Untererregungsschutz für Synchronmaschinen Zum Betrieb von Synchronmaschinen ist für jeden Betriebszustand eine bestimmte Erregung notwendig, um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen. Diese Erre gung ist für jede Maschine durch das entsprechende Diagramm festgelegt, wie es für einen bestimmten Fall in Figur 1 für einen Turbogenerator, d. h. eine Voll polmaschine, gezeigt ist.
Die angegebenen Grössen sind wie üblich bezogene Grössen. Der Kreis 1 stellt den geometrischen Ort für den Ständernennstrom dar. Er hat als Mittelpunkt den Nullpunkt des rechtwinkligen Koordinatensystems, in dem auf der Ordinate nach oben die generatorische und nach unten die motorische Wirklast in MW aufgetra gen ist. Auf der Abszisse ist nach rechts die induktive und nach links die kapazitive Blindlast in MVAr auf getragen.
In den Quadranten I und Wist eine Über regung und in den beiden anderen Quadranten 1I und III eine Unterregung gegeben. Bei dem beispielsweise angegebenen Verhältnis von J,;
./J" = 1/Xd = 0,6 ist auf dem linken Teil der Abszisse der Mittelpunkt für den Kreis 2 gelegt, der den geometrischen Ort des Nennlast-Erregerstromes Jer,. darstellt. J,", bedeutet den Erregerstrom, der zur Erregung der Nennspannung bei Leerlauf notwendig ist und J" stellt den Nennwert des Ständerstromes dar, während X" die Synchronreaktanz (Sättigung vernachlässigt) ist.
Für eine Maschine mit J,;,/J" = 0,6 verläuft durch den Punkt 0,6 parallel: zur Ordinate die theoretische statische Stabilitätskennlinie 3, die einem Polradwinkel von 8 = 90 entspricht.
Von der Geraden 3 im Sinne eines kleineren zu lässigen Polradwinkels 8 entfernt befindet sich die praktische statische Stabilitätskennlinie 4, die spiegel bildlich zur Abszisse liegt und einen in der Mittelzone gekrümmten Verlauf hat.
Sie berücksichtigt sämtliche Reaktanzen zwischen der Maschine und dem als starr angenommenen Netz, also beispielsweise die Reaktan- zen von Transformatoren und Zuleitungen. Ausserdem ist noch die dynamische Stabilitätskennlinie 5 gegeben, die ebenfalls durch den Punkt 0,6 geht.
Für die dynamische Stabilitätskurve sind die tran- sienten Grössen massgebend. Den genannten Stabilitäts- kennlinien ist gemeinsam, dass sie einer bestimmten Wirklast stets eine ganz bestimmte kapazitive Blind last zuordnen, die bei den entsprechenden Betriebs verhältnissen noch ein stabiles Arbeiten der Maschine ergibt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Untererregungs- schutz für Synchronmaschinen, der ermöglicht, das Überschreiten eines durch die Stabslitätskennlinien festgelegten Verhältnisses von Blind- zu Wirklast zu erfassen und entweder eine Meldung zu ;geben oder die Maschine abzuschalten.
Für den Fall, dass die Ma schine als Phasenschieber betrieben wird, gilt sinnge- mäss das Überschreiten einer bestimmten kapazitiven Blindlast als Kriterium für die Abgabe der Meldung bzw. die Abschaltung der Maschine.
Es ist bekannt, für Untererregungsschutz Blindlei- stungsrelais oder Impedanzrelais in Abhängigkeit von elektrischen Ständergrössen oder Stromrückgangsre- lais bzw. Quotientenrelais in Abhängigkeit von elektri schen Läufergrössen zu verwenden.
Da Blindleistungs- relais eine gerade Kennlinie haben, die in Figur 1 pa rallel zur Ordinate verläuft und die Impedanzrelais eine Kreiskennlinie im kapazitiven Sektor aufweist, kann .nicht in jedem Fall die zu einer bestimmten Wirk last notwendige Blindlast erfasst werden.
Bei Anord nung eines Stromrückgangsrelais im Erregerkreis der Synchronmaschine ergibt sich kenne einwandfreie Be tätigung, wenn die Maschine nicht erregt ist, unter erregt oder negativ erregt wird. Auch kann mit einer solchen Anordnung nur eine gewisse Unterregungs- grenze eingestellt werden, vor deren Erreichung die auf die Wirklast bezogene Erregung bereits unzulässig niedrig sein kann.
