DE2800843C3 - Arrangement for monitoring a power network - Google Patents
Arrangement for monitoring a power networkInfo
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Description
4Ί4Ί
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.The invention relates to an arrangement for monitoring a power network, on which a Self-excited or separately excited three-phase synchronous machine is connected, which is immediately ready Shaft system with energy storage in operative connection> " stands, wherein between the star point of the three-phase synchronous machine and the network neutral one the Power switch controlling monitoring device is arranged.
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.For the detection of the power failure the usual- M wise voltage monitors, frequency monitors or power change relays are used. With these control instruments however, a power failure cannot be registered if there are no consumers between the Mains disconnection point and the mains feed or no emergency power consumer load connected to the power grid are. Immediately after the power grid fails, the synchronous machine feeds In as a generator the power grid back, so that the fault is not detected during a longer operating phase Can be.
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.The one in the Netzeinspeisürtg of the synchronous machine The network switch provided cannot be switched to the off position during this operating phase so that reverse voltages occur in the distribution network. This back tension can be a hazard of human lives, as there is voltage on the secondary side of open feed switches got. When this feed switch is switched on, short circuits can also occur, since the The vector length of the synchronous machine must be slipped by a certain pole wheel angle compared to that of the network can.
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.In addition, the aforementioned arrangement for monitoring a network is known (DE-AS 12 57 264), in which a network monitoring device is arranged between the star point of the three-phase synchronous machine and the network neutral conductor Control of a voltage relay influencing the mains switch used To determine the mains failure, the equalizing current flowing in the mains neutral conductor, predominantly a third harmonic current, is used, which generates a certain harmonic voltage at the zero point choke. The analysis of the harmonic content of the phase voltage but is therefore extremely difficult, if not impossible, because the harmonic content of the phase voltage of synchronous machines from BeIastungscos φ depending Since the Belastungscos φ during engine operation can go through the entire inductive and capacitive area values of less than 1 % to about 20% of the phase voltage for the harmonic voltage occur. Due to its inductive resistance, the zero-point choke connected to the neutral conductor reduces the current of the higher harmonics proportionally more than that of the fundamental wave, whereby the harmonic voltage drop across the choke also assumes even lower amounts. A correct evaluation is made even more difficult by this effect in the case of an unfavorable load cos φ. The installation of a Nullpunktdrossei also represents a considerable expense, since it must always be dimensioned for the greatest unbalanced load that occurs, in the borderline case for the rated current of the synchronous machine.
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.The object of the invention is to avoid the difficulties described above and thus to create a network monitoring arrangement with which the network failure is defeated in an exact manner7. missing consumer and emergency power consumer load can be determined.
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 wirdThe object of the invention is achieved in that the monitoring device has an Mp current converter. one has a downstream burden and a frequency relay, wherein the frequency relay determines the zero crossings of the voltage dropping across the burden, and that the Fall of the zero crossing frequency below a given value as a signal for the net / failure or for the Actuation of the power switch and / or for other switching operations is used. Thereby ei summarizes the frequency relay the current of the third and ninth harmonic occurring during normal operation in the neutral conductor, the through the non-sinusoidal phase voltage of the synchronous machine arises when the synchronous machine is in operation leads to an occasional equalizing current on the network. The zero crossings of the load falling voltage are counted by the frequency relay and in the frequency relay with the comparison frequency * frequency is compared at the moment of the power failure
9« C)Ci 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.the three-phase synchronous machine to the generator and the asymmetrical share of the consumer load calls the load produces a voltage drop, which is mainly due to the now missing counter-voltage of the network consists only of parts of the first harmonic. This tells the number of zero crossings in the Moment of power failure a step function, whereby, for example, in a 50 Hz system, the NuII passes the measured frequency of 150 Hz suddenly drops to 50 Hz in the event of a power failure. The jump function serves as a signal for the Power failure and has to open the power switch for Result, so that the three-phase synchronous machine is separated from the distribution network and only in the emergency power consumer load is fed. At the same time, the emergency power consumer load is separated by η further switching processes from the rest of the network and a run-up of the generator's prime mover.
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.One embodiment of the invention provides that the frequency relay has a quartz element, with whose natural frequency d : e frequency of the zero crossings, reduced to the frequency of the second harmonic of the mains frequency, is comparable. The zero crossings of the voltage dropping across the load are thus counted by the frequency relay and compared in the frequency relay ir.it with the divided quartz frequency of the second harmonic.
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.It is also proposed that the three-phase synchronous machine be fed with a single-phase, inductive Supplementary load is arranged. This additional load can be designed as an air gap throttle and is at Power failure ensures an asymmetrical base load, st that the frequency relay even if there are no loads between the mains separation point and the synchronous machine are connected, a clear fundamental »signal is supplied.
