CH696049A5 - Verfahren zum Schutz von parallel arbeitenden Wechselspannungsgeneratoren vor Überspannungen. - Google Patents

Description

  Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Schutztechnik von elektrischen Maschinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Schutz von parallel und direkt auf eine Sammelschiene arbeitenden Wechselspannungsgeneratoren vor Überspannungen.

Stand der Technik

[0002] Ein Überspannungsschutz wird seit langem bei Wechselspannungsgeneratoren eingesetzt (siehe z.B. die Druckschrift "Guide for AC Generator Protection", IEEE Std C37.102-1995 (1995)). Herkömmliche Wechselspannungsgeneratoren G1, G2 einer bestimmten Grösse sind gemeinsam über zugeordnete Step-Up-Transformatoren T1, T2 an die Hochspannungssammelschiene 10 angeschlossen (Fig. 1). Diese Transformatoren T1, T2 können elektrisch durch ihre Kurzschlussimpedanzen dargestellt werden.

   Sobald irgendeine Wirk- oder Blindleistung durch die Transformatoren T1, T2 fliesst, gibt es einen Spannungsabfall über den Kurzschlussimpedanzen. Die Spannung an den Generatorklemmen und an der Hochspannungssammelschiene 10 sind daher nicht gleich. Demzufolge ist es möglich, allein aus der Klemmenspannung darauf zu schliessen, welcher der Generatoren G1, G2 eine Überspannung verursacht.

   Es hat daher bislang kein Bedürfnis nach weiterentwickelten Überspannungsschutzmethoden bestanden.

[0003] Die Ursachen für eine Überspannung an einem einzelnen Generator können z.B. in einem Fehler des Automatischen Spannungsreglers (Automatic Voltage Regulator AVR), im Betrieb mit Handsteuerung und/oder in einer Schwächung des Netzes, d.h., im Inselbetrieb, liegen.

[0004] Der Überspannungsschutz kann dabei die Spannung zwischen Phase und Erde (11 in Fig. 1) oder die Spannung zwischen den Phasen messen. Der Überspannungsschutz hat üblicherweise eine vorbestimmte minimale Zeitverzögerung oder eine inverse vorbestimmte minimale Zeitverzögerung.

[0005] In neuerer Zeit sind Generatoren entwickelt worden, deren Wicklung mit einem Hochspannungskabel ausgeführt ist und die unter der Bezeichnung "Powerformer" bekannt sind (siehe z.B. den Artikel von M.

   Leijon, "Powerformer - a radically new rotating machine", ABB Review 2, 1998, S.21-26). Mit solchen Generatoren ist es möglich, ohne zwischengeschalteten Step-Up-Transformator die erzeugte Leistung direkt in das Hochspannungsnetz einzuspeisen. Wie bei allen Isolationstechniken kann eine über ein gewisses Niveau hinausgehende, länger andauernde Überspannung für den Generator selbst gefährlich werden. Die Notwendigkeit eines Überspannungsschutzes für "Powerformer" ist daher dieselbe wie bei herkömmlichen Generatoren.

[0006] Werden mehrere Wechselspannungsgeneratoren G1, G2, G3 vom Typ des "Powerformers" an eine gemeinsame Hochspannungssammelschiene 10 angeschlossen (Fig. 2), stellt sich - weil ein Step-Up-Transformator zwischen Generatorklemmen und Netz fehlt - bei jedem der parallel geschalteten Generatoren dieselbe Klemmenspannung ein.

   Eine von einer der parallelen Maschinen (G1,..,G3) verursachte Überspannung wird so von den Überspannungsschutzeinrichtungen aller Maschinen in gleicherweise gemessen. Es besteht daher ein hohes Risiko, dass Maschinen, die gar nicht zur Überspannung beitragen, dennoch abgeschaltet werden und so zu einer unnötigen Einbusse an erzeugter Leistung führen. Folglich gibt es einen Bedarf für einen Überspannungsschutz, der die Quelle der Überspannung detektieren kann, insbesondere, wenn die Quelle eine von mehreren parallel geschalteten Maschinen ist.