Auch die Verwendung eines Quo tientenrelais ,im Erregerkreis gibt keinen sicheren Schutz für alle Fälle, da das Quotientenrelais von Strom und Spannung abhängig ist und es somit nur anspricht, wenn der Erregerkreis unterbrochen ist. Es spricht jedoch nicht an, wenn die Erregung z. B. durch Rundfeuer am Anker der Haupterregermaschine aus fällt. Ferner ermöglicht es keine Unterscheidung, ob die Maschine bei der bestimmten Wirklast untererregt ist oder nicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Untererregungs- schutz zu ermöglichen der für alle möglichen Betriebs fälle bei Untererregung eine Überschreitung des jeweils zulässigen Verhältnisses von Blind- zu Wirklast, bzw.
bei Phasenschiebern der Blindlast allein, sicher erfasst und die von ihm abhängigen Organe betätigt. Dies gelingt auf einfache Weise nach der Erfindung dadurch, dass ein von Strom und Spannung des Ständers be- einflusstes Mischimpedanzrelais, dessen Ansprech- kennlinie den Stabil,itätskennlinien der Synchronma schine angepasst ist, gegebenenfalls .im Zusammenwir ken mit einem von den elektrischen Grössen des Er regerkreises der Synchronmaschine bzw.
Erregerma schine betätigten Gliedes und/oder einer Zeitverzöge rung, wenigstens einen Melde-, Steuer- und/oder Regel kreis betätigt. Mit dem Mischimpedanzrelais gelingt es, auf die weiter unten noch näher angegebene Weise, eine Ansprechkennlinie in Form eines Kegelschnittes zu erhalten und diese so zu legen und :. in ihrer Form zu verändern, dass sich eine bestmögliche Anpassung an eine der genannten Stabilitätskennlinien erreichen lässt.
In Figur 1 sind die entsprechenden Relaiskennlinien mit 6, 7 und 8 bezeichnet. Die Kennlinie 6 stellt eine Hyperbel dar, deren Asymptoten mit den Schenkeln der Stabilitätskennlinie 4 zusammenfallen. Die Hyper bel liegt symmetrisch zur Abszisse und ihre Asymptote schliesst mit dieser den Winkel a ein. Die Kernlinie 7 ist der Stabilitätskennlinie 3 angepasst und die Kenn linie 8 der dynamischen Stabilitätskennlinie 5. An Stelle der Hyperbeln können die Kennlinien auch Ellipsen, Kreise oder Geraden sein.
Die Anordnung nach der Erfindung kann vorteil haft so getroffen sein, dass das Mischimpedanzrelais beim Überschreiten der eingestellten Relaisansprech- kennlinie selbsttätig in seinem Strom- und/oder Span- nungskreis liegende Einstellmittel, z. B. Widerstände, Drosseln, Kondensatoren, so verändert, dass sie der dynamischen Stabilitätskennlinie näher liegt oder an diese bestmöglich angepasst ist.
Dabei kann zweck- mässig das Mischimpedanzrelais beim Überschreiten der ersten Relaiskennlinie beispielsweise eine Meldung abgeben. Beim Überschreiten der sich durch die Um schaltung ergebenden zweiten Relaiskenuliniie kann dann z. B. eine Abschaltung der Maschine eingeleitet werden.
Diese Abschaltung kann gegebenenfalls von den elektrischen Läufergrössen und einer Zeitverzö gerung beeinflusst werden. Als Kriterium für die Mel dung, Abschaltung oder anderer die Maschine ge- eignet beeinflussender Massnahmen kann auch die Schnelligkeit des Anstieges der Messgrösse des Misch impedanzrelais nach Überschreiten der ersten Relais kennfnie dienen.
Für die elektrischen Grössen im Erregerkreis der Maschine sind entweder die Absolutwerte von Span nung und/oder Strom im Erregerkreis, deren Anstieg in einer bestimmten Zeit und/oder deren zeitliche Diffe rentialquotienten heranzuziehen.
Es kann auch der selbsttätige Spannungsregler zur Beeinflussung des Untererregungsschutzes :nach der Er findung mitbenutzt werden. Hierzu werden zweck mässig die Melde-, Steuer- und/oder Regelkreise des Untererregungsschutzes in Abhängigkeit von den Ein gangs- und/oder Ausgangsgrössen des Spannungs reglers gebracht. Durch den Einsatz eines entsprechen den Reglers kann die Maschine bis zur dynamischen Stabilitätskennlinie gefahren werden. Bei Schlüpfen der Maschine kann dann entweder nur eine Meldung er folgen oder die Maschine abgeschaltet werden.
