DD288082A7

DD288082A7 - Rotorerdschluss-schutzeinrichtung fuer synchrongeneratoren

Info

Publication number: DD288082A7
Application number: DD25997884A
Authority: DD
Inventors: Juergen Lehm
Original assignee: Orgreb Institut Fuer Kraftwerke,De
Priority date: 1984-02-09
Filing date: 1984-02-09
Publication date: 1991-03-21

Abstract

Rotorerdschlusz-Schutzeinrichtung fuer Synchrongeneratoren, die eine aus einer Koppelkapazitaet einer Induktivitaet und einer Mesz-Wechselspannung bestehende, zwischen den Rotoren und Erde geschaltete Reihenschaltung aufweist und als Ansprechkriterium den Phasenwinkel zwischen der Mesz-Wechselspannung und dem von dieser ueber die Reihenschaltung und den Isolationswiderstand des Rotorkreises angetriebenen Strom verwendet. Es soll eine sicher arbeitende, mit einem an den jeweiligen Einsatzfall anpaszbaren Ansprechwert, der zwischen 100 bis 1 000 Ohm liegen soll, sowie einer die Verschlechterung des Isolationswiderstandes signalisierende Vorwarnstufe geschaffen werden. Dazu sind die Werte der Koppelkapazitaet und der Induktivitaet sowie die Frequenz der Mesz-Wechselspannung so gewaehlt, dasz der bei unendlich hohem Isolationswiderstand durch die Koppelkapazitaet, die Induktivitaet und die Kapazitaet des Rotorkreises gebildete Reihenschwingkreis eine Eigenfrequenz hat, die hoeher als die Frequenz der Meszwechselspannung ist, waehrend bei widerstandslosem Erdschlusz die Eigenfrequenz des aus der Koppelkapazitaet und der Induktivitaet gebildeten Reihenschwingkreises niedriger als die Frequenz dieser Meszwechselspannung ist. Als Ansprechkriterium dienen ein, vorzugsweise zwei Phasenwinkelwerte, die zwischen den moeglichen Extremwerten der Phasenverschiebung liegen und jeweils bestimmten Werten des Isolationswiderstandes entsprechen. Fig. 7

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Rotorerdschluß-Schutzeinrichtung für Synchrongeneratoren. Sie ist einsetzbar an Synchrongeneratoren mit feststehender Erregereinrichtung sowie mit Erregereinrichtungen, die in der Welle angeordnete, mitrotierende Gleichrichter enthalten und zum Anschluß der Schutzeinrichtung Schleifringe aufweisen.

Charakteristik <-'or bekannten technischen Lösungen

Erregerstromkreise von Synchrongeneratoren werden üblicherweise erdpotentialfrei betrieben. Damit Erdschlüsse im gesamten Erregerbereich und an allen Stellen der Erregerwicklung erfaßt worden körnen, ist eine Zusatzspannung gegen Erde notwendig. Üblich ist die Ankopplung einer netzfrequenten Spannung und die Ausmessung des gegen Erde fließenden Stromes.

Es sind Rotorerdschluß-Schutzeinrichtungen bekannt, die einen Ansprechwert im Bereich von 600 Ohm bis mehreren kOhm besitzen. Der Ansprechwert ist meist fest vorgegeben, also nicht einstellbar. Da die Strommessung zudem noch abhängig ist von den Kapazitäten des Erregerkreises gegen Erde, die Veränderungen unterliegen, der Frequenz der MeSspannung, dem Anteil der Oberwollen in der Erregerspannung und den Übergangswiderständen von Meßbürsten bei Maschinen mit Erregung über rotierende Gleichrichter, kann bei den bekannten Schutzeinrichtungen der Ansprechwert beträchtlich nach oben oder unten von dem Nennwert abweichen. Um vor dem Eintreten eines Erdschlusses eine Verschlechterung der Isolation schon möglichst frühzeitig erkennen zu können, ist ein ebenfalls auf dem Prinzip der Strommessung arbeitender zweistufiger

