УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ОДНОЙ ТОЧКЕ ЦЕПИ ВОЗБУЖДЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02H7/06 

Изобретение относится к электротехнике/ А именно к устройствам защиты синхронных генераторов/ и может быть использовано на электрических станциях и подстанциях для защиты синхронных генераторов и компенсаторов/ а также мощных синхронных двигателей от замыкания обмотки возбуждения на заземленный корпус в одной точке.

Известно устройство для защиты цепей возбуждения синхронной машины осуществляющее защиту от замыкания обмотки возбуждения на заземленный корпус в одной точке. Устройство содержит два токоограничивающих резистора и два управляемых ключа/ два корректирующих конденсатора/ измерительный преобразователь/ формирователь абсолютного значения/ блоки выборки-хранения/ сравнения/ запрета/ управления и выходной орган. Измерительный преобразователь тока в напряжение представляет собой шунт/ один конец которого непосредственно соединен с валом ротора/ а другой через измерительные цепи управляемых ключей и токоограничивающие резисторы присоединен к разноименным полюсам цепи возбуждения. Выход измерительного преобразователя через формирователь абсолютного значения присоединен к входам блока сравнения/ причем к первому - непосредственно/ а к второму - через блок выборки-хранения. Выход блока сравнения присоединен через блок запрета к выходному органу. Между каждым полюсом обмотки возбуждения и корпусом включены корректирующие конденсаторы. Блок управления формирует сигналы/ управляющие измерительной частью устройства: сигналы на поочередное замыкание и размыкание управляемых ключей в цепи измерительного преобразователя; сигнал на размыкание ключа блока выборки-хранения (запоминание входной величины) и размыкание этого ключа (обнуление блока); сигнал на блок запрета/ разрешающий прохождение выходного импульса заданной длительности от блока сравнения на выходной орган [1].

Недостатком этого устройства защиты является наличие гальванической связи устройства с защищаемой цепью/ необходимость включения корректирующих конденсаторов для растягивания процесса во времени/ что снижает точность работы/ учитывая значительный диапазон изменения емкости обмотки возбуждения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для защиты синхронного генератора от замыкания на землю (корпус) в одной точке цепи возбуждения. Устройство содержит источник наложенного переменного напряжения/ присоединенный одним выводом к обмотке возбуждения через последовательно включенные первичную обмотку дополнительного трансформатора тока/ дроссель и разделительный конденсатор/ образующие фильтр/ настроенный на частоту источника переменного напряжения/ а другим выводом - через первую первичную обмотку основанного трансформатора тока - к корпусу; кроме этого между выводами упомянутого источника наложенного напряжения включены последовательно соединенные контур компенсации емкостного тока и вторая первичная обмотка основного трансформатора тока/ включенная встречно с его первичной обмоткой/ причем контур компенсации емкостного тока состоит из последовательно включенных резистора и компенсирующего конденсатора. Вторичная обмотка основного трансформатора тока через последовательно включенные полосовой фильтр/ выпрямитель и сглаживающий фильтр присоединена к входу блока индикации сопротивления изоляции и к входам реагирующих органов чувствительной и грубой ступени. Выход реагирующего органа грубой ступени через элемент выдержки времени присоединен к указательному и промежуточному реле/ действующему на отключение генератора. Выход реагирующего органа чувствительной ступени присоединен через второй элемент выдержки времени к второму указательному реле/ а также присоединен с блокировочному входу сигнального элемента/ срабатывающего при нарушении контакта щетка-вал генератора. Вторичная обмотка дополнительного трансформатора тока через блок фиксации нарушения контакта щетка-вал генератора/ содержащий последовательно включенные полосовой фильтр/ двухполупериодный выпрямитель/ сглаживающий фильтр/ блок выделения напряжения приращения присоединена к входам двухпороговых элементов с разной полярностью срабатывания/ выходы которых присоединены к входу триггера/ соединенного с входом упомянутого сигнального элемента/ выход которого присоединен к входам блокировки срабатывания названных элементов выдержки времени чувствительной и грубой ступеней защиты.

Величина емкости компенсирующего конденсатора подбирается равной емкости цепи возбуждения/ таким образом в одной первичной обмотке основного трансформатора тока при замыкании цепи возбуждения на корпус протекает полный ток/ а в другой первичной обмотке - ток/ равный емкостной составляющей тока замыкания на корпус. Во вторичной обмотке/ таким образом/ ток пропорционален активной составляющей тока замыкания на корпус обмотки возбуждения/ т. е. обратно пропорционален сопротивлению изоляции. При нарушениях контакта щетка-вал генератора ток в первой первичной обмотке исчезает/ а во второй - остается/ что может привести к ложной работе защиты/ для исключения которой предусмотрена блокировка по факту скачкообразного изменения тока/ измеряемого дополнительным трансформатором тока.

