DE946724C

DE946724C - Interturn fault protection device

Info

Publication number: DE946724C
Application number: DES41746A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erwin Zurowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-12-01
Filing date: 1954-12-01
Publication date: 1956-08-02

Description

Windungsschluß-Schutzeinrichtting Die Erfindung betrifft eine Windungsschluß-Schutzeinrichtung für vorzugsweise mehrphaisige Maschinen mit insbesondere einem Wicklungsstrang je Phase, bei der der Stern- bzw. Mittelpunkt der Ständerwicklung mit einem künstlich gebildeten Stern- bzw. Mittelpunkt der Primärwicklungen einer Wandleranordnung verbunden ist, und mit deren in Dreieck- oder Summenschaltung angeordneten Sekundärwicklungen über einen Tiefpaßfilter ein Relais in Verbindung steht, das bei Auftreten von Windungsschlüssen anspricht: Blei derartigen Schutzeinrichtungen für Mehrpha@senmaschinen mit einem Wicklungsstrang je Phase besteht der Nachteil, daß -die Schutzeinrichtung mit Rückdicht auf gegebenenfalls eintretende Kurzschlüsse verhältnismäßig unempfindlich eingestellt werden muß. Bei den bekannten Schutzeinrichtungen tritt nämlich bei einem Kurzschluß infolge der zwangläufig unterschiedlichen Streuspannungen des Ständers eine netzfrequente Spannung am Relais auf, die noch nicht zu seinem Ansprechen führen ,darf. Aus diesem Grund .muß die Schutzeinrichtung um einen entsprechenden Betrag unempfindlich eingestellt werden. Dadurch ist- es mit den bekannten. Schutzeinrichtungen nicht möglich, Windungsschlüsse zwischen elektrisch benachbarten Windungen in einer Nut, d. h.' Windungsschlüsse in der Größenanordnung von einigen Windungen, zu erfassen, so d:aß die Gefahr der Zerstörung der M2schine trotz vorhandener Schutzeinrichtung besteht.Interturn fault protection device The invention relates to an interturn fault protection device for preferably multi-phase machines with in particular one winding phase each Phase in which the star or center point of the stator winding with an artificial formed star or center point of the primary windings of a converter arrangement connected is, and with their delta or sum circuit arranged secondary windings A relay is connected via a low-pass filter, which when shorted turns occur responds: Lead such protective devices for multi-phase machines with a Winding strand per phase has the disadvantage that -the protective device with back seal relatively insensitive to any short circuits that may occur must become. In the case of the known protective devices, a short circuit occurs due to the inevitably different stray voltages of the stator a line frequency Voltage at the relay, which does not yet lead to its response, is allowed. For this The protective device must therefore be set insensitive by a corresponding amount will. Thereby it is with the known ones. Protective devices not possible, interturn short circuits between electrically adjacent turns in a slot, d. H.' Interturn short circuits in the size range of a few Coils, to capture, so d: ate there is a risk of destruction of the M2schine despite the presence of protective equipment.