Läufererdschlußschutz mit einer Melde- und einer Abschaltstufe entwickelt worden (Henninger, u.a.: Zweistufiger LäufererdschlußschuU hoher Empfindlichkeit für Synchronmaschinen; Siemens-Energietechnik 1 [1979] 11, S. 407-411 !.Dabei wird als Hilfespannung eine Rechteckepannung niedriger Frequenz (etwa 1 Hz) verwendet, die in Verbindung mit einer besonderen Abtastanordnung die Messung hoher Widerstände ermöglicht. Diese Lösung ist technisch aufwendig und teuer und unterliegt ebenfalls den \ «jrgonannten Einflüssen.

Bekannt ist ferner ein Läufererdschlußschutz für Generatoren mit einer zwischen Rotor und Erde liegenden Reihenschaltung bestehend aus einem Koppelkondensator, einer Induktivität und einer Wechselspannungsquelle, bei der phasenempfindliche Relais- und/oder Meßeinrichtungen zur Erfassung und/oder Messung der Ableitwiderstände gegen Erde vorgesehen sind, deren getrennte Meßeingänge an zwei sich gegenseitig nicht beeinflussenden Wechselspannungsquellen glolcher konstanter Frequenz und konstanter einstellbarer Phasenbeziehung gelegt sind (DE-OS 2306539). Der aus dem Koppelkondensator, der Induktivität und der Rotorkapazität gebildete Reihenschwingkreis ist mit seiner Resonanzfrequenz auf die Frequenz der Wechselspannungsquelle abgestimmt, für die ein besonderer, von der Netzfrequenz abweichender Konstantfrequenzgenerator erforderlich ist.

Ziel dieser Lösung ist, die Wirkung des kapazitiven Stromes dieser Spannungsquelle, der durch die Rotorkapazität und weitere Kapazitäten des Erregerkreises verursacht wird, zu kompensieren und nut' dessen ohmsche Komponente, die durch den Isolationswiderstand bestimmt ist, anzuzeigen. Eine Verkleinerung des Isolationswid6rstandes führt zu einer Vergrößerung der Dämpfung des Reihenschwingkreises.

Da die Rotorkapazität von Generatoren nicht konstant bleibt, sondern sich während des Betriebes verändern kann, ändert sich damit auch die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises. Es ist bekannt, daß eine geringfügige Frequenzabweichung von der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises eine starke Veränderung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung hervorruft. Geringfügige Änderungen der Rotorkapazität verursachen deshalb bei dieser bekannten Lösung bereits unzulässig starke Abweichungen im Ansprechwert. Sie benötigt außerdem einen erheblichen Schaltungsaufwand. Ein zweistufiger Erdschlußschutz ist damit nicht realisierbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine sicher arbeitende Rotorerdschluß-Schutzeinrichtung für Synchrongeneratoren mit an den jeweiligen Einsatzfall anpaßbaren Ansprechwerten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotorerdschluß-Schutzeinrichtung zu schaffen, deren Ansprechwert in einem Bereich von etwa 100 bis 1000 Ohm einstellbar ist und bei der der eingestellte Wert durch die Ausnutzung und Überwachung von Phasenbeziehungen genau eingehalten wird, die außerdem zur Realisierung einer Vorwarnstufe für eine beginnende Verschlechterung des Isolatio iswertes des Rotorkreises mit einem Ansprechwert zwischen 5 bis 20 kOhm genutzt werden. Dabei wird von einer Schaltungsanordnung ausgegangen, bei der eine aus einer Koppelkapazität einer Induktivität und einer Meß-Wechselspannungsquelle bestehende Reihenschaltung zwischen dem Rotorkreis und Erde liegt und als Ansprechkriterium der Phasenwinkel zwischen der Meß-Wechselspannung und dem von dieser über die Reihenschaltung und den Isolationswiüerstand angetriebenen Strom verwendet wird. Erfindungsgemäß sind die Werte der Koppelkapazität und der Induktivität sowie die Frequenz der Meß-Wechselspannung so gewählt, daß der bei (unendlich) hohem Isolationswiderstand durch die Koppelkapazität, die Induktivität und die Kapazität des Rotorkreises gebildete Reihenschwingkreis eine Eigenfrequenz hat, die höher als die Frequenz der Meß-Wechselspannung und der sich einstellende Strom nahezu rein kapazitiv ist. Hingegen sind bei widerstandslosem Erdschluß die Eigenfrequenz des nunmehr lediglich aus der Koppelkapazität und der Induktivität gebildeten Reihenschwingkreis niedriger als die Frequenz der Meß-Wechselspannung und der sich einstellende Strom nahezu induktiv. Als Ansprechkriterium dient mindestens ein Phasenwinkelwert, der zwischen den Extremwerten der möglichen Phasenverschiebung liegt und einem bestimmten Wert des Isolationswiderstandes entspricht. Vorzugswelse sind jedoch zwei Phasenwinkelwerte ausgewählt, von denen einer den niedrigen Ansprechwert für den Rotorerdschlußschutz und der andere den Ansprechwert für die Vorwarnung bei einem Isolationswiderstand von einigen Kiloohm hat. Grundsätzlich kann zur Bereitstellung der Meß-Wechselspannung eine beliebige Wechselspannungsquelle verwendet werden, wobei die Ansprechgrenze der Schutzeinrichtung festgelegt wird durch Richtungsvergleich des Stromes mit einer Spannung (oder auch Strom), die einen entsprechend dem gewünschten Ansprechwert zu wählenden, konstanten Phasenwinkel gegenüber der Meß-Wechselspannung hat.

