-
Einrichtung zur Verhütung des Außertrittfallens von Synchronmaschinen,
die über eine Kuppelleitung miteinander verbunden sind Gegenstand des Hauptpatentes
ist ein Verfahren zur Regelung des Leistungsüberganges zwischen zwei oder mehreren
Wechselstromkraftwerken, die über eine Kuppelleitung miteinander verbunden sind.
Nach dem Hauptpatent wird die Winkelabweichung zwischen: den Spannungsvektoren an
zwei verschiedenen Punkten der betreffenden Kuppelleitung, z. B. am Anfang und am
Ende, gemessen, und in Abhängigkeit von der Größe des Winkels wird die Energiezufuhr
zu einem oder mehreren Stromerzeugern geregelt.
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ausgestaltung des Verfahrens
nach dem Hauptpatent zu dem Zweck, ein Außertrittfallen gekuppelter Kraftwerke zu
verhindern, wenn die Kuppelleitung in stärkerem Maße, als dies bisher zugelassen
werden konnte, belastet wird. Erfindungsgemäß wird das Verfahren nach dem Hauptpatent
durch eine Phasenrelais durchgeführt, das beim überschreiten einer bestimmten festgelegtem
Phasenverschiebung zwischen den Spannungsvektoren an zwei Punkten der Kuppelleitung
die Kraftmittelzufuhr der Antriebsmaschine eines Generators vergrößert, der der
Kupplungsleitung zusätzliche Energie zuführt. Für diese zusätzliche Energlezuführ
wird ein Generator benutzt, der bei normalem Betrieb- unbelastet oder -gering belastet
am Netz läuft. Das Kraftmittelzufuhrorgan der den Generator antreibenden Kraftmaschine
wird durch das Phasenrelais beim Erreichen der gefährlichen Phasenverschiebung selbsttätig
geöffnet.
-
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
-
In Fig. i ist angenommen, daß ein Kraftwerk io einen Verbraucher 20
über die beiden Leitungen 2 und 3 -speist. In dem Kraftwerk ist ein Generator i
i vorgesehen, der von der Kraftmaschine 12 angetrieben wird. Als Verbraucher ist
ein Synchronmotor 21 angenommen, der eine beliebige Arbeitsmaschine antreibt. Eine
Leistungsübertragung zwischen dem Kraftwerk io und dem Verbraucher 2o setzt voraus,
daß die Spannungen zu beiden Enden der Übertragungsleitungen eine Phasenverschiebiung
aufweisen, deren Größe von der Reaktanz der Leitung abhängt.
-
Fig.2 zeigt das bekannte, hierfür maßgebende Diagramm, und zwar ist
die übertragene Leistung N in Abhängigkeit von der
Phasenverschiebung
zwischen den Spannungsvektoren zu beiden Seiten der übertragungsleitung dargestellt.
Nach der Erfindung wird nun dafür Sorge getragen, daß bei dem überschreiten einer
bestimmten Phasenverschiebiung zusätzliche Leistung in die Übertragung eingeführt
wird. Wie die Fig.2 zeigt, bewirkt ein Steigen der über die Leitung übertragenen.
Leistung über den Wert P", ein Außertrittfallen des Motors 2 r. Wird die- Leitung
normalerweise mit der Höchstleistung P" und der Phasenverschiebung x betrieben,
so muß dafür Sorge getragen werden, daß auch bei Stößen die Leistung nicht über
den Wert P," ansteigt. Erreicht wird dies durch das nach der Erfindung vorgesehene
Phasenrelais 4o.
-
Das Phasenrelais 40 besitzt die Wick7:ungen 42, 43 'und 44@ die auf
den Anker 41 einwirken. Die Wicklungen 42 und 43 werden von der Hilfssynchronmaschine
37 gespeist, die mit dem Motor 21 gekuppelt ist. Die Wicklung 44 ist über die parallel
zu den Peruleitungen 2 und 3 geführte Leitung 46 an die Hilfssynchronmaschine 36
angeschlossen, die mit dem Generator i i gekuppelt ist. Die Wicklungen des Relais
40 sind in an sich bekannter Weise so abgestimmt, daß der Anker 4 1 und der Kontaktarm
45 sich bei einem bestimmten Winkel zwischen den Spaam!ungsvektoren der Maschinen
36 und 37 in der Mittellage befinden. Das Relais arbeitet wie die bekannten cos-g-Regler.
