DE409279C

DE409279C - Sicherheitseinrichtung fuer Wechselstromanlagen

Info

Publication number: DE409279C
Application number: DEA41124D
Authority: DE
Inventors: Richard Troeger
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1923-12-05
Filing date: 1923-12-05
Publication date: 1925-02-05

Description

DEUTSGMs REICH

AUSGEGEBEN AM 5. FEBRUAR 1925

REICH S PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE

(A 41124VMI21C')

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin ). Sicherheitseinrichtung für Wechselstromanlagen. Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. Dezember 1923 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsvorrichtung für Wechselstromanlagen, die insbesondere Schutz gegen die aus den verschiedensten Ursachen auftretenden Über- und Ausgleichsströme bieten soll. Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet in der Erfindung liegt in allen denjenigen Fällen vor, in denen es sich darum handelt, mehrere synchron oder asynchron betriebene Wechselstromanlagen miteinander zu kuppeln oder im zusammengekuppelten Zustand zu betreiben. Eine Kupplung synchron betriebener Anlagen liegt dann vor, wenn die Spannung, Phase und Periodenzahl der einen Anlage der anderen Anlage zwangsweise aufgedrückt wird, wenn es sich also beispielsweise um das Anschalten eines Motors an einen Stromerzeuger handelt. Eine Kupplung asynchron betriebener Anlagen liegt dann vor, wenn Spannung, Phase und Periodenzahl der beiden Anlagen voneinander abweichen können und der Schlupf zu Ausgleichsströmen Veranlassung geben kann, wenn es sich also beispielsweise um das Parallelschalten zweier unabhängig voneinander betriebener Stromerzeuger handelt.

In allen Fällen treten — gleichgültig, ob es sich um Ein- oder Mehrphasenstrom handelt — bei der Kupplung häufig Störungen dadurch auf, daß parallel arbeitende Systeme außer Tritt fallen, sei es durch Überlastung eines Systems oder durch falsches Parallelschalten oder andere Ursachen. Derartige Vorfälle wirken sich in der Regel in heftigen Kurzschlüssen mit ihren bekannten Folgeerscheinungen aus. Es gibt eine Reihe von Einrichtungen, teils um den Vorfall zu verhindern, wie beispielsweise die

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Richard Tröger in Zehlendorf.

Einrichtungen zum automatischen Parallelschalten von Synchronmaschinen, teils — und diese sind in der Mehrzahl — um die Störungen in derartigen Fällen auf ein Mindestmaß zurückzuführen. Letztere fallen in der Regel in die Klasse der Überstromschutzeinrichtungen, d.h. das in der Leistung schwächere System (beispielsweise ein Motor oder ein kleines Kraftwerk), wird meist automatisch abgeschaltet. Ähnlich liegt der Fall, wenn eine Leitung plötzlich stromlos gemacht wird, ohne daß die angeschlossenen Maschinen ausgeschaltet werden, und wenn die Leitung kurze Zeit darauf wieder unter Spannung gesetzt wird, wie es in der Praxis häufig vorkommt.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, durch eine einfache Einrichtung derartige Vorfälle für den Betrieb gefahrlos zu machen bzw. vollkommen zu verhindern, und zwar sind hierunter ganz allgemein solche Vorfälle zu verstehen, bei denen zwei Wechselstromsysteme verschiedener Periodenzahl zusammengeschaltet werden oder zusammengeschaltet laufen, einschließlich der Fälle, · daß das eine System die Periodenzahl Null besitzt, wie beim Anlauf eines Motors oder Generators.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Gesamtwiderstand eines sogenannten elektrischen Reihenschlußschwingungskreises, der bekanntlich aus einer Kombination von induktiven und kapazitiven Widerständen besteht (die Wirkwiderstände sollen der Einfachheit halber unberücksichtigt bleiben; sie ändern auch nichts an dem Prinzip des Erfindungsgedankens), sich mit der Penodenzahl der angelegten Spannung verändert, und zwar in der Weise, daß er bei einer bestimmten als »Eigenfrequenz« bezeichneten Frequenz gleich Null wird, während er sowohl bei höherer wie bei niederer Frequenz schnell ansteigt nach der Gleichung

2 TT' C

Hierbei bedeuten: C und L die resultierenden Werte von Kapazität und Selbstinduktion, ν die Periodenzahl.

