DE967389C - Einrichtung fuer den thermischen Rotorschutz einer Synchronmaschine - Google Patents

Description

Die Rotorkörper von Sychronmaschinen werden vor allem durch die Erregerstromverluste in ihrer Wicklung erwärmt. Diese haben besonders bei Turbomaschinen erheblichen Einfluß auf die Rotor-S abmessungen. Gewisse Betriebserscheinungen bringen Zusatzverluste in den Rotorkörpern, die mit den Erregerstromverlusten zusammen zu einer Erwärmung des Rotors führen, welche für die Isolation der Rotorwicklung unzulässig ist. Solche ίο Zusatzverluste werden vor allem bewirkt durch eine Unsymmetrie der Statorströme (Gegenfeldkomponente) und durch höhere Harmonische der Statorströme, insbesondere bei Gleichrichterbelastung. Dabei ist zu beachten, daß die Erregerstromverluste im Wicklungskupfer, also im Innern der Wicklungsisolation erzeugt werden. Der Entstehungsort der Zusatzverluste ist jedoch eine dünne äußere Schicht der Polschuhe bei Rotoren mit ausgeprägten Polen bzw. der Rotoroberfläche bei Turbogeneratoren oder eine Dämpferwicklung, ao Der Entstehungsort liegt dabei immer außerhalb der Wicklungsisolation.

Um Rotorschäden infolge übermäßiger Zusatzverluste zu vermeiden, war es mit Rücksicht auf die bei Belastung durch Gleichrichter entstehenden as höheren Harmonischen bisher üblich, entweder bei

709 751/25

ill!!;

normal bemessenen Maschinen das maximal zulässige Maß der Last von vornherein festzulegen und seine Einhaltung der Betriebsführung zu überlassen oder die Maschine speziell für die volle Belastung durch Gleichrichter zu bemessen. Dabei ist die Gleichrichterlast, welche zugelassen werden kann, um so höher, je größer die Phasenzahl der gespeisten Gleichrichteranlagen ist. Eine automatische Überwachung von Synchronmaschinen ίο hinsichtlich ihrer Beanspruchung durch die Gleichrichterlast hat sich bisher nicht eingebürgert. Auch den Zusatzverlusten in den Rotoren, welche durch eine Unsymmetrie der Statorströme verursacht werden, wurde bisher wenig Beachtung geschenkt. Soweit sie ihren Ausgangspunkt in unsymmetrischen Kurzschlüssen haben, kann mit rascher Beseitigung durch den Kurzschlußsdrjtz d_er- Netze und Maschinen gerechnet werden. Wo bei der Bemessung der Maschinen von vornherein mit einer definierten einphasigen, also unsymmetrischen Belastung gerechnet werden muß, wird dieser Einfluß durch Einbau einer passenden Dämpferwicklung berücksichtigt. Bei den besonders empfindlichen Turbomaschinen wird mit einer dauernd zulässigen Asymmetrie von 7% der Gegenfeldstromkomponente gegenüber den Statorströmen gerechnet. Trotzdem hat sich das Bedürfnis nach einer Überwachung dieser Belastungsweise in der Prakis eingestellt. So werden heute große Turbogeneratoren mit Maximalstromrelais ausgerüstet, welche über entsprechende Filterschaltungen proportional zur Gegenkomponente der Rotorströme erregt werden. Häufig werden zwei Relais -dieser Art in Reihe an die Filterschaltung angeschlossen, wobei ein empfindlicheres auf eine Einstellung zwischen 7 und 15% Gegenstromkomponente anspricht und ein Warnsignal betätigt, während ein zweites unempfindlicheres zwischen 20 und 40% Gegenstromkomponente einstellbar ist und bei Überschreiten seines Ansprechwertes über ein Schütz mit fester, einstellbarer Zeitverzögerung die Auslösung des Generatorschalters bewirkt.

Dieses bekannte Überwachungsverfahren arbeitet nicht ganz befriedigend, weil dabei die Wärmekapazität des überwachten Rotors nicht berücksichtigt wird. Die Wärmekapazität der Eisen- und der Kupfermassen hat zur Folge, daß bei kleiner Überschreitung die zulässige Stromasymmetrie bedeutend länger dauern kann, bis an der am meisten gefährdeten Isolation der Rotorwicklung eine unzulässige Erwärmung auftritt, als bei einer erheblichen Überschreitung.

