CH663298A5 - Einrichtung zum schutz mehrphasiger elektrischer maschinen. - Google Patents

Description

Die Erfindung wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Einrichtung der gattungsgemässen Art anzugeben, welche in einfacher Weise sowohl den von einem Erdschluss behafteten Wicklungsstrang ermittelt als auch den Ort dieses Erdschlusses in diesem Wicklungsstrang selektiert.

Die Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fehlerortung eines Erdschlusses in der Wicklung einer mehrphasigen elektrischen Maschine sowohl hinsichtlich der Lage des fehlerbehafteten Wicklungsstranges als auch hinsichtlich der Lage der Fehlerortes auf diesem Wicklungsstrang möglich ist. Darüber hinaus weist die erfindungsgemässe Einrichtung auch bei einem Erdschluss im Sternpunkt eine hohe Ansprechempfindlichkeit unabhängig vom Betriebszustand (Belastungsstrom) der mehrphasigen elektrischen Maschine auf und bietet bei Bedarf zudem die Möglichkeit, eine mehrphasige elektrische Maschine sowohl vor Kurz- als auch vor Erdschlussströmen wirkungsvoll zu schützen.

Aus dem Zeitschriftenaufsatz «Der Generator-Erdschluss-Schutz» von H. Stalder in Brown Boveri Mitt., Dez. 1944, S. 392 ist zwar eine Schutzeinrichtung für einen Drehstromgenerator bekannt, bei der die Lage des Wicklungsstranges, in dem ein Erdschluss eintritt, mittels eines dreipoligen wattmetrischen Relais festgestellt wird. Die Lokalisierung des diesen Erdschluss bedingenden Fehlerortes innerhalb des fehlerbehafteten Wicklungsstranges ist mit dieser Schutzeinrichtung jedoch nicht möglich.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Hierbei zeigt die einzige Figur ein Prinzipschaltbild einer er-findungsgemässen Fehlerstrom-Schutzeinrichtung.

Die in der Figur dargestellte Fehlerstrom-Schutzeinrichtung weist drei identische Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt mit Ringkernen auf, welche jeweils gegensinnig von den als Primärwicklungen wirkenden Zuleitungen jeweils eines von drei als Stern geschalteten Wicklungssträngen Lr, Ls und LT einer elektrischen Maschine durchdrungen sind. Diese Maschine kann beispielsweise ein über einen Schalter S' an ein Drehstromnetz mit den Phasen R, S, T schliessbarer Elektromotor, aber auch ein Transformator oder ein Generator sein. Die Sekundärwicklungen der Differenzstromwandler Wr, Ws und WT sind jeweils in einem Fehlerstrom-Messkreis Zr, Zs und Zt angeordnet. Jeder dieser Messkreise durchdringt der Reihe nach jeweils einen Ringkern eines von drei identischen induktiven Stromwandlern Mr, Ms und Mt sowie jeweils zwei Ringkerne von drei identischen weiteren Differenzstromwandlern Wrs, Wrt und Wst. Hierbei sind die Fehlerstrom-Messkreise Zr, Zs und Zt so geführt, dass zwei Messkreise jeweils den Ringkern eines der Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst — wie in der Figur durch Pfeile angegeben ist — gegensinnig durchdringen. Der Gegensinn von gegebenenfalls in den Fehlerstrom-Messkreisen fliessenden Strömen wird dadurch erzeugt, dass die Sekundärwicklungen der Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt als Stern geschaltet sind. Die Ringkerne der Differenzstromwandler

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Wrs, Wrt und Wst werden der Reihe nach gegensinnig von den Messkreis-Paaren Zr-Zs, Zr-Zt und Zs-Zt durchsetzt.

Die Sekundärwicklungen der Stromwandler Mr, Ms und Mt sind der Reihe nach an nicht dargestellte Erregerorgane von identischen Differentialrelais Dr, Ds und Dt angeschlossen, wohingegen die Sekundärwicklungen der Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst der Reihe nach mit identischen Einrichtungen Ers, Ert und Est zum Schutz von Erdschlüssen verbunden sind. Diese Einrichtungen Ers, Ert und Est weisen jeweils Tief-Fi und Hochpassfilter F3 sowie Relais Ri und R3 auf. Die Anschlüsse der Sekundärwicklungen der Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst sind jeweils einerseits über eines der Tief-passfilter Fi an eines der Relais Ri und andererseits über eines der Hochpassfilter F3 an eines der Relais R3 angeschlossen.