Erfindungsgemäß wird nun ein derartiger Reihenschlußschwingungskreis in Reibe mit den zu schützenden Anlageteilen geschaltet und auf die Periodenzahl desjenigen Systems abgestimmt, welches nach den jeweiligen Umständen als das Hauptsystem angesehen wird bzw. an das die verschiedenen Einzelsysteme (Motoren, Generatoren usw.) angeschlossen werden sollen, und vorübergehend oder dauernd zwischen das Hauptsystem und das Einzelsystem geschaltet. Ferner wird nach bekannten Methoden beispielsweise durch Verwendung von Eisen im Magnetkreis des induktiven Widerstandes der Schwingungskreis so eingestellt, daß er von einer bestimmten Stromgrenze ab automatisch verstimmt wird, und sein Widerstand nach Erreichen dieser Grenze auch bei Eigenfrequenz einen solchen Wert annimmt, daß eine als zulässig angesehene Grenze für den Stromausgleich zwischen den Systemen nicht überschritten wird.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind außerordentlich mannigfaltig. Sie kann beispielsweise verwendet werden, wenn es sich um die Parallelschaltung oder den Parallelbetrieb mehrerer voneinander unabhängig angetriebener Primäranlagen von beliebiger, gegebenenfalls voneinander abweichenden Spannung, Phase und Periodenzahl handelt. Es ist gleichgültig, ob als Primäranlage ein ausgedehntes Verteilungsnetz, eine aus mehreren Stromerzeugern bestehende Zentrale oder ein einzelner Stromerzeuger dient. In diesem Fall wird der Reihenschlußschwingungskreis in die Verbindungsleitung beider Primäranlagen eingeschaltet und stellt ein Mittel dar, um die beiden Primäranlagen ohne besondere Maßnahmen go zur Zusammenschaltung oder ohne besondere Parallelschaltvorrichtungen miteinander lediglich durch Einlegen eines Schalters zu beliebiger Zeit miteinander parallel zu schalten.

Der .gemäß der Erfindung vorgesehene Reihenschiußschwingungskreis kann auch zwischen einen anzulassenden oder laufenden Motor beliebiger Art und der Primäranlage eingeschaltet werden. In diesem Fall sind besondere Mittel, wie sie sonst für das Anlassen des Motors bekannt sind, nicht vorgesehen. Der Motor kann vielmehr unter Zwischenschaltung des Schwingungskreises direkt an die volle Netzspannung gelegt werden, wobei sich die Anlaßstromstärke ohne weiteres auf das zulässige Maß von selbst einstellt. Die Erfindung kann weiterhin auch bei Kupplungen von zwei Anlagen durch einen beliebigen Spannungs- oder Periodenumformer (Transformator, Synchronumformer o. dgl.) benutzt werden. Hierbei kann der Schwingungskreis entweder nur zwischen einer Anlage und dem Umformer oder zwischen beiden Anlagen und dem Umformer eingeschaltet werden. Die Abstimmung erfolgt in diesem Fall auf die Schwingungszahl des zugehörigen Teiles des Umformers. Ausführungsbeispiele derartiger Anordnungen sind auf der Zeichnung dargestellt. Die Erfindung ist aber keineswegs auf die dargestellten Anwendungsbeispiele beschränkt.

