DE1234838B - Schnellentregungseinrichtung mittels Gegenerregungsspannung fuer ueber Erregermaschinen oder Stromrichter erregte Synchronmaschinen - Google Patents

Description

• Schnellentregungseinrichtung mittels Gegenerregungsspannung für über Erregermaschinen oder Stromrichter erregte Synchronmaschinen Gegenstand der Erfindung ist eine Schnellentregungseinrichtung mittels Gegenerregungsspannung für über Erregermaschinen oder Stromrichter erregte Synchronmaschinen, bei der die Gegenerregungsspannung in Abhängigkeit vom Ständerfeld abschaltbar oder verringerbar ist und die Erfassung des Ständerfeldes durch Messung der Statorspannung und des Statorstromes über Wandler erfolgt, die einer elektrischen Steuereinrichtung zur Ausführung der Steuerungsmaßnahmen im Erregerkreis zuführbar sind.
• Beim Auftreten eines Fehlers im Innern einer Synchronmaschine muß die Energiezufuhr zur Fehlerstelle schnellstens unterbunden werden, wenn der Umfang des entstehenden Schadens auf ein Minimum beschränkt bleiben soll. Dieser Grundsatz gilt vor allem für große Synchronmaschinen, bei denen das Ausmaß der Schäden infolge der Auswirkungen entstehender Lichtbögen sehr erheblich sein kann.
• Art und Lage eines inneren Fehlers in der Synchronmaschine kann verschieden sein, beispielsweise kann ein Ständererdschluß oder ein symmetrischer oder unsymmetrischer Kurzschluß auftreten. Bei einem Ständererdschluß wird die verkettete Klemmenspannung der Maschine kaum beeinträchtigt, und der nach Erde abfließende Strom ist verhältnismäßig klein. Tritt ein symmetrischer oder unsymmetrischer Kurzschluß auf, so wird die Spannung der betroffenen Phasen stark absinken, während gleichzeitig ein starker Strom fließt.
• In Schadensfällen beschriebener Art genügt es nicht, die Maschine sofort vom Netz abzuschalten, sondern man muß für eine rasche Entregung sorgen, da sonst die im Polrad gespeicherte magnetische Energie zusammen mit den Schwungmassen des Polrades den Fehlerstrom auch nach dem Abschalten vom Netz noch einige Zeit aufrechterhalten können.
• Die Anwendung der Schnellentregung empfiehlt sich sowohl bei auftretenden Ständererdschlüssen, um die Schäden an den Ständerblechen klein zu halten, als auch bei symmetrischen oder unsymmetrischen Kurzschlüssen, obgleich die entstehenden Kurzschlußströme den Abbau des Polradflusses beschleunigen, so daß hierbei der Entregungsvorgang erheblich rascher vor sich geht. Die zu ergreifenden Maßnahmen gegen die genannten Schäden in kleineren und mittleren Synchronmaschinen sollen hier weniger Beachtung finden, dagegen wird die Anwendung der Schnellentregung bei Schadensfällen in großen Synchronmaschinen im besonderen behandelt.
• Mit Hilfe bekannter Schnellentregungseinrichtungen läßt sich die magnetische Energie der Polradwicklung in verhältnismäßig kurzer Zeit vernichten und damit ein rascher Feldabbau in der Maschine erreichen. Da die Flußänderung in der Zeiteinheit proportional der angelegten Spannungsänderung ist, wird man stets bemüht sein, im ersten Zeitabschnitt der Schnellentregung eine möglichst hohe negative Spannung an die Polradwicklung zu legen. Diese negative Spannung verringert den Polradstrom, der bei weiterem Absinken den Wert Null durchläuft, um dann ebenfalls negative Werte anzunehmen. Der Vorzeichenwechsel des Polradstroms erfolgt auf Grund der in der Dämpferwicklung und im massiven Polradeisen fließenden Ströme bereits nach wenigen Zehntelsekunden oder noch rascher. Zu diesem Zeitpunkt ist der Fluß erst um einige Prozente abgebaut. Daher ist man bei Stromrichtererregung darauf angewiesen, die Anschlüsse des Stromrichters durch einen Stromwendeschalter umzupolen oder eine besondere Gefäßgruppe in Antiparallelschaltung vorzusehen, um einen raschen und vollständigen Abbau des Magnetflusses zu erzielen.
