DE68913630T2 - Automatischer Felderdungsdetektor und Lokalisator. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum überwachen der Feldwicklung einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesonders zum Zweck des Auffindens der Gegenwart und Orten eines Erdfehlers.
• Die Feldwicklung einer rotierenden elektrischen Maschine, wie eine Synchronmaschine, ist so gestaltet und eingebaut, dass sie im wesentlichen während des Betriebs völlig von Erde isoliert ist. Es kann sich aber jederzeit ein Erdfehler in der Wicklung entwickeln, zum Beispiel wegen eines Zusammenbruchs der Isolierung. Es ist wichtig, dass die Bedienungsperson der Maschine sofort auf einen solchen Erdfehlerzustand aufmerksam wird, so dass die Maschine stillgelegt werden kann, um geeignete Reparatur durchzuführen. Obwohl es sein kann, dass ein einziger Erdfehler keinen Schaden verursacht, kann das Auftreten eines zweiten Erdfehlers sich in einem Fluss von sehr hohen Strömen ergeben, was hohen Maschinenschaden verursacht.
• Es sind schon verschiedene Systeme zum Auffinden solcher Erdfehler bekannt. Es gibt daher Wechselstromauffindungssysteme, in denen eine Wechselstromspannung zwischen Erde und einer der Feldwicklungspole durch einen Widerstand geliefert wird. Wenn kein bedeutender Stromfluss durch den Widerstand aufgefunden wird, kann man darauf schliessen, dass keine Felderde besteht. Wenn aber eine Felderde an irgendeinem Punkt entlang der Länge der Feldwicklung vorkommt, wird der Stromfluss durch den Widerstand eine Anzeige dieses Zustandes liefern.
• Nach einem bekannten Gleichstromauffindungsverfahren werden zwei Festwertwiderstände in Reihe entlang der Feldwicklung miteinander verbunden, so dass der Potentialabfall über der Wicklung auch über den Widerständen erscheint. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen ist durch einen weiteren Widerstand und ein Stromauffindungsmittel an Erde angeschlossen. Unter normalen Bedingungen, wenn die Feldwicklung erregt ist, und kein Erdfehler besteht, wird im wesentlichen kein Strom durch den weiteren Widerstand und das Stromauffindungsmittel fliessen. Wenn aber ein Erdfehler stattfinden sollte, wird der sich ergebende Stromfluss durch das Auffindungsmittel eine Anzeige des Zustandes liefern. Diese Anordnung wird aber nicht eine Anzeige herstellen, wenn der Erdfehler in einem Gebiet der Feldwicklung vorkommt, die während des normalen Betriebes bei einem Potential ist, das dem des Verbindungspunktes zwischen den beiden Reihenwiderständen entspricht. Um sich mit diesem Problem zu befassen, schliesst der Kreislauf einen Hilfswiderstand ein, den die Bedienungsperson über einen der Reihenwiderstände mittels eines Druckknopfes verbinden kann, um das Potential am Verbindungspunkt zwischen den Reihenwiderständen zeitweise zu verschieben.
• Nach einer anderen bekannten Technik, die mit dem oben beschriebenen Gleichstromverfahren vergleichbar ist, hat einer der Reihenwiderstände eine nichtlineare Widerstandsänderung mit Spannung, so dass, wenn sich die Feldwicklungsspannung ändert, sich auch das Potential an dem Verbindungspunkt zwischen den Reihenwiderständen ändert, dabei hilft, eine Erde an irgendeinem Punkt entlang der Länge der Feldwicklung aufzufinden. Es gibt aber bestimmte Betriebszustände, wie wenn die Maschine grundbelastet ist, unter denen die Wicklungsspannung sich nicht bedeutend über längere Zeit verändert.
• Das Wechselstromauffindungsverfahren hat den Nachteil, dass es der Feldwicklung eine Wechselstromspannung auferlegt, und diese Spannung kann verschiedene Höhen von nicht geerdeten Strömen wegen der normalen kapazitiven Kupplung der Feldwicklung zu Erde induzieren. Während die bekannten Gleichstromauffindungsverfahren dieses Hindernis überwinden, können sie nicht ohne Einschreiten der Bedienungsperson Erdfehler an jedem Punkt entlang der Länge der Feldwicklung auffinden.
