DE10253864B4 - Method and arrangement for earth fault monitoring of a stator in star connection - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Überwachen
von in Sternschaltung betriebenen Wicklungen (2a,2b,2c) eines Stators
(1) einer elektrischen Maschine mit nicht wirksam geerdetem Sternpunkt
(3) auf Erdschlüsse,
bei dem
– die
Nullspannung an den Klemmen des Stators (1) unter Gewinnung von
Nullspannungsmesswerten gemessen wird,
– der sich aus den Strömen in den
Wicklungen (2a,2b,2c) des Stators (1) ergebende Nullstrom unter
Gewinnung von Nullstrommesswerten gemessen wird;
– jeweils
aus den Nullspannungs- oder Nullstrommesswerten mittels eines Umwandlungsbausteins
(25) Modellwerte ermittelt werden, wobei der Umwandlungsbaustein
(25) die Modellwerte unter Verwendung einer für den Stator (1) spezifischen Übertragungsfunktion
ermittelt und wobei die Übertragungsfunktion
derart ausgelegt ist, dass bei erdschlussfreiem Stator (1) die ermittelten
Modellwerte
– bei
Bildung aus den Nullspannungsmesswerten den jeweils zugehörigen Nullstrommesswerten
und
– bei
Bildung aus den Nullstrommesswerten den jeweils zugehörigen Nullspannungsmesswerten
entsprechen;
– die
ermittelten Modellwerte von den jeweils zugehörigen Nullstrom- oder Nullspannungsmesswerten
unter Bildung von Differenzwerten abgezogen...Method for monitoring star-connected windings (2a, 2b, 2c) of a stator (1) of an electric machine with non-effectively earthed neutral point (3) for earth faults, in which
The zero voltage is measured at the terminals of the stator (1) to obtain zero voltage measurements,
- the zero current resulting from the currents in the windings (2a, 2b, 2c) of the stator (1) is measured to obtain zero current readings;
Model values are determined in each case from the zero-voltage or zero-current measured values by means of a conversion module, wherein the conversion module determines the model values using a transmission function specific to the stator and wherein the transfer function is designed such that in the case of a stator free of earth leakage (1) the determined model values
In the case of formation from the zero voltage measured values, the respectively associated zero current measured values and
- in the case of formation from the zero-current measured values, correspond to the respectively associated zero-voltage measured values;
- the determined model values are subtracted from the respectively associated zero current or zero voltage measured values with the formation of differential values ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von in Sternschaltung betriebenen Wicklungen eines Stators einer elektrischen Maschine mit nicht wirksam geerdetem Sternpunkt auf Erdschlüsse.The The invention relates to a method for monitoring in star connection operated windings of a stator of an electric machine with not properly earthed star point on earth faults.
Es
ist bekannt, Erdschlüsse
innerhalb von in Sternschaltung betriebener Wicklungen mit ungeerdetem
Sternpunkt mit Hilfe von nach dem Nullstrom- oder Nullspannungskriterium
arbeitenden Erdschlusserfassungsrelais zu erkennen. Dabei können Erdschlüsse mit
großer
Sicherheit bis ca. 90% der Wicklungslänge erkannt werden; Fehler
in Sternpunktnähe
bzw. im Sternpunkt selbst sind mit Hilfe nullsystembildender Oberwellen
erkennbar. So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
Die Ausführung einer symmetrischen Wicklung, z.B. für einen Langstatorabschnitt einer Magnetschwebebahn, ist technologisch aufwändig und wird beispielsweise durch zyklischen Lagentausch der Wicklungen und zusätzliche Erdungsmaßnahmen erreicht. Eine einfache kostengünstige maschinelle Verlegung der Wicklung ohne Lagentausch führt dagegen zwangsläufig zu einer Unsymmetrie der Wicklungen, die bei der Erfassung von Erdschlüssen nach dem Nullstrom- oder Nullspannungskriterium Nullströme bzw. Nullspannungen verursacht, die in der Größenordnung der Ansprechschwellen der Messgrößen liegt.The execution a symmetrical winding, e.g. for a long stator section A maglev, is technologically complex and is, for example by cyclic layer exchange of the windings and additional earthing measures reached. A simple low cost mechanical laying of the winding without layer exchange leads against it inevitably to an imbalance of the windings, which in the detection of earth faults after the zero-current or zero-voltage criterion zero currents or Zero voltages caused that are on the order of the thresholds the measured variables is.