Der Gegenstand der Erfindung dient zur Beseitigung dieser Nachteile. Er beruht auf der Erkenntnis, daß bei Auftreten eines Kurzschlusses, insbesondere eines Stoßkurzschlusses, infolge der Ankerrückwirkung iin Läuferkreis eine netzfrequente Wechselspannung und gegebenernfalls, eine Wechselspannung von der doppelten Netzfrequenz hervorgerufen wird. Unter Ausnutzung dieser Erkerintn.is wird deshalb zur Verbesserung der Ansprech-Empfindlichkeit gemäß der Erfindung zur Kompens.ierung der von einem Kwrzschluß, insbesondere Stoßkurzschluß, auf das Relais ausgeübten Wirkung dieses in Abhängigkeit von dem Läuferkreis der Maschine gebracht. Das Relais wird von .der arithmetischen Differenz des der Verlä.gerungsspannung proportionalen Stromes und des den gegebenenfalls im Läuferkreis bei Kurzschlüssen auftretenden Wechselströmen proportionalen Stromes abhängig gemacht. Zur Frequenzangleichung beider Ströme kann das Relais parallel zu den Gleichstromseiten zweier Gleichrichteranordnungen liegen, deren Wechsds.tromseiten einerseits an den Tiefpaßfilter und andererseits an den .Läuferkreis angekoppelt - sind. Bei einem dreipoligen Kurzschluß wird der im Läuferkreis dem Erregerstrom überlagerte netzfrequente Wechselstrom und bei einem ein- und zweipoligen Kurzschluß noch zusätzlich der Wechselstrom von doppelter Netzfrequenz zur - S-tabilisierung des Relais herangezogen. Gleichzeitig wird Merbei von selbst eine Sperrung des Relais für die Dauer des Kurzschlußs.toßes erreicht, so da!ß man. ohne ein gesondertes Zeitglied: auskommt, wie es bei den bekannten Einrichtungen notwendig war, um das Ansprechen während des Kurzschlußstoßes zu verhindern. Weitere Einzelheiten der Erfindung - werden nachfolgend an Hand der Zeichnung Fig. i bis 5 an einigen Ausführungsbeispielen näher beschrieben.The object of the invention serves to eliminate these disadvantages. It is based on the knowledge that when a short circuit occurs, in particular a surge short circuit, due to the armature reaction in the rotor circuit, a line frequency AC voltage and, if necessary, an AC voltage of twice the mains frequency is caused. Taking advantage of this Erkerintn.is will therefore improve the response sensitivity according to the invention for Kompens.ierung of one Short circuit, in particular surge short circuit, exerted this effect on the relay depending on the rotor circle of the machine. The relay is operated by the arithmetic difference of the current proportional to the extension voltage and the alternating currents that may occur in the rotor circuit in the event of a short circuit made dependent on proportional current. To adjust the frequency of the two currents, the relay is parallel to the DC sides of two rectifier arrangements, their Wechselds.tromseiten on the one hand to the low-pass filter and on the other hand to the . Rotor circuit coupled - are. In the event of a three-pole short circuit, the in the rotor circuit mains-frequency alternating current superimposed on the excitation current and with a one-pole and two-pole Short circuit also the alternating current of twice the mains frequency for stabilization of the relay are used. At the same time, Merbei will automatically block the relay for the duration of the short-circuit, so that one. without a separate one Timing element: gets along as it was necessary with the known institutions to To prevent responding during the short-circuit surge. More details of the Invention - will be explained below with reference to the drawing FIGS. 1 to 5 of some exemplary embodiments described in more detail.

In Fig. i ist der Sternpunkt der Stärnderwick-: lang einer mehrphasigen Maschine i durch ein Hochspannungskabel z mit einem künstlich gebildeten Sternpunkt einer Stübedroissel oder eines Wandlersatzes 3 verbunden. An die im offenen Dreieck geschaltete Sekundärseite der Stützdrossel bzw. des Wandlersatzes 3 ist ein -Tiefpaßfilter 4 zur Aussiebung der höheren, insbesondere der dritten Harmonischen angeschlossen. An der Ausgangsseite des Tiefpaßfi@lters 4 liegt über einen Hilfswandler 5 eine Gleichrichteranordnung 6. Eine zweite Gleichxichteranordnung 7 ist über einen Zwischenwandler 8 an die Sekundärwicklung eines im Läuferkreis 9 der Maschine i liegenden Stromwandlers. io angeschlossen. Parallel zu den Gleichstromseiten der beiden Gleichrichteranordnungjen, die gleichstrommäßig in Reihe geschaltet sind, liegt ein polarisiertes Gleichstrom-Meßrelais i i.In Fig. I the star point is the strength of a multi-phase Machine i through a high-voltage cable z with an artificially formed star point a Stübedroissel or a transducer set 3 connected. To the ones in the open triangle The switched secondary side of the support choke or the converter set 3 is a low-pass filter 4 connected to filter out the higher, in particular the third harmonic. On the output side of the low-pass filter 4 there is an auxiliary converter 5 Rectifier arrangement 6. A second rectifier arrangement 7 is via an intermediate converter 8 to the secondary winding of a current transformer located in the rotor circuit 9 of the machine i. io connected. Parallel to the DC sides of the two rectifier arrangements which are connected in series with direct current, there is a polarized direct current measuring relay i i.