Praktisch bietet sich dazu die Verwendung der vom Generator-Spannungswandler bereitgestellten Spannungen an. Abhängig davon, welche Spannungen dabei verwendet werden, lassen sich verschiedene Ansprechwinkel erzielen. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsvariante ist die Meß-Wechselspannung über einen Zwischenwandler in die Reihenschaltung eingekoppelt, während der sich einstellende Strom über einen Wandler an einer Phasenvergleichsschaltung liegt, an die ferner über einen weiteren Zwischenwandler die ebenfalls aus dem Generator-Spannungswandler abgeleitete, den bestimmten Phasenwinkel zur Meß-Wechselspannung aufweisende Vergleichsspannung geschaltet ist. Als Phasenvergleichsschaltung ist z. B. ein Ringmodulator mit Drehspulrelais vorgesehen. Andoro Schaltungen, die die gleichen Wirkungen bezüglich des Phasenvergleiches haben, sind einsetzbar.

Eine fürdie vorgeschlagene Rotorerdschluß-Schutzeinrichtung wichtige Eigenschaft aller dieser Richtungsvergleichsrelais oder -schaltungen ist, daß sie nur dann ansprechen, wenn die beiden hinsichtlich ihres Phasenwinkels zu vergleichenden Wechselgrößen die gleiche Frequenz haben. Im vorliegenden Fall bedeutet das, daß im Strom eventuell enthaltene Anteil mit Frequenzen, die von der Frequenz der Meß-Wechselspannung abweichen (verursacht z. B. durch die Erregereinrichtung), das Ansprechverhalten der Schutzeinrichtung nicht beeinflussen können. Ist jedoch in der Erregerspannung das Auftreten eines beträchtlichen 50-Hz-Anteiles möglich, und wird die Schutzeinrichtung, wie vorstehend beschrieben, an die Generator-Spannungswandler (ebenfalls 50Hz) angeschlossen, könnte es zum Fehlverhalten der Schutzeinrichtung kommen.

In diesem Fall ist die Schutzeinrichtung nicht an die Generator-Spannungswandler, sondern statt dessen an eine andere Wechselspannung (Φ 50Hz) anzuschließen, deren Frequenz in der Erregerspannung nicht enthalten ist. Aus dieser Fremdspannung ist dann ebenfalls die für den Richtungsvergleich benötigte Wechselgröße derselben Frequenz mit definierter Lage des Phasenwinkels zu gewinnen. Zur Realisierung mehrerer Ansprechwerte sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung

mehrere Phasenvergleichsschaltungen mit der Reihenschaltung gekoppelt.

