DE611959C - Schutzanordnung fuer Gleichstromwicklungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
11. APRIL 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21c GRUPPE 68so

S 113000 VIII bj21 c

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Februar 1934 ab

Zur Erfassung eines Windungsschlusses in der Induktorwicklung eines Wechselstromgenerators hat man bisher die Änderung der Leistungsaufnahme oder mittels einer .- 5 Brückenschaltung die Änderung des Gleichstromwiderstandes dieses Induktorkreises überwacht. Wenn die Zahl der durch einen Windungsschluß kurzgeschlossenen Windungen gering ist, ist die Erfassung des Windungsschlusses mit diesen bekannten Anordnungen sehr unsicher, da sich der Gleichstromwiderstandswert der Wicklung nur unmerklich ändert.

Erfindungsgemäß wird das Relais, welches bei einem Windungsschluß -in der Induktorwicklung ansprechen soll, in einen Wechselstromkreis derart eingeschaltet, daß es mit einer Wechselstromquelle und einer Widerstandsanordnung, ζ. Β. einer Drosselspule, in Reihe liegt. Zu dieser Drosselspulenanordnung wird die zu schützende Wicklung als Belastung parallel geschaltet, so daß eine erhebliche Änderung des Widerstandswertes dieser Widerstandsanordnung erzielt wird, wenn auch nur eine einzige Windung des Induktors durch Windungsschluß kurzgeschlossen wird. Die außerordentlich große Empfindlichkeit dieser neuen Anordnung beruht darauf, daß die normalerweise hohe Induktivität der gesunden Wicklung in außerordentlich starkem Maße verkleinert wird, wenn auf dem Magnetkörper eine Kurzschlußwicklung entsteht, wie dies bei Windungsschluß eintritt.

Bezüglich der Ausführungsform der Drosselspulen kann man je nach Zweckmäßigkeitsgründen im einzelnen Fall entweder Drosselspulen mit einer Wicklung oder Drosselspulen mit einer Sekundärwicklung wählen. Bei dieser Anordnung empfiehlt sich die Anwendung von zwei in Reihe geschalteten Drosselspulen oder zwei in Reihe geschalteten Transformatoren mit voneinander abweichenden Phasenwinkeln, so daß sich die der zu schützenden Wicklung aufgedrückte Spannung aus zwei in der Phase voneinander abweichenden Teilspannungen zusammensetzt. Bei solcher Anordnung gewinnt man nämlich die Möglichkeit, mit dem Windungsschlußschutz gleichzeitig auch einen Erdschlußschutz der Induktorwicklung zu verbinden, indem man an der Drosselspulenanordnung einen solchen Punkt erdet, daß im Erdschlußfall zwei Fehlerströme entstehen, die sich in der Erdverbindung und an der Fehlerstelle vereinigen, die aber verschiedene Phasenlage haben, so daß sie sich niemals kompensieren können, an welcher Stelle auch immer der Erdschluß im überwachten Gleichstromkreis entstanden sein mag. Man kann zwei gegeneinander phasenverschobene Spannungen auch mit nur einer einzigen Drosselspule erzielen,

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben morden:

Dipl.-Ing. Ernst Bopp in Berlin-Siemensstadt.

beispielsweise wenn man zu dieser eine Reihenschaltung aus zwei Impedanzen mit verschiedenen Phasenwinkeln parallel schaltet, wobei dann der Punkt zwischen diesen beiden Impedanzen zu erden ist. Man ist also nicht genötigt, für den Erdschluß schutz eine besondere Drosselspule oder einen besonderen Transformator vorzusehen.

Einzelheiten der Erfindung werden ,an ίο Hand zweier Figuren näher erläutert.

In Fig. ι ist die Überwachungseinrichtung des Feldkreises sowie der zugehörige Teil der Statorwicklung des Generators mit den Anschlußleitungen wiedergegeben. In Fig. 2 ist lediglich der Gleichstromkreis und eine etwas anders aufgebaute Schutzeinrichtung schematisch dargestellt.