   Dies gilt nicht nur für an eine gemeinsame Hochspannungsschiene angeschlossene Generatoren vom "Powerformer"-Typ, sondern auch für herkömmliche Generatoren G1,..,G4, die direkt an eine gemeinsame Mittelspannungssammelschiene 12 angeschlossen sind (Fig. 3).

Darstellung der Erfindung

[0007] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Schutz von parallel und direkt auf eine gemeinsame Sammelschiene arbeitenden Wechselspannungsgeneratoren vor Überspannungen zu schaffen, welches auf einfache und sichere Weise die Überspannung erzeugenden Generatoren zu detektieren vermag.

[0008] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

   Der Kern der Erfindung besteht darin, zur selektiven Abschaltung eines Überspannung erzeugenden Wechselspannungsgenerators die Methode der reaktiven Spannungskompensation einzusetzten.

[0009] Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Wechselspannungsgeneratoren eine Modellreaktanz XModell der Form
 <EMI ID=2.0> 
mit der Konstante alpha , der Basisspannung UBasis und der Basisleistung SBasis des Wechselspannungsgenerators zugeordnet wird, dass von der Modellreaktanz ausgehend eine Modellspannung 
 <EMI ID=3.0> 
 durch Multiplikation mit dem tatsächlichen Maschinenstrom 
 <EMI ID=4.0> 
 des Wechselspannungsgenerators nach Massgabe der Gleichung
 <EMI ID=5.0> 
abgeleitet wird, dass weiterhin eine Kompensationsspannung 
 <EMI ID=6.0> 
abgeleitet wird, welche die folgende Form hat:

  
 <EMI ID=7.0> 
mit der gemessenen Spannung 
 <EMI ID=8.0> 
 und der Modellimpedanz 
 <EMI ID=9.0> 
, und dass aus der Kompensationsspannung 
 <EMI ID=10.0> 
 auf den abzuschaltenden Wechselspannungsgenerator geschlossen wird.

[0010] Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Erläuterungen der Figuren

[0011] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>eine herkömmliche Anordnung von parallel arbeitenden Generatoren, die über Step-Up-Transformatoren an eine Sammelschiene angeschlossen sind;


  <tb>Fig. 2<sep>eine Anordnung von parallel arbeitenden Generatoren, insbesondere vom Typ "Powerformer", die direkt an eine Sammelschiene angeschlossen sind, und bei denen das Verfahren nach der Erfindung mit Vorteil einsetzbar ist;


  <tb>Fig. 3<sep>eine Anordnung von parallel arbeitenden Generatoren, die direkt an eine Mittelspannungssammelschiene und über Step-Up-Transformatoren an eine Hochspannungssammelschiene angeschlossen sind, und bei denen das Verfahren nach der Erfindung ebenfalls mit Vorteil einsetzbar ist; und


  <tb>Fig. 4<sep>eine Darstellung der kompensierten Spannungen UKomp für voreilende und nacheilende Ströme zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0012] Die Erfindung geht von der Voraussetzung aus, dass
1. : auf der Maschinenseite oder unter synchronisierten Bedingungen auf der Stromschienenseite des Maschinenschalters ein dreiphasiger Satz von Spannungswandlern angeordnet ist; und
2. : ein dreiphasiger Satz von Stromwandlern auf der Phasenseite oder der neutralen Seite der Maschine vorhanden ist.

[0013] Um einen selektiven Überspannungsschutz für die parallelen Maschinen zu erreichen, wird ein Algorithmus eingesetzt, der eine reaktive Spannungskompensation benutzt.

   Des Weiteren trägt eine inverse Zeitcharakteristik zur selektiven Abschaltung der die mögliche Überspannung verursachenden Maschine bei.