Недостатком этого устройства является сложность устройства/ а также низкая точность измерения сопротивления изоляции. О нем судят по величине активной составляющей тока/ зависящей от величины амплитуды напряжения источника наложенного переменного напряжения и от точности компенсации емкостной составляющей тока путем подстройки компенсирующего конденсатора. Колебания амплитуды напряжения источника наложенного переменного напряжения и изменение величины емкости цепи возбуждения могут привести к неправильной работе защиты.

Цель изобретения - повышение чувствительности защиты путем повышения точности измерения сопротивления изоляции при изменениях наложенного напряжения/ емкости цепей возбуждения и активного сопротивления фильтра присоединения.

Поставленная цель достигается тем/ что устройство для защиты синхронного генератора от замыкания на землю в одной точке цепи возбуждения/ содержащее источник наложенного переменного напряжения/ первый вход которого присоединен через последовательно включенные первичную обмотку селективного преобразователя тока в напряжение и фильтр присоединения к обмотке возбуждения/ а второй вывод заземлен/ блок индикации сопротивления изоляции/ реагирующие органы чувствительной и грубой ступеней защиты/ блок фиксации нарушения контакта щетка-вал генератора/ присоединенный к выводу селективного преобразователя тока в напряжение и содержащий формирователь среднего значения/ выход которого присоединен через блок выделения напряжения приращения к входам первого и второго пороговых элементов с разными полярностями срабатывания/ выходы которых присоединены к входам триггера/ а выход последнего - к входу сигнального элемента/ содержит также дополнительный источник наложенного напряжения/ частота которого отлична от частоты упомянутого источника наложенного переменного напряжения/ и первый вход которого присоединен через последовательно включенные первичную обмотку дополнительного селективного преобразователя тока в напряжение и дополнительный фильтр присоединения к обмотке возбуждения/ а второй вывод заземлен/ а также первый и второй селективный преобразователи напряжения в напряжение/ первый и второй блоки определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ первый/ второй и третий сумматоры/ первый и второй делители/ блок перемножения/ выход которого присоединен к входам блока индикации сопротивления изоляции/ реагирующих органов чувствительной и грубой степеней защиты/ причем входы первого селективного преобразователя напряжения присоединены к выводам источника наложенного напряжения/ а выход - к первому входу первого блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ второй вход которого присоединен к выходу селективного преобразователя тока в напряжение/ входы второго селективного преобразователя напряжения в напряжение присоединены к выводам дополнительного источника наложенного напряжения/ а выход - к первому взоду второго блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ второй вход которого присоединен к выходу дополнительного селективного преобразователя тока в напряжение/ первый вход первого сумматора присоединен к первому выходу первого блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ второй выход которого присоединен к первому входу второго сумматора/ второй вход первого сумматора присоединен к первому выходу второго блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ второй выход которого присоединен к второму входу второго сумматора/ выходы первого и второго сумматоров присоединены к входам первого и второго делителей/ причем выход первого сумматора подсоединен к первому входу первого делителя и к второму входу второго делителя/ а выход второго сумматора - к второму входу первого делителя и первому входу второго делителя/ выходы первого и второго делителей подключены к входам третьего сумматора/ выход которого соединен с первым входом блока перемножения/ второй вход которого подключен к второму выходу второго блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ а выход - с входами блока индикации сопротивления изоляции и реагирующих органов чувствительной и грубой ступеней защиты; блок определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления содержит блоки определения активной и реактивной мощностей/ блок вычисления квадрата действующего значения тока/ первый и второй блоки деления/ выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ причем первые входы блоков определения активной и реактивной мощностей объединены и являются первым входом блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ вторые входы блоков определения активной и реактивной мощности и вход блока вычисления квадрата действующего значения тока объединены и являются вторым входом блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ первый вход первого блока деления присоединен к выходу блока определения активной мощности/ первый вход второго блока деления присоединен к выходу блока определения реактивной мощности/ а вторые входы первого и второго блоков деления присоединены к выходу блока определения квадрата действующего значения тока.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство подключено к обмотке 1 возбуждения и содержит источник 2 наложенного переменного напряжения/ селективный преобразователь 3 тока в напряжение/ фильтр 4 присоединения/ блок 5 индикации сопротивления изоляции/ реагирующие органы грубой 6 и чувствительной 7 ступеней защиты/ блок 8 фиксации нарушения контакта щетка-вал генератора/ формирователь 9 среднего значения/ блок 10 выделения напряжения приращения/ первый 11 и второй 12 пороговые элементы разными полярностями срабатывания/ триггер 13/ сигнальный элемент 14/ дополнительный источник 15 наложенного напряжения/ дополнительный селективный преобразователь 16/ дополнительный фильтр 17 присоединения/ первый 18 и второй 19 селективные преобразователи напряжения в напряжение/ первый 20 и второй 21 блоки определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления/ первый 22/ второй 23 и третий 26 сумматоры/ первый 24 и второй 25 делители/ блок 27 перемножения/ блок определения активной 28 и реактивной 29 мощностей/ блок 30 выделения квадрата действующего значения тока/ первый 31 и второй 32 блоки деления.

