УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЗАЩИТЫ ОБМОТКИ СТАТОРА БЛОЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ Российский патент 1995 года по МПК H02H7/06 G01R27/16 

Изобретение относится к электpотехнике и может быть использовано для релейной защиты синхpонных генеpаторов, оперативной диагностики состояния статорной изоляции и защиты от замыканий на землю.

Известны мегаомметры для измерения сопротивления изоляции у генераторов с водным охлаждением обмотки статора [1] Измерение сопротивления изоляции осуществляется не в рабочем режиме, а при профилактических осмотрах и ремонтах генератора. При этом генератор отключается от сети, развозбуждается, вода из системы охлаждения сливается. Таким образом, мегаомметры не могут быть использованы для непрерывного контроля состояния изоляции генератора в рабочем режиме и определения дефектов изоляции на ранней стадии их развития.

Известны устройства релейной защиты блоков генератор-трансформатор от замыкания на землю, выявляющие катастрофически развивающееся повреждение изоляции статора замыкание на землю [2, 3] Эти устройства выполняются путем наложения на обмотку статора постоянного тока, как, например, в устройстве РЗГ-100 [2] или путем наложения на обмотку статора переменного тока второй гармоники [3] Эти устройства релейной защиты содержат один источник накладываемого напряжения, который присоединяется к измерительному трансформатору напряжения, и реагирующий орган. Однако все они реагируют на такое большое изменение сопротивления изоляции, которое приводит к ее повреждению, пробою, т. е. не могут выявить раннюю стадию возникновения повреждения изоляции, не являющуюся аварийным режимом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для контроля изоляции и защиты обмотки статора блочного генератора от замыканий на землю, содержащее измерительный трансформатор напряжения, высоковольтные обмотки которого соединены в звезду с заземленной нейтралью и пофазно присоединены к выводам обмотки статора, измерительный шунт, аналого-цифровой преобразователь, присоединенный к входу в микроЭВМ, выход которой присоединен к цифровому индикатору и исполнительному органу [4]
Недостатком этого устройства является невысокая достоверность контpоля состояния изоляции вследствие зависимости результатов измерений от изменений амплитуды напряжения источника переменного напряжения, сложного алгоритма обработки результатов измерений на микроЭВМ (для определения параметров изоляции необходимо решать систему нелинейных уравнений четвертой степени), а также вследствие неучета сопротивления системы охлаждения у синхронных генераторов с непосредственным водным охлаждением обмоток.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и достоверности контроля состояния изоляции.

Кроме этого в устройство для контроля изоляции и защиты обмотки статора блочного генератора от замыканий на землю, содержащее измерительный трансформатор напряжения, высоковольтные обмотки которого соединены в звезду с заземленной нейтралью и пофазно присоединены к выводам обмотки статора, измерительный шунт, аналого-цифровой преобразователь, присоединенной к входу микроЭВМ, выход которой присоединен к цифровому индикатору и исполнительному органу, дополнительно введены первый и второй стабилизированные источники переменного напряжения, первый и второй селективные формирователи средневыпрямленного напряжения, первый преобразователь напряжения в напряжение, первое и второе устройства выборки и хранения, мультиплексор, причем первый полюс первого стабилизированного источника переменного напряжения присоединен к одному выводу низковольтной обмотки трансформатора напряжения, соединенной в разомкнутый треугольник, а второй полюс через измерительный шунт присоединен к другому выводу, входы первого преобразователя напряжения в напряжение присоединены к выводам измерительного шунта, а вход к входу первого селективного формирователя средневыпрямленного напряжения, выход которого присоединен к входу первого устройства выборки и хранения, выход мультиплексора присоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, а первый и второй входы к входам первого и второго устройств выборки и хранения соответственно, первый управляющий выход микроЭВМ присоединен к управляющим входам первого и второго устройств выборки и хранения, второй управляющий выход микроЭВМ присоединен к управляющему входу мультиплексора, третий управляющий выход микроЭВМ присоединен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, вход второго селективного формирователя средневыпрямленного напряжения присоединен к выходу первого преобразователя напряжения в напряжение, а выход к входу второго устройства выборки и хранения, полюса которого стабилизированного источника переменного напряжения соединены с соответствующими полюсами первого источника, а также дополнительно введены второй преобразователь напряжения в напряжение, третий и четвертый селективные формирователи средневыпрямленного напряжения, третье, четвертое и пятое устройства выборки и хранения, причем входы третьего и четвертого селективных формирователей средневыпрямленного напряжения присоединены к выходу второго преобразователя напряжения в напряжение, а выходы к входам соответственно третьего и четвертого устройств выборки и хранения, выходы которых присоединены к третьему и четвертому входам мультиплексатора, а управляющие входы третьего и четвертого устройств выборки и хранения присоединены к первому управляющему выходу микроЭВМ, дополнительно введены датчик проводимости охлаждающей среды, присоединенный к входу пятого устройства выборки и хранения, выход которого присоединен к пятому входу мультиплексора, а управляющий вход мультиплексора присоединен к первому управляющему входу микроЭВМ.