An diesen liegen dann jeweils Vergleich£spannungen, die unterschiedliche Phasenwinkel zur Meß-Wechselspannung

aufweisen.

Eine weitere Ausführung sieht vor, daß der Zwischenwandler mit aus getrennten Generator-Spannungswandlern abgeleiteten Meß-Wechselspannungen beaufsichtigt ist und getrennte aus diesen Generator-Spannungswandlern versorgte Phasenvergleichsschaltungen vorgesehen sind. Damit ist eine Reserveschaltung realisiert. Es ist vorteilhaft, an eine der Phasenvergleichssc'ialtungen eine auf den Wechselanteil innerhalb des in dieser gebildeten Signale

entsprechende Überwachungsschaltung anzutic.iließen, durch die sowohl die Reihenschaltung als auch die vom

Spannungswandler gelieferte Vergleichsspannung auf Unterbrechungen kontrolliert werden. Ausführungsbeispiel Die nähere Erläuterung erfolgt im Zusammenhang mit der Wirkungsweise an Hand der Zeichnungen. Es zeigen Fig. 1: Ein Prinzipschaltbild der Rotorerdschluß-Schutzeinrichtung mit einer Ansprechstufe

Fig. 2

bis 6: Zeigerdiagramme zur Darstellung der Phasenbeziehungen

Fig. 7: Ein Prinzipschaltbild der Rotorerdschluß-Schutzeinrichtung mit zwei Ansprech&tufen Fig.8: DieKopplungzweierSchaltungengem.Fig.7. Gemäß Fig. 1 ist zu der Kapazität der Rotorwicklung gegen Erde C_rot und dem dazu parallel liegenden Erdschlußwiderstand R_E ein

geeignet bemessener Kondensator Cy und eine geeignet bemessene Induktivität L₇ in Reihe geschaltet. Der Phasenwinkelzwischen der an diese Schaltung angelegten Meß-Wechselspannung U_LC und dem dadurch angetriebenen Strom l_lc dient als

Ansprechkriterium der Schutzeinrichtung. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Darstellung kann die Anschaltung der Schutzeinrichtung auch symmetrisch an beide Enden der Rotorwicklung erfolgen. Dabei ist entweder C_v oder Cy und U auf beide Seiten aufzuteilen. L_v und Cy sind so zu bemessen, daß folgende Bedingungen erfüllt sind:

a) (DU — > 0; d. h. der sich aus L_v und (^ergebende Widerstand muß induktiv sein. Dadurch ist gewährleistet, daß bei

(I)Cy

R_E = Oder Strom I_LC der Spannung U_Lc um 90° nacheilt.

b) O)Lv — < 0; d. h. der sich aus der Reihenschaltung von L_v, Cy und C₁₀, ergebende Widerstand muß kapazitiv sein.

Cl)Cy (OC_rot

Dadurch ist gewährleistet, daß bei R_E = » der Strom l_Lc der Spannung U_LC um 90° voreilt. Der Strom l_Lc ist über einen Wandler an dio aus einem Ringmodulator mit Drehspulrelais bestehende Phasenvergleichschaltung P gelegt. Diese erhält die Vergleichsspannung, die einen bestimmten Phasenunterschied zur Meß-Wechselspannung aufweist, über einen weiteren Zwischenwandler W.