Устройство работает следующим образом.

Источник 2 имеет частоту ω₁/ а источник 15 - частоту ω₂. Напряжение на выходе первого селективного преобразователя 18 пропорционально падению напряжения на эквивалентном сопротивлении изоляции обмотки 1 возбуждения и имеет вид
U₁= U_1msinω₁t
Это падение напряжения создается током
i₁= I_1msin(ω₁t+ϕ₁) напряжение/ пропорциональное которому имеет место на выходе селективного преобразователя 3.

Аналогично/ напряжение на выходе второго селективного преобразователя 19 равно
U₂= U_2msinω₂t
а на выходе преобразователя 16 напряжение пропорционально току от дополнительного источника 15
i₂= I_2msin(ω₂t+ϕ₂)
На выходах блоков 28 и 29 первого блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления 20 формируются напряжения/ пропорциональные активной Р₁и реактивной Q₁ мощностей на частоте ω₁. После деления этих напряжений на напряжение/ пропорциональное квадрату действующего значения наложенного тока I21

R₁= P₁/I21

Аналогично на выходах второго блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления 21 изоляции обмотки возбуждения на частоте ω₂/ имеем напряжения/ пропорциональные
R₂= , X₂=
Исходя из схемы замещения эквивалентное сопротивление изоляции на частоте ω₁
Z₁=R₁+jX₁=r+ - j
а на частоте ω₂
Z₂= R₂+jX₂= r+ - j где R - активное сопротивление изоляции;
С - емкость изоляции;
r - активное сопротивление фильтров 4 и 17.

Учитывая/ что коэффициенты передачи по входам первого сумматора 22 составляют +1 и -1 соответственно/ на его выходе имеем напряжение/ пропорциональное
ΔR=R₁-R₂= -
На выходе второго сумматора 23 при коэффициенте передачи его первого входа ω₂/ω₁ и второго входа - 1 присутствует напряжение/ пропорциональное
ΔX=X + X₂= -ω₂R²C -
Тогда на выходах первого 24 и второго 25 делителя напряжения пропорциональные величинам ΔR/ΔX и ΔX/ΔR
= , = -ω₂RC
На выходе третьего сумматора 26 напряжение равно
- + ω₂RC/
а на выходе блока 27 перемножения сформировано напряжение/ пропорциональное активному сопротивлению изоляции обмотки возбуждения
R=- + ω₂RC-
Расчеты относительной погрешности измерения сопротивления изоляции для защиты КЗР-3 показывают/ что эта погрешность при изменении емкости цепи возбуждения в пределах 0-5 мкФ может изменяться в диапазоне от 1 до 50% . Более того погрешность может быть разная в зависимости от величины сопротивления фильтра присоединения (например/ при r = 100 Ом и С = 5 мкФ ΔR′= 21% / а при r = 510 Ом ΔR′= 48%). Эти расчеты справедливы и для прототипа/ поскольку в нем отстройка от r и С производится аналогично. Как видно из приведенного выше описания/ предлагаемое устройство для вычисления R отстроено от емкостной проводимости и активного сопротивления фильтров присоединения/ что исключает погрешность/ связанную с компенсацией r и С. Такая отстройка позволяет более точно измерять эквивалентное сопротивление изоляции/ что повышает чувствительность защиты и выявить наступающее ухудшение изоляции на более ранней стадии/ предотвращая тем самым разрушения/ которые могут возникнуть в процессе короткого замыкания/ и снизить затраты на ремонт.