• Weiterhin liefert keine der bekannten Techniken irgendwelche Information über den Ort eines Erdfehlers. Wenn die Existenz eines Erdfehlers unter Benutzung dieser bekannten Techniken beobachtet wird, muss die Maschine stillgelegt werden, um den Fehler zu orten. Dieses ist aber nicht immer möglich, da es Situationen gibt, in denen ein Erdfehler offensichtlich sein kann, während die Maschine betrieben wird, aber nicht geortet werden kann, nachdem die Maschine stillgelegt worden ist.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Überwachungssystem zu liefern, das die Nachteile der bekannten Systeme vermeidet.
• Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu liefern, das kontinuierlich arbeitet, während die zugehörige Maschine in Betrieb ist, und eine direkte Anzeige sowohl der Existenz eines Erdfehlers als auch wenigstens seiner ungefähren Ortung entlang der Länge der Feldwicklung zu liefern.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, diese Vorteile in einem System zu liefern, das von dem Gleichstrompotential über der Feldwicklung angetrieben wird.
• Patentauszüge von Japan, Vol. 6, Nr. 166, zeigt ein System zum Auffinden und Orten eines Erdfehlers in der Feldwicklung einer Maschine, in der ein Gleichstrompotential über der Wicklung während des Maschinenbetriebs vorhanden ist, und die Wicklung normalerweise von Erde isoliert ist, in dem das System ein Stromauffindungsmittel und ein Signalverarbeitungsmittel hat, die an das Stromauffindungsmittel angeschlossen sind, um eine Anzeige des Vorkommens einer Stromflussgrösse zu liefern, die einem Erdfehler in der Feldwicklung zugeordnet ist.
• Die Erfindung besteht in einem System zum Auffinden und Orten eines Erdfehlers in der Feldwicklung einer Maschine, in der ein Gleichstrompotential während des Maschinenbetriebs auf der Wicklung anliegt, und die Wicklung normalerweise von Erde isoliert ist, in dem das System ein Stromauffindungsmittel und ein Signalverarbeitungsmittel hat, die an das Stromauffindungsmittel angeschlossen sind, um eine Anzeige des Vorkommens einer Stromflussgrösse zu liefern, die einem Erdfehler in der Feldwicklung zugeordnet ist, wobei das System durch folgendes gekennzeichnet ist: einen Spannungsteiler, der der Wicklung parallelgeschaltet ist, und eine Vielzahl von Abgriffspunkten hat, die entlang des Teilers voneinander beabstandet sind; ein Mittel, um eine Vielzahl von Stromwegen zu definieren, die je zwischen einem entsprechenden Abgriffspunkt des Spannungsteilers und einem Erdverbindungspunkt angeschlossen sind; in dem das Stromauffindungsmittel in den Stromwegen angeschlossen ist, um eine Anzeige der Grösse des Stromes zu liefern, der durch jeden Weg fliesst; und in dem das Signalmittel eine Anzeige wenigstens der ungefähren Ortung des Erdfehlers entlang der Wicklung liefert.
• Figur 1 ist ein Schaltdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer Auffindungs- und Ortungsschaltung nach der vorliegenden Erfindung.
• Figur 2 ist ein programmierendes Flussdiagramm, das eine Überwachungsfolge zeigt, die mit der Schaltung von Figur 1 verwandt wird.
• Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Auffindungs- und Ortungsschaltung nach der vorliegenden Erfindung zum Überwachen einer Feldwicklung 2, über der normalerweise ein Gleichstrompotential besteht. Die Wicklung selbst und die Quelle des Wicklungspotentials sind während des Normalbetriebs von Erde isoliert, obwohl eingesehen wird, dass ein endlicher, aber hoher Widerstand normalerweise zwischen der Wicklung 2 und der Erde durch die Wicklungsisolierung bestehen wird.
• Die Schaltung nach der Erfindung schliesst einen Spannungsteiler ein, der aus einer Reihe von vorzugsweise identischen Widerständen 4 zusammengesetzt ist, die über Wicklung 2 angeschlossen sind. Die Anzahl N der Widerstände 4 hängt von der Länge der Wicklung 2 und der erwüschten Genauigkeit ab, mit der die Ortung eines Erdfehlers angezeigt werden soll. N wird jedenfalls wesentlich grösser als 2 sein, und könnte typischerweise in der Grössenordnung von 10 liegen.