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Überwachen von in Sternschaltung betriebenen Wicklungen eines Stators einer elektrischen Maschine mit nicht wirksam geerdetem Sternpunkt auf Erdschlüsse anzugeben, mit dem auch bei einem Stator mit unsymmetrischen Wicklungen ein Erdschluss sicher erkannt wird.task The invention therefore provides a method for monitoring in star connection operated windings of a stator of an electric machine indicate ground fault with not properly earthed star point, with the even with a stator with unbalanced windings a ground fault is reliably detected.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die Nullspannung an den Klemmen des Stators unter Gewinnung von Nullspannungsmesswerten gemessen und der sich aus den Strömen in den Wicklungen des Stators ergebende Nullstrom unter Gewinnung von Nullstrommesswerten gemessen wird; aus den Nullspannungs- oder Nullstrommesswerten werden jeweils mittels eines Umwandlungsbausteins Modellwerte ermittelt, wobei der Umwandlungsbaustein die Modellwerte unter Verwendung einer für den Stator spezifischen Übertragungsfunktion ermittelt und wobei die Übertragungsfunktion derart ausgelegt ist, dass bei erdschlussfreiem Stator die ermittelten Modellwerte bei Bildung aus den Nullspannungsmesswerten den jeweils zugehörigen Nullstrommesswerten und bei Bildung aus den Nullstrommesswerten den jeweils zugehörigen Nullspannungs-messwerten entsprechen; die ermittelten Modellwerte werden von den jeweils zugehörigen Nullstrom- oder Nullspannungsmesswerten unter Bildung von Differenzwerten abgezogen und ein einen Erdschluss in einer Wicklung anzeigendes Fehlersignal wird erzeugt, wenn die Differenzwerte einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten.to solution This object is proposed a method of the type mentioned, in which the zero voltage at the terminals of the stator under recovery measured from zero voltage measurements and derived from the currents in the Windings of the stator resulting zero current to obtain zero current readings is measured; from the zero voltage or zero current readings each determined by means of a conversion module model values, wherein the conversion building block model values using a for the stator specific transfer function determined and where the transfer function is designed in such a way that, in the case of an open-circuit-free stator, the determined model values when forming from the zero voltage measured values, the respectively associated zero-current measured values and when forming the zero current readings, the respective zero voltage readings correspond; the determined model values are determined by the respective associated Zero current or zero voltage measured values with formation of difference values subtracted and indicating a ground fault in a winding Error signal is generated when the difference values a predetermined Exceed threshold.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass eine Erdschlusserkennung auf Grundlage von Differenzwerten und nicht auf Grundlage der beispielsweise durch Unsymmetrien der Wicklungen beeinflussten jeweiligen Nullspannungs- oder Nullstrommesswerte erfolgt. Mit Hilfe von mit dem beschriebenen Verfahren gebildeten Modellwerten können die jeweiligen Nullstrom- oder Nullspannungsmesswerte im erdfehlerfreien Fall von den beispielsweise durch Unsymmetrien der Wicklungen entstandenen Messwertanteilen bereinigt werden. Im erdfehlerfreien Fall entstehen also Differenzwerte mit einem Wert nahe Null, so dass mit Hilfe eines Schwellwertvergleichs auf einfache Weise der erdschlussfreie Fall erkannt werden kann. Im Falle eines Erdschlusses entstehen dahingegen Differenzwerte deutlich größer als Null, so dass mit Hilfe des Schwellwertvergleichs auf einfache Weise auch ein Erdfehler erkannt werden kann. Dieser Zusammenhang wird an späterer Stelle eingehender erläutert.Of the essential advantage of the method according to the invention is that a ground fault detection based on difference values and not based on, for example, the asymmetries of Windings influenced respective zero voltage or zero current measurements he follows. With the help of formed by the described method Model values can the respective zero current or zero voltage measured values in earth fault-free case from the example resulting from asymmetries of the windings Measured value portions are cleaned up. In the earth fault-free case arise So difference values with a value close to zero, so with help a threshold comparison in a simple way the earth fault-free Case can be detected. In case of a ground fault occur on the other hand, difference values are significantly greater than zero, so with the help of Threshold comparisons easily detected even an earth fault can be. This relationship will be explained in more detail later.