• Wird die Gegenerregung mit negativer Polradspannung längere Zeit fortgesetzt, so wird der Polradfluß in Längsrichtung allmählich abgebaut, durchläuft den Wert Null und geht auf die entgegengesetzte Richtung über. Bei jedem Entregungsvorgang im Anschluß an einen symmetrischen Fehler im Innern der Maschine würde daher die Spannung oder der Strom durch Null gehen, wenn nur ein Längsfeld vorhanden wäre. In diesem Augenblick müßte die Gegenerregung aufgehoben werden. Als Folge der vorangegangenen Maschinenbelastung ist jedoch noch ein Querfeld vorhanden, auf Grund dessen der Betrag der Spannung und des Stromes nicht den Wert Null durchlaufen, sondern ein vom Wert Null beträchtlich abweichendes Minimum, so daß bei weiter anhaltender Gegenerregung die Fehlerströme in unerwünschter Weise wieder ansteigen.
• Noch unübersichtlicher gestalten sich die Verhältnisse bei unsymmetrischen Fehlern in der Maschine, da beispielsweise bei einem Fehler zwischen zwei Phasen sehr große Ströme bei kleiner Spannung fließen, während der Strom in der dritten Phase bei kaum beeinträchtigter Spannung gering ist.
• Zwecks Bestimmung des Zeitpunktes, an dem die Gegenerregung aufgehoben werden muß, genügt es nicht, Ströme und Spannungen hinsichtlich ihres Durchganges durch Null zu überwachen, wie das beispielsweise in Anordnungen der Fall ist, die in der österreichischen Patentschrift 173 761 bzw. in der deutschen Patentanmeldung l3940 VIII b/21 dl beschrieben wurden. Eine zeitabhängige Abschaltung der Gegenerregung kommt ebenfalls nicht in Betracht, da der Fluß je nach Fehlerart schnell oder langsam abgebaut werden kann. Die Überwachung des Polradwinkels, d. h. des Winkels zwischen der Achse der Polradwicklung und dem Ständerspannungszeiger ist wiederum schwierig und aufwendig, weil hierfür das Vorhandensein besonderer Geber für die Polradstellung und den Ständerspannungszeiger vorausgesetzt werden muß.
• Es ist auch bekanntgeworden, aus den vier dreiphasigen Größen Ständerstrom, Ständerstromänderung, Ständerspannung und Ständerspannungsänderung ein Kriterium für den Abbau der Gegenerregung zu schaffen. Bei diesen Anordnungen sind jedoch stets dreiphasige Größen zu überwachen, was einen erhöhten Aufwand erfordert. Außerdem ist bei unsymmetrischen Fehlern nicht erkennbar, welche Phase fehlerhaft ist.
• Gegenüber diesen umständlichen und mehr oder weniger unzulänglichen Methoden zeigt die Erfindung eine einfache Lösung. Diese Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsmaßnahmen im Minimum des Ständerfeldes auslösbar sind in der Weise, daß aus dem Ständerstrom in einem Gerät und der Ständerspannung in einem Gerät zunächst die Bildung des Mitstromes und der Mitspannung des mitlaufenden Spannungs- und Stromsystems und sodann die Bildung des Differentialquotienten des Mitstromes in einem Gerät und der Mitspannung in einem Gerät erfolgt, und die Steuerungsmaßnahmen im Erregerkreis durch die Steuereinrichtung dann ausführbar sind, wenn nach einer einstellbaren Zeit in den jeweils dem Ständerstrom und der Ständerspannung zugeordneten Geräten entweder der Differentialquotient des Mitstromes oder der Differentialquotient der Mitspannung durch Null auf einen positiven Wert übergeht.
