überwachenden Stromkreis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom- und Spannungswandler sekundärseitig über eine Kompensationskondensatoranordnung gekoppelt sind, deren Blindstrom dem dem Wirkstrom überlagerten Blindstrom entgegengerichtet ist.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 für die Erdschlußrichtungsmessung in gelöschten Netzen mit Hilfe wenigstens eines Erdschlußrichtungsrelais in Gleichrichterbrückenschaltung, dessen Spannungspfad über einen Spannungswandler mit der Sammelschiene und dessen Strompfad jeweils über einen Umbauwandler mit einer Stichleitung gekoppelt ist, wobei eine in offener einseitig geerdeter Dreieckschaltung betriebene Sekundärwicklung des Spannungswandlers bei einpoligem Erdschluß die Verlagerungsspannung U_M und die Sekundärwicklung des Umbauwandlers den Erdstrom I_M über Zwischenübertrager als geometrische Summe I_M+U_M bzw. Differenz I_M-U_M auf die Gleichrichterbrückenschaltung übertragen und Maßnahmen zur Vergrößerung des Verhältnisses vom Wirk- zu Blindanteil des Erdstromes vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Pol der nicht eigens geerdeten Sekundärwicklung des Umbauwandlers (6, 6′, 6′′, 6′′′) und dem ungeerdeten Pol der offenen Sekundärwicklung des Spannungswandlers (7) zur Herabsetzung des dem Strompfad zugeführten Blindanteils des Summenstroms eine Kompensationskondensatoranordnung (9, 9′, 9′′) angeschlossen ist und der andere Pol der Sekundärwicklung des Umwandlers galvanisch unmittelbar mit dem geerdeten Pol der offenen Dreieckwicklung des Spannungswandlers verbunden ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strompfad hinter der Anschlußstelle der Kompensationskondensatoranordnung ein Strommeßglied zur Beeinflussung der in ihrer Kapazität veränderlichen Kondensatoranordnung im Sinne einer Minimierung des Blindanteils des Summenstroms angeordnet ist.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Erdschlußrichtungsrelais (8) über eine Suchschaltung ständig mit dem Spannungswandler (7) verbunden ist und über Umschalter (12′, 12′′, 12′′′) einzeln durch Umschaltkontakte (a) nacheinander an die Umbauwandler (6′, 6′′, 6′′′) und gleichzeitig über Kontakte (b) die zugeordnete Kompensationskondensatoranordnung (9′, 9′′) zuschaltbar ist.

5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 für eine Rückleistungsschutzeinrichtung mit Wirkleistungsrelais für Generatoren, die den motorisch arbeitenden Generator bei Überschreiten einer vorbestimmten Rückleistung vom Netz trennt, dadurch gekennzeichnet, daß zur vorzeichenrichtigen Blindstromkompensation eine Blindleistungsmeßanordnung (16) sowie ein Umschalter (17) zur polaritätsrichtigen Verbindung der Kompensationskondensatoranordnung (9a) mit dem gemeinsamen Stromausgang von Wirkleistungsrelais und Blindleistungsmeßanordnung und dem an den gemeinsamen Spannungsausgang angeschlossenen Spannungswandler (7) vorgesehen sind.

6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindleistungsmeßanordnung (16) außer der vorzeichenrichtigen Blindstromumschaltung auch die Kapazität der Kompensationskondensatoranordnung (9a) im Sinne einer ausreichenden Begrenzung des Rest-Blindstroms steuert.

7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindleistungsmeßanordnung einphasig und die Anordnung zur Blindleistungskompensation allphasig ausgebildet ist.

8. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß statt einer Blindleistungsmeßanordnung eine Anordnung zur Blindstrommessung oder zur sin ϕ-Messung vorgesehen ist.