[0014] Dazu wird zunächst eine Modellreaktanz XModell definiert, die in gewisser Weise in Beziehung zu den Maschinenparametern steht. In erster Linie sollte diese Reaktanz mit der Basisimpedanz der Maschine durch folgende Gleichung verknüpft sein:
 <EMI ID=11.0> 
mit der Konstante alpha , der Basisspannung UBasis und der Basisleistung SBasis.

   Von dieser Reaktanz ausgehend kann man die Modellspannung 
 <EMI ID=12.0> 
durch Multiplikation mit dem tatsächlichen Maschinenstrom 
 <EMI ID=13.0> 
 erhalten:
 <EMI ID=14.0> 

[0015] Ohne Verlust an Allgemeinheit kann die gemessene Spannung zu
 <EMI ID=15.0> 
festgesetzt werden.

[0016] Die Projektion der Modellspannung auf die gemessene Spannung kann dann abgeleitet werden, um eine Kompensationsspannung 
 <EMI ID=16.0> 
 zu erehalten, die allgemein die folgende Form hat:
 <EMI ID=17.0> 
mit der Modellimpedanz 
 <EMI ID=18.0> 
, oder für die praktische Anwendung:
 <EMI ID=19.0> 
wobei    der Phasenwinkel zwischen dem Strom I und der gemessenen Spannung UMess ist.

[0017] Wie leicht zu sehen ist (Fig. 4), eilt - wenn die Maschine reaktive Leistung erzeugt - der Maschinenstrom der Spannung voraus und die Kompensationsspannung wird daher grösser sein als die gemessene Spannung.

   Wenn umgekehrt reaktive Leistung von der Maschine verbraucht wird, eilt der Maschinenstrom der Spannung hinterher und folglich wird die Kompensationsspannung kleiner sein als die gemessene Spannung. Die Kompensationsspannung kann damit zur Detektion der Quelle der Überspannung herangezogen werden.

[0018] Die Kompensationsspannung soll nicht die tatsächliche Einsatzspannung (Anfangsspannung) Uset beeinflussen, da die Kompensationsspannung selbst nur wenig mit der tatsächlich gemessenen Spannung UMess zu tun hat. Wenn eine Maschine beispielsweise stark übererregt gegen ein starkes Netz läuft, ist die Kompensationsspannung viel grösser als die gemessene Spannung. Dies sagt jedoch nichts über die gemessene Spannung aus, die sogar unter der Nennspannung liegen kann.

   In einem solchen Fall besteht das Risiko einer Fehlfunktion der Schutzschaltung, wenn die Kompensationsspannung das Einsatzniveau beeinflussen kann. Der tatsächliche Einsatzwert sollte daher nur von der gemessenen Spannung abhängen und die Kompensationsspannung sollte statt dessen zur Steuerung der Zeitfunktion der Schutzschaltung benutzt werden.

[0019] Eine typische inverse Zeitcharakteristik für einen Überspannungsschutz ist gegeben durch
 <EMI ID=20.0> 
wobei k1 ein konstanter Zeitfaktor ist.

[0020] Die Gleichung (6) kann geändert werden zu
 <EMI ID=21.0> 
wobei der zweite Term im Zähler (kq) eine Funktion der Kompensationsspannung ist:

  , also
 <EMI ID=22.0> 

[0021] Eine mögliche solche Funktion kann
 <EMI ID=23.0> 
sein.

[0022] Für parallele Maschinen derselben Grösse hat dies zur Folge, dass die Maschine, welche den höchsten Betrag an reaktiver Leistung produziert, zuerst abgeschaltet wird. Für Maschinen unterschiedlicher Grösse ist dies nicht ganz richtig. Wenn man jedoch annimmt, dass die grössere von zwei parallelen Maschinen die Quelle der Überspannung ist, gibt es - verglichen mit der kleineren Einheit - eine noch schnellere Abschaltung der grösseren Einheit.

   Auf der anderen Seite ist es weniger wahrscheinlich, dass die kleinere Einheit eine Überspannung erzeugt, weil die grössere Einheit wahrscheinlich eine grössere Fähigkeit zum Verbrauch von reaktiver Leistung hat.

[0023] Eine weitere Eigenschaft der erfindungsgemässen Lösung ist, dass sich eine etwas längere Auslösezeit ergibt, wenn die Maschine gleichzeitig einer Überspannung ausgesetzt ist und einen grossen Betrag an reaktiver Leistung verbraucht. Dies ist eine typische Situation nach einem "black start", wo zunächst lange Übertragungsleitungen aufgeladen werden müssen. Manchmal ist es wünschenswert, eine Maschine und eine Teil des Systems für eine kürzere Zeitspanne ausserhalb der normalen Betriebsgrenzen zu betreiben, um eine schnelle Wiederherstellung des Versorgungsnetzes zu ermöglichen.

   Während solcher seltenen Bedingungen kann eine verlängerte Auslösezeit für die Überspannung für den Systembetreiber vorteilhaft sein.

[0024] Im Falle einer Fehlfunktion des Automatischen Spannungsreglers (AVR) einer kleinen Generatoreinheit, die parallel zu einer grösseren Einheit liegt, oder einer Fehlfunktion des Automatischen Spannungsreglers einer Einheit, die parallel zu mehreren anderen Einheiten liegt, können alle Maschinen reaktive Leistung produzieren ohne irgendeine Überspannung auf der Netzschiene zu erzeugen. Obgleich die Maschine mit der fehlerhaften AVR keine unmittelbare Überspannung produziert, besteht die Gefahr, dass sie es für einen Augenblick tut, wenn sich die Netzbedingungen ändern.

[0025] Es ist möglich, eine Überwachungsfunktion zur Auslösung eines Alarms vorzusehen, wobei die reaktive Ausgangsleistung jeder Einheit berechnet wird.

   Dies kann in der gleichen Weise geschehen, wie es durch die Gleichung (2) beschrieben wird, jedoch sollte dabei die Kompensationsreaktanz XKomp denselben Wert haben wie diejenige, die in der AVR der jeweiligen Einheit verwendet wird. Ein Vergleich des tatsächlichen reaktiven Leistungsabflusses mit dem aus dem Ausdruck
 <EMI ID=24.0> 
berechneten kann dazu verwendet werden, um den Alarm auszulösen, wenn der tatsächliche Abfluss während einer gewissen Zeit grösser ist als der erwartete.

[0026] Ein bisher nicht betrachteter Fall ist der, dass zwei Maschinen an zwei deutlich unterschiedlichen Lasten betrieben werden, aber den gleichen Betrag an reaktiver Leistung erzeugen. Unter diesen Umständen ist eine Unterscheidung aufgrund unterschiedlicher Auslösezeiten nicht möglich.

   Wenn die Maschinen mit ihren AVRs im Spannungsregelmodus betrieben werden, ist die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten eines solchen Falles sehr gering. Wenn jedoch die Maschinen ohne die AVRs betrieben werden, kann eine solche Situation eintreten. Eine Möglichkeit, diese Situation zu beherrschen, ist die Einführung eines weiteren Faktors kp, der von der aktiven Leistung abhängt, welche die Maschine abgibt, und die Gleichung (7) wie folgt modifiziert:
 <EMI ID=25.0> 

[0027] Der Faktor kp kann aus einem Vergleich der Beziehung zwischen der tatsächlichen (gemessenen) Leistung und der Nennleistung der Einheit wie folgt abgeleitet werden:
 <EMI ID=26.0> 

[0028] In den Faktor kp kann auch ein Korrekturfaktor aufgenommen werden, der berücksichtigt, dass die Maschine normalerweise bei einer Leistung arbeitet, die kleiner als die Nennleistung ist.

   Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Turbine ihren höchsten Wirkungsgrad bei einer niedrigeren Leistung als der Nennleistung hat.

[0029] Während der Zeiten, in denen die Maschine nicht synchronisiert ist, sollten die Kompensationsfaktoren kq und kp gleich 1 gesetzt werden. Dies kann entweder durch ein eigenständiges Signal (Stellung des Trennschalters) erfolgen oder durch eine Minimalstrom-Bedingung, welche den Einfluss der Faktoren kq und kp unwirksam macht.