Vorteilhafterweise wird zum Ermitteln der Modellwerte ein Digitalfilter verwendet. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach mit einer Datenverarbeitungsanlage realisiert werden.Advantageously, a digital filter is used to determine the model values. So that can the inventive method can be realized very easily with a data processing system.
Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht weiterhin vor, dass die Koeffizienten zum Einstellen des Digitalfilters während einer Kalibrierphase aus den Nullspannungs- oder Nullstrommesswerten sowie den jeweils zugehörigen Nullstrom- oder Nullspannungsmesswerten ermittelt werden. Auf diese Weise kann das Digitalfilter an die Übertragungsfunktion des Stators angepasst werden, ohne dass bestimmte Parameter des Stators wie Induktivität, Widerstand und Kapazität von vorneherein bekannt sein müssen.A advantageous embodiment the method according to the invention further provides that the coefficients for adjusting the digital filter during one Calibration phase from the zero voltage or zero current measured values as well the associated zero-sequence current or zero voltage readings. This way you can the digital filter to the transfer function be adapted to the stator without certain parameters of the Stators like inductance, Resistance and capacity must be known from the outset.
Vorteilhafterweise wird zum Ermitteln der Koeffizienten des Digitalfilters die Filterantwort des Digitalfilters auf die Nullspannungs- oder Nullstrommesswerte den jeweils zugehörigen Nullstrom- oder Nullspannungsmesswerten unter Optimierung der Koeffizienten des Digitalfilters angeglichen. Auf diese Weise wird das Digitalfilter in einem Optimierungsprozess genau so eingestellt, dass der mittlere Fehler zwischen den mittels des Digitalfilters aus den Nullspannungs- oder Nullstrommesswerten ermittelten Vergleichswerten und den jeweils zugehörigen Nullstrom- oder Nullspannungsmesswerten minimal ist.advantageously, For determining the coefficients of the digital filter, the filter response of the digital filter to the zero voltage or zero current readings the respective associated Zero current or zero voltage measurements with optimization of the coefficients of the digital filter. This is how the digital filter works in an optimization process set exactly so that the middle Error between the digital voltage from the zero voltage or zero current measured values and the respective associated Zero current or zero voltage measurements is minimal.
Vorteilhafterweise erfolgt die Ermittlung der Koeffizienten des Digitalfilters nach dem Steiglitz-McBride-Algorithmus.advantageously, the determination of the coefficients of the digital filter follows the Steiglitz-McBride algorithm.