In Fig. ι ist die Ständerwicklung des Generators mit i, seine Feldwicklung mit 2 bezeichnet. Von der Ständerwicklung des Generators gehen drei Leitungen zu einem Leitungsschalter 3, welcher durch eine Auslösespule 4 geöffnet wird, sobald ein Rotorwindungsschlußrelais 5 seinen Kontakt schließt. Das Relais 5 soll ansprechen, wenn in der Rotorwicklung 2 ein Windungsschluß entsteht. Zu diesem Zweck liegt das Relais S in einem Stromkreis, der im Ausführungsbeispiel von einer verketteten Spannung des Generators 1 gespeist wird und zwei Drosselspulen oder Transformatoren 6 und 7 enthält. Die Drosselspulen 6 und 7 stellen einen so hohen Widerstand dar, daß normalerweise der Strom im Relais 5 unteri'der Ansprech-Stromstärke liegt. Die Drosselspulen 6 und 7 besitzen je einen Eisenkern, die aber magnetisch nicht miteinander verkettet sind. Auf dem Eisenkern befinden sich Sekundärwicklungen 8 und 9, die in Reihe geschaltet sind und an den Punkten 10 und 11 mit der Zuleitung zur Erregerwicklung 2 verbunden sind. Die Wicklung 2 bildet eine Belastung der Drpsselspulenanordnung 6, 7. Bei einem Windungsschluß der Rotorwicklung 2 ändert sich nun die Induktivität der Rotorwicklung in außerordentlich hohem Maße, da die kurzgeschlossenen Windungen die Entstehung eines Wechselfeldes im Magnetkörper, der die Wicklung 2 trägt, unterdrücken. Dadurch wird dann, auch wenn nur wenige oder nur eine einzige Windung der Wicklung 2 in sich kurzgeschlossen ist, der induktive Widerstand der Spulen 6 und 7 erheblich vermindert, so daß nunmehr der Strom im Relais 5 die zum Ansprechen dieses Relais erforderliche Stärke annimmt.

Mit dem Windungsschlußschutz kann bei der Anordnung in Fig. 1 auch ein Erdschlußschutz der Induktorwicklung verbunden werden. Für den Erdschlußschutz ist die Erdung in der Mitte zwischen den Wicklungen 8 und 9 vorgesehen sowie ein Differentialtransfortnator 13, welcher von den Wechselströmen der Wicklungen 8 und 9 derart erregt wird, daß ein Erdschlußrelais 14 eine der geometrisehen Differenz dieser Ströme proportionale Spannung erhält. Wenn der Transformator nur einen solchen Eisenkern besitzt, daß seine beiden Erregerwicklungen zwangsläufig magnetisch miteinander verkettet sind, dann tritt keine Gleichstromvormagnetisierung auf. Solange in der Wicklung 2 oder in dem damit verbundenen Stromkreis kein Erdschluß entstanden ist, müssen die Ströme in den Wicklungen 8 und 9 gleich groß und gleichphasig sein, so daß normalerweise ihre geometrische Differenz gleich Null ist. Wenn aber in dem zu schützenden Stromkreis ein Erdschluß auftritt, treiben die Spannung der Wicklung 8 und ebenso die Spannung der Wicklung 9 jede für sich einen Strom über die Fehlerstelle und über die Erdverbindung 12. Wenn die Spannungen der Wicklungen 8 und 9 gleich groß sind und der Fehler in der Mitte der Wicklung 2 entsteht, würden die beiden Fehler ströme gleich groß sein; in allen Fehlerfällen haben sie verschiedene Größen. Damit das Erdschluß relais aber auch dann in Tätigkeit tritt, wenn der Fehler zufällig in der Mitte der Wicklung 2 entstanden ist, erhalten die Spannungen in den Wicklungen 8 und 9 voneinander abweichende Phasenlagen. Zu diesem Zweck ist in Fig. 1 der Wicklung 7 beispielsweise ein Kondensator 15 parallel geschaltet. Dadurch entsteht zwischen den Spannungen in den Wicklungen 6 und 7 und dementsprechend auch in den Wicklungen 8 und 9 eine Phasenverschiebung. Es ist dann nicht möglich, daß sich die beiden Fehlerströme, die von den Spannungen der beiden too Wicklungen 8 und 9 hervorgerufen werden, in der Erdverbindung 12 oder, was das gleiche ist, im Differentialtfansformator 13 kompensieren können, so daß also in jedem Erdschlußfall das Relais 14 zum Ansprechen kommt. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann das Erdschlußrelais 14 zu der Drosselspulenanordnung 6, 7 einen Nebenschluß 16 parallel schalten und auf diese Weise z. B. mittels des Relais 5 die Abschaltung des Generators 1 bewirken; statt dessen kann das Relais 14 auch lediglich eine Signaleinrichtung betätigen oder auf andere' Weise die Auslösung des Schalters 3 bewirken.