Diese Fehlerstrom-Schutzeinrichtung wirktk nun wie folgt:

Im fehlerfreien Zustand verschwindet die Differenz des zu jedem der drei Wicklungsstränge Lr, Ls und Lt fliessenden und des von diesem Wicklungsstrang zurückfliessenden Stromes, so dass sich die Magnetfelder dieser Ströme in jedem der drei Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt aufheben und die Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt nicht angeregt werden. Die über die natürlichen Erdkapazitäten der jeweiligen Wicklungsstränge fliessenden natürlichen Erdströme durchfluten jedoch die Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt und verursachen in deren Sekundärwicklungen Ströme, welche über die Fehlerstrom-Messkreise Zr, Zs und Zt die Messwandler Mr, Ms und Mt sowie die Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst pri-märseitig durchfluten. Da die Wicklungsstränge Lr, Ls und LT annähernd gleiche natürliche Erdkapazitäten aufweisen, sind auch die natürlichen Erdströme der Wicklungen gleich. Wegen geeigneter Führung der Fehlerstrom-Messkreise Zr, Zs und Zt durchfluten je zwei erdstromproportionale und bei schadenfreier Wicklung der Maschine gleich grosse Ströme jeden der Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst gegensinnig, so dass sich deren magnetische Wirkungen aufheben und die Differenzstromwandler Wrs, Wrt und Wst bei schadenfreier Maschine keinen Sekundärstrom erzeugen.

Mindestens einer der Differenzstromwandler Wr, Ws und Wt spricht jedoch an, wenn in mindestens einer der Wicklungen Lr, Ls und Lt ein Fehlerstrom fliesst. Ein solcher Fehlerstrom kann etwa durch einen Kurschluss hervorgerufen werden. Besteht der Kurzschluss — wie in der Figur dargestellt ist — zwischen den Wicklungssträngen Ls und Lt, so bewirkt der die Differenzstromwandler Ws und Wt unkompensiert durchflutende Kurzschlussstrom in dessen Sekundärwicklungen Ströme, welche in den Fehlerstrom-Messkreisen Zs und Zt fliessen und Signale hervorrufen, welche oberhalb eines beispielsweise beim 0,1- oder 0,2fachen des Nennstromes der zu schützenden Ma-

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schine liegenden Schwellwertes eine Auslösung der Differentialrelais Ds und Dt verursachen. Die Differentialrelais Ds und DT geben Auslösesignale As und At ab. Die Auslösesignale As und At bewirken die Öffnung des Schalters S' und damit die Unterbrechung der Stromzufuhr der elektrischen Maschine. Hingegen bewirken die Verriegelungssignale Vs und VT eine Blockierung der Erdschluss-Schutzeinrichtung Ers, Ert und Est-

Weist einer der Wicklungsstränge Lr, Ls und Lt einen Isolationsfehler auf, so erhöht sich der bei schadenfreiem Wicklungsstrang infolge der natürlichen Erdkapazität des Wicklungsstranges fliessende Erdstrom je nach Lage des Isolationsfehlers ganz beträchtlich. Da dieser Erdstrom den den schadhaften Wicklungsstrang überwachenden Differenzstromwandler unkompensiert durchflutet, spricht dieser Differenzstromwandler an. Ist dies etwa der Differenzstromwandler Wr, welcher gerade einen in der Figur dargestellten Erdschluss des Wicklungsstranges Lr detektiert, so tritt im Fehlerstrom-Messkreis Zr ein Sekundärstrom auf, welcher den Messwandler Mr und die Differenzstromwandler Wrt und WRs durchflutet. Da ein Fehlerstrom, welcher auf einem Erdschluss beruht um Grössenord-nungen kleiner als ein Fehlerstrom ist, welcher auf einem Kurzschluss beruht, bleibt das Differentialrelais Dr passiv und kann die Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers, Ert und Est nun nicht mehr durch Abgabe eines Verriegelungssignals Vr blockieren. Die durch den Erdstrom verursachten Sekundärströme der Differenzstromwandler Wrs und Wrt werden den Filtern Fi und F3 der Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers und Ert zugeführt. Befindet sich die Fehlerstelle in verhältnismässig grosser Entfernung vom Sternpunkt der Wicklungsstränge Lr, Ls und LT, so herrscht dort der Einfluss der Grundwellenspannung der Phasen R, S und T vor und die Sekundärströme werden durch die an die Grundwellenfrequenz angepassten Tiefpassfilter Fi hindurchtreten und die Relais Ri anregen. Da nun die in den beiden Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers und Ert befindlichen Relais Ri angeregt sind, ist angezeigt, dass der Fehler im Wicklungsstrang Lr in verhältnismässig grosser Entfernung vom Sternpunkt lokalisiert ist. Befindet sich die Fehlerstelle hingegen im sternpunktnahen Bereich des Wicklungsstranges Lr oder im Sternpunkt selbst, so wird der Fehlerstrom im wesentlichen durch die in den Phasen R, S und T vorhandene dritte Oberwelle getrieben und die Sekundärströme treten nun durch die auf die Frequenz der dritten Oberwelle abgestimmten Hochpassfilter F3 der Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers und Ert hindurch und regen die Relais R3 an. Da nun die in den beiden Erdschluss-Schutzeinrichtungen Ers und Ert befindlichen Relais R3 angeregt sind, ist angezeigt, dass der Fehler im Wicklungsstrang Lr im Bereich des Sternpunktes oder im Sternpunkt selbst ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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1. Einrichtung zum Schutz mehrphasiger elektrischer Maschinen mit Wicklungssträngen (Lr, Ls, Lt) in Sternschaltung vor Fehlerströmen mit einem ersten Relais (Ri), welches auf einen Fehler einer der Wicklungsstränge im sternpunktfernen Bereich des fehlerbehafteten Wicklungsstranges (z.B. Lr) "anspricht, und mit einem zweiten Relais (z.B. R3), welches auf einen Fehler einer der Wicklungsstränge im sternpunktnahen Bereich des fehlerbehafteten Wicklungsstranges (z.B. Lr) anspricht, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Phase (z.B. R) ein von den verbleibenden Phasen (z.B. S, T) unabhängiger erster Differenzstromwandler (z.B. Wr) zugeordnet ist, dessen Primärwicklung von den Stromanschlüssen des mit dieser Phase (z.B. R) verbundenen Wicklungsstranges (z.B. Lr) gebildet ist, und dessen Sekundärwicklung in einen Fehlerstrom-Messkreis (z.B. Zr) geschaltet ist, und dass jeder Kombination von je zwei Phasen (z.B. R, S) ein von den verbleibenden Phasen (z.B. T) unabhängiger zweiter Differenzstromwandler (z.B. Wrs) mit einer Primärwicklung zugeordnet ist, welche von den mit entgegengesetztem Richtungssinn angeordneten Fehlerstrom-Mess-kreisen (z.B. ZR, Zs) der zugeordneten Phasen (z.B. R, S) gebildet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklungen der zweiten Differenzstromwandler (z.B. Wrs) jeweils an den Eingang einer Erdschluss-Schutzeinrichtung (z.B. Ers) gelegt sind, und dass parallel zum Eingang der Erdschluss-Schutzeinrichtung (z.B. Ers) jeweils eine Serienschaltung eines Tiefpassfilters (Fi) mit dem ersten Relais (Ri) sowie eines Hochpassfilters (F3) mit dem zweiten Relais (R3) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerstrom-Messkreise (Zr, Zs, Zt) als Stern geschaltet sind.

4. Einrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Fehlerstrom-Messkreis (z.B. Zr) die Primärwicklung eines induktiven Messwandlers (z.B. Mr) bildet, dessen Sekundärwicklung oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes des gemessenen Fehlerstroms ein zum Kurzschlussschutz vorgesehenes Differentialrelais (z.B. Dr) aktiviert.

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Einrichtung zum Schutz mehrphasiger elektrischer Maschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Einrichtungen zum Schutz von mehrphasigen elektrischen Maschinen Bezug, wie er im Artikel «Performance of third harmonie ground fault protection schemes for generator stator windings» von R.L. Schlake et al. in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-100, Nr. July 1981, S. 3195 ff. beschrieben ist. Bei dieser Einrichtung ist der Sternpunkt der Wicklungsstränge eines auf Erd-schluss zu überwachenden Generators an die Primärseite eines Erdungstransformators angeschlossen. Auf der Sekundärseite des Erdungstransformators ist eine Bürde vorgesehen, zu welcher zwei Relais je für sich parallelgeschaltet sind. Das eine der beiden Relais ist auf der Grundfrequenz der Generatorspannung abgestimmt und dient zur Erfassung von Erdschlüssen im sternpunktfernen Bereich der Wicklungsstränge, wohingegen das andere der beiden Relais auf die dritte Oberwelle der Generatorspannung abgestimmt ist und zur Erfassung von Erdschlüssen im sternpunktnahen Bereich der Wicklungsstränge dient. Der Wert der dritten Oberwelle der Generatorspannung ist jedoch sowohl von der Konstruktion des Generators als auch von dessen Betriebszustand, d.h. seiner Blind- und/oder Wirkleistung, abhängig. Bei grossen Wirkleistungen kann der Wert der dritten Oberwelle der Generatorspannung ein Vielfaches des bei einer vergleichsweise geringen Wirkleistung auftretenden Wertes dieser Spannung sein. Es besteht daher die Schwierigkeit, das auf die dritte Oberwelle der Generatorspannung abgestimmte Relais zur Erfassung von Erdschlüssen im sternpunktnahen Bereich der Wicklungsstränge derart an den zu schützenden Generator anzupassen, dass der in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Generators sich erheblich verändernde Wert der dritten Oberwelle der Generatorspannung keinen Einfluss auf das Ansprechvermögen dieses Relais ausübt und Fehlauslösungen mit Sicherheit vermieden werden.