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Selbsttätiges Nebenkraftwerk für die Erzeugung elektrischer Energie
Die neueste Entwicklung der Technik drängt zum Bau vollkommen selbständig arbeitender
Kraftwerke. Insbesondere im Falle der Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkräften
ergeben sich bei selbsttätigem Betriebe große wirtschaftliche Vorteile. Praktisch
findet sich sehr häufig' die Aufgabe, eine an irgendeiner entfernten schwer zugänglichen
Stelle gelegene Wasserkraft mit einer bereits vorhandenen Zentrale zu kuppeln.
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Es sind bereits Einrichtungen bekannt, die eine selbsttätige Inbetriieb-
und Stillsetzung des Wasserkraftwerkes über eine etwa nach einem großen Hauptkraftwerk
führende Leitung ermöglichen. Das Ingangsetzen, Regeln und Stillsetzen des Nebenkraftwerkes
erfolgt dann in Abhängigkeit von Betriebszuständen, z. B. Spannung, Frequenz, Stromstärke,
Umlaufzahl der Maschine, Temperatur der Wicklungen usw., selbsttätig.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung in der selbsttätigen Bedienung
eines Nebenkraftverkes. Nach der Erfindung werden für alle erfahrungsgemäßen in
der Anlage vorkommenden Störungen zwei voneinander verschiedene Gruppen von Einrichtungen
zur Beeinflussung der selbsttätigen Steuerung vorgesehen, von denen die eine Gruppe
auf Störungen gefährlicher Art und die andere Gruppe auf Störungen vorübergehender
Natur anspricht. Begnügt man sich wie bei den bisher bekannten selbsttätigen Nebenkraftwerken
mit einer einzigen Gruppe von auf Störungen ansprechenden Steuereinrichtungen, so
wird in jedem Falle bei Eintreten einer Störung, mag sie nun gefährlicher oder vorübergehender
Natur sein, die gesamte Anlage abgeschaltet. Bei der Verteilung der Sicherheitseinrichtungen
geht man nach der Erfindung so vor, daß bei ,Störungen vorübergehender Art eine
Wiedereinschaltung der Anlage nach einer gewissen einstellbaren Zeit selbsttätig
wieder erfolgt. Zu derartigen vorübergehenden Fehlern zählen: zu geringer Wasserstand,
zu hohe Maschinentemperatur als Folge von Überlastung, Überspannungen usw. Bei gefährlichen
Fehlern, bei denen eine Wiedereinschaltung eine schwere Beschädigung oder gar eine
Zerstörung des Kraftwerkes zur Folge haben kann, soll durch die zweite Gruppe der
Sicherheitseinrichtungen nach unserer Erfindung dagegen die Anlage endgültig stillgesetzt
werden. Eine Wiederinbetriebsetzung ist dann nur nach Besichtigung des Kraftwerkes
zur Behebung des Fehlers möglich. Zu solchen Störungen gefährlicher Art gehören
etwa zu hohe Lagertemperatur infolge Heißlaufens usw.
In dem Schaltbild
ist eine selbsttätige Anlage, die die wesentlichen Merkmale der Erfindung enthält,
dargestellt.
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Die Anlage besteht in diesem Beispiel aus einem einzigen von einer
Wasserkraft (Wasserturbine) angetriebenen Synchrongenerator mit Gleichstromerregermaschine,
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doch kann die Zahl der Generatoren beliebig vermehrt werden. Die von der
Hauptzentrale ankommende Fernleitung F führt über den Schalter I zum Synchrongenerator
G des Wasserkraftnebenwerkes. Vor dem Schalter I liegt der Spannungswandler III,
der die Hilfsschiene HSl unmittelbar und die Hilfsschiene HSZ über den. Schalter
IV speist.
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Die weiter vorhandenen Gleichstromsammelschienen HS3 werden von der
Akkumulatorenbatterie VIII gespeist, welche durch die Ladeeinrichtung LX von HS'
aus dauernd geladen wird. IX kann z. B. aus Gleichrichtern bestehen, von denen gegebenenfalls
einer dauernd eingeschaltet ist, während die beiden anderen zum Überladen bzw. zum
verstärkten Aufladen während der Zeit der regelmäßigen Besichtigungen dienen.