In Fig. 2 sind die zu schützende Wicklung 2, das Windungsschlußrelais 5 und das Erdschluß relais 14 in einer etwas anderen Gesamtanordnung dargestellt.

Zur Speisung des Stromkreises, der das Windungsschlußrelais 5 erhält, ist eine Spannungsquelle 20 vorgesehen, deren Spannung konstante Höhe besitzen möge. In Reihe mit

dem Relais 5 liegt eine Drosselspulenanordnung 21, deren Spannungsabfall unmittelbar der Erregerwicklung 2 aufgedrückt ist. Zur Abriegelung des Gleichstromes ist ein Reihenresonanzkreis 22 vorgesehen, damit durch den Gleichstrom nicht eine Vormagnetisierung der Drosselspule 21 hervorgerufen wird, was nachteilig sein kann, wenn die Drosselspule 21, wie in der Zeichnung angenommen ist, einen Eisenkern besitzt und wenn die Höhe der Gleichspannung in der Erregerwicklung 2 veränderlich ist. Ein Kondensator oder ein Reihenresonanzkreis aus einer Drosselspule Und einem Kondensator kann auch bei der Anordnung in Fig. 1 angewendet werden, um den Gleichstrom von den Wicklungen 8, 9 und 13 fernzuhalten. Man kann auch den Gleichstrom durch eine weitere Wicklung, die von Gleichstrom durchflossen wird, kompensieren. Eine solche Wicklung kann an die Klemmen der Erregermaschine angeschlossen sein. Der Resonanzkreis 22 ist auf die Frequenz der Spannungsquelle 20 abgestimmt. Man kann sich aber auch auf andere Weise gegen die störende Wirkung eines über die Drosselspule 21 fließenden Gleichstromes schützen, beispielsweise indem keine Eisendrossel, sondern eine Luftdrosselspule oder zumindest eine Drosselspule mit Luftspalt verwendet wird.

Die Wirkungsweise der Anordnung entspricht der der Anordnung in Fig. 1. Die Induktivität der Wicklung 2 ist der Drosselspule 21 parallel geschaltet, so daß also, wenn in der Wicklung 2 ein Windungsschluß auftritt, die Induktivität 21 praktisch kurzgeschlossen wird, wodurch der Strom im Relais 5 einen solchen Wert annimmt, daß das Relais 5 seinen Kontakt schließt. Für die Erdschlußüberwachung ist der Drosselspule 21 eine Reihenschaltung eines Kondensators 23 und eines Ohmschen Widerstandes 24 parallel geschaltet, und die Verbindung zwischen dem Kondensator 23 und dem Widerstand 24 ist geerdet. Bei dem Erdschluß in der Wicklung 2 werden sich wieder zwei Fehlerströme ausbilden, von denen der eine durch die Spannung des Kondensators 23, der andere durch die Spannung am Widerstand 24 hervorgerufen wird, die also verschiedene Phasenlage haben. Für das Erdschlußrelais 14, das an eine Differenzschaltung zweier Hilfsstromwandler 25 und 26 angeschlossen ist, können sich diese Ströme also niemals zu Null ergänzen. Wenn das Erdschlußrelais 14 anspricht und seinen Kontakt schließt, wird dadurch das eine Ende der Drosselspule 21 an Erde gelegt. Gleichzeitig wird der Widerstand 24 kurzgeschlossen. Dies ruft eine Gesamtänderung des Widerstandes der Anordnung 21, 24, 23 von solcher Größe hervor, daß dadurch das Relais 5 zum Ansprechen kommt. ■

Bei passender Größe der Widerstandsteile 23 und 24 läßt sich das Erdschlußrelais 14 und der zugehörige Erregerstromkreis gänzlich entbehren, weil ein Erdschluß in der Wicklung 2 einen unvollkommenen Windungsschluß darstellt und in jedem Fall eine Vergrößerung des Stromes im Relais 5 zur Folge hat. Es ist ohne weiteres möglich, zu erreichen, daß die im ungünstigsten Fall bei Erdschluß auftretende Vergrößerung des Stromes im Relais 5 ausreicht, um das Relais zum Ansprechen zu bringen. Wenn man aber ein Erdschlußrelais anordnet, dann kann man den Erdschlußfall vom Windungsschlußfall trennen, weil bei diesem nur ein Relais, bei jenem auch das Erdschlußrelais anspricht.