Alternativ ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Koeffizienten zum Einstellen des Digitalfilters aus die Übertragungsfunktion des Stators angebenden Kenngrößen bestimmt werden. Somit kann für den Fall, dass die genauen Kenngrößen des Stators wie z. B. Impedanz und Kapazität bereits von vornherein bekannt sind, eine Einstellung des Digitalfilters mit Hilfe dieser Kenngrößen vorgenommen werden. Die Übertragungsfunktion des Stators wäre in diesem Fall analytisch herleitbar, so dass auf ein Kalibrierverfahren verzichtet werden kann.alternative is in a further advantageous embodiment of the method according to the invention provided that the coefficients for adjusting the digital filter off the transfer function of Stators specified characteristics determined become. Thus, for the case that the exact parameters of the stator such. B. impedance and capacity already known from the outset, a setting of the digital filter with Help of these characteristics made become. The transfer function of the Stators would be in this case analytically derivable, so that on a calibration procedure can be waived.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei aus den Nullspannungsmesswerten gebildeten Modellwerten die Differenzmesswerte erzeugt werden, indem von den Nullstrommesswerten die jeweils zugehörigen Modellwerte abgezogen werden, und das Fehlersignal erzeugt wird, wenn die Differenzwerte einen vorgegebenen Stromschwellenwert überschreiten. Ein Vergleich von aus den Nullspannungsmesswerten ermittelten Modellwerten mit den jeweils zugehörigen Nullstrommesswerten und eine anschließende Schwellwertauswertung aus den somit ermittelten strombezogenen Differenzwerten ist aufgrund der zu erwartenden Übertragungsfunktion des Umwandlungsbausteins stabiler zu bewerkstelligen als das analog durchgeführte spannungsbezogene Verfahren.A further advantageous embodiment the method according to the invention provides that at model values formed from the zero voltage measurements the differential measurements are generated by taking the zero current readings the respectively associated Model values are subtracted and the error signal is generated, when the difference values exceed a predetermined current threshold. A comparison of model values determined from the zero-voltage measured values with the respective associated Zero current measured values and a subsequent threshold value evaluation from the thus determined current-related difference values is due to the expected transfer function of the conversion module to accomplish more stable than the analog conducted voltage related procedures.
Die
Erfindung betrifft auch ein elektrisches Gerät zum Überwachen von in Sternschaltung
betriebenen Wicklungen eines Stators einer elektrischen Maschine
mit nicht wirksam geerdetem Sternpunkt auf Erdschlüsse, das
eine Spannungserfassungseinrichtung zum Messen und Vorverarbeiten
von Nullspannungsmesswerten, eine Stromerfassungseinrichtung zum
Messen und Vorverarbeiten von Nullstrommesswerten und eine Auswerteeinrichtung
aufweist, die ein einen Erdschluss angebendes Fehlersignal erzeugt,
wenn aus, den Nullspannungs- und/oder den Nullstrommesswerten ermittelte
Werte einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten. Eine solche Anordnung
ist ebenfalls der eingangs erwähnten
deutschen Offenlegungsschrift
Basierend auf der bekannten Anordnung liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Gerät zum Überwachen von in Sternschaltung betriebenen Wicklungen eines Stators einer elektrischen Maschine mit nicht wirksam geerdetem Sternpunkt auf Erdschlüsse vorzuschlagen, mit dem auch bei unsymmetrisch ausgeführten Statorwicklungen ein Erdschluss in dem Stator sicher erkannt werden kann.Based in the known arrangement of the invention is also the task underlying, an electrical device to monitor of star connected windings of a stator electric machine with not properly earthed neutral point Ground faults to propose, with the even in asymmetrically designed stator windings a ground fault in the stator can be reliably detected.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein elektrisches Gerät der oben genannten Art solchermaßen ausgestaltet, dass die Spannungserfassungseinrichtung ausgangsseitig mit dem Eingang eines Umwandlungsbausteins verbunden ist, der unter Verwendung einer für den Stator spezifischen Übertragungsfunktion aus den jeweiligen Nullspannungsmesswerten Modellwerte ermittelt, wobei die Übertragungsfunktion derart ausgebildet ist, dass bei erdschlussfreiem Stator die ermittelten Modellwerte den jeweils zu den Nullspannungsmesswerten zugehörigen Nullstrommesswerten entsprechen. Der Umwandlungsbaustein ist ausgangsseitig mit einem Eingang eines Differenzbildners verbunden, ein weiterer Eingang des Differenzbildners