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Das Feld des Generators G liegt über dem MagnetschalterV und dem Schnellentregungswiderstand
VI an der Erregermaschine E. Zur Erregermaschine gehört ein Regler VII, der nur
zur erstmaligen Einstellung der Spannung dient.
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Der gesamte Betrieb der Anlage wird beherrscht durch die jeweilige
Einstellung des Kommandoapparates (Relais 3@. Die Einstellung dieses Relais ist
davon abhängig, ob sein Ansprechstromkreis (der Kommandokreis) Spannung hat und
geschlossen ist. Der Kommandokreis erhält seine Spannung von Hilfssammelschienen
HSZ für den Fall, daß Schalter IV geschlossen ist. Dies letztere ist jedoch nur
dann der Fall, wenn die unmittelbar vom Spannungswandler III gespeisten Hilfssammelschienen
HS@ Spannung haben und der Stromkreis der Schaltspule für Schalter IV geschlossen
ist. Treffen diese Bedingungen zu, so erhält der -Kommandokreis Spannung und der
Anker des Relais 3 wird angezogen. Dieser Anker gibt. in. seiner oberen Kontaktlage
die Kommandos zum sachgemäßen Inbetriebsetzen der Anlage. Trifft eine der erwähnten
Bedingungen nicht zu, so zieht das Relais 3 nicht an, und die Anlage kann nicht
in Betrieb gesetzt werden.
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In der Unterbrechungsstelle i des Kominandokreises ist die Möglichkeit
eines willkürlichen Eingriffs in die Betriebsverhältnisse dargestellt. i kann ein
Druckknopf, ein Schwimmerschalter, ein Zeitschalter (der z. B. vom Sonnenstand abhängig
ist) oder auch ein fernbetätigtes Relais sein, das evtl. drahtlos gesteuert werden
kann. Im Schaltbild können die mit Index bezeichneten Apparate (z. B. ja) mit gestricheltem
Stromlauf wahlweise an Stelle der gleichbezifferten indexlosen Apparate treten.
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Der Kommandokreis wird, abgesehen von den Kontakten i, durch das Relais
q. -erst vollständig geschlossen. Dieses Relais wird in Abhängigkeit von vorübergehenden
Störungen aller erfahrungsgemäß vorkommenden Art betätigt. Für jede derartige Störung
muß natürlich ein Sonderrelais vorgesehen sein, das nach seinem Ansprechen das Relais
4. erst betätigt.
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Der Kommandoapparat selbst (Relais 3) ist ein Umschalterelais, an
dessen Stelle natürlich auch mehrere Relais treten können. Relais 3 spricht von
HSZ aus über i und die entsprechende Lage von q. an, falls IV eingeschaltet ist.
3 betätigt in angezogenem Zustand mit seinem linken Kontaktpaar das Relais
13 (s. unten) und mit dem rechten bringt es die Turbine in bekannter Weise
zum Anlaufen. 3 fällt ab, falls, IV herausfällt oder 4 anspricht. Nach Herausfallen
von IV kann die Anlage nur durch Einlegen dieses Schalters von Hand, d. h. nicht
mehr selbsttätig wieder eingeschaltet werden. IV darf daher nur dann herausfallen,
wenn eine Störung gefährlicher Art eingetreten ist, die sich nicht von selbst behebt,
so daß erst eine Besichtigung der Anlage und eine Abstellung der aufgetretenen Störung
erfolgen muß. Der Schalter IV fällt bei Spannungs- oder Stromlosigkeit seiner Schaltspule
heraus. Die Schaltspule kann spannungslos werden dadurch,. daß die Spannung im.
Hauptkraftwerk fortbleibt. Sie kann aber auch stromlos.-«erden, wenn ihr Stromkreis
an irgendeiner Stelle unterbrochen wird. Die nach dem Schaltbild besonders vorgesehenen
Unterbrechungsstellen 7 wirken als Relais bei Störungen gefährlicher Art, z. B.
bei zu hoher Lagertemperatur oder in Abhängigkeit von einer Riemenreißvorrichtung
für den Servomotor oder auch, falls der Öldruck des Servomotors z. B. bei Festklemmen
der Gelenke des .Reglers in gefahrdrohender Weise verschwindet. Die zweite Unterbrechungsstelle
7 soll nur allgemein andeuten, daß auch andere Störungen gefahrdrohender Art auf
die gleiche Art eine Unterbrechung des Stromkreises der Schaltspule IV veranlassen.