-
Liegt die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen der Maschinen
36 und 37 unterhalb des Wertes Po der Fig.2, so sind die Kontakte 40a und 4oe geschlossen.
Dies hat zur Folge, daß das Relais 68 durch die Hil.fshatterie 49 erregt wird. über
die Kontakte dieses Relais ist der.Verstellmotor 62 nun derart an Spannung gelegt,
daß er das Ventil 34 im Schließungssinne bewegt, bis er durcheinen Grenzkontakt
70 abgeschaltet wird.
-
Das Ventil 34 ist dazu bestimmt, der Kraftmaschine 32 zum Antrieb
des Generators 22 Energie zuzuführen. Im normalen Betrieb ist das Ventil 34 nur
wenig geöffnet. Die der Kraftmaschine 32 zugeführte Leistung reicht dann gerade
aus, die Verluste zur Inbetriebhaltung des Maschinensatzes zu decken. In dieser
Stellung des Ventils ist der Grenzkontakt 70 geöffnet.
-
Steigt nun die Phasenverschiebung d=er Spannungen der Maschinen 36
und 37 übel: den Wert x, so öffnen sich zunächst die Kontakte 40a und 40c. Bei.
weiterer Vergrößerung der Phasendifferenz schließen sich die Kontakte 40a und 40b,
wodurch das Relais 55-erregt wird. Der Motor 62 wird nun derart an Spannung gelegt,
daß :er das Ventil 34 öffnet. Um Pendelengen zu vermeiden, sind die Relass 68 und
5 5 mit Haltekontakten 7 5 und 7 6 versehen. Nachdem einmal die Bewegung des Motors
62 eingeleitet worden ist, wird sie zu Ende geführt, bis die Endkontakte 57 (bei
völlig geöffnetem Ventil) oder 70 (bei fast geschlossenem Ventil) geöffnet werden.
Die Vergrößerung der der Leitung zugefübrten Leistung hat eine Verringerung des
Spannungswinkels unter einen gefährlichen Wert zur Folge. Das Aggregat 22, 32, das
beim Auftreten einer ,gefährlichen Winkelabweichung eingreift, kann gleichzeitig
.als Reserveaggregat dienen; umgekehrt kann man ein in ;einem Kraftwerk vorhandenes
Reserveaggregat für die Verbesserung der Leistungsstabilität im Sinne der Erfindung.
nutzbar machen. Dies gilt insbesondere für den häufig eintretenden Fall, daß ein
Wasserkraftwerk, das vom Verbraucherzentrum entfernt liegt, mit einem in der Nähe
der Verbraucher liegenden Dampfkraftwerk zusammenarbeitet. In der Regel dient dann
das Dampfkraftwerk ganz oder zum Teil als Reserve. Es kann für die Betriel7sstabilisierung
im Sinne der Erfindung sehr vorteilhaft infolge seiner Lage zum Verbraucher benutzt
werden.
-
Das Außertrittfallen von an Fernleitungen angeschlossenen Synchronmaschinen
wird nicht nur durch Belastungsstöße, sondern insbesondere auch durch die Folgeerscheinungen
von elektrischen Störungen bewirkt. In dieser Richtung machen sich Kurzschlüsse,
die eine Abschaltung von Anlagenteilen zur Folge haben, besonders nachteilig bemerkbar.