Mit dem 'in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung können die ge nannten Kenrnlin'ien auf einfache Weise erhalten bzw. eingestellt werden. Die selbsttätige Umschaltung der Kennliriien ist .hierbei aus Gründen der übersichblich- keit nicht dargestellt worden.
Bei Betrieb innerhalb des statischen Stabilitätsbe reichs ist eine zur Abszisse symmetrische Hyperbel als Ansprechkennlinie gewählt, da sie besonders gut an die praktische statische Stabilitätskennlinie angepasst wer den kann, die im generatorischen wie im motorischen Bereich der Maschine den gleichen Verlauf hat. Dies ist insbesondere bei solchen Maschinen wichtig, die in beiden Betriebszuständen gefahren werden, wie dies beispielsweise bei Pumpspeichermaschinen der Fall ist.
Durch Verdrehen der Hyperbel gelangt eine gute An passung an die dynamische Stabilitätskennlime. Ein Betrieb der Maschine zwischen statischer und dyna mischer Grenzkennlinie der Figur 1 kann dann zweck- mässig und zulässig sein, wenn durch Anwendung schnell arbeitender Regeleinrichtungen, die vom Pol radwinkel abhängig beeinflusst werden, dafür gesorgt ist, dass ein Überschreiten der dynamischen Stabilitäts- kennl'inie vermieden wird.
Das Mischimpedanzrelais weist drei Gleichrichter G1, G2 und G3 auf, von denen die beiden letzteren pa rallel arbeiten und zum Gleichrichter G1 antipa- rallelgeschaltet sind. Zu den genannten Gleichrichtern liegt eine Relaiswicklung Z und ein Kondensator C, parallel. Der Gleichrichter G1 wird von der Sekun därseite eines Wandlers Tr,. gespeist, der drei Primär wicklungen a, b und c hat.
Der Gleichrichter G#. ist an die Sekundärseite eines Wandlers Trz angeschlossen, der ebenfalls drei Primärwicklungen aufweist, von dem die ersten Primärwicklungen aus zwei Teilwicklungen d und c bestehen, während die beiden anderen Wicklun gen f und g einteilig sind.
Der dritte Gleichrichter G3 ist an die Sekundärseite eines dritten Wandlers Tr" an geschlossen, der nur eine einzige Primärwicklung h aufweist. Die Primärwicklung a hat eine Mittelpunkts- anzapfung, die mit dem einen Ende der Sekundär wicklung des Transformators Tr, angeschlossen ist, der primärseitig vom Ständerstrom J gespeist wird.
Das andere Ende dieser Sekundärwicklung ist einerseits über einen Kondensator C2 und Steilwiderstand W5 und die Teilwicklung e an das eine Ende der Wicklung a angeschlossen und andererseits über einen Steilwider stand W, und die andere Teilwicklung d mit dem anderen Ende der Wicklung a verbunden.
Die Ströme durch den Widerstand und Kondensator, die mit J . und J, bezeichnet sind, sind in den beiden Hälften der Wicklung a und ebenso in den beiden Teilwicklungen d und c entgegengesetzt gerichtet.
Durch Verstellen der
EMI0003.0038
Darin bedeutet: 1 eine Grösse, die den Abstand des Hyperbel scheitels vom Koord,inatenursprung festlegt, das Zei chen jcy bedeutet eine Phasendrehung des Stromes ge gen die Spannung um den Winkel @, a ist der Abstand vom Scheitelpunkt der Hyperbel bis zum Schnittpunkt der Hyperbelsymptoten (beim Ausführungsbeispiel 0,6 gewählt).
Im Hinblick auf Figur 2 .ist ersichtlich, dass der Gleichrichter G, die Grösse Rh der Gleichrichter G. die Grösse R2 und der Gleichrichter G3 die Grösse 2A liefert. Mit dem Steilwiderstand W2 kann dabei der Wert von (X+ a) und mit dem Steilwiderstand W3 der Wert von -
EMI0003.0059
verändert werden.