Bei einem Windungsschluß in der Ständerwick-Jung der Maschine i spricht durch die auftretende Verlagerungsspannung das Relais ii an, d. h. es wird über den Gleichrichter 6 gespeist. Bei einem auftretenden Kurzschluß, beispielsweise einem zweipoligen Stoßkurzschluß, wird die Auslöseseite des Relais i i über .die Stützdrossel 3 und den Tiefpaßfilter 4 mit einem Strom beaufschlagt; dieser führt aber nicht zur Auslösung des Relais i i, weil gleichzeitig die Kompensationsseite dieses Relais über die Gleichrichteranordnung 7 .im entgegengesetzten Sinne mit einer Spannung beaufschlagt wird, die vom Läuferkreis der Maschine entnommen wird. Bekanntlich wird infolge der Ankerrückwirkung bei einem auftretenden zweipoligen Stoßkurzschluß ein netzfrequentes S.toßgTÜed und ein durch das inverse Feld in der Maschine hervorgerufener Wechselstrom doppelter Netzfrequenz ,dem Erregergleichstrom überlagert, so daß in dem im Läuferkreis liegenden Stromwandler io, der einen Luftspalt zur Vermeidung der Sättigung beisitzen muß, ein Strom induziert wird, der die Kflmpensationsseite beaufschlagt und. somit ein Ansprechen des Relais i i bei Kurzschluß verhindert. Auf diese Weise ist es also möglich, daß praktisch Windungsschlüsse zwischen benachbarten Windungen einer Nut erfaßt werden können, da das Relais nicht mehr im Hinblick auf die Kurzschlußfalschspannung (s. Fig. 5) unempfindlich gemacht werden muß.If there is a short turn in the Ständerwick-Jung machine i speaks due to the displacement voltage occurring, relay ii on, d. H. it will be over the rectifier 6 fed. When a short circuit occurs, for example a two-pole surge short circuit, the trip side of the relay i i via .die Support throttle 3 and the low-pass filter 4 applied with a current; this leads but not to trigger the relay i i, because at the same time the compensation side this relay via the rectifier arrangement 7 .in the opposite sense with a voltage is applied, which is taken from the rotor circuit of the machine. It is known that as a result of the armature reaction when a two-pole Impulse short circuit a mains frequency S.toßgTÜed and one through the inverse field in the Alternating current produced by the machine at twice the mains frequency, the direct excitation current superimposed so that in the current transformer located in the rotor circuit io, the one air gap In order to avoid saturation, a current is induced, which is the compensation side applied and. thus preventing the relay i i from responding in the event of a short circuit. In this way it is possible that practically interturn shorts between adjacent Windings of a groove can be detected because the relay is no longer in terms of the false short-circuit voltage (see Fig. 5) must be made insensitive.