Abb. ι stellt ein Schaltschema für eine Anwendung der Erfindung beim Parallelschialten von Synchronmaschinen dar. Es ist angenommen, daß die Schiene α das Hauptsystem repräsentiert und mit einer praktisch konstanten Periodenzahl (beispielsweise ν = 50) betrieben wird. Der Generator G ist anzulassen und mit α parallel zu schalten. Wie üblich, werden Doppelsammelschienen (a und b) angenommen, welche durch den Kupplungsschalter 2 miteinander verbunden werden können. Erfindungsgemäß ist nun bei diesem Beispiel der Kupplungsschalter 2 überbrückt durch einen auf die Hauptperiodenzahl (v = 50) abgestimmten Schwingungskreis, der bei dem Beispiel in seiner einfachsten Form, nämlich durch, eine Reihenschaltung von Kapazität (9) und Selbstinduktivität (10) angedeutet ist. 1 und 2 stellen Ölschalter, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 Trennschalter dar. Das Anlassen kann etwa folgendermaßen durchgeführt werden, wenn man als Ausgangszustand sämtliche Schalter als »offen« voraussetzt. Es werden der Reihe nach geschlossen 5, 6, 7, 8, 3 und zum Schluß i, während 4 und 2 geöffnet bleiben. Der Generator G möge erregt sein. Da sein Widerstand im Stillstand klein ist, zumal bei Vorhandensein einer Dämpferwicklung, so steigt mit dem Schließen von 1 der von α ausgehende, über den Schwingungskreis 9, 10 zum Generator G geleitete Strom sofort auf den Grenzwert an, für den der Schwihgungskreis 9, 10 bemessen ist. Beispielsweise möge angenommen werden, daß dieser Grenzstrom dem halben Vollaststrom des Generators G entspricht. Wird nun der | Generator G angetrieben (im Fall eines Syn- '■ chronmotors wird unter Umständen der Grenzstrom so gewählt, daß der Motor von selbst anläuft), so nimmt er eine eigene Span- j nung und Periodenzahl an, die sich in der Hauptspannung und Periodenzahl zu über- ■ lagern sucht. Solange seine Frequenz noch j wesentlich von derjenigen des Hauptsystems (v = 50) abweicht, findet diese Stromquelle: in dem auf 50 Perioden abgestimmten Schwingungskreis 9, ι ο einen erheblichen Widerstand, so daß sie den Hauptschwingungskreis nicht merklich beeinflussen kann. Je mehr sich die Eigenfrequenz des Generators G der Hauptfrequenz nähert, desto kleiner wird der Widerstand des Schwingungskreises 9, 10 für den Generatorstromkreis, desto mehr »fängt« sich der Generator mit dem Hauptsystem a, bis in den Moment, ' wo der Generator G mit α synchron läuft, der Schwingungswiderstand 9, 10 (jedenfalls bis zur Grenzstromstärke) praktisch auf Null sinkt, mithin die Parallelschaltung vollzogen ist. Jetzt braucht nur durch entsprechende Einstellung der Erregung des Generators G dafür gesorgt werden, daß die Eigenspannung von G derjenigen des Hauptsystems entspricht, um den Ausgleichsstrom zwischen beiden auf den gewünschten Wert zurückzuführen. Jetzt kann der Kupplungsschalter 2 und danach auch der Trennschalter 4 ohne Gefahr geschlossen werden.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen weiteren Generator freizubekommen, wird man nacheinander ausschalten 3, 7, 8, 2, 5 und 6 und Generator G wie üblich lediglich über 1 und 4 auf α arbeiten lassen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei dieser Art des Parallelschaltens die sonst möglichen Fehler und Gefahren vermieden werden.

Diese Vorrichtung bietet besondere Vorteile auch in den Fällen, wo es sich darum handelt, ein abgelegenes kleines Wasserkraftwerk von einer Hauptstation zu bedienen und dabei das Bedienungspersonal zu sparen. Hier genügt es (z. B. bei angebauter Erregermaschine), den Regulator und Erregerwiderstand auf eine vorher ausprobierte Lage fest einzustellen, so daß zum Zweck des Anlassens lediglich der Wasserzulauf geöffnet zu werden braucht. Mit Hilfe der vorbeschriebenen Einrichtung vollzieht sich dann die Parallelschaltung nach Einschaltung des Schwingungskreises ganz automatisch.

Vorwiegend bei kleinen fernbetätigten Stationen läßt sich die Schaltung noch dadurch vereinfachen, daß man den Schwingungskreis 9, 10 von vornherein für die volle Stromstärke ihrer Generatoren bemißt ^nd sie dauernd eingeschaltet läßt. Sie bildet in

! diesem Fall gleichzeitig den denkbar günstigsten Schutz gegen Überlastung des kleinen Werkes bei größeren Belastungsschwan-

j kungen im Hauptsystem. Auch wird damit die Möglichkeit der Übertragung großer Stromstärken von dem Hauptsystem nach dem kleinen Werk bei Auftritt von Fehlern vermieden. Es genügt daher, den ganzen Schutz des kleinen Werkes gegen Überströme lediglich für seine eigenen kleinen Stromstärken zu bemessen, was naturgemäß dessen Anlage wesentlich verbilligt.

Ebenso wie bei Synchronmaschinen kann man die Vorrichtung naturgemäß auch bei Asynchronmaschinen und Asynchrongeneratoren verwenden. Der Fall liegt hierbei noch um so einfacher, als eine derartige Maschine von Anbeginn an die ihr vom Hauptsystem aufgedrückte Frequenz annimmt und das genaue Synchronisieren fortfällt. Die Vorrichtung stellt in Verbindung mit Induktionsmotoren einen vorzüglichen und außerordentlich einfachen Anlasser dar; sie gestattet auch, große Motoren mit einfachem Kurzschluß-