• Jedes Ende des Spannungsteilers und jeder Verbindungspunkt zwischen zwei benachbarten Widerständen 4 ist an ein Ende eines entsprechenden Reihenwiderstandes 6 angeschlossen. Jeder Widerstand 6 ist in Reihe an einen entsprechenden elektronisch kontrollierbaren Zweipolschalter 8 angeschlossen, und die andere Seite jedes Schalters 8 ist an eine Seite eines Gleichstromstromauffindungsmittel 12 mittels einer gemeinsamen Leitung 14 angeschlossen, wobei das Auffindungsmittel 12 zwischen Leitung 14 und Schaltungserde 16 angeschlossen ist.
• Die von dem Auffindungsmittel 12 hergestellte Stromablesung wird einem Analog/Digitalwandler 20 geliefert, dessen Digitalausgang zu einem Speicherregister 22 geleitet wird, das eine Anzahl von Speicherorten hat, die der Anzahl von Schaltern 8 gleich ist. Ein Ausgang des Registers 22 ist an ein Verarbeitungsmittel 24 angeschlossen, das mit einer Alarmausgabeleitung 26 und einer Ausleseleitung 28 versehen ist, als auch mit einem Registerkontrollbus 30 und einem Schalterkontrollbus 32.
• Die Schaltung nach der Erfindung wird benutzt, um die Feldwicklung 2 während des Betriebs der Maschine, in der die Wicklung angeordnet ist, dauernd zu überwachen. So lange wie der Wicklung 2 kein Erdfehler zugeordnet ist, wird sie, wie oben gezeigt, einschliesslich ihrer Verbindungsleitungen im wesentlichen von Erde isoliert sein.
• Die Überwachung wird unter Kontrolle des Verarbeitungsmittels 24 bewirkt, das Signale mittels Bus 32 liefert, um jeden Schalter 8 nacheinander zu schliessen, wobei nur ein Schalter zu einer Zeit geschlossen ist, und für eine Zeitdauer, die ausreicht, um zu gestatten, dass das Auffindungsmittel 12 eine genaue Anzeige des Stroms herstellt, der durch den geschlossenen Schalter 8 und seinen zugeordneten Widerstand 6 fliesst. Die von dem Auffindungsmittel 12 hergestellten Ablesungen werden dauernd durch den Wandler 20 in Digitalgestalt umgewandelt, und die Digitaldarstellung der von dem Auffindungsmittel 12 hergestellten Ablesung während des Schliessens von jedem Schalter 8 wird in einen entsprechenden Ort des Registers 22 unter Kontrolle von Adress-Signalen, die von Bus 30 geliefert werden, eingeschrieben.
• Nachdem jeder Schalter 8 geschlossen worden ist, wird der Eingang zu Register 22 zeitweise blockiert und jeder Registerort wird dann nacheinander dem Verarbeitungsmittel 24 unter Kontrolle eines Auslesesignals und Ortungsadress-Signals, die durch Bus 30 geliefert werden, ausgelesen. Die Stromablesungen werden in Verarbeitungsmittel 24 verarbeitet, und werden durch Leitung 28 ausgelesen. Wenn eine der Stromablesungen die Existenz eines Erdfehlers 34 anzeigt, wird ein Alarmsignal auf Leitung 26 erzeugt.
• Wenn kein Erdfehler besteht, so dass Wicklung 2 und ihre Stromleitungen von Erde isoliert sind, wird das Schliessen eines Schalters 8 nicht einen Schaltweg vervollständigen, so dass irgendein Strom, der durch den geschlossenen Schalter fliesst, auf einem sehr tiefen Stand sein wird. Ein solcher Tiefstandsstromfluss wird vom Verarbeitungsmittel 24 als Anzeige der Abwesenheit jedweligen Erdfehlers gedeutet, so dass kein Alarmsignal hergestellt wird.
• Wenn andererseits ein Erdfehler 34 besteht, dann wird ein Stromflusskreis beim Schliessen von jedem Schalter 8 durch das Auffindungsmittel 12 vervollständigt, was sich in einem wesentlichen höheren Stromfluss durch wenigstens einige der Schalter 8 ergibt. Dieser höhere Stromfluss wird ein Alarmsignal herstellen, wenn er dem Verarbeitungsmittel 24 geliefert wird. Weiterhin, wie später genauer erklärt werden wird, werden die Stromablesungen, die der Ableseleitung 28 geliefert werden, ermöglichen, dass wenigstens der ungefähre Ort des Erdfehlers 34 entlang der Länge der Wicklung 2 bestimmt werden kann.
• Der Spannungsteiler, der aus Widerständen 4 aufgebaut ist, teilt das Potential über der Wicklung 2 in im wesentlichen gleiche Inkremente, die Potentialinkremente entlang der Länge der Wicklung 2 entsprechen. Das Potential an jedem Verbindungspunkt zwischen zwei Widerständen 4 wird daher dem Potential an einem entsprechenden Punkt entlang der Länge der Wicklung 2 entsprechen. Wenn ein Erdfehler 34 bestehen sollte, wird dieses einen Punkt entlang der Länge der Wicklung 2 auf Erdpotential bringen. Daher wird ein entsprechender Punkt entlang der Länge des Spannungsteilers, der von Widerständen 4 gebildet ist, auch ungefähr auf Erdpotential liegen. Das Potential an jedem anderen Verbindungspunkt des Spannungsteilers wird von dem Erdpotential durch einen Betrag verschieden sein, der der Anzahl von Widerständen 4 entspricht, die den Punkt von dem Spannungsteilerpunkt trennen, der wenigsten ungefähr auf Erdpotential liegt. Je weiter der Spannungsteilerpunkt von dem Punkt, der auf Erdpotential liegt, entfernt ist, umso grösser wird der Stromfluss von dem Spannungsteilerpunkt sein, wenn der zugeordnete Schalter 8 geschlossen ist. Entsprechend, wenn der Schalter 8, der an den Spannungsteilerpunkt angeschlossen ist, der wenigstens ungefähr auf Erdpotential liegt, geschlossen ist, wird der Stromfluss durch den geschlossenen Schalter 8 einen Minimalwert haben.
• Wenn daher ein Erdfehler 34 bestehen sollte, wird der Ort in Register 22 der Minimalstromablesung wenigstens ungefähr dem Ort entlang der Wicklung 2 des Erdfehlers entsprechen. Daher wird Untersuchung der Stromablesungen, die der Leitung 28 geliefert werden, die Identifizierung des Erdfehlerortes gestatten.
• Die Art, in der ein Satz von in dem Register gespeicherten Stromablesungen untersucht werden kann, um die Anwesenheit eines Erdfehlers zu identifizieren, und den Erdfehler zu orten, wird in dem programmierenden Flussdiagramm von Figur 2 gezeigt, das aus Blöcken F1 bis F20 zusammengesetzt ist, und das sich auf eine Einrichtung bezieht, die N+1 Schalter 8 enthält.
• In Figur 2: i = Anzahl eines Registerortes, entsprechend des Verbindungspunktes eines entsprechenden Widerstandes 6 zum Spannungsteiler; I (i) = Strom am Ort i; I (0) = Strom am Ort 0 (Null); und Imin = der Minimalstrom, der während der Abfrage von aufeinanderfolgenden Registerorten aufgefunden wird.
• Wie Figur 2 anzeigt, wird jeder Schalter 8i (i = 0, 1, 2...N) nacheinander geschlossen, und der durch den geschlossenen Schalter fliessende Strom wird gemessen und in einem entsprechenden Ort des Registers 22 gespeichert. Nachdem dieses Verfahren für alle Schalter 8 durchgeführt worden ist, wird jeder Registerort abgefragt, um zu bestimmen, ob die darin gespeicherte Stromdarstellung einem Stromwert entspricht, der gleich oder grösser als ein vorbestimmter Grenzwert ist. Wenn keiner der im Register 22 gespeicherten Werte diese Bedingung befriedigt, ist der Auslesekreislauf vervollständigt, und ein neuer Messkreislauf wird angefangen.
• Wenn die Existenz eines Erdfehlers bemerkt wird, wird jeder Registerort in einem Unterprogramm abgefragt, um den Ort zu identifizieren, der die kleinste Stromamplitudendarstellung enthält. Die Identität des Ortes liefert eine Anzeige des Ortes des Erdfehlers.
• Die Widerstände 6 haben im wesentlichen höhere Widerstände als Widerstände 4, und die Widerstände der Widerstände 6 werden im wesentlichen ausgewählt, um einen Strom im Fall eines Erdfehlerzustandes in dem bevorzugten Betriebsbereich des Auffindungsmittels 12 herzustellen. IDENTIFIZIERUNG DER IN DEN ZEICHNUNGEN BENUTZTEN REFERENZNUMMERN Beschriftung FIGUR ANFANG ANFANG DES KREISLAUFS SCHLIESSEN DES SCHALTERS i F4 2 MESSEN DES STROMES I UND SPEICHERN IM REGISTER i I(i) ≥ SCHWELLE ANZEIGEN, DASS "ERDE BESTEHT" AUSGABE: "ERDORTUNG =", LOC ENDE DES KREISLAUFS VERARBEITUNGSMITTEL