-
Es sei angenommen, daß in der Leitung 3 an der Stelle 30 sich
eineinphasiger Erdschluß ereignet, der .nach einer gewissen Zeit die Abschaltung
der Leitung 3 zur Folge hat. Um die hierbei sich ergebenden Verhältnisse zu übersehen,
erscheint @es zweckmäßig, an Hand von Diagrammen zu verfolgen, was sich vors Beginn
des Erdschlusses ab ereignen kann. In Fig.3 und 5 sind die Diagramme des Generators
i i, in Fig. 4 -und 6 die Diagramme des Motors 21 dargestellt, -und zwar in der
gleichen Weisse wie in Fig. 2.
-
Bei der Darstellung der Fig. 3 bis 6 wurde vorausgesetzt, daß in den
für die Aufrechterhaltung der Stabilität bei Störungen in Frage kommenden Zeiträumen
die dem Hauptgenerator zugeführte Leistung konstant bleibt, da sein Dampfventil
seine Lage meist nicht so schnell ändern kann.. Es ist ferner vorausgesetzt, daß
auch die von dem Motor 2 i abg egebene Leistung sich zunächst , nicht ändert. Die
Vergrößerung' der Winkelabweichungen der, Spannungsvektoren an beiden Enden der
Leitung ist beim Auftreten der Störung mit großer Annäherung der Zeit proportional.
Die Winkelmaßstäbe der Fig. 3 bis 6 können daher gleichzeitig als Zeitmaßstäbe dienen.
-
Der ursprüngliche Betriebszustand ist durch
den Punkt
d' der Fig. 3 gegeben, der den Schnittpunkt der Kurve A mit der Leistungsabgabe
des Generators darstellt. Am Verbraucherende gibt die Gerade L, deren Leistungswert
dem der Geraden )o gleich ist, die Leistung des Motors 21 wieder, dessen Leistungsaufnahme
durch den Punkt d" gegebien ist.
-
Beim Auftreten des Fehlers 3o sinkt die durch den Generator i i in
die Übiertragungs,-leitung abgegebene Leistung bis zum Punkte', da sich die Charakteristik
der übertragungs-" leitung von der Kurve A, in die Kurve E verändert. Gleichzeitig
sinkt die vom Motor 21 aufgenommene Leistung entsprechend Fig.4 bis zum Punkt e".
Das Sinken der Leistungsabgabe des Generators i i und der Leistungsaufnahme des
Motors 21 verursacht eine weitere Vergrößerung der Phasienverschiebung zwischen
den Spannungen zu beiden Seiten der Leitung, und zwar sei angenommen, daß diese
Phasenverschiebung von dem Wert x, auf den Wert y1 steigt. In diesem Augenblick
werde die Abschaltung der fehlerhaften Leitung 3 durch den wie üblich vorgesehenen
Selektivschutz vollzogen.
-
Wenn der Winkel zwischen der Generator-und Motorspannung den Wert
x3 der Fig.4 erreicht, bewirkt das Phasenrelais 4o der Fig. i eine Vergrößerung
der Kraftmittelzufuhr der Maschine 32, so daß der Hilfsgenerator 22 zur Wirksamkeit
kommt. Die Kurve der Leistungsaufnahme des Motors 21 verändert sich also vom Zeitpunkt
x3 ab von dem Wert ß' auf den Wert t. Im Zeitpunkt yi liefert der Generator 22 die
Leistung f"-g". Die durch die Punkte r, f" und g" dargestellte Fläche gibt die Energie
wieder, die durch den Hilfsgenerator 22 abgegeben worden ist.