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anker auszuführen. Eine derartige Schaltung ist auf Abb. 2 (der Einfachheit halber ein- | phasig) gezeigt. Beim Anlassen wird Schal- ; ter2 geöffnet und Schalter 1 geschlossen. ; Nach beendetem Anlauf wird auch 2 geschlossen, falls der Schwingungskreis 3, 4 nicht für die volle Stromstärke bemessen ist oder die ■ an sich nicht erheblichen Verluste innejr- i halb dieses Schwingungskreises vermieden ' werden sollen. Die Beibehaltung des Schwingungskreises bietet den Vorteil, daß von besonderen Überstrom- und Nullspannungsschutzeinrichtungen, abgesehen werden kann.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit bietet ; sich für die Erfindung, wenn es sich darum ' handelt, zwei verhältnismäßig große, im übrigen nur schwach oder gar nicht verkettete Systeme von gleicher oder verschiedener , Periodenzahl durch verhältnismäßig schiwache Umformeraggregate zu kuppeln, eine Aufgabe, die häufiger bei Aushilfsbetrieb zwischen. Bahn- und allgemeinen Stromversorgungsanlagen zu lösen ist und hierbei meist zu recht komplizierten Einrichtungen führt. Auch bei Walz- und Förderanlagen liegen die Verhältnisse vielfach ähnlich. Ein Beispiel dieser Art ist auf Abb. 3 schematisch dargestellt, α und b bedeuten die zu kuppelnden Systeme. Als Kuppelaggregat ist ein Synchronumformer 1, 2 angenommen (ebensogut könnten naturgemäß die eine oder beide Maschinen des Umformers als Asynchronmaschinen ausgeführt werden). 5, 6 stellen den für die Periodenzahl des Systems α und 7, 8 den für die Periodenzahl des Systems b abgestimmten Schwingungskreis dar. In den meisten Fällen wird der eine von beiden Schwingungskreisen genügen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei dieser Anordnung Abweichungen von den normalen Periodenzahlen, beider Systeme zulässig sind, ohne daß der Umformer α und b überlastet wird, sofern Vorkehrungen getroffen werden, daß die Grenzstromstärke der Schvvingungskreise 5, 6 und 7, 8 bzw. eines von beiden die zulässige Laststromstärke, des Umformersatzes nicht übersteigt.

Abb. 4 zeigt eine Schaltanordnung, bei der - die Vorrichtung 2, 3 zur Unterdrückung der höheren Harmonischen eines geerdeten Generators, Transformators usw. dient, die bekanntlich zu Überspannungen und störenden Beeinflussungen von Schwachstromleitungen Anlaß geben, sobald durch die Kapazität der Leitungen 4 ein Rückschluß nach Erde gebildet wird. In diesem Fall wird der Schwingungskreis 2, 3 auf die Grundfrequenz des Systems α abgestimmt, so daß er für diese Frequenz keinen Widerstand bietet, während er allen höheren Frequenzen einen beliebig zu bemessenden großen Widerstand entgegensetzt.

Claims

P ATENT-Ansprüche :

i. Sicherheitseinrichtung für Wechselstromanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem zu schützenden Anlageteil ein auf die normale Periodenzahl der Anlage vollständig oder nahezu abgestimmter ReihenscMußschwingungskreis eingeschaltet ist, der von einer vorbestimmten Stromgrenze ab durch an sich bekannte Bemessung seiner Widerstände in Abhängigkeit von den Betriebsgrößen stetig derart verstimmt ist, daß auch bei abnormalen Betriebsbedingungen der Betrieb dauernd und ohne Schaden für die Anlage aufrechterhalten werden kann.
2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschlußschwingungskreis in die Verbindungsleitungen mehrerer synchron oder asynchron betriebener oder zu kuppelnder Primäranlagen von beliebiger, gegebenenfalls voneinander abweichender Spannung, Phase und Periodenzahl eingestellt ist und auf die Schwingungszahl der einen Primäranlage abgestimmt ist.
3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschlußschwingungskreis zwischen einen anzulassenden oder laufenden Motor beliebiger Art und der Primärlage eingeschaltet ist.
4. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kupplung von zwei Anlagen durch einen Spannungs- oder Periodenumformer beliebiger Art der Reihenschlußschwingungskreis zwischen einer dieser Anlagen und dem Umformer oder zwischen beiden Anlagen und dem Umformer geschaltet und auf die Periodenzahl der Anlage abgestimmt ist, welche an den zugehörigen Teil des Umformers angeschlossen ist.
5. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschlußschwingungskreis nach der Parallelschaltung oder dem Anlassen selbsttätig oder von Hand ausschalt- no bar ist und Schalter vorgesehen sind, um ihn in Reihe mit einer zu anderen Zeiten parallel zu schaltenden oder anzulassenden Maschine zu legen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.