Положительный эффект заключается в повышении надежности и достоверности контроля состояния изоляции. Повышение надежности достигается за счет исключения гальванической связи между источником напряжения и высоковольтными обмотками измерительного трансформатора напряжения, вследствие чего исключается опасность повреждения устройства из-за повреждения изоляции высоковольтных обмоток измерительного трансформатора напряжения. Повышение достоверности контроля изоляции достигается путем упрощения системы уравнений и алгоритма обработки информации, выполняемой микроЭВМ, за счет введения второго источника переменного напряжения, а также путем исключения зависимости результатов измерений от отклонений амплитуды напряжения источников переменного напряжения за счет введения второго преобразователя напряжения в напряжение, третьего и четвертого селективных формирователей среднезапрямленного напряжения, третьего и четвертого устройства выборки и хранения и соответствующего их соединения.

На чертеже показана структурная схема устройства для контроля изоляции и защиты обмотки статора блочного генератора от замыканий на землю.

Устройство содержит синхронный генератор 1, блочный трансформатор 2, измерительный трансформатор 3 напряжения, первичные обмотки которого соединены в звезду и подключены пофазно к выводам синхронного генератора, а вторичные обмотки соединены в разомкнутый треугольник, первый стабилизированный источник 4 переменного напряжения, преобразователь 5 тока в напряжение, содержащий измерительный шунт 6, к выводам которого присоединен первый преобразователь 7 напряжения, первый селективный формирователь 8 средневыпрямленного напряжения, содержащий последовательно включенные селективный фильтр 9 и формирователь 10 средневыпрямленного напряжения, первое 11 и второе 12 устройства выборки и хранения (УВХ), мультиплексор 13, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14, микроЭВМ 15, исполнительный орган 16, цифровой индикатор 17, второй селективный формирователь 18 средневыпрямленного напряжения, второй стабилизированный источник 19 переменного напряжения, второй преобразователь 20 напряжения в напряжение, третий 21 и четвертый 22 селективные формирователи средневыпрямленного значения, третье 23 и четвертое 23 УВХ.

Первые полюса первого и второго источников переменного напряжения соединены между собой и присоединены к одному выводу вторичных обмоток измерительного трансформатора 3 напряжения, соединенных в разомкнутый треугольник, и к первому входу второго преобразователя 20 напряжения в напряжение. Вторые полюса источников 4 и 19 соединены между собой и присоединены к второму входу второго преобразователя 20 напряжения в напряжение непосредственно, а к второму выводу вторичных обмоток измерительного трансформатора 3 через измерительный шунт 6. Выход преобразователя 5 тока в напряжение присоединен к входам первого 8 и второго 18 селективных формирователей средневыпрямленного напряжения. Выход второго преобразователя 20 напряжения в напряжение присоединен к входу третьего 21 и четвертого 22 селективных формирователей средневыпрямленного напряжения. Выходы первого 8, второго 18, третьего 21 и четвертого 22 селективных формирователей присоединены к входам соответственного первого 11, второго 12, третьего 23 и четвертого 24 УВХ, выходы которых присоединены к входам мультиплексора 13. Вход АЦП 14 присоединен к выходу мультиплексора 13, а выход к входу микроЭВМ 15, выход которой присоединен к входам исполнительного органа 16 и цифрового индикатора 17. Управляющие входы первого 11, второго 12, третьего 23 и четвертого 24 УВХ присоединены к первому управляющему выходу микроЭВМ. Управляющий вход мультиплексора 13 присоединен к второму управляющему выходу микроЭВМ. Управляющий вход АЦП 14 присоединен к третьему управляющему выходу микроЭВМ.

На чертеже также показаны элементы схемы замещения изоляции: активное сопротивление изоляции R_и и емкость изоляции С_и, и элементы схемы замещения охлаждающей среды: активное сопротивление R_о и емкость С_о. Будучи включенными параллельно, эти элементы образуют эквивалентное сопротивление изоляции и охлаждающей среды
R + (1) и эквивалентную емкость изоляции и охлаждающей среды
С С_и + С_о (2)
Устройство работает следующим образом.