Für die Wirkungsweise der Erdschlußanordnung ist es an sich unerheblich, auf welche Weise die bei Erdschluß in der Phase zueinander abweichenden Fehlerströme hervorgerufen werden. An Stelle der Anordnungen, die in den Ausführungsbeispielen der Fig. ι und 2 angewendet sind und bei denen vorausgesetzt wird, daß der Stromkreis, der das Windungsschlußrelais 5 enthält, nur von einer einphasigen Spannung erregt wird, kann ' man auch, wenn dies den Umständen nach günstiger ist, die Spannungen eines vorhandenen Mehrphasennetzes anwenden, um zwei in der Phase verschiedene Spannungen dem zu schützenden Stromkreis aufzuprägen.

Eine Verbesserung der Empfindlichkeit der Anordnung läßt sich dadurch erreichen, daß die .Gleichstromerregermaschine, welche bezüglich des Hilfswechselstromes zu der zu schützenden Rotorwicklung 2 parallel geschaltet ist, für den Wechselstrom einen erhöhten Widerstandswert erhält. Je nach der Art der Erregermaschine kommt hier nur die Ankerwicklung oder die Ankerwicklung mitsamt der Feldwicklung (Hauptschlußschaltung, Nebenschlußschaltung) in Betracht. Zu diesem Zweck kann man in die Zuleitung von der Erregermaschine zur Rotorwicklung an solcher Stelle, daß der von der Hilfswechselstromquelle über die Rotorwicklung fließende Wechselstrom davon nicht betroffen wird; eine zusätzliche Induktivität einschalten. Mit Rücksicht darauf, daß diese Induktivität vom Gleichstrom durchflossen wird, empfiehlt es sich, entweder eine Luftinduktivität oder jedenfalls eine Induktivität mit einem nicht geschlossenen Eisenkreis zu verwenden.

Ein anderes Mittel, welches noch wirksamer ist als die Vorschaltung der Drossel, besteht darin, daß man die Wicklungen der Gleichstromerregermaschine durch Parallelschaltung einer Kapazität auf die Resonanz bei der Frequenz der HilfsSpannung bringt.

Dadurch wird für die Hilfswechselströtne der Weg über die Gleichstromenergie fast vollkommen gesperrt. Änderungen der Höhe der Erregung der Erregermaschine, welche auf die Induktivität ihrer Wicklungen nicht ohne Einfluß ist, kann man dadurch berücksichtigen, daß etwa mit dem Feldregler auch die Parallelkapazität gesteuert wird, wozu im allgemeinen eine Einschaltung oder Abschaltung zusätzlicher Kapazitäten in einer einzigen oder zwei Stufen ausreicht. Man kann auch eine stetige Änderung der Kapazität anwenden. Da es aber nicht erforderlich ist, den Wechselstrom über die Gleichstrommaschine vollkommen zu überbrücken, es vielmehr ausreicht, diesen Strom nur klein zu halten, wird in den meisten Fällen eine besondere Rücksichtnahme auf die Feldregelung gar nicht erforderlich sein. Wenn die Induktivität des Gleichstromankers, zu welchem bei eigenerregten Maschinen im Nebenschluß die Feldwicklung meist parallel liegt, zu klein ist, so daß die erforderliche Kapazität unwirtschaftlich groß wfrd, dann kann man gleichzeitig beide Mittel anwenden, nämlich eine Vorschaltdrosselspule zur Erhöhung der Induktivität des Ankerkreises und Feldkreises der Erregermaschine und gleichzeitig eine Parallelkapazität zu dieser vergrößerten Induktivität.

Unter Verzicht auf Änderungen des Wechselstromwiderstandes der Gleichstrommaschine, soweit ihre Wicklungen mit dem Rotorkreis unmittelbar verbunden sind, kann man einen etwaigen Stromanteil des zur Überwachung der Rotorwicklung angewendeten Hilfsstromes von den Wicklungen der Erregermaschine auch dadurch fernhalten, daß man in diesem Kreis eine Gegenspannung entsprechender Phasenlage einführt. Diese Spannung kann von dem Hilfsstromkreis selbst entnommen werden.