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Das Arbeitsstromrelais q. überwacht sämtliche Störungen vorübergehender
Art, die sich von selbst beheben und bei deren Auftreten eine nur zeitweise Stillegung
des Betriebes erforderlich ist. In der Reihe derjenigen Sonderrelais, die zunächst
die Störung vorübergehender Art anzeigen und ihre Meldung an das Relais q. weitergeben,
sind besonders die Relais z, 8 und 9 zu erwähnen. 2 ist ein
Überspannungsrelais,
während 8 und 9 an Stromwandler II angeschlossene überstromrelais sind. Die Anker
dieser Sonderrelais beeinflussen jeweils das Relais 4 derart, daß dieses den Kommandokreis
öffnet und den Abfall des Relais 3 bewirkt. Relais d. verriegelt sich beim Ansprechen
selbst. Durch ein besonderes Hilfsrelais 5 kann jedoch die Verriegelung wieder aufgehoben
werden. Weiterhin betätigt das Relais ,a. ein Zeitrelais 6, <las nach Ablauf
einer vorbestimmten Zeit das Hilfsrelais 5 beeinflußt, 'so daß hierdurch die Selbstverriegelung
von d. wieder aufgehoben wird, Relais d. wieder anspricht und den Kommandostromkreis
schließt, so daß der Kommandoapparat wieder auf »Anfahren« eingestellt wird. Zeitrelais
6 kehrt in seine. Ruhelage zurück, so daß auch 5 wieder seine normale Stellung erhält.
Zwischen Ausschalten durch Fehler vorübergehender Art und Wiedereinschalten vergeht
also stets die an 6 eingestellte Zeit. Eine solche selbsttätige Einschaltung bei
Störungen vorübergehender Art ließe sich natürlich auch durch andersartige Schaltungen,
bei denen z. B. Relais 4. anders ausgebildet wird (Relais q. als Ruhestromrelais),
und auch ohne besondere Hilfsrelais 5 verwirklichen.
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Zur Stillsetzung der Anlage beim Auftreten gefahrdrohender Störungen
dient der Stromgreis der Schaltspule für den Schalter IV.
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Relais :2 ist als Überspannungsrelais ausgebildet, die Relais 8 sind
Überstromzeitrelais evtl. auch aufgebaute Überstromzeitauslöser, die nur auf Kurzschlüsse
ansprechen. Ihre Einstellung kann entsprechend vorgenommen werden. Um aber auch
bei geringen Überlastungen, die längere Zeit dauern, zu hohe Temperatur der Maschinen
zu vermeiden, können weitere Relais 9 vorgesehen werden (normale Überstromrelais
oder aufgebaute Überstromkontaktgeber), die ohne Zeitverzögerung das gemeinsame
Zeitrelais io einschalten. Dieses Relais ist ebenfalls für beliebige Zeiteinstellung
eingerichtet. N ach Ablauf der eingestellten Zeit arbeitet es auf Relais q. und
schaltet so die Maschine ab.
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Die Relais 9a und joa dienen der Temperaturüberwachung und arbeiten
ebenfalls auf Relais q..
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Bei Einstellung des Kommandoapparates (Relais 3) für Inbetriebsetzung
der .Anlage (obere Kontaktlage) geschieht folgendes-: Die Turbine läuft selbsttätig
an, indem z. B. ein Schütz betätigt wird, das den Wasserzulauf freigibt; die Erregermaschine
E kommt hierbei gleichzeitig mit dem Generator G auf Touren: Bei annähernd synchroner
Drehzahl spricht ein Frequenzrelais i i an urd schließt durch seinen Anker den Stromkreis
für =die Einschaltspule des Hauptschalters, wodurch Hauptschalter I eingeschaltet
wird.- Nach dem Schaltbild wird das Relais ii von besonderen der Erregermaschine
aufgegebenen Schleifringen mit Wechselstrom gespeist. Diese Einrichtung kann jedoch
auch noch anders ausgebildet sein. Grundsätzlich notwendig ist ein. auf eine bestimmte
Drehzahl ansprechendes Relais, z. B. ein Zentrifugalregler oder ein Frequenzrelais,
dem die Frequenz auch durch besondere Schleifringe mitgeteilt werden kann, die unmittelbar
von den Gleichstrombürsten der Erregermaschine gespeist werden und entsprechende
Isolationsstücke haben.