Zur .Veränderung .des Einflusses der Kompensationswirkung kann außerdem an der Sekundärwicklung des Zwischenwandlers 8 ein veränderbarer Spannungsteiler 12 angeschlossen werden, der mit der Wechselstromseite der Gleichrichteranordnung 7 verbunden ist. Die Einstellung der Schutzeinrichtung geht dann so vor sich, daß zunächst die maximal auftretende netzfrequente Verlagerungsspannung am offenen Dreieck im zweipoligen Kurzschluß durch Versuch ermittelt wird und daß dann durch Verändern: des Spannungsteilers 12 die Wirkung dieser Spannung au!f des Relais beseitigt wird. Eine Berücksichtigung der betriebsmäßig vorhandenen Kompensation, die durch eine mögliche Schieflast der Maschine bedingt ist; ist im allgemeinen wegen ihrer Geringfügigkeit nicht- notwendig. Zur Berücksichtigung dieser betriebsmäßigen Kompensation kann die Ansprechkennlinie des Relais gebrochen ausgeiführt sein, so daß der Schutz seine volle Empfindlichkeit behält. Zu diesem Zweck können im Gleichstromkreis der auf .der Kompensatonsseite vorgesehenen Gleichrichteranordnung 7 ein gestrichelt dargestellter Einweggleichrichter 13 und parallel zur Gleiehrichteranordnung ein ebenfalls gestrichelt dargestellter Widerstand 14 angeordnet sein. Erst bei einem bestimmten Spannungsabfall am-Widerstand 14 wird der Schwellenwert des Einweg-Glaichrichters 13 überschritten, und es kann ein Kompensationsstrom über diesen und das.'Reiais i i fließen. Außerdem kann es vorteilhaft sein, im Sekundärkreis des Zwischenwandlers ebenfalls gestrichelt gezeichnete Kondensatoren 15 zur Vergräßerurig der Frequenzabhängigkeit der Kompensationsseite einzufügen. Es läßt sich dadurch das Kompensationsniveau bei zweipoligem Kurzschluß gegenüber der Nennfrequenz bei Stoßvorgängen wesentlich anheben.To .change .the influence of the compensation effect, on the secondary winding of the intermediate transformer 8, a variable voltage divider 12 connected to the AC side of the rectifier assembly 7 is connected. The setting of the protective device is then carried out in such a way that First of all, the maximum occurring mains-frequency displacement voltage at the open triangle in the two-pole short circuit is determined by experiment and that then by changing: of the voltage divider 12 the effect of this voltage on the relay is eliminated. A consideration of the operationally existing compensation, which by a possible unbalanced load of the machine is caused; is generally because of their insignificance unnecessary. To take this operational compensation into account the response characteristic of the relay should be broken so that the protection is its retains full sensitivity. For this purpose, the on in the DC circuit .the compensation side provided rectifier arrangement 7 is shown in dashed lines Half-wave rectifier 13 and a dashed line parallel to the rectifier arrangement Resistor 14 shown may be arranged. Only when there is a certain voltage drop at the resistor 14, the threshold value of the one-way rectifier 13 is exceeded, and a compensation current can flow through these and the 'Reiais i i. aside from that it may be advantageous to also use dashed lines in the secondary circuit of the intermediate converter Drawn capacitors 15 for increasing the frequency dependence of the compensation side to insert. This allows the compensation level for a two-pole short circuit opposite to increase the nominal frequency significantly during shock processes.

Die innerhalb des strichpunktierten Rechteckes liegenden Teile der Schutzeinrichtung können vorteilhaft in einem transportablen Gehäuse untergebracht sein, mit dessen Klemmen a, b, c und d dann die Stützdrossel bzw. Wan.dleran@ordnung 3 und Läuferkreis in Verbindung steht.The parts of the protective device lying within the dash-dotted rectangle can advantageously be accommodated in a transportable housing, with the terminals a, b, c and d of which the support throttle or Wan.dleran@ordnung 3 and rotor circuit are connected.

An Stelle dies Stromwandlers io im Läuferkreis g kann gemäß Fi:g. 2 auch ein Shunt 14 vorgesehen sein, der über einen Reihenkondensator 15 mit den Punkteis c, d gemäß Fig. i verbunden ist. Bei dieser Anordnung besteht der Vorteil, daß die Größe der Kompensation zum Gleichstrom im Läuferkreis vollkommen unabhängig ist.Instead of this current transformer io in the rotor circuit g, according to Fi: g. 2 also a shunt 14 can be provided, which via a series capacitor 15 with the Punktis c, d according to Fig. I is connected. This arrangement has the advantage that the size of the compensation for direct current in the rotor circuit is completely independent is.

Nach Fig. 3 ist es auch möglich, die Kopplung der Kompensationsseite an den Läuferkreis. 9 .nicht stromabhängig, sondern spannungsabhängig zu machen. Zu diesem Zweck kann der Erregerwirkung eine Reihenschaltung eines Kondensators 16 mit einem Wandler 17 parallel geschaltet werden, dessen Sekundärwicklung über eine Siebkette r8 an die Klemmen c, d anzuschließen ist. Die Siebkette 18 hat die Aufgabe, Kommutierungs berwellen der Erregermaschine, bei Regelvorgängen auftretende Oberwellen u. dgl. auszusieben, so daß also alle Frequenzen, die höher alls die doppelte Netzfrequenz sind, praktisch nicht durchgelassen werden.According to Fig. 3, it is also possible to couple the compensation side to the circle of runners. 9. Not dependent on current, but rather voltage-dependent. For this purpose, the excitation effect can be a series connection of a capacitor 16 can be connected in parallel with a converter 17, the secondary winding of which has a sieve chain r8 is to be connected to terminals c, d. The sieve chain 18 has the Task, commutation waves of the exciter, occurring during control processes To filter out harmonics and the like, so that all frequencies, the higher all the twice the network frequency are practically not let through.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig.4, hei dem im Läuferkreis 9 wiederum - wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. i - ein Stromwandler io mit Luftspalt zur Ankopplung an den Läuferkreis vorgesehen .ist, jedoch mit dem Unterschied, daß der Stromwandler noch eine zusätzliche, an der Erregerspannung liegende Wicklung ig aufweist, die im Normalbetrieb die Gleichstromvormugnetisierung und damit eine bei den hohen Erregerströmen mögliche Verminderung,der Kompensation infolge Annäherung an :die Sättigungsgrenze des Wandlereisens verhindert, so daß bei einem auftretenden Kurzschluß der Wandler zur Übertragung der im Läuferkreis entstehenden Wechselströme auf die Kompensationsseite der Relaisanordnung in der Lage ist.Another exemplary embodiment is shown in FIG. 4, namely in the rotor circuit 9 in turn - as in the exemplary embodiment according to FIG. I - a current transformer io with an air gap intended for coupling to the rotor circuit, but with the difference that the current transformer has an additional winding connected to the excitation voltage ig has, which in normal operation, the DC pre-mugnetization and thus a with the high excitation currents possible reduction, the compensation due to approach on: the saturation limit of the converter iron prevents, so that when a Short-circuit of the converter for the transmission of the alternating currents generated in the rotor circuit on the compensation side of the relay arrangement is able.

In Fig.5 ist an Hand eines Diagramms, auf dessen Abszisse die Zahl der kurzgeschlossenen Windungen je Strang 4n Prozenten der gesamten Windungszahl je Strang und auf deren Ordinate die Spannung UabO in den Punkten a, b (Fig. i) bzw. der proportionale Relaisstrom I,el in- Prozenten aufgetragen ist.In FIG. 5 is a diagram, on the abscissa of which the number of short-circuited turns per strand is 4n percent of the total number of turns per strand and on its ordinate the voltage UabO in points a, b (FIG. I) or the proportional relay current I, el in percent is applied.

Die Kurve A zeigt für eine Maschine mit bestimmter Polzahl den Zusammenhang zwiischen Uab bzw. I"l und den prozentual: kurzgeschlossenen Windungen.Curve A shows the relationship for a machine with a certain number of poles between Uab or I "l and the percentage: short-circuited turns.

Die zur Abszisse parallel liegende Gerade B .gibt die Falschspannung an, wie sie bei einem zweipoligen oder iooo/ongen ,einpoligen Kurzschluß auftritt. Diese Falschspannung, die bei den bekannten Schutzeinrichtungen noch reicht zur Auslösung führen dürfte (Unempfindlichkeit), wird durch die entsprechende Kompensationsspannung, dargestellt durch die Gerade C, in, ihrer Wirkung auf das Relais aufgehoben, so daß dieses nicht ansprechen kann.The straight line B, which is parallel to the abscissa, gives the false stress on, as it occurs with a two-pole or iooo / ongen, single-pole short circuit. This incorrect voltage, which is still sufficient with the known protective devices Triggering (insensitivity), is determined by the corresponding compensation voltage, represented by the straight line C, in, its effect on the relay canceled, so that this cannot address.

Bei Windungsschlüssen wirkt auf der Kompensationsseite des Relajis i i eine Spannung, deren Verlauf in Abhängigkeit von dem Prozentsatz der kurzgeschlossenen Windungen durch die vom -Nu:lilpunkt ausgehende Gerade D dargestellt ist. Man erkennt daraus, daß bei einem i ooo/oigen Windungsschluß, .der einem einpoligen Kurzschluß entspricht, sich die Geraden D und C schneiden. Die bei Windungsschlüssen auftretende Kompensationsspannung ist jedoch kleiner als die Aus.lösespannung, so daß das Relais sicher anspricht. Durch die Einfügung des Einweggleichrichters 13 und des parallel zur Gleichrichteranordnung 7 liegenden Widerstandes 14 kann die Ansprechkennlinie des Relais eine gebrochene Kennlinie sein, was sich in Fig. 5 durch die .gestrichelt dargestellte Gerade E .darstellen läßt.In the event of short turns, the relay acts on the compensation side i i a voltage whose course depends on the percentage of short-circuited Windings by the straight line D proceeding from the -Nu: lilpunkt. One recognises from the fact that with a 100 / o interturn short circuit, .the one-pole short circuit corresponds, the lines D and C intersect. The one that occurs with shorted turns Compensation voltage is, however, smaller than the tripping voltage, so that the relay sure to respond. By inserting the half-wave rectifier 13 and the parallel to the rectifier arrangement 7 lying resistor 14 can be the response characteristic of the relay will be a broken characteristic, which is shown in Fig. 5 by the dashed line The straight line E shown can be shown.

Die Anordnung nach der Erfindung ist nicht nur für Maschinen mit einem Wicklungsstrang je Phase verwendbar, sondern sie kann mit Vorteil auch für Maschinen mit mehreren, insbesondere mit mehr als zwei Strängen je Phase verwendet werden, wobei sich eine Einsparung an Stromwandlern gegenüber den bei diesen Maschinenarten bishrer verwendeten Schutzeinrichtungen ,mit strommäßiger Windungsschlußerfassung, die einen Stromwandler je Strang erfordert, erzielen läßt. Mit der neuen Schutzeinrichtung werden außerdem auch von anderen Ursachen herrührende, im Netz auftretende Stoßvorgänge in ihrer Wirkung auf das Relais unterdrückt.The arrangement according to the invention is not only for machines with one Winding strand can be used for each phase, but it can also be used with advantage for machines are used with several, in particular with more than two strands per phase, with a saving in current transformers compared to these types of machines Until your protective devices are used, with current-wise interturn detection, which requires a current transformer per string, can be achieved. With the new protective device there are also shock processes occurring in the network from other causes suppressed in their effect on the relay.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Interturn fault protection device for preferably multi-phase machines, with in particular one winding phase per phase, in which the star or center point of the stator winding is artificially formed with a star or. The center point of the primary windings of a converter arrangement is connected, with the secondary windings arranged in a delta or summation circuit via a low-pass filter. a relay .in connection which responds when winding faults occur, characterized in that to compensate for the effect exerted on the relay by a short circuit, in particular a surge short circuit, the relay is made dependent on the rotor circuit of the machine.

2. Protection device according to claim. i, thereby characterized in that the relay depends on the arithmetic difference in the event of a short circuit two currents, one of which: one of the displacement voltage at the transformer arrangement, the other proportional to the alternating currents occurring in the case of short circuits in the rotor circuit is acted upon.

3. Protection device according to claim 2, characterized in that that the, relay parallel to the DC sides of two rectifier arrangements lies, their changing company pages on the one hand with the low-pass filter and on the other hand, if necessary via an intermediate transformer and voltage divider, with the rotor circuit are coupled. q ..

Protective device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that in the DC circuit the DC funnel arrangement assigned to the rotor circuit To generate a broken response characteristic: the relay is a half-wave rectifier and a resistor is arranged parallel to the rectifier arrangement.

Protective device -according to claim 3, characterized in that the coupling @with the rotor circuit takes place inductively and for this purpose a current transformer with an air gap is used.

6. Protective device according to claim 5, characterized in that: that the current transformer with one to the Excitation voltage lying additional winding to suppress the direct current bias is provided.

7. Protection device according to claim 3, characterized in that; that the alternating current side of a rectifier arrangement via a series capacitor is connected to a shunt in the rotor circuit. B. Protective device according to claim 3, characterized in that the alternating current side of the one rectifier arrangement Via a filter chain (low pass) to a parallel with a series capacitor is connected to the field winding lying converter. G. Protective device according to - Claim 3, characterized in that in the supply lines between the voltage divider and: the intermediate converter capacitors to increase the frequency dependence the compensation side are provided.