Wenn der Maschinenvektor die Kennlinie 6 (bzw. die Kennlinien 7 oder 8) überschreitet, schliesst das Ansprechrelais Z seinen Arbeitskontakt z2 (Figur 3) Grössen Wl, W5 und C2 kann die Kennlinie verdreht werden.
Ein zweiter Transformator Tr5 ist primärseitig an die Ständersternspannung U X angeschlossen, die zur Anpassung von Strom und Spannung verschiedene An zapfungen aufweist.
Der Transformator Tr5 ist in Sparschaltung geschaltet und speist sekundärseitig über einen verstellbaren Eichwiderstand W4 unmittel bar die Wicklung h.
In Reihe mit dem Steilwiderstand W2 liegen die Wicklungen b und f an der Sekundär spannung, während die Wicklungen c und<B>g</B> in Ge genreihenschaltung über einen Steilwiderstand W3 an die Sekundärwicklung angeschlossen sind.
In Figur 4 eist ein Teil der Figur 1 vergrössert herausgezeichnct; gleiche Teile haben wiederum die gleichen Bezugszeichen.
An Hand der Figur 4 wird .gezeigt, dass durch das Mischimpedanzrelais die für einen Kegelschnitt not wendigen Grössen nachgebildet werden können.
Es ist beispielsweise die Gleichung der Hyperbel gegeben durch: und betätigt damit einen Warn- oder Meldestromkreis. Eine Abschaltung der Maschinen erfolgt hierbei noch nicht, da der Vektor bis zur dynamischen Kennlinie ausschwingen und wieder in den stabilen Bereich zu rückkehren kann.
Wenn jedoch gleichzeitig mit dem Überschreiten der eingestellten Ansprechkennlinie auch die Span nung EA am Anker der Erregermaschine nach einer bestimmten Zeit nicht einen bestimmten Mindestwert aufweist, dann wird die Maschine vom Netz getrennt. Hierzu ist nach Figur 3 ein Spannungsrelais SR über einen Widerstand W5 an die Ankerspannung EA ange schlossen.
Ein Ruhenkontakt sr liegt in Reihe mit einem Arbeitskonstazt z,. des Relais Z im Stromkreis eines verzögert ansprechenden Relais T an einer Fremdspannung U=.
Wenn das Relais Z angesprochen und das Relais SR seinen Ruhekontakt geschlossen hat, wird das Zeit- relais T erregt. Falls der geschilderte Zustand eine bestimmte Zeit anhält, schliesst der Kontakt t einen Auslösestromkreis zum Abschalten der Maschine.
Um ein Fehlansprechen der Schutzeinrichtung im untererregten Betrieb - der nur mit selbsttätigem Spannungsregler möglich ist - zu vermeiden, ist die Zeitabhängigkeit notwendig. Kommt nämlich das Pol rad zum Kippen, so wird der Spannungsregler durch den Spannungsabfall an den Vorreaktanzen angeregt und erhöht sofort die Erregung. Folglich öffnet der Kontakt sr und die Auslösung unterbleibt.
Liegt jedoch eine Störung im Erregerkreis vor, so bleibt der Kon takt sr geschlossen. Das Relais T spricht dann nach Ablauf seiner Ansprechverzögerung an und schliesst den Auslösestromkreis durch den Arbeitskontakt t.
Der Meldestromkreis bzw. der Erregerstromkreis für das Relais T, oder beide, können in Schaltabhän- gigkeit allein oder zusammen mit den Erregerstrom- kreisgrössen gebracht werden.
Die Umschaltung der Relaiskennlinien könnte durch Verändern einer oder mehrerer der Widerstände W1 bis WS gegebenenfalls unter Veränderung der Ka pazität C2 vorgenommen werden.
An Stehle des Realis SR kann auch ein Stromrelais vorgesehen werden, das vom Erregerstrom der Erre germaschine abhängig gemacht ist. Gegebenenfalls kann zusätzlich noch ein Stromrelais im Erregerkreis der Synchronmaschine angeordnet sein.
Das Mischimpedanzrelais kann durch Veränderung des Anschlusses auch eine Ellipse oder einen ver schobenen Kreis bzw. Gerade als Ansprechkennlinie erhalten, die sich im fraglichen Betriebsbereich mit guter Annäherung an die jeweiligen Kennlinien an passen lassen. Auch können gegebenenfalls anders auf gebaute Mischimpedanzrelais vorgesehen werden, die beispielsweise Transistoren, Tunneldioden oder andere elektronische Schaltmittel enthalten.