Fig. 2 zeigt die 3-Leiter-Erde- und die 3-Leiter-Leiter-Spannungen, die zur Verfügung stehen. Fig.3 zeigt das Zeigerbild für die Variante mit einem Ansprechwinkel von -60°. Dabei werden als Meß-Wechselspannung U_LC die Leiter-Leiter-Spannung U_TR und als Vergleichsspannung die Leiter-Erde-Spannung U_R verwendet. Selbstverständlich ist derselbe Ansprechwinkei auch mit anderen Spannungen bei entsprechenderzyklischerVertauschung erreichbar. Diese Schaltung wurde auch in Fig. 1 gewählt. Die Winkellage des Stromes I_LC im erdschlußfreien Zustand (R_E ist sehr groß) ist in Fig.3 als durchgezogener Zeiger und im erdschlußbehafteten Zustand nach Überschreiten der Ansprechgrenze von -60° als gestrichelt gezeichneter Zeiger dargestellt. Fig.4 zeigt, welche Spannungen zur Realisierung eines Ansprechwinkels von -30° zu verwenden sind. Fig. 5 gilt für einen Ansprechwinkel von +30° und Fir;. 6 für +60°.

Aus dem funktionellen Zusammenhang der Phasenwinkel zwischen Meß-Wechselspannung und erzeugtem Strom in Abhängigkeit vom Isolationswiderstand (Erdschlußwiderstand) R_E ist ableitbar, daß Schaltungen mit Ansprechwinkeln von -60° oder -30° geeignet sind, um niedrige Ansprechwerte für den Erdschlußwiderstand R_E zu erreichen, während die Schaltungen mit Ansprechwinkeln von +30° oder +60° hohe Ansprechwerte für R_E ergeben. Der Ansprechwert für R_E im unteren Bereich, z. B. etwa 100 Ohm bis etwa 1000 Ohm, ist einstellbar durch die Wahl des Ansprechwinkels von -60° oder -30° sowie durch die

Veränderung des Wertes coLy —.

Cl)Cy

Die Rotorkapazität C,_o, hat auf den Ansprechwert in diesem Bereich keinen oder nur sehr geringen Einfluß. Der Ansprechwert im oberen Bereich, z. B. etwa 5 kOhm bis etwa ?.0kOhm, hängt vom Ansprechwinkel +30° oder +60°, von der Rotorkapazität C₁₀, undingeringemMaßevomWertfürcuLy - ] ah.

ISC/

Gewollt beeinflußbar ist der Ansprechwert in diesem Bereich folglich nur durch Wahl des Ansprechwinkels +30° oder +60°. Gemäß Fig.7 ist die die hochempfindliche Stufe darstellende Phasenvergleichsschaltung P1 so an den Generator-Spannungswandler GW angeschlossen, daß sie einen Ansprechwinkel von +60° hat (vgl. Fig. 6); die niedrigempfindliche Stufe P2 hat einen Ansprechwinkel von -60° (vgl. Fig. 3). Fig.7 zeigt eine Schaltungsausführung zum Anschluß von zwei sich reservierenden Schutzeinrichtungen an einem Generator. Beide Schutzeinrichtungen besitzen getrennte Spannungszuführungen von den Generatorspannungswandlern GW und je zwei Stufen mit unterschiedlichen Ansprechwerten.

Die niedrigempfindlichen Stufen P 2 beider Schutzeinrichtungen sind so geschaltet, daß sie den gleichen Ansprechwinkel (-60°) und damit den gleichen Ansprechwert für Re haben. Bei den beiden hochempfindlichen Stufen P1 ist die Möglichkeit gezeigt, durch unterschiedliche Ansprechwinkel diese Stufen in den beiden Schutzeinrichtungen bei unterschiedlichen Werten für R_E ansprechen zu lassen. Die hochempfindliche Stufe in Schutzeinrichtung I hat einen Ansprechwinkel von t-60° und in Schutzeinrichtung Il einen Ansprechwinkel von +30° (vgl. Fig. Bund 6). Dadurch sind insgesamt 3 sich im Ansprechwert unterscheidende Stufen einstellbar. Beiden Schutzeinrichtungen gemeinsam und damit ohne Reserve ist die zwi&chen dem Rotor und Erde geschaltete Reihenschaltung mit C_¥, Ly und den Zwischenwandlern.