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Zu gleicher Zeit mit dem Anlassen der Turbine betätigt der Kommandoapparat
auch das Relais 13. Der Anker dieses Relais schließt beim Ansprechen vorübergehend
einen besonderen Stromkreis, der mit Gleichstrom von HS3 aus gespeist wird. Innerhalb
dieses Stromkreises liegt die Erregerwicklung der Erregermaschine E, die somit einen
Gleichstromimpuls erhält, der dazu dient, die etwa verschwundene Remanenz wieder
zu erzeugen oder eine bestimmte Vormagnetisierung zu geben. Indem dieser Hilfsstromkreis
u. a. auch über besondere Kontakte der »AUS«-Stellung des Schalters I geführt wird,
ist dafür Sorge getragen, daß der Remanenzstrom= stoß bereits vor sich geht, bevor
Schalter I eingeschaltet wird.
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Eine weitere Folge der Anfahrstellung des Kommandoapparates 3 ist
die Spannungslosigkeit des Relais 15. Der Anker dieses Relais fällt infolgedessen
ab und schließt den Stromkreis der Schaltspule 1q., wodurch der Überbrückungsschalter
für den Schnellentregungswiderstand VI selbsttätig eingeschaltet -und dieser zu
Beginn des Anfahrens unwirksam gemacht wird. Sobald ferner der Remanenzstromstoß
vor sich gegangen und der Schalter I eingelegt ist, erhält auch die Spannungsspule
für Schalter V über Kontakte der »EIN«-Stellung von I und über den Anker des Relais
12 Spannung, worauf auch Schalter V eingeschaltet wird. Die Inbetriebsetzung ist
damit selbsttätig vollendet. Für die praktische Ausführung bei bestimmten-Maschinen
muß die Synchronisierung weiter abgestuft werden. Die selbsttätige Synchronisierung
läßt sich auch dann erreichen, wenn das Einlegen des Hauptschalters I so-,vie die
Einschaltung der Erregung in mehreren Stufen vor sich gehen muß.
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Die untere Kontaktlage des Kommandoapparates 3 bedeutet Stillsetzen
der Anlage. In dieser Lage bewirkt der Anker des Relais 3 die Ausschaltung von I
und setzt ferner zugleich die Turbine still. Weiterhin bewirkt Relais 3 das Ansprechen
des Relais 15, jedoch erst dann, wenn Schalter I auf »AUS« steht, da der Stromkreis
des Relais 15 über
besondere Kontakte der »AUS«-Stellung des Schalters
I geführt ist. Relais 15 bewirkt über Schaltspule 14 die Schnellentregung.
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Das schon erwähnte Zeitrelais 12, wird nunmehr betätigt, da sein Ansprechstromkreis
über die »AUS«-Stellung von I und die »EIN«-Stellung von V an HSl geführt ist. Relais
z2 ist absichtlich als Zeitrelais ausgebildet, damit nach Herausfallen von I bis
zur Ausschaltung von V eine gewisse Zeit vergeht, innerhalb deren die Schnellentregung
stattfindet. Mit der Ausscheidung von V ist der Stillegungsvorgang beendet.
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Zur j-edesmaligen Inbetriebsetzung der Anlage ist es erforderlich,
daß Relais r z selbsttätig in seine Ruhelage zurückgeht, sobald es das »EIN«-Schalten
des Hauptschalters I bewirkt hat. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß der Ansprechstromkreis
des Relais z z über besondere Kontakte der »AUS«-Stellung von Schalter V geführt
ist, so daß bei »EIN«-Schalten von V Relais zz selbsttätig abfällt und hierdurch
wieder betriebsbereit wird.