• Da über die Polradwicklung nur das mitlaufende System beeinflußt werden kann, werden über Strom-und Spannungswandler der mitlaufende Ständerstrom und die mitlaufende Ständerspannung gebildet. Der Zeitpunkt für das Abschalten der Entregung ist dann erreicht, wenn die zeitliche Änderung des Stromes oder der Spannung im Mitsystem durch Null auf positive Werte übergeht. Der durch ein- oder dreiphasige Gleichrichtung gebildete Betrag des mitlaufenden Stromes oder der mitlaufenden Spannung wird daher differenziert und beispielsweise über ein zeitliches Verzögerungsglied auf eine Steuereinrichtung gegeben, welche die Gegenerregung abschaltet oder zurücksteuert. Das Verzögerungsglied soll z. B. bei einem Ständererdschluß, bei dem die Ständerspannung nach der Lastabschaltung noch anwachsen kann, eine Fehlschaltung verhindern. Das Verzögerungsglied ist so einzustellen, daß der Nulldurchgang des Strom- oder Spannungsbetrages im Mitsysteai auch bei Klemmenkurzschluß und maximaler Gegenerregung noch mit Sicherheit erfaßt wird.
• Nach einem Merkmal der Erfindung wird zum Abbau des verbleibenden Querfeldes in an sich bekannter Weise (deutsche Auslegeschrift l079179) ein niederohmiger Widerstand parallel zu den Polradschleifringen geschaltet. sobald die Gegenerregung aufgehoben wird. Dieser Entregungswiderstand kann auch zwecks Entlastung eines Polwendeschalters eingeschaltet werden, der zur Umschaltung eines zur Entregung im Nulldurchgang des Polradstromes vorgesehenen Stromrichters dient.
• Um den Abbau des Querfeldes zu beschleunigen, kann man gemäß einer bekannten Einrichtung (deutsche Patentschrift 563 562) beispielsweise gleichzeitig mit dem Aufheben der Gegenerregung und dem Parallelschalten des Widerstandes im Polradkreis den Ständer allpolig etwa über einen Erdungstrenner kurzschließen.
• Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht darin, daß bei Stromrichtererregung der Stromrichtertransformator im Anschluß an das die Schnellentregung einleitende Signal sofort und ohne Phasenvergleich auf das Reservenetz umzuschalten ist. Ein Phasenvergleich ist für den Stromrichtertransformator nicht erforderlich, da sich dieser wie eine ohmsche Last verhält; er kann daher sofort auf das Reservenetz geschaltet werden. Damit ist die rasche Sicherstellung der Gegenerregungsspannung bei einer Störung im Innern einer großen Synchronmaschine gewährleistet.
• Die Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung. Mit 1 ist die Ständerwicklung einer Maschine bezeichnet, mit 2 das Polrad. Die Entregungseinrichtung ist am Beispiel eines Stromrichters 3 mit dem Stromrichfiertransformator 4 und dem Polwendeschalter 5 als Erregerstromquelle gezeigt. Im Spannungswandler 7 werden die drei Leitererdspannungen uRE, usE und UTE gemessen. Im Gerät 8 wird der Betrag der Mitspannung um in bekannter Weise durch Phasenschwenkung und geometrische Addition der Leitererdspannungen URE -f- USE - ei 120' -f- UTE . ei 240-sowie durch anschließende Gleichrichtung gewonnen. An Stelle der Leitererdspannungen kann man in Netzen ohne Sternpunkterdung die Spannungen zwischen den Leitern zur Bildung der Mitspannung verwenden, wobei man mit einer (statt zwei) Phasenschwenkungen auskommt. Die Oberschwingungen im Betrag der Mitspannung kann man dadurch reduzieren, daß man neben u"1 auch die supplementäre Spannung um - ei 120' erzeugt und beide in einer Dreiphasenschaltung gleichrichtet. In entsprechender Weise werden in den Stromwandlern 11 die Leiterströme gemessen, daraus in Gerät 12 der Betrag des Mitstromes gewonnen. Die in den Geräten 8 bzw.12 als Gleichspannungen dargestellten Beträge der Mitspannungen bzw. Mitströme werden in den Differenziergeräten 9 und 13 differenziert. 10 und 14 sind Zeitglieder. Das Steuergerät 15 sperrt das Gitter des Stromrichters 3, sobald die Mitspannung oder der 1vlitstrom z. B. nach Ablauf einer in den Zeitgliedern 10 und 14 eingestellten Verzögerungszeit Bleichbleiben oder anwachsen, und schaltet über den Schalter 6 den niederohmigen Entregungswiderstand 16 ein, der das restliche Querfeld abbaut. In gleicher oder ähnlicher Weise kann man auch Synchronphasenschieber und Synchronmotoren ausrüsten. Die Zeitglieder 10 und 14 können unter Umständen auch wegfallen, nämlich dann, wenn sich durch die Wirkungsweise der zur Gewinnung der Mitspannung bzw. des Mitstromes dienenden Geräte 8, 9, 12, 13 bereits eine hinreichende Zeitverzögerung ergibt.
