DE2800843C3 - Anordnung zur Überwachung eines Stromnetzes - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Überwachung eines Stromnetzes, an welchem eine selbsterregte oder fremderregte Drehstromsynchronmaschine angeschlossen ist, die mit einer Sofortbereit Schaftsanlage mit Energiespeicher in Wirkverbindung >" steht, wobei zwischen dem Sternpunkt der Drehstromsynchronmaschine und dem Netznulleiter ein den Netzschalter steuerndes Überwachungsgerät angeordnet ist.

Für die Erfassung des Netzausfalles werden üblicher- M weise Spannungswächter, Frequenzwächter oder Leistungsänderungsrelais eingesetzt. Mit diesen Kontrollinstrumenten läßt sich ein Netzausfall jedoch dann nicht registrieren, wenn keine Verbraucher zwischen der Netztrennstelle und der Netzeinspeisung bzw. keine Notstromverbraucherlast an das Stromnetz angeschlossen sind. Direkt nach dem Ausfall des Stromnetzes speist die Synchronmaschine nämlich generatorisch In das Stromnetz zurück, so daß die Störung während einer länger andauernden Betriebsphase nicht erfaßt Werden kann.

Der in der Netzeinspeisürtg der Synchronmaschine vorgesehene Netzschaiter kann somit Während dieser Betriebsphase nicht in die Aus-Position geschaltet werden, so daß Rückspannungen im Verteilernetz auftreten. Diese Rückspannung kann zu einer Gefährdung von Menschenleben führen, da dabei Spannung auf die Sekundärseite von geöffneten Einspeiseschaltern gelangt. Bei Einschaltvorgängen dieser Einspeiseschalter können außerdem Kurzschlüsse auftreten, da die Vektorlsge der Synchronmaschine gegenüber der des Netzes um einen gewissen Polradwinkel gescLIüpft sein kann.

Darijberhinaus ist die eingangs genannte Anordnung zur Überwachung eines Netzes bekannt (DE-AS 12 57 264), bei der zwischen dem Sternpunkt der Drehstromsynchronmaschine und dem Netznulleiter ein Netzüberwachungsgerät angeordnet ist Dabei wird bei Normalbetrieb die an einer Nullpunktdrossel abfallende Oberwellenspannung dem Betrage nach ermittelt und zur Steuerung eines den Netzschalter beeinflussenden Spannungsrelais benutzt Zur Ermittlung des Netzausfalls wird demnach der im Netznulleiter fließende Ausgleichsstrom, vorwiegend ein Strom der dritten Harmonischen herangezogen, der an der Nullpunktdrossel eine bestimmte Oberwellenspannung erzeugt. Die Auswertung des Oberwellenanteils der Phasenspannung ist aber deshalb äußerst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, weil der Oberwellenanteil der Phasenspannung von Synchronmaschinen vom BeIastungscos φ abhängig ist Da der Belastungscos φ bei Motorbetrieb den gesamten induktiven und kapazitiven Bereich durchlaufen kann, können Werte von kleiner als 1% bis etwa 20% der Phasenspannung für die Oberwellenspannung auftreten. Die in den Nulleiter eingeschaltete Nullpunktdrossel reduziert aufgrund ihres induktiven Widerstandes den Strom der höheren Harmonischen anteilig mehr als den der Grundwelle, wodurch die an der Drossel abfallende Oberwellenspannung außerdem noch geringere Beträge annimmt. Eine richtige Auswertung wird durch diesen Effekt bei ungünstigem Belastungscos φ zusätzlich erschwert. Die Installation einer Nullpunktdrossei stellt außerdem einen erheblichen kostenmäßigen Aufwand dar, da diese stets für die größte auftretende Schieflast, im Grenzfall für den Nennstrom der Synchronmaschine, bemessen sein muß.