ist mit einem Ausgang der Stromerfassungseinrichtung verbunden und der Differenzbildner ausgangsseitig mit der Auswerteeinrichtung verbunden. Durch die Umwandlung der Nullspannungsmesswerte in dem Umwandlungsbaustein werden Modellwerte ermittelt, mit denen im erdschlussfreien Fall die beispielsweise durch Unsymmetrien in den Wicklungen des Stators hervorgerufene Anteile des Nullstromes kompensiert werden können. Auf diese weise ist durch einen anschließenden Schwellwertvergleich sehr einfach eine Entscheidung über ein Vorliegen eines Erdschlusses zu treffen, da im erdschlussbehafteten Fall die Modellwerte nicht mehr den Nullstrommesswerten entsprechen und diese somit auch nicht kompensieren können; aufgrund der unterschiedlichen Übertragungsfunktionen des Stators im fehlerfreien und fehlerbehafteten Fall werden im fehlerbehafteten Fall im Differenzbildner sogar Differenzwerte mit einer höheren Amplitude als die der durch Unsymmetrien im fehlerfreien Fall hervorgerufenen Nullstrommesswerte erzeugt.To achieve this object, according to the invention, an electrical device of the abovementioned type is configured in such a way that the voltage detection device is connected on the output side to the input of a conversion module which determines model values from the respective zero-voltage measured values using a transmission function specific to the stator, wherein the transfer function is designed in this way in that, in the case of a stator without earth-fault, the determined model values correspond to the respective zero current measured values associated with the zero-voltage measured values. The conversion module is connected on the output side to an input of a differential former, another input of the differential former is connected to an output of the current detection device and the differential former is connected on the output side to the evaluation device. By converting the zero-voltage measured values into the conversion module, model values are determined with which, in the case of earth-fault-free operation, the portions of the zero current caused, for example, by asymmetries in the windings of the stator can be compensated. In this way, it is very easy to make a decision about the presence of a ground fault by means of a subsequent threshold comparison, since in the case of earth fault the model values no longer correspond to the zero-current measured values and thus can not compensate them nen; Due to the different transfer functions of the stator in the error-free and faulty case even difference values are generated in the faulty case in the differential former with a higher amplitude than that caused by unbalances in error-free case zero-current measurements.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist into further explanation the invention is in
In
Sind
die Wicklungen
Um
einen Erdschluss sicher über
die gesamte Länge
des Stators
Die
Ausführung
von exakt symmetrischen Wicklungen ist jedoch technologisch sehr
aufwändig und
wird beispielsweise bei einem Langstator einer Magnetschwebebahn
durch zyklischen Lagentausch der Wicklung und zusätzliche
Erdungsmaßnahmen erreicht.
Bei einer technisch einfachen Verlegung der Wicklungen ohne Lagentausch
entstehen durch Kopplungsimpedanzen zwischen den einzelnen Wicklungen
Um
dennoch eine sichere Erdschlusserkennung auch bei einem unsymmetrischen
Stator durchführen
zu können,
ist die Erdschlusserfassungseinrichtung
Der
Umwandlungsbaustein
Da
der Umwandlungsbaustein
Der
Optimierungsbaustein
Nach
dieser Einstellung des Umwandlungsbausteins
Während der
Kalibrierphase wird also mit einem iterativ arbeitenden Algorithmus
die Übertragungsfunktion
des Stators
In
den
Im
Falle eines vorliegenden Erdschlusses im Stator
Analog zu dem hier dargestellten Fall, in dem die Modellwerte aus den Nullspannungsmesswerten ermittelt und von den zugehö rigen Nullstrommesswerten abgezogen wurden, ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch der Fall der Ermittlung der Modellwerte aus den Nullstrommesswerten und einer Differenzbildung zwischen den Modellwerten und den Nullspannungsmesswerten möglich. Der ausführlich behandelte Fall ist jedoch numerisch stabiler zu handhaben und wird daher bevorzugt.Analogous to the case illustrated here in which the model values are determined from the zero-voltage measured values and from the affiliated ones Zero current measured values were subtracted, is within the scope of the method according to the invention also the case of determining the model values from the zero current measured values and a difference between the model values and the zero-voltage measured values possible. The detailed However, the treated case is numerically more stable to handle and will therefore preferred.
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