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Untererregungsschutz für Synchronmaschinen Zum Betrieb von Synchronmaschinen
ist für jeden Betriebszustand eine bestimmte Erregung notwendig, um einen stabilen
Betrieb zu ermöglichen. Diese Erregung ist für jede Maschine durch das entsprechende
Diagramm festgelegt, wie es für einen bestimmten Fall in Fig. 1 für einen Turbogenerator,
d. h. eine Vollpolmaschine, gezeigt ist.
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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 aufgetragen
ist. Auf der Abszisse ist nach rechts die induktive und nach links die kapazitive
Blindlast in MVAr aufgetragen. In den Quadraten I und IV ist eine Übererregung und
in den beiden anderen Quadranten 1I und III eine Untererregung gegeben. Bei dem
beispielsweise angegebenen Verhältnis von JkolJn = 1/Xa = 0,6 ist
auf dem linken Teil der Abszisse der Mittelpunkt für den Kreis 2 gelegt, der den
geometrischen Ort des Nennlast-Erregerstromes Je.. darstellt. Jko bedeutet den Erregerstrom,
der zur Erregung der Nennspannung bei Leerlauf notwendig ist, und J. stellt den
Nennwert des Ständerstromes dar, während Xa die Synchronreaktanz (Sättigung vernachlässigt)
ist.
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Für eine Maschine mit Jk"/Jn = 0,6 verläuft durch den Punkt 0,6 parallel
zur Ordinate die theoretische statische Stabilitätskennlinie 3, die einem Polradwinkel
von ,k = 90° entspricht.
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Von der Geraden 3 im Sinne eines kleineren zulässigen Polradwinkels
8 entfernt befindet sich die praktische statische Stabilitätskennlinie
4, die spiegelbildlich 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 Reaktanzen 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 transienten Größen maßgebend. Den genannten Stabilitätskennlinien ist gemeinsam,
daß sie einer bestimmten Wirklast stets eine ganz bestimmte kapazitive Blindlast
zuordnen, die bei den entsprechenden Betriebsverhältnissen noch ein stabiles Arbeiten
der Maschine ergibt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Untererregungsschutz für Synchronmaschinen,
der die Aufgabe hat, das Überschreiten eines durch die Stabilitätskennlinien festgelegten
Verhältnisses von Blind- zu Wirklast zu erfassen und entweder eine Meldung zu geben
oder die Maschine abzuschalten. Für den Fall, daß die Maschine als Phasenschieber
betrieben wird, gilt sinngemäß das Überschreiten einer bestimmten kapazitiven Blindlast
als Kriterium für die Abgabe der Meldung bzw. die Abschaltung der Maschine.
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Es ist bekannt, für Untererregungsschutz Blindleistungsrelais oder
Impedanzrelais in Abhängigkeit von elektrischen Ständergrößen oder Stromrückgangsrelais
bzw. Quotientenrelais in Abhängigkeit von elektrischen Läufergrößen zu verwenden.
Da Blindleistungsrelais eine gerade Kennlinie haben, die in Fig.1 parallel zur Ordinate
verläuft, und die Impedanzrelais eine Kreiskennlinie im kapazitiven Sektor aufweisen,
kann nicht in jedem Fall die zu einer bestimmten Wirklast notwendige Blindlast erfaßt
werden. Bei Anordnung eines Stromrückgangsrelais im Erregerkreis der Synchronmaschine
ergibt sich keine einwandfreie Betätigung, wenn die Maschine nicht erregt ist, untererregt
oder negativ erregt wird. Auch kann mit einer solchen Anordnung nur eine gewisse
Untererregungsgrenze eingestellt werden, vor deren Erreichung die auf die Wirklast
bezogene Erregung bereits unzulässig niedrig sein kann. Auch die Verwendung eines
Quotientenrelais 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 ausfällt. Ferner ermöglicht
es keine Unterscheidung, ob die Maschine bei der bestimmten Wirklast untererregt
ist oder nicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Untererregungsschutz zu schaffen,
der für alle möglichen Betriebsfälle
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 beeinflußtes Mischimpedanzrelais, dessen Ansprechkennlinie
den Stabilitätskennlinien der Synchronmaschine anpaßbar ist, gegebenenfalls im Zusammenwirken
mit einem von den elektrischen Größen des Erregerkreises der Synchronmaschine bzw.
Erregermaschine betätigten Gliedes und/oder einer Zeitverzögerung Melde-, Steuer-
und/oder Regelkreise 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.
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In Fig. 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 Hyperbel liegt symmetrisch zur Abszisse,
und ihre Asymptote schließt mit dieser den Winkel a ein. Die Kennlinie 7 ist der
Stabilitätskennlinie 3 angepaßt und die Kennlinie 8 der dynamischen Stabilitätskennlinie
5. An Stelle der Hyperbeln können die Kennlinien auch Ellipsen, Kreise oder Geraden
sein.