An Stelle oder zugleich mit einer Verkleinerung des über die Gleichstrommaschine fließenden Stromanteiles kann man auch andere Maßnahmen in dem zu überwachenden Rotorkreis, etwa eine Empfindlichkeitssteigerung der Schutzeinrichtung, erzielen, indem man beispielsweise zu dieser Rotorgleichstromwicklung normalerweise eine Kapazität parallel schaltet, welche mit der Rotorwicklung auf Resonanz bei der Hilfsfrequenz abgestimmt ist. Im Falle eines Rotorwindungsschlusses wird dann die Induktivität in dieser Resonanzschaltung stark verringert, so daß die Änderung der Stromstärke vom Normalfall bis zum Fehlerfall erheblich größer wird, als dies ohne Anwendung der Resonanzabstimmung der Fall sein wird. Je größer aber dieses Stromverhältnis wird, um so empfindlicher ist die Relaiseinrichtung und um so weniger vermag der etwa über die Gleichstrommaschine fließende Stromanteil das einwandfreie Arbeiten der Schutzeinrichtung zu gefährden.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Schutzanordnung für Gleichstromwicklungen gegen Windungsschluß, dadurch gekennzeichnet, daß ein Relais (5) in Reihe mit einer von einer im wesentlichen konstanten Wechselspannungsquelle gespeisten Drosselspulenanordnung (6,-7, 21) liegt, zu der die zu überwachende Wicklung (2) parallel als Belastung angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Relais (5) zwei oder mehrere magnetisch nicht miteinander verkettete Drosselspulen (6, 7) mit verschiedenen Phasenwinkeln liegen und daß die zu schützende Wicklung (2) zu der Reihenschaltung dieser Drosselspulen (6, 7) parallel liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß, um die Gleichstromwicklung gleichzeitig auch gegen Erdschluß zu schützen, ein solcher Punkt (12) der Drosselspulenanordnung (6, 7) geerdet ist, daß bei Erdschluß in dem Gleichstromkreis über die Erdschlußstelle und die betriebsmäßige Erdung unabhängig von der Lage der Erdschluß- ⁹S stelle in jedem Erdschlußfall ein zur Relaisbetätigung ausreichender Fehlerstrom fließt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Differenz der Ströme in den Verbindungsleitungen zwischen der Drosselspulenanordnung und dem zugehörigen Gleichstromkreis ein Erdschluß relais (14) erregt. ·

5. Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdschlußrelais (14) in die betriebsmäßige Erdverbindung der Drosselspulenanordnung eingeschaltet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdschlußrelais (14) bei seinem Ansprechen den Widerstandswert der Drosselspulenanordnung derart herabsetzt, daß infolge- 115 ·· dessen das Windungsschlußrelais (5) anspricht.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulenanordnung (6, 7) aus einem oder mehreren Transformatoren besteht, wobei das Windungsschlußrelais

(5) an die Primärseite und gegebenenfalls das Erdschlußrelais (14) an die Sekundärseite angeschlossen sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1 und 3 oder ι und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der Drosselspulenanordnung (6, 7) mit Rücksicht auf den Widerstandswert der zu schützenden Gleichstromwicklung (2) so gewählt sind, daß bei Erdschluß der Gleichstromwicklung der Gesamtwiderstandswert der Drosselspulenanordnung mit der parallel geschalteten Belastung eine solche Verminderung erfährt, daß die Stromaufnahme der Drosselspulenanordnung (6, 7) sich derart vergrößert, daß das Schutzrelais (5) anspricht.

9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung zwischen der Drosselspulenanordnung (21) und dem zu überwachenden Gleichstromkreis eine Gleichstromsperre (Kondensator) (22) eingebaut ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromwiderstand des Ankerkreises der Erregermaschine durch Anordnung einer Vorschaltdrossel erhöht ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 und folgenden, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromwiderstand der mit der zu schützenden Rotorwicklung (2) verbundenen Wicklungen der Erregermaschine durch parallel geschaltete Kondensatoren auf Resonanzwiderstandshöhe bei der Frequenz der Hilfsspannung gebracht ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einführung einer Gegenspannung ein etwaiger Wechselstrom von den Wicklungen der Erregermaschine ferngehalten wird.

13. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 und folgenden, insbesondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zu schützenden Rotorwicklung (2) eine Kapazität parallel geschaltet wird, die zusammen mit der Rotorwicklung (2) auf Resonanz bei der Frequenz der Hilfsspannung abgestimmt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen