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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Kurve A zeigt für eine Maschine mit bestimmter Polzahl den Zusammenhang
zwiischen Uab bzw. I"l und den prozentual: kurzgeschlossenen Windungen.
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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.
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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.
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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.