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Die Anordnung nach der Erfindung kann vorteilhaft so getroffen sein,
daß das Mischimpedanzrelais beim Überschreiten der eingestellten Relaisansprechkennlinie
selbsttätig in seinem Strom und/oder Spannungskreis liegende Einstellmittel, z.
B. Widerstände, Drosseln, Kondensatoren, so verändert, daß sie der dynamischen Stabilitätskennlinie
näher liegt oder an diese bestmöglich angepaßt ist. Dabei kann zweckmäßig das Mischimpedanzrelais
beim Überschreiten der ersten Relaiskennlinie beispielsweise eine Meldung abgeben.
Beim Überschreiten der sich durch die Umschaltung ergebenden zweiten Relaiskennlinie
kann dann z. B. eine Abschaltung der Maschine eingeleitet werden. Diese Abschaltung
kann gegebenenfalls von den elektrischen Läufergrößen und einer Zeitverzögerung
beeinflußt werden. Als Kriterium für die Meldung, Abschaltung oder anderer die Maschine
geeignet beeinflussender Maßnahmen kann auch die Schnelligkeit des Anstieges der
Meßgröße des Mischimpedanzrelais nach Überschreiten der ersten Relaiskennlinie dienen.
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Für die elektrischen Größen im Erregerkreis der Maschine sind entweder
die Absolutwerte .von Spannung und/oder Strom im Erregerkreis, deren Anstieg in
einer bestimmten Zeit und/oder deren zeitliche Differentialquotienten heranzuziehen.
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Es kann auch der selbsttätige Spannungsregler zur Beeinflussung des
Untererregungsschutzes nach der Erfindung mitbenutzt werden. Hierzu werden zweckmäßig
die Melde-, Steuer- und/oder Regelkreise des Untererregungsschutzes in Abhängigkeit
von den Eingangs- und/oder Ausgangsgrößen des Spannungsreglers gebracht. Durch den
Einsatz eines entsprechenden Reglers kann die Maschine bis zur dynamischen Stabilitätskennlinie
gefahren werden. Bei Schlüpfen der Maschine kann dann entweder nur eine Meldung
erfolgen oder die Maschine abgeschaltet werden.
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Mit dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Gegenstandes nach
der Erfindung können die genannten Kennlinien auf einfache Weise erhalten bzw. eingestellt
werden. Die selbsttätige Umschaltung der Kennlinien ist hierbei aus Gründen der
Übersichtlichkeit nicht dargestellt worden.
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Bei Betrieb innerhalb des statischen Stabilitätsbereichs ist eine
zur Abszisse symmetrische Hyperbel als Ansprechkennlinie gewählt, da sie besonders
gut an die praktische statische Stabilitätskennlinie angepaßt werden 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 gelingt eine gute Anpassung an die dynamische Stabilitätskennlinie.
Ein Betrieb der Maschine zwischen statischer und dynamischer Grenzkennlinie der
Fig. 1 kann dann zweckmäßig und zulässig sein, wenn durch Anwendung schnell arbeitender
Regeleinrichtungen, die vom Polradwinkel abhängig beeinflußt werden, dafür gesorgt
ist, daß ein Überschreiten der dynamischen Stabilitätskennlinie vermieden wird.
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Das Mischimpedanzrelais weist drei Gleichrichter G, G2 und G3 auf,
von denen die beiden letzteren parallel arbeiten und zum Gleichrichter G1 antiparallel
geschaltet sind. Zu den genannten Gleichrichtern liegt eine Relaiswicklung Z und
ein Kondensator C, parallel. Der Gleichrichter G,, wird von der Sekundärseite eines
Wandlers Tr,, gespeist, der drei Primärwicklungen a, b und c hat. Der Gleichrichter
G2 ist an die Sekundärseite eines Wandlers Tr, angeschlossen, der ebenfalls drei
Primärwicklungen aufweist, von dem die ersten Primärwicklungen aus zwei Teilwicklungen
d und e bestehen, während die beiden anderen Wicklungen f und g einteilig sind.
Der dritte Gleichrichter G3 ist an die Sekundärseite eines dritten Wandlers Tr,
angeschlossen, der nur eine einzige Primärwicklung h aufweist. Die Primärwicklung
a hat eine Mittelpunktsanzapfung, die mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des
Transformators Tr4 angeschlossen ist, der primärseitig vom Ständerstrom J gespeist
wird. Das andere Ende dieser Sekundärwicklung ist einerseits über einen Kondensator
C2 und Stellwiderstand W5 und die Teilwicklung e an das eine Ende der Wicklung a
angeschlossen und andererseits über einen Stellwiderstand W,. und die andere Teilwicklung
d mit dem anderen Ende der Wicklung a verbunden. Die Ströme durch den Widerstand
und Kondensator, die mit Jyy und Jc bezeichnet sind, sind in den beiden Hälften
der Wicklung a und ebenso in den beiden Teilwicklungen d und c entgegengesetzt gerichtet.
