Verfahren zur Berechnung der Auswirkungen innerer Fehler in Turbogeneratoren unter Berücksichtigung des Sättigungseinflusses
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München
Verlag Dr. Hut
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Der Fakultät
für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Dortmund
vorgelegte
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
von
Dipl -Ing Dominique Melot de Beauregard
Dortmund
2014
Hauptreferent:
Korreferent:
Tag der mündlichen Prüfung:
Prof Prof Dr -Ing Dr -Ing S Kulig
Prof Dr -Ing D Peier
07 Januar 2015
Inhaltsverzeichnis
Vorwort I
Zusammenfassung III
Symbole und Indizes IX
1 Einleitung 1
2 Stand der Forschung 3
3 Ziele und Aufbau der Arbeit 9
4 Ursachen von Windungsschlüssen in der Ständerwicklung 11
4 1 Aufbau der Ständerwicklung 11
411 Aktivteil 12
412 Wickelkopf 12
413 Mögliche Kurzschlusskonfigurationen 14
4 2 Isoliersysteme 16
421 Hauptisolierung 16
422 Grenzflächenbehandlung 18
4 3 Schadensmechanismen 20
431 Thermische Alterung 20
432 Thermisch-mechanische Beanspruchungen 20
433 Teilentladungen 21
434 Funkenerosion durch Hochspannung 21
435 Funkenerosion durch induzierte Längsspannung 22
436 Weitere Ursachen 22
4 4 Monitoring und Diagnose 23
441 Verlustfaktormessung 23
442 Teilentladungsmessung 23
V
5 Ableitung eines analytischen Berechnungsverfahrens für Windungs- und
Phasenschlüsse 25
5 1 Ableitung der Spannungsgleichungen 26
5 2 Verschaltung der Einzelstränge zu einem System 28
5 3 Adaption des Modells zur Berechnung innerer Fehler unter Berücksichti-
gung der Sättigung 31
531 Koenergie-Methode 32
532 Modellierung der Dämpferwicklung 40
533 Berücksichtigung der Wickelkopfinduktivität 43
5 4 Aufstellung des Gleichungssystems 47
5 5 Lösung des Differenzialgleichungssystems 53
6 Einsatz der Finite-Elemente-Methode zur Berechnung innerer Fehler 57
6 1 Die Feldgleichungen 57
6 2 Variationsmethode nach Ritz 59
6 3 Berücksichtigung der Sättigung 62
6 4 Verwendete FEM-Programme 64
641 Koenergiebestimmung mit ANSYS 64
642 Transiente Berechnungen mit FLUX 2D 65
7 Untersuchung der Abhängigkeiten für das Verhalten bei inneren Fehlem 67
7 1 Vorgehen bei der Berechnung und Darstellung der Ergebnisse 67
7 2 Validierung des analytischen Verfahrens 72
7 3 Einfluss der Wickelkopfinduktivitäten 75
7 4 Abhängigkeit von der Kurzschlusskonfiguration 78
741 Windungsschlüsse innerhalb eines Stranges 78
742 Windungsschlüsse zwischen zwei parallelen Strängen 82
743 Phasenschlüsse 84
7 5 Einfluss des Kurzschlusszeitpunktes 87
7 6 Einfluss des Betriebspunktes 91
761 Das Leistungsdiagramm der Synchronmaschine 91
762 Leistungsvariation 92
763 Leerlauf 97
764 Spannungsvariation 103
7 7 Bewertung der Ergebnisse 105
8 Messtechnische Erfassung von Windungsschlüssen 107
8 1 Schutzsysteme für Turbogeneratoren 107
VI
811 Ständererdschlussschutz 108
812 Differenzialschutz 109
813 Distanzschutz 110
814 Schieflastschutz 111
8 2 Untersuchung der Schutzsysteme hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit bei
Windungs- und Phasenschlüssen 114
821 Erfassung von Windungsschlüssen in einem Strang 114
822 Erfassung von Windungsschlüssen zwischen zwei Strängen 117
823 Erfassung von Phasenschlüssen 121
9 Fazit und Ausblick 127
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