Die Aufgabr der Erfindung besteht darin, die vorstehend bes^nriebenen Schwierigkeiten zu vermeiden und somit eine Netzüberwachungsanordnung zu schaffen, mit der in exakter Weise der Netzausfall trot7. fehlender Verbraucher und Notstromverbraucherlast bestimmt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß das Überwachungsgerät einen Mp-Stromwandler. eine nachgeschaltete Bürde und ein Frequenzrelais aufweist, wobei das Frequenzrelais die Nulldurchgänge der an der Bürde abfallenden Spannung ermitteit, und daß der Abfall der Nulldurchgangsfrequenz unter einen vorge gebenen Wert als Signal für den Net/ausfall bzw für die Betätigung des Netzschalters und/oder für sonstige Schaltvorgänge dient. Dabei ei faßt das Frequenzrelais den beim Normalbetrieb im Nulleiter auftretenden Strom der dritten und neunten Harmonischen, der durch die nichtsinusförmige Phaserispannung der Synchronmaschine entsteh^ die bei Betrieb der Synchronmaschine am Netz zu einem oberweilenhaltigen Ausgleichs* strom führt. Die Nulldurchgänge der an der Bürde abfallenden Spannung werden durch das Frequenzrelais ausgezählt Und im Frequenzrelais mit der Vergleichsfre* quenz verglichen, im Moment des Netzausfalles wird

9« C)Ci

die Drehstromsynchronmaschine zum Generator und der unsymmetrische Anteil der Verbraucherlast ruft an der Bürde einen Spannungsabfall hervor, der wegen der jetzt fehlenden Gegenspannung des Netzes vorwiegend nur noch aus Anteilen der ersten Harmonischen besteht. Dadurch erfährt die Anzahl der Nulldurchgänge im Moment des Netzausfalles eine Sprungfunktion, wobei beispielsweise bei einem 50-Hz-System die aus den NuIIdurchgänpen herausgemessene Frequenz von 150 Hz beim Netzausfall sprungartig auf 50 Hz zurückgeht. Die Sprungfunktion dient als Signal für den Netr.ausfall und hat ein Öffnen des Netzschalters zur Folge, so daß die Drehstromsynchronmaschine vom Verteilernetz getrennt ist und nur in die Notstromverbraucherlast gespeist wird. Gleichzeitig erfolgt durch η weitere Schaltvorgänge eine Trennung der Notstromverbraucherlast vom übrigen Netz und ein Hochlaufen der Antriebsmaschine des Generators.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Frequenzrelais ein Quarzelement aufweist, mit dessen auf die Frequenz der zweiten Harmonischen der Netzfrequenz reduzierten Eigenfrequenz d^:e Frequenz der Nulldurchgänge vergleichbar ist. Die Nulldurchgänge der an der Bürde abfallenden Spannung werden somit durch das Frequenzrelais ausgezählt und im Frequenzrelais ir.it der heruntergeteilten Quarzfrequenz der zweiten Harmonischen verglichen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß in der Einspeisung der Drehstromsynchronmaschine eine einphasige, induktive Zusatzlast angeordnet ist. Diese Zusatzlast kann jo als Luftspaltdrossel ausgeführt sein und stellt bei Netzausfall eine unsymmetrische Grundlast sicher, st daß dem Frequenzrelais auch dann, wenn keine Verbraucher zwischen Netztrennstelle und Synchronmaschine angeschlossen sind, ein eindeutiges Grundwel- » lensignal zugeführt wird.

Für eine Bürde, die aus zwei parallel geschalteten, entgegengesetzt gepolten Zenerdioden. einem Parallelwiderstand und einem zwischen den Zenerdioden und dem Para"elwiderstand in Reihe angeordneten Widerstand besteht, ist außerdem vorgesehen, den Parallelwiderstand als Induktivität oder als Filter auszubilden. Bei Unsymmetrien im Grundweilen-System kann sich bei motorischem Betrieb der Synchronmaschine im Nulleiter ein Grundwellen-Stromanteil ausbilden, der sich dem Strom der dritten und neunten Harmonischen überlagert. Um auch in diesem Fall zu einem einwandfrei auswertbaren Signal zu kommen, wird der Parallelwidersland als Induktivität oder Filter ausgebildet, so daß die an ihm abfallende Spannung der dritten und neunten Harmonischen den 3- bzw. 9fachen Spannungsabfall gegenüber dem Anteil der Grundwelle erreicht.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel vereinfacht ,"> dargestellt ist Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Über wachungseinrichtung und