Durch Verstellen der Größen W1, WS und C2 kann die Kennlinie verdreht werden.
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Ein zweiter Transformator Trs ist primärseitig an die Ständersternspannung
U2 angeschlossen, die zur Anpassung von Strom und Spannung verschiedene Anzapfungen
aufweist. Der Transformator Tr5 ist in Sparschaltung geschaltet und speist sekundärseitig
über einen verstellbaren Eichwiderstand W4 unmittelbar die Wicklung h. In Reihe
mit dem Stellwiderstand WZ liegen die Wicklungen b und f an der Sekundärspannung,
während die Wicklungen c und g in Gegenreihenschaltung über einen Stellwiderstand
W3 an die Sekundärwicklung angeschlossen sind.
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In Fig. 4 ist ein Teil der Fig. 1 vergrößert herausgezeichnet; gleiche
Teile haben wiederum die gleichen Bezugszeichen.
An Hand der Fig.
4 wird gezeigt, daß durch das Mischimpedanzrelais die für einen Kegelschnitt notwendigen
Größen nachgebildet werden können.
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Es ist beispielsweise die Gleichung der Hyperbel gegeben durch: R,-Ra=2A,
(1) wobei
und 2A=2a;lu'i. (4)
Darin bedeutet A, eine Größe, die den Abstand des Hyperbelscheitels
vom Koordinatenursprungfestlegt; das Zeichen /p bedeutet eine Phasendrehung des
Stromes gegen die Spannung um den Winkel V; a ist der Abstand vom Scheitelpunkt
der Hyperbel bis zum Schnittpunkt der Hyperbelsymptoten (beim Ausführungsbeispiel
0,6 gewählt). Im Hinblick auf Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Gleichrichter G, die
Größe R,, der Gleichrichter Ga die Größe R2 und der Gleichrichter G3 die Größe 2
A liefert. Mit dem Stellwiderstand W2 kann dabei der Wert von (A, + a) und mit dem
Stellwiderstand W3 der Wert von
verändert werden.
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Wenn der Maschinenvektor die Kennlinie 6 (bzw. die Kennlinien 7 oder
8) überschreitet, schließt das Ansprechrelais Z seinen Arbeitskontakt z2 (Fig. 3)
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 zurückkehren kann.
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Wenn jedoch gleichzeitig mit dem Überschreiten der eingestellten Ansprechkennlinie
auch die Spannung EA am Anker der Erregermaschine nach einer bestimmten Zeit nicht
einen bestimmten Mindestwert aufweist, dann wird die Maschine vom Netz getrennt.
Hierzu ist nach Fig. 3 ein Spannungsrelais SR über einen Widerstand W,3 an die Ankerspannung
E,1 angeschlossen. Ein Ruhekontakt sr liegt in Reihe mit einem Arbeitskontakt 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 Zeitrelais T erregt. Falls der geschilderte Zustand eine bestimmte
Zeit anhält, schließt der Kontakt t einen Auslösestromkreis zum Abschalten der Maschine.
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Um ein Fehlansprechen der Schutzeinrichtung im untererregten Betrieb
- der nur mit selbsttätigem Spannungsregler möglich ist - zu vermeiden, ist die
Zeitabhängigkeit notwendig. Kommt nämlich das Polrad 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 Kontakt 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 Schaltabhängigkeit allein oder zusammen
mit den Erregerstromkreisgrößen gebracht werden.
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Die Umschaltung der - Relaiskennlinien könnte durch Verändern einer
oder mehrerer der Widerstände W, bis W5 gegebenenfalls unter Veränderung der Kapazität
C2 vorgenommen werden.
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An Stelle des Relais SR kann auch ein Stromrelais vorgesehen werden,
das vom Erregerstrom der Erregermaschine abhängig gemacht ist. Gegebenenfalls kann
zusätzlich noch ein Stromrelais im Erregerkreis der Synchronmaschine angeordnet
sein.
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Das Mischimpedanzrelais kann durch Veränderung des Anschlusses auch
eine Ellipse oder einen verschobenen Kreis bzw. Gerade als Ansprechkennlinie erhalten,
die sich im fraglichen Betriebsbereich mit guter Annäherung an die jeweiligen Kennlinien
anpassen lassen. Auch können gegebenenfalls anders aufgebaute Mischimpedanzrelais
vorgesehen werden, die beispielsweise Transistoren, Tunneldioden oder andere elektronische
Schaltmittel enthalten.