• Wird das Polrad 2 nicht über einen Stromrichter 3, sondern über eine rotierende Erregermaschine erregt, so treten an Stelle der Teile 3, 4 und 5 die Haupt- und Hilfserregermaschine mit dem bekannten, zur Schwingungs- oder Gegenspannungsentregung erforderlichen Zubehör.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Schnellentregungseinrichtung mittels Gegenerregungsspannung für über Erregermaschinen oder Stromrichter erregte Synchronmaschinen, bei der die Gegenerregungsspannung in Abhängigkeit vom Ständerfeld abschaltbar oder verringerbar ist und die Erfassung des Ständerfeldes durch Messung der Statorspannung und des Statorstromes über Wandler erfolgt, die einer elektrischen Steuereinrichtung zur Ausführung der Steuerungsmaßnahmen im Erregerkreis zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsmaßnahmen im Minimum des Ständerfeldes auslösbar sind in der Weise, daß aus dem Ständerstrom in einem Gerät (12) und der Ständerspannung in einem Gerät (8) zunächst die Bildung des Mitstromes (I i," 1) und der Mitspannung (1 u," !) des mitlaufenden Spannungs-und Stromsystems und sodann die Bildung des Differentialquotienten des Mitstromes (d i",ld t) und der Mitspannung (d u./d t) in einem Gerät (9) erfolgt, und die Steuerungsmaßnahmen im Erregerkreis durch die Steuereinrichtung (15) dann ausführbar sind, wenn nach einer einstellbaren Zeit (T) in den jeweils dem Ständerstrom und der Ständerspannung zugeordneten Geräten (14,10) entweder der Differentialquotient des Mitstromes (d i",/d t) oder der Differentialquotient der Mitspannung (d u./d t) durch Null auf einen positiven Wert übergeht.
2. 2. Schnellentregungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (16) parallel zu der Erregerwicklung des Polrades (2) schaltbar ist.
3. 3. Schnellentregungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der, gleichzeitig mit der oder anschließend an die Abschaltung oder Verringerung der Gegenerregung die Ständerwicklung (1) kurzschließbar ist.
4. 4. Schnellentregungseinrichtung mit Stromrichterspeisung der Erregung über einen Stromrichtertransformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichtertransformator (4) bei Einleitung der Schnellentregung sofort und ohne Phasenvergleich auf ein Reservenetz umschaltbar ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 385 756, 563 562; deutsche Auslegeschrift Nr. 1079179; deutsche Auslegeschriften S 29010 VIII b / 21 d1 (bekanntgemacht am 15. 11. 1956), L 18515 VIII b/ 21 dl (bekanntgemacht am 30.
5. 5. 1956); deutsche Patentanmeldungen S 3227 VIII b / 21 d1 (bekanntgemacht am 17.9.1953, S 13940 VIIIb/ 21 d2 (bekanntgemacht am
6. 6. B. 1953); österreichische Patentschrift Nr. 173 761.