-
Fig. 5,und 6 zeigen die entsprechenden Diagramme, wie sie sich nach
Abschaltung der fehlerhaften Leitung ergeben. In dem Zeitpunkt y1 gilt zunächst
die Kurve C, die sich durch die Abschaltung der Leitung 3 und die alleimige Inbetriebhaltung
der Leitung 2 aus deren Eigenimpedanz ergibt. Die-. Leistungsaufnahme des
Generators ist zunächst durch den Punkt k' gegeben, während seine Leistungsabgabe
durch den Punkt lt' gegeben ist. Da der Rotor des Generators i i während des Fehlers
überschüssige Energie infolge der Frequenzänderung aufnahm, während der Rotor des
Motors 2 i einen Teil seines normaler. Energieinhaltes abgab, steigt die Phasenverschlebung
der Spannungen zu beiden Seiten der Kupplungsleitung noch weiter an. Die durch die
Fläche k, h, g' dargestellte Energie reicht nicht aus, den durch die Fläche
d, e', f, g' in Fig. 3 dargestellten frei werdenden Energieüberschuß
aufzunehmen. Bei. dem Verbraucherende der Leitung ist die Belastung durch die Linie
L bestimmt. Im Augenblick der Abschaltung des fehlerhaften Leitungsabschnittes ist
als Charakteristik die Kurve C in gleicher Weise wie in Fig. 5 maßgebend. Da jedoch
in diesem Zeitpunkt der Generator 22 wirksam ist, ist die gesamte dem Motor 21 zugeführte
Leis=g durch die Kurve Di der Fig. 6 bestimmt. Der Abstand lt"-,tt der Kurven C
und D entspricht dem Abstand f"-g" der Fig. ¢.
-
Der Generator 22 benötigt zur vollen Leistungsabgabe eine gewisse
Zeit. Im Augenblick der Abschaltung der fehlerhaften Leitung arbeitet er also noch
nicht mit voller Leistung. Nach der Abschaltung steigt seine Leistung weiter an,
und zwar entsprechend der Kurve,tt-v der Fig. 6. Hat die Gesamtphas,enverschiebung
den Wert y2 erreicht, so ist die dem Motor 21 zugeführte Leistung durch die Kurve
E bestimmt.
-
Bei Abschaltung des Fehlers überschreitet die Energiezufuhr des Motors
2 1 die Belastung L. Infolge des verschiedenen Energieinhaltes der Rotoren des Generators
und des Motors steigt die Phasenverschiebung der Spannungen jedoch noch weiter an.
-
Eine Untersuchung der Diagramme ergibt, daß die Phasenverschiebung
ansteigen muß, bis die in den Rotoren des Generators g und des Motors M aufgespeicherte
Energie aufgebraucht worden ist. Dies tritt dann ein, wenn die Fläche
d', e', f l, g' der Fig. 3 zuzüglich der Fläche g, w, y der
Fig. 5,und zuzüglich der Fläche d", e", r, t, g" der Fig. 4 gleich
wird der Fläche h, g', h' der Fig. 5 zuzüglich der Fläche k", a,
v, z der Fig. 6. Diese Gleichung ist erfüllt, wenn die Phasenverschiebung
den Wert y2 erreicht hat.
-
Eine weitere Vergrößerung der Phasenverschiebung tritt nicht mehr
ein. Wurde einmal ein Außertrittfallen verhindert, so verringert sich die Phasenverschiebung
wieder bei Vergrößerung der Drehzahl der Maschine, da die Summe der von den Generatoren
i i und 22 abgegebenen Leistung größer ist als die Leistung, die der Motor 2 i zum
Antrieb seiner Arbeitsmaschine benötigt.
-
Durch das Arbeiten des Drehzahlreglers des Generators i i, der dessen
Kraftmittelzufuhr verringert, und durch die Verringerung der Leistungszufuhr zum
Generator 22 infolge des Einwirkens des Phasenrelais wird nun die normale Drehzahl
der Generatoren wieder hergestellt. Den stationären Zustand nach Abschaltung des
Hilfsgenerators 22 gibt der Schnittpunkt der Kurve C mit den Geraden P und L der
Fig. 5 und 6 wieder, bei dem- eine Phasenverschiebung x4 vorliegt.
-
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Kraftübertragungen beschränkt,
bei denen
an den beiden Enden einer Übertragungsleitung sich jeweils
ein Verbraucher bzw. ein Erzeuger befinden. Die Erfindung kann auch dann Anwendung
finden, wenn an beiden Enden der Übertragungsleitung sich mehrere Verbraucher und
Erzeuger befinden.