Tritt dort eine Unterbrechung auf, fallen beide Schutzeinrichtungen aus. Um einen solchen Fall zu erfassen, sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. So kann z. B. in Reihe zu Ly ein Stromrelais geschaltet werden, das auf den bei R_E = °° bereits fließenden Strom anspricht. Fig.8 zeigt eine andere Möglichkeit:

Der Ringmodulator liefert außer der für den Richtungsentscheid benötigton Gleichgroße auch stets noch einen überlagerten Wechselanteil, jedoch nur dann, wenn beide zu vergleichenden Eingangsgrößen am Ringmodulator anstehen. Auf diesen Wechselanteil spricht die mit der niedrigempfindlichen Stufe P2 gekoppelten Überwachungseinheit 0 an. Dadurch wird nicht nur der Kreis mit L_v, C_v auf Unterbrechung, sondern auch die vom Spannungswandler GW zugeführte Spannung überwacht. Diese „Seibstüberwachumj" kann selbstverständlich in beiden Schutzeinrichtungen oder auch in allen 4 Stufen realisiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Rotorerdschlußcchutzes für Synchrongeneratoren mit einer zwischen dem Rotorkreis und Erde angeordneten Reihenschaltung aus einer Koppelkapazität, einer Induktivität und einer Meßspannungsquelle, bei dem als Ansprechkriterium der Phasenwinkel zwischen der Meßwechselspannung und dem von dieser über die Reihenschaltung und den Isolationswiderstand des Rotorkreises gegen Erde angetriebenen Strom verwendet wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Größe der Koppelkapazität, der Induktivität und die Frequenz der Meßwechselspannungsquelle der Reihenschaltung so aufeinander abgestimmt und der Abstand der Resonanzfrequenz des bei unendlich hohem Isolationswiderstand aus der Koppelkapazität, der Induktivität und der Kapazität des Rotorkreises gegen Erde gebildeten Reihenschwingkreises von der Frequenz der Meßwechselspannungsquelle so weit gewählt werden, daß der sich einstellende Strom nahezu rein kapazitiv ist, während der Abstand der Resonanzfrequenz des bei widerstandslosem Erdschluß lediglich aus der Koppelkapazität und Induktivität gebildeten Reihenschwingkreises von der Frequenz der Meßwechselspannungsquelle so weit gewählt wird, Jaß der sich einstellende Strom nahezu rein induktiv ist und daß als Ansprechkriterium mindestens ein, vorzugsweise jedoch zwei Phasenwinkelwerte, die jeweils bestimmten Werten des Isoiationswidetuandes entsprechen, festgelegt werden, die zwischen den Extremwerten der möglichen Phasenverschiebung liegen.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Meßwechselspannung eine Spannung des Drehstromsystems des Generators verwendet und der als Ansprechkriterium festgelegte Phasenwinkel-Grenzwert mit Hilfe einer weiteren, aus dem Drehstromsystem abgeleiteten, zur Meßwechselspannung einen bestimmten Phasenbezug aufweisenden Spannung gewonnen wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßwechselspannung aus dem Generatorspannungswandler (GW) abgeleitet und über einen Zwischenwandler (UW) in die Reihenschaltung eingekoppelt ist, während der sich einstellende Strom über einen in der Reihenschaltung liegenden Stromwandler an den einen Eingang einer Phasenvergleichsschaltung (P) und die über einen weiteren Zwischenwandler (W) aus dem Generator-Spannungswandler (GW) abgeleitete, den bestimmten Phasenbezug zur Meßwechselspannung aufweisende Vergleichsspannung an den anderen Eingang der Phasenvergleichsschaltung (P) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß in der Reihenschaltung mehrere Stromwandler vorgesehen sind, von denen jeder mit dem einen Eingang einer Phasenvergleichsschaltung (P 1; P2) gekoppelt ist, während für die Anschaltung der zugehörigen Vergleichsspannungen an die anderen Eingänge der Phasenvergleichsschaltungen (P 1; P2) an unterschiedliche Phasen des Generatorspannungswandlers (GW) angekoppelte Zwischenwandler (W) vorgesehen sind.