F i g 2 ein Oszillogramm des Pnmärstromes des Mp-Stromwandlers während des Netzausfalles. w>

In Fig. 1 ist mit 1 ein Hoehspannungsnetztrafo bezeichnet, an den sich in den Phasen ein Netztrennschalter 2 anschließt. Hinter dem Netztrennschalter 2 ist über einen Notstromnetzschalter 3 eine Notstromverbraucherlast 4 an die Phasen gelegt. Weiterhin steht das Netz über einer Einspeisung 5, in der ein Netzschalter 0 angeordnet ist, mit einer Drehstromsynchronmaschine 7 in Verbindung, Von der Einspeisung 5 zweigt ein durch einen Nolstromgeneratorschalter 8 beherrschter zur Notstromverbraucherlast 4 führender Notstromleitar 9 ab. Die Orehstromsynchronmaschine 7 ist als Umkehrmaschine ausgeführt, d. h. daß sie bei ungestörtem Netzbetrieb als Motor z. B. auf einen Energiespeicher, beispielsweise ein Schwungrad mit Verbrennungskraftmachine arbeitet und daß sie bei Netzausfall als Generator über die Einspeisung 5 und den Notstromleiter 9 in die Notstromverbraucherlast 4 einspeist. Zwischen dem Netztrennschalter 2 und der Einspeisung 5 ist außerdem eine Verbraucherlast tO angeordnet Die Drehstromsynchronmaschine 7 weist in ihrem Nulleiter (Mp) ein Überwachungsgerät 11 auf, das aus einem Stromwandler 12 mit einer nachgeschalteten Bürde 13 und einem Frequenzrelais 14 besteht In der Bürde 13 wird mit Hilfe eines als Widerstand, Induktivität oder als Filter ausgeführten Parallelwiderstandes 18 ein Spannungsabfall hervorgerufen. Die Bürde 13 weist außerdem einen in Reihe geschalteten Widerstand 19 und zwei parallel zu dem Parallelwider^tand 18 geschaltete Zenerdioden 20 und 21 auf, die für tine Begrenzung bzw. Dämpfung der dem Frequenzrelais 14 zugeführten Spannung auf das Maß ±AU sorgen. In dem Frequenzrelais 14 wird die Vergleichsfrequcnz z. B. durch Vergleich mit einem durch ein Quarzelement angesteuerten Referenzoszillator ermittelt. Die gewonnenen Informationen werden in C-Mos-Technik digital verarbeitet. Mit Dekodierschaltern können die Ansprechwerte angewählt werden. Außerdem ist in der Einspeisung 5 der Drehstromsynchronmaschine 7 eine einphasige, induktive Zusatzlast 15 angeordnet.

Die Wirkungsweise des Überwachungsgerätes ist folgendermaßen:

Bei ungestörtem Netzbetrieb fließt ein Ausgleichsstrom, vorwiegend der dritten und neunten Harmonischen, über den Stromwandler 12. Die Nulldurchgänge der an der Bürde 13 abfallenden Spannung werden durch das Frequenzrelais 14 ausgezählt und mit einer heruntergeteilten Quarzfrequenz entsprechend der zweiten Harmonischen (bei 50 Hz System 100 Hz) verglichen. 1st die Nulldurchgangsfrequenz höher als die Vergleichsfrequenz, so herrscht ungestörter Netzbetrieb. Im Moment des Netzausfalles, z. B. hervorgerufen durch ein Öffnen des Netztrennschalters 2, wird die Drehstromsynchronmaschine 7 zum Oenerato·· und der unsymmetrische Anteil aus den Verbrauchern, also der Notstromverbraucherlast 4, der Verbraucherlast 10 und der induktiven Zusatzlast 15 fließt über den Stromwandler 12. Hierdurch wird an der Bürde 13 ein Spannungsabfall hervorgerufen, der wegen der jetzt fehlenden Gegenspannung des Netzes vorwiegend nur noch aus Anteilen der ersten Harmonischen besteht. Die Folge ist eine Sprungfunktion in der Anzahl der Nu.ldurchgänge. beispielsweise bei einem 50-Hz-System ein sprungartiger Rückgang der herausgernessenen Frequenz von 150Hz auf 50 Hz. Daiaufhin wird durch das Ansprechen des Überwachungsgerätes 11 der Netzschalter 6 und der Notstromnetzschalter 3 geöffnet sowie der Schalter 8 geschlossen, so daß die Drehstromsynchronmaschine 7 über den Notsiromleiter 9 in die Notstromverbraucherlast 4 speist.