Claims (7)

1. System zum Auffinden und Orten eines Erdfehlers in der Feldwicklung (2) einer Maschine, in der ein Gleichstrompotential während des Maschinenbetriebs auf der Wicklung (2) anliegt, und die Wicklung (2) normalerweise von Erde isoliert ist, in dem das System ein Stromauffindungsmittel (12) und ein Signalverarbeitungsmittel (20,22,24) hat, das an das Stromauffindungsmittel (12) angeschlossen ist, um eine Anzeige des Vorkommens einer Stromflussgrösse zu liefern, die einem Erdfehler (34) in der Feldwicklung (2) zugeordnet ist, wobei das System durch folgendes gekennzeichnet ist:

einen Spannungsteiler (4), der der Wicklung (2) parallelgeschaltet ist, und eine Vielzahl von Abgriffspunkten hat, die entlang des Teilers (4) voneinander beabstandet sind;

ein Mittel, um eine Vielzahl von Stromwegen (6,8,14) zu definieren, die je zwischen einem entsprechenden Abgriffspunkt des Spannungsteilers (4) und einem Erdverbindungspunkt (16) angeschlossen sind;

in dem das Stromauffindungsmittel (12) in den Stromwegen (6,8,14) angeschlossen ist, um eine Anzeige der Grösse des Stromes zu liefern, der durch jeden Weg (6,8,14) fliesst; und in dem das Signalverarbeitungsmittel eine Anzeige wenigstens der ungefähren Ortung des Erdfehlers (34) entlang der Wicklung (2) liefert.

2. System nach Anspruch 1, in dem das Signalverarbeitungsmittel (20,22,24) durch folgendes gekennzeichnet ist: ein Kontrollmittel (24,32), das den Stromwegen (6,8,14) betrieblich zugeordnet ist, um zu verursachen, dass das Stromauffindungsmittel (12) eine Anzeige der Grösse des Stromes, der durch jeden Weg (6,8,14) nacheinander fliesst, liefert, und ein Signalspeichermittel (22), um eine Darstellung der von dem Stromauffindungsmittel (12) für jeden Weg (6,8,14) hergestellten Anzeige zu speichern.

3. System nach Anspruch 2, in dem das Signalverarbeitungsmittel weiterhin durch ein Signalauswertungsmittel (24) gekennzeichnet ist, das angeschlossen ist, um Darstellungen zu empfangen, die in dem Signalspeichermittel (22) gespeichert sind, und um ein Fehlersignal herzustellen, wenn eine Darstellung einer Anzeige einer Stromflussgrösse, die einem Erdfehler (34) in der Feldwicklung (2) zugeordnet ist, empfangen wird.

4. System nach Anspruch 3, in dem das Signalspeichermittel (22) durch eine Vielzahl von Speicherorten gekennzeichnet ist, die je einem entsprechenden Stromweg zugeordnet sind, und das Signalauswertungsmittel (24) in Reaktion auf Herstellung eines Fehlersignals betrieben wird, um den Speicherort zu identifizieren, der die Darstellung der untersten Stromhöhenanzeige speichert.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromweg (6,8,14) einen kontrollierbaren Schalter (8) einschliesst, der in seinem zugehörigen Weg in Reihe geschaltet ist, und das Kontrollmittel (24,32) betrieblich an die Schalter (8) und das Signalspeichermittel (22) angeschlossen ist, um die Schalter (8) einzeln und nacheinander zu schliessen, und um zu verursachen, das die in jedem Speicherort gespeicherte Darstellung der Anzeige entspricht, die von dem Stromauffindungsmittel (12) geliefert wird, wenn ein entsprechender Schalter (8) geschlossen ist.

6. System nach Anspruch 5, in dem das Stromauffindungsmittel (12) durch einen Analogstromauffinder gekennzeichnet ist, wobei das Signalspeichermittel (22) und das Signalauswertungsmittel (24) digitale Vorrichtungen umfassen, und das Signalverbeitungsmittel weiterhin einen Analog/Digitalwandler (20) umfasst, der zwischen dem Stromauffindungsmittel (12) und dem Signalspeichermittel (22) angeschlossen ist.

7. System nach Anspruch 6, in dem der Spannungsteiler (4) durch eine Vielzahl von Widerständen gekennzeichnet ist, die im wesentlichen identische Widerstände haben und in Reihe geschaltet sind, so das jeder Schaltungspunkt zwischen den Widerständen einen entsprechenden Abgriffspunkt bildet, und jeder Stromweg (6,8,14) einen entsprechenden weiteren Widerstand (6) mit einem Widerstand umfasst, der im wesentlichen höher als der Widerstand von jedem Widerstand des Spannungsteilers (4) ist.