-
Bei Drehstrornübertragungen ist @es vorteilhaft, zur Steuerung des
Phasenrelais nicht eine der Phasenspannungen, sondern besondere Schaltungen zu verwenden,
die jeweils nur die positive- Drehfeldkomponente dem Phasenrelais zuführen. Eine
derartige Schaltung zeigt Fig. 7. Die Wicklungen 42, 43 und 44 des Phasenrelais
40 sind hier an die Schaltungen 99 und 99' gelegt, die die positive Drehfeldkomponente
der Spannungen an beiden Enden der Übertragungsleitung in an sich bekannter Weise
wiedergeben. Die Schaltungen setzen sich aus Induktivitäten 98 und Ohmschen Widerständen
97 zusammen. Eine Regelung des Phasenverschiebungswertes, bei dem das Relais 40
anspricht, kann durch Veränderung der Drossel 163 und des Ohnnschen Widerstandes
162 mit Hilfe des Schalthebels 164 herbeigeführt werden.
-
Der Kontakthebel 45 arbeitet im übrigem in gleicher Weise wie in Fig.
i. Die Schaltrelais 68 und 5 5 der Fig. 7 sind jedoch im Gegensatz zu Fig. i nicht
mit Haltekontakten versehen. Statt dessen sind die Hilfsrelais 151 und 138 vorgesehen,
die die Widerstände 167 und 168 steuern. Sind die oberen Kontakte 40a und 40,' des
Phasenrelais geschlossen, so sind die Kontakte des ArbeitsstromneIais 151 und des
Ruhestromr.elais 138 ebenfalls geschlossen. Die Widerstände 167 und 168 sind also
überbrückt. Sind die Kontakte 4oa und 40b hingegen geschlossen, so sind sowohl die
Kontakte des Arbeitsstromrelais 151 als auch die des Ruhe'stromrelais i 38 geöffnet,
während die Widerstände 167 und 168 eingeschaltet sind. Durch die Einschaltung der
Widerstände wird der Ansprechwert des Phasenrelais 40 derart verändert, daß es nach
dem Ansprechen noch eingeschaltet bleibt, wenn die Phasenverschiebung etwas gesunken
ist.
-
Fig. 8 zeigt eine Schaltung, bei der die die Steuerwerte bildenden
Spannungen zu beiden Seiten der Übertragungsleitung durch Summation der einzelnen
Spannungswerte gewonnen werden. Zu diesem Zweck sind am einen Ende der Übertragungsleitung
die verschiedenen Hauptgeneratoren mit Hilfsmaschinen 63 in gleicher Weise wie Fig.
i gekuppelt, wobei: die verschiedenen MUsgeneratanen jedoch in Reihe geschaltet
sind. An der Verbraucherseite wird die Steuerspannung dadurch gewonnen, daß an verschiedene
Punkte des vernaschten Netzes 125 Schaltungen 99 zur Gewinnung der positiven Drehfieldkomponente
angeschlossen sind. Die einzelnen Komponentenspamuungen wirken in Reihe miteinander
und in Reihe mit der Spannung des Hilfsgenerators 37 (vgl. Fig. i) auf das Phasenrelais.
-
In der Figur sind gleichzeitig Umschaltmöglichkeiten vorgesehen, die
,es gestatten, die Einhaltung der kritischen Phasenverschiebung in der Übertragungsleitung
durch Regelung von Maschinen am einen oder ,anderen Ende der Übertragungsleitung
zu erzielen. Die Steuerspannungen sind sowohl dem Phasenrelais 4o i am einen als
auch dem Phasenrelais 402 am anderen Ende der übertragungsleitung zugeführt. Das
Phasenrelais 401 regelt den Hilfsgenerator 22I, wähnend das Phasenrelais 4o2 den
Hilfsgenerator 222 regelt. Wie in der Fig. 8, gestrichelt gezeichnet, ebenfalls
angedeutet ist, kann man auch mehrere parallel geschaltete Phasenrelais auf verschiedene
Hilfsgeneratoren der gleichen Station arbeiten lassen.