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.For a burden that consists of two parallel-connected, oppositely polarized zener diodes. one parallel resistor and one between the zener diodes and Resistance arranged in series with the Para "el resistance exists, provision is also made for the parallel resistor to be designed as an inductance or a filter. In the case of asymmetries in the Grundweil system, when the synchronous machine is operated as a motor, the Neutral conductors form a fundamental wave current component, which is the current of the third and ninth harmonic superimposed. In order to arrive at a properly evaluable signal in this case too, the Parallel cross country designed as an inductance or filter, so that the voltage drop across it is the third and ninth harmonic 3 or 9 times the voltage drop compared to the component of the fundamental wave achieved.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel vereinfacht ,"> dargestellt ist Es zeigtFor further explanation, reference is made to the drawing, in which an exemplary embodiment is simplified, "> is shown It shows
Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Über wachungseinrichtung undFig. 1 is a circuit diagram of the inventive over monitoring device and
F i g 2 ein Oszillogramm des Pnmärstromes des Mp-Stromwandlers während des Netzausfalles. w> Fig. 2 shows an oscillogram of the primary current of the Mp current transformer during a power failure. 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.In Fig. 1, 1 denotes a high voltage power transformer, to which a power disconnector 2 is connected in the phases. Behind the mains isolating switch 2, an emergency power switch 3 is used to apply an emergency power consumer load 4 to the phases. Furthermore, the network is connected to a three-phase synchronous machine 7 via a feed 5 in which a network switch 0 is arranged. The O three-phase synchronous machine 7 is designed as a reversing machine, ie that it can be used as a motor for undisturbed mains operation. B. on an energy storage, such as a flywheel with internal combustion engine works and that it feeds as a generator via the feed 5 and the emergency conductor 9 in the emergency power consumer load 4 in the event of a power failure. A consumer load tO is also arranged between the mains isolating switch 2 and the infeed 5 With the help of a parallel resistor 18 designed as a resistor, inductor or filter, a voltage drop is caused. The load 13 also has a series-connected resistor 19 and two Zener diodes 20 and 21 connected in parallel to the parallel resistor 18, which ensure that the voltage supplied to the frequency relay 14 is limited or attenuated to the degree ± AU . In the frequency relay 14, the comparison frequency z. B. determined by comparison with a reference oscillator controlled by a quartz element. The information obtained is digitally processed using C-Mos technology. The response values can be selected with decoding switches. In addition, a single-phase, inductive additional load 15 is arranged in the feed 5 of the three-phase synchronous machine 7.
Die Wirkungsweise des Überwachungsgerätes ist folgendermaßen:The mode of operation of the monitoring device is as follows:
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.If the mains operation is undisturbed, an equalizing current flows, mainly of the third and ninth harmonics, via the current transformer 12. The zero crossings of the voltage dropping across the load 13 are counted by the frequency relay 14 and with a divided crystal frequency corresponding to the second harmonic (with 50 Hz system 100 Hz) compared. If the zero crossing frequency is higher than that Comparison frequency, so there is undisturbed network operation. At the moment of the power failure, e.g. B. caused By opening the mains disconnector 2, the three-phase synchronous machine 7 becomes the Oenerato ·· and the asymmetrical share from the consumers, i.e. the emergency power consumer load 4, the consumer load 10 and the additional inductive load 15 flows via the current transformer 12. As a result, a load 13 is applied Voltage drop caused mainly only because of the now missing counter-voltage of the network still consists of parts of the first harmonic. The consequence is a step function in the number of Nu.l passes. For example, with a 50 Hz system, there is a sudden drop in the number of times that have been removed Frequency from 150Hz to 50Hz. Thereupon will When the monitoring device 11 responds, the power switch 6 and the emergency power switch 3 are opened and the switch 8 closed, so that the Three-phase synchronous machine 7 feeds into the emergency power consumer load 4 via the emergency conductor 9.
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 auswertbarenIf at the moment of the power failure, the suite is the Consumer loads from the emergency power consumer load 4 and the consumer load 10 equals zero, the Current in Nullei'er determined by the single-phase, inductive additional load 15 and a response of the Monitoring device 11 is guaranteed in this way. To achieve a clearly evaluable
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.Signal in the case of asymmetries in the fundamental wave system, the parallel resistor 18 of the burden 13 can be designed as an inductance or filter, so that the voltage U of the third and ninth harmonic waves dropping across it reaches 3 ' or Ö times the voltage drop compared to the portion of the fundamental wave.
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.In dei 'F i g. 2 shows the course of an oscillogram of the primary or secondary current of the MP converter 12 during the transition from normal operation to operation in the event of a power failure. The voltage curve ± AU at the frequency relay 14 is limited by straight lines 16 and 17 drawn parallel to the abscissa. The illustration clearly shows that the number of zero crossings at the moment of the power failure has a step function.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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