В настоящее время ведется подготовка к установке устройства на Березовской ГРЭС.

Использование: для защиты генераторов, мощных синхронных двигателей от замыкания на землю цепей возбуждения с повышеннием чувствительности защиты путем повышения точности измерения сопротивления изоляции. Сущность изобретения: в устройство для защиты синхронного генератора от замыкания на землю в одной точке цепи возбуждения, содержащее источник наложенного переменного напряжения, селективный преобразователь тока в напряжение, фильтр присоединения, блок индикации сопротивления изоляции, реагирующие органы чувствительной и грубой ступеней защиты, блок фиксации нарушения контакта щетка-вал генератора, сигнальный элемент, введены дополнительный источник наложенного напряжения, дополнительный селективный преобразователь, дополнительный фильтр присоединения, первый и второй селективные преобразователи напряжения в напряжение, первый и второй блоки определения активной и реактивной составляющей эквивалентного сопротивления, первый, второй и третий сумматоры, первый и второй делители, блок перемножения. Определение эквивалентного сопротивления изоляции осуществляется вычислительным путем с отстройкой от изменения наложенного напряжения, емкости цепи возбуждения и активного сопротивления фильтра присоединения. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ОДНОЙ ТОЧКЕ ЦЕПИ ВОЗБУЖДЕНИЯ, содержащее источник наложенного переменного напряжения, первый вход которого присоединен через последовательно включенные первичную обмотку селективного преобразователя тока в напряжение и фильтр присоединения к клемме для соединения с обмоткой возбуждения, а второй вывод соединен с клеммой заземления, блок индикации сопротивления изоляции, реагирующие органы чувствительной и грубой ступеней защиты, блок фиксации нарушения контакта щетка - вал генератора, присоединенный к выводу селективного преобразователя тока в напряжение и содержащий формирователь среднего значения, выход которого присоединен через блок выделения напряжения приращения к входам первого и второго пороговых элементов с разными полярностями срабатывания, выходы которых присоединены к входам триггера, а выход последнего - к входу сигнального элемента, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности защиты путем повышения точности измерения сопротивления изоляции при изменениях наложенного напряжения, емкости цепей возбуждения и активного сопротивления фильтра присоединения, устройство содержит дополнительный источник наложенного напряжения, частота которого отлична от частоты источника наложенного переменного напряжения, и первый вход которого присоединен через последовательно включенные первичную обмотку дополнительного селективного преобразователя тока в напряжение и дополнительный фильтр присоединения к обмотке возбуждения, а второй вывод заземлен, а также первый и второй селективные преобразователи напряжения в напряжение, первый и второй блоки определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления, первый, второй и третий сумматоры, первый и второй делители, блок перемножения, выход которого присоединен к входам блока индикации сопротивления изоляции, реагирующих органов чувствительной и грубой ступеней защиты, причем входы первого селективного преобразователя напряжения присоединены к выводам источника наложенного напряжения, а выход - к первому входу первого блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления, второй вход которого присоединен к выходу селективного преобразователя тока в напряжение, вход второго селективного преобразователя напряжения в напряжение присоединен к выводам дополнительного источника наложенного напряжения, а выход - к первому входу второго блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления, второй вход которого присоединен к выходу дополнительного селективного преобразователя тока в напряжение, первый вход первого сумматора присоединен к первому выходу первого блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления, второй выход которого присоединен к первому входу второго сумматора, второй вход первого сумматора присоединен к первому выходу второго блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления, второй выход которого присоединен к второму входу второго сумматора, выходы первого и второго сумматоров присоединены к входам первого и второго делителей, причем выход первого сумматора подсоединен к первому входу первого делителя и к второму входу второго делителя, а выход второго сумматора - к второму входу первого делителя и первому входу второго делителя, выходы первого и второго делителей подключены к входам третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом блока перемножения, второй вход которого подключен к второму выходу второго блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления содержит блоки определения активной и реактивной мощностей, блок вычисления квадрата действующего значения тока, первый и второй блоки деления, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления, причем первые входы блоков определения активной и реактивной мощностей объединены и являются первым входом блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления, вторые входы блоков определения активной и реактивной мощностей и вход блока вычисления квадрата действующего значения тока объединены и являются вторым входом блока определения активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления, первый вход первого блока деления присоединен к выходу блока определения активной мощности, первый вход второго блока деления присоединен к выходу блока определения реактивной мощности, а вторые входы первого и второго блоков деления присоединены к выходу блока определения квадрата действующего значения тока.