An sich ist es bekannt, den Einfluß der Wärmekapazität bei Schutzeinrichtungen zu berücksichtigen durch Anwendung thermischer Abbilder und eines Temperaturmeßorgans. Diese Einrichtungen gestatten aber nicht eine differenzierte Erfassung der verschiedenen Erwärmungseinflüsse, wie sie bei modernen, hochbeanspruchten Synchrongeneratoren auftreten und vor allem durch abnormale Belastungsverhältnisse bedingt sind. Vorliegende Erfindung - ermöglicht die Überwachung dieser einzelnen Einflüsse.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für thermischen Schutz des Rotors einer Synchronmaschine mittels eines thermischen Abbildes und eines Temperaturmeßorgans, welches den Auslöser des Statorstromschalters zum Ansprechen bringt. Die Erfindung besteht darin, daß zwei ineinanderliegende hohlzylinderförmige Körper vorgesehen sind, wobei der äußere Körper auf seiner Außenseite zwei Heizwicklungen aufweist, von denen die eine Heizwicklung von einem der Gegenkomponente des Statorstromes proportionalen Heizstrom durchflossen ist und die andere Heizwicklung über ein zwischengeschaltetes Filter von einem den Oberwellen des Statorstromes proportionalen Heizstrom durchflossen ist, und daß der innere Körper eine Heizwicklung aufweist, die von einem Teil des Erregerstromes durchflossen ist, und daß im Innern der ineinanderliegenden hohlzylinderförmigen Körper das Temperaturmeßorgan angeordnet ist.

Gemäß dieser Erfindung ist es zunächst möglich, die Einwirkung der verschiedenen Erwärmungs-Ursachen des Statorstromes zu überwachen. Die Entnahme der Gegenkomponente der unsymmetrischen Statorströme erfolgt dabei über an sich bekannte Mittel, wie Stromwandler, Filter, Gleichrichter.

Um mit verhältnismäßig kleinen Stromwandlern und Filterimpedanzen auszukommen und dabei doch genügend große Leistung für die Aufheizung der thermischen Abbildung des Rotors zu erhalten, kann die Zwischenschaltung eines Verstärkers vorgesehen werden. Dieser Verstärker, welcher die Heizenergie für die Heizwicklung liefert, kann ein Röhrenverstärker oder ein magnetischer Verstärker sein.

Um die thermische Abbildung möglichst wirklichkeitsgetreu zu machen, wird auch der Erwärmungseinfluß der Erregerwicklung ebenfalls nachgebildet. Zu diesem Zweck ist ein vorzugsweise aus Metall, z. B. Kupfer, bestehender innerer Körper und eine diesen umgebenden Wärmeisolier-Schicht vorgesehen. Der innere Körper ist die Nachbildung der Kupferwicklung, während die Wärmeisolierschicht als Nachbildung der elektrischen Isolation wirkt. Die Heizwicklung für die Einwirkung der Gegenkomponente ist auf dieser Isolierschicht angeordnet. Zur thermischen Nachbildung der Polschuheisenmasse kann die Heizwicklung noch zusätzlich in eine Metallschicht eingesetzt werden. Es kann dafür ein äußerer auf der Isolierschicht angeordneter Mantel, vorzugsweise aus Eisen vorgesehen werden.

Im inneren Körper ist ferner eine Heizwicklung eingebaut, durch welche ein dem Erregerstrom proportionaler Heizstrom fließt. Damit wird eine Grundheizung erreicht, die proportional den Erregerverlusten ist und so der Einfluß der Grunderwärmung in der Erregerwicklung entsprechend berücksichtigt.

. Neben der Heizwicklung, die einen der Gegenkomponente proportionalen Strom führt, ist noch eine weitere Heizwicklung vorgesehen, die einen

dem Verluststrom der höheren Harmonischen proportionalen Strom führt. Zur Aussiebung dieser Ströme sind entsprechende Durchlaßfilter vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt:

ι bedeutet die zu schützende Synchronmaschine, z. B. einen Generator. Dieser liefert über den Schalter 3 Energie auf das Netz. Die Erregung des Rotors erfolgt durch die Erregermaschine 2. Von den Stromwandlern 5_fl und 5_C wird über ein Siebgerät, welches den Statorströmen die Stromkomponente des Gegenfeldes entzieht, ein Verstärker 7 ausgesteuert. Der Ausgang des Verstärkers ist auf eine erste Heizwicklung 21 der thermischen Nachbildungsanordnung 9 geschaltet. Diese Anordnung ist als thermisches Abbild des Rotors ausgebildet. Auf der Anordnung ist eine zweite Heizwicklung 22 vorhanden, welche von einem Teil der Oberwellen-

ao ströme des Generators durchflossen ist. Zu diesem Zweck ist die Sekundärwicklung des Stromwandlers 5ft über ein Hochpaßfilter 8 zwecks Aussiebung der Oberwellen mit der zweiten Heizwicklung verbunden. Auf der Anordnung ist eine dritte Heizwicklung 23 vorgesehen, welche mit dem Nebenschluß 13 im Erregerstromkreis verbunden ist. Diese Heizwicklung führt einen dem Erregerstrom des Rotors proportionalen Strom. Der Körper des thermischen Abbildes wird zweckmäßigerweise zweiteilig ausgeführt, wobei ein innerer zylindrischer Metallkörper 24 die Heizwicklung 23,trägt; über diese ist ein Metallrohr 25 geschoben, auf dessen Außenseite die Heizwicklungen 21 bzw. 22 aufgebracht sind. In den Innenkörper 24 wird das Temperaturmeß organ 26 eingesetzt, beispielsweise ein Thermoelement zur Speisung des Temperaturrelais 10; an Stelle dieser Kombination kann auch ein Kontaktthermostat als temperaturabhängiger Auslöser verwendet werden. Oberfläche und Wärme-

+0 kapazität der Körper 24 und 25 sowie die Heizleistungen der Wicklungen 21, 22 und 23 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Erwärmung des thermischen Abbildes an der Einbaustelle des Temperaturmeßorgans 26 den Temperaturänderungen im überwachten Rotor bei Leistungsänderungen der verschiedenen Verlustquellen in ihm zeitlich richtig folgt.

Die Wirkungsweise ist folgende. Durch die drei Heizwicklungen 21, 22 und 23 erfolgt eine Aufheizung der thermischen Nachbildung entsprechend den Erwärmungsbeiträgen auf dem Rotor der einzelnen Einflüsse, nämlich der Gegenstromkomponente, der Oberwellenströme und des Grunderregerstromes. Unter dem Einfluß der Grunderregung ' 55 wird zunächst durch die Wicklung 23 der innere Kern in einer Zeit aufgewärmt, die der Erwärmungszeit der Rotorwicklung entspricht. Bei der so erreichten Temperatur erfolgt noch kein Ansprechen des Temperaturmeßorgans. Erst unter dem Einfluß der Heizwicklungen 21 und 22 erfolgt eine weitere Temperatursteigerung, falls im Stator eine Gegenkomponente des Statorstromes oder Oberwellenströme oder beides auftritt. Die Temperatur der Nachbildung nimmt dabei in gleicher Zeit in gleichem Maße zu wie die im Rotor an den zu überwachenden kritischen Stellen, z. B. in der Rotorisolation. Erst diese zusätzliche Erwärmung kann das Temperaturmeßorgan zum Ansprechen bringen. Durch das Ansprechen des Temperaturmeßorgans erfolgt die Betätigung des Auslöseschützes für · die endgültige Abschaltung der Maschine.

In einfacheren Fällen ist es auch möglich, ohne besondere Berücksichtigung der Grundtemperatur der Erregerwicklung auszukommen. Die Heizwicklung 23 kann dabei fehlen oder abgeschaltet sein. Es genügt die Aufheizung der Abbildung allein auf Grund der Gegenstromkomponente und des Oberwelleneinflusses durchzuführen. Unter Umständen genügt sogar allein die Erwärmung der Nachbildung durch die Gegenstromkomponente. In diesem Falle kann auch die Wicklung 22 weggelassen oder abgeschaltet werden.

Es kann auch ein zweites Temperatur meß organ 27 vorgesehen werden, welches über ein Zwischenrelais 11 zur Betätigung eines Warnsignalgebers 12 bei Annäherung an die Gefahrtemperatur dient, bevor die endgültige Auslösung des Ausschaltbefehles bei Überschreiten der Gefahrtemperatur durch 26, 10 erfolgt.

Durch die Erfindung wird es möglich, die Erwäfmungsverhältnisse in einem Rotor richtig auszubilden. Das Ganze wird hinsichtlich der Aufheizung und Abkühlungsverhältnisse so bemessen, daß im thermischen Abbild an der Meßstelle sich Temperaturen ergeben, welche in guter Annäherung den Temperaturen des überwachten Rotors entsprechen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung für den thermischen Schutz des Rotors einer Synchronmaschine mittels eines thermischen Abbildes und eines Temperaturmeßorgans, welches den Auslöser des Stator-

. Stromschalters zum Ansprechen bringt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ineinanderliegende hohlzylinderförmige Körper (24,25) vorgesehen n₀ sind, wobei der äußere Körper auf seiner Außenseite, zwei Heizwicklungen (21, 22) aufweist, von denen die eine Heizwicklung (21) von einem der Gegenkomponente des Statorstromes proportionalen Heizstrom durchflossen ist und die andere Heizwicklung (22) über ein zwischengeschaltetes Filter von einem den Oberwellen des Statorstromes proportionalen Heizstrom durchflossen ist, und daß der innere Körper eine Heizwicklung (23) aufweist, die von einem Teil des Erregerstromes durchflossen ist, und daß im Innern der ineinanderliegenden hohlzylinderförmigen Körper das Temperaturmeßorgan (26, 27) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Abbild

einen vorzugsweise aus Metall bestehenden inneren Körper (24) aufweist, in welchem das Temperaturmeßorgan (26, 27) eingesetzt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß um den · inneren Körper eine Wärmeisolierschicht (25) angeordnet ist, auf welcher mindestens eine; Heizwicklung liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwicklung (21) in einem vorzugsweise aus Eisen bestehenden äußeren Mantel eingesetzt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Heizwicklung (23) im inneren Körper eingesetzt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwicklung (21) ein Verstärker (7) vorgeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 327 298, 327 299, 318302;

deutsche Patentanmeldung B 2990VIIIb/21 d³.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

& 609 52W229 5.56 C709 751/25 10.57)