Первый стабилизированный источник 4 переменного напряжения создает напряжение U₁ частоты f₁, а второй стабилизированный источник 19 переменного напряжения U₂ частоты f₂. Частоты f₁ и f₂ выбираются отличными от промышленной, например f₁ 200 Гц, f₂ 25 Гц. Под действием этих напряжений в низковольтных обмотках измерительного трансфоpматора 3 протекают токи, наводящие в высоковольтных обмотках измерительного трансформатора ЭДС нулевой последовательности, которые обуславливают протекание в изоляции и охлаждающей среде токов I₁ частоты f₁ и I₂ частоты f₂:
I₁= (3)
I₂= (4)
На измерительном шунте 6 эти токи создают падение напряжения, пропорциональное их величинам, а на выходе преобразователя 7 напряжения в напряжение создается напряжение, пропорциональное току в изоляции и охлаждающей среде, поступающее на входы первого 8 и второго 18 селективных формирователей средневыпрямленного напряжения. Все селективный формирователи средневыпрямленного значения выполнены по одинаковым схемам и содержат последовательно включенные селективный фильтр 9 и формирователь 10 средневыпрямленного значения. Последний является выпрямителем, на входе которого включен сглаживающий фильтр. На выходе селективного формирователя, образуется напряжение, пропорциональное среднему значению его входного напряжения за полпериода. Для синусоидального напряжения амплитуда U_m, действующее значение U и среднее за полпериода значение U_ср пропорциональны друг другу и связаны следующей зависимостью.

U_m= U U_ср·π/2
Поскольку селективный фильтр обеспечивает на входе выпрямителя гармоническое напряжение только определенной частоты, т.е. синусоидальной формы, то напряжение на выходе селективного формирователя пропорционально действующему значению его напряжения соответствующей частоты на его входе. При этом селективный фильтр 9 пеpвого формирователя 8 пропускает сигнал частоты f₁, а селективный фильтр 9 второго формирователя 18 сигнал частоты f₂. На выходе первого селективного формирователя 8 образуется напряжение, пропорциональное действующему значению тока I₁, а на выходе второго селективного формирователя 18 напряжение, пропорциональное действующему значению тока I₂.

На выходе преобразователя 20 напряжения в напряжение получается напряжение, пропорциональное напряжениям U₁ и U₂ источников 4 и 19 переменного напряжения. При этом на выходе третьего селективного формирователя 21 средневыпрямленного напряжения, селективный фильтр 9 которого пропускает сигнал частоты f₁, образуется напряжение, пропорциональное U₁, а на выходе четвертого селективного формирователя 22, селективный фильтр 9 которого пропускает сигнал частоты f₂, образуется напряжение, пропорциональное U₂.

Датчик 25 проводимости охлаждающей среды выдает напряжение, пропорциональное проводимости системы охлаждения 1/R_o. В качестве этого датчика может быть использован, например, солемер (кондуктометр), применяемый для контроля содержания солей в воде путем измерения ее сопротивления. Напряжение с выхода датчика 25 проводимости охлаждающей среды поступает на вход УВХ 26.

Напряжения с выходов формирователей 8, 18, 21, 22 поступают на входы УВХ 11, 12, 23, 24 соответственно. Все перечисленные устройства выборки и хранения управляются от микроЭВМ 15 и одновременно получают с ее первого управляющего выхода управляющий сигнал, по которому они запоминают входные напряжения, соответствующие одному моменту времени, и хранят их в течение времени, достаточного для работы АЦП 14. После подачи управляющего сигнала на устройства выборки и хранения микроЭВМ подает сигналы управления на мультиплексор 13 с второго управляющего выхода и на АЦП 14 с третьего управляющего выхода. При этом осуществляется поочередное присоединение выходов устройств выборки и хранения к входу АЦП, выполняется преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды и ввод этих кодов в микроЭВМ.

Таким образом, на первый вход мультиплексора 13 поступает выхода первого формирователя через первое УВХ 11 напряжение, пропорциональное действующему значению тока I₁ частотой f₁, создаваемого первым источником 4, а на второй вход мультиплексора поступает с выхода второго формирователя 18 через второе УВХ 12 напряжение, пропорциональное действующему значению тока I₂ частотой f₂, создаваемого вторым источником 19. На тpетий и четвеpтый входы мультиплексора 13 поступают через третье 23 и четвеpтое 24 УВХ напряжения с выходов третьего 21 и четвертого 22