Ist im Moment des Netzausfalles die Suitime der Verbraucherlasten aus der Notstromverbraucherlast 4 und der Verbraucherlast 10 gleich Null, so wird der Strom im Nullei'er durch die einphasige, induktive Zusatzlast 15 bestimmt und ein Ansprechen des Überwachungsgerätes 11 ist auf diese Weise gewährleistet. Zur Erzielung eines eindeutigen auswertbaren

Signals bei Unsyfnmetrien im Grundwellen-System kann der Parallelwiderstand 18 der Bürde 13 als Induktivität oder Filter ausgebildet werden, so daß die an ihm abfallende Spannung U der dritten und neunten Harmoflischen den 3' bzw. Öfachen Spannungsabfall gegenüber dem Anteil der Grundwelle erreicht.

In dei' F i g. 2 ist der Verlauf eines Oszillogrammes des Primär- bzw. Sekundärstromes des Mp-Slromwandlers 12 beim Übergang vom Nofmaibeffieb in den Betrieb bei Netzausfall dargestellt. Durch parallel zur Abszisse gezeichnete Geraden 16 und 17 ist der SpannungsveN lauf ±AU am Frequenzrelais 14 begrenzt. Der Darstellung ist deutlich zu entnehmen, daß die Anzahl der Nulldurchgänge im Moment des Netzausfalles eine Sprungfunktion erfährt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Überwachung eines Stromnetzes, an welchem eine selbsterregte oder fremderregte Drehstromsynchronmaschine angeschlossen ist, die mit einer Sofortbereitschaftsanlage mit Energiespeicher in Wirkverbindung steht, wobei zwischen dem Sternpunkt der Drehstromsynchronmaschine und dem Netznulleiter ein den Netzschalter steuerndes Überwachungsgerät angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachungsgerät (11) einen Mp-Stromwandler (12)^ eine nachgeschaltete Bürde (13) und ein Frequenzrelais (14) aufweist, wobei das Frequenzrelais (14) die Nulldurchgänge der an der Bürde (13) abfallenden Spannung ermittelt, und daß der Abfall der Nulldurchgangsfrequenz unter einen vorgegebenen Wert als Signal für den Netzausfall bzw. für die Betätigung des Netzschalters (6) und/oder für sonstige Sohaltvorgänge dient.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzrelais (14) ein Quarzelement aufweist, mit dessen auf die Frequenz der zweiten Harmonischen der Netzfrequenz reduzierten Eigenfrequenz die Frequenz der Nulldurchgänge « vergleichbar ist

3. Anordnung nach einem tier Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einspeisung (5) der Drehstiomsynchronmaschine (7) eine einphasige, induktive Zusatzlast (15) angeordnet ist

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Zusatzlast (15) als LuftspaltcVossel; /Sgeführt ist.

5. Anordnung, bei de^p die Bürste aus zwei parallel geschalteten, entgegengesetz' gepolten Zenerdio- « den, einem Parallelwiderstand und einem zwischen den Zenerdioden und dem Parallelwiderstand in Reihe angeordneten Widerstand besteht, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelwiderstand (18) als Induktivität oder als Filter ausgebildet ist.