[0030] Darüber hinaus sollte ein gewöhnlicher hoch eingestellter Überspannungschutz für sehr hohe Überspannungen vorgesehen werden. Im Fall sehr hoher Überspannungen von z.B. 130% und darüber sollte eine schnelle Auslösung durchgeführt und dabei die nicht-selektive Auslösung akzeptiert werden.

[0031] Für alle o.g.

   Gleichungen können die gemessenen Grössen (entsprechend phasenverschobene) Spannungen zwischen den Phasen und Phasenströme sein. Die Möglichkeiten sind aber nicht darauf beschränkt. So kann auch die Spannung zwischen Phase und Erde verwendet werden, wenn die notwendigen Vorsichtsmassnahmen mitberücksichtigt werden. Die Gleichungen können aber auch mit abgeleiteten positiven Phasenfolgespannungen und positiven Phasenfolgeströmen benutzt werden.

Bezugszeichenliste

[0032] 
10 : Hochspannungssammelschiene
11 : Erde
12 : Mittelspannungssammelschiene
G1,..,G4 : Wechselspannungsgenerator
T1, T2 : Step-Up-Transformator

Claims (5)

1. Verfahren zum Schutz von parallel und direkt auf eine Sammelschiene (10, 12) arbeitenden Wechselspannungsgeneratoren (G1,..,G4) vor Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass zur selektiven Abschaltung eines Überspannung erzeugenden Wechselspannungsgenerators die Methode der reaktiven Spannungskompensation eingesetzt wird, dass jedem der Wechselspannungsgeneratoren (G1,..,G4) eine Modellreaktanz XModell der Form <EMI ID=27.0> mit der Konstante alpha , der Basisspannung UBasis und der Basisleistung SBasis des Wechselspannungsgenerators zugeordnet wird, dass der tatsächliche Maschinenstrom <EMI ID=28.0> des Wechselspannungsgenerators gemessen wird, dass von der Modellreaktanz ausgehend eine Modellspannung <EMI ID=29.0> durch Multiplikation mit dem tatsächlichen Maschinenstrom 7 des Wechselspannungsgenerators nach Massgabe der Gleichung <EMI ID=30.0> abgeleitet wird,

dass weiterhin eine Kompensationsspannung <EMI ID=31.0> abgeleitet wird, welche die folgende Form hat: <EMI ID=32.0> mit der gemessenen Spannung <EMI ID=33.0> und der Modellimpedanz <EMI ID=34.0> , dass aus der Kompensationsspannung <EMI ID=35.0> auf den abzuschaltenden Wechselspannungsgenerator geschlossen wird, und dass der abzuschaltende Wechselspannungsgenerator abgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung des Überspannungsschutzes mit einer inversen Zeicharakteristik der Form <EMI ID=36.0> erfolgt, mit einer Einsatzspannung (Anfangsspannung) Uset, der tatsächlich gemessenen Spannung UMess, einem konstanten Zeitfaktor k1 und einem Term kq, der eine Funktion der Kompensationsspannung ist kq = f(UKomp).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung des Überspannungsschutzes mit einer inversen Zeitcharakteristik der Form <EMI ID=37.0> erfolgt, mit einer Einsatzspannung (Anfangsspannung) Uset, der tatsächlich gemessenen Spannung UMess, einem konstanten Zeitfaktor k1, einem Term kq, der eine Funktion der Kompensationsspannung ist kq = f(UKomp) und einem Faktor kp, der aus einem Vergleich der Beziehung zwischen der tatsächlichen (gemessenen) Leistung PMess und der Nennleistung PNom der Einheit wie folgt abgeleitet wird: <EMI ID=38.0>

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Term kq der Funktion <EMI ID=39.0> genügt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faktoren kq und kp gleich 1 gesetzt werden, wenn der Wechselspannungsgenerator (G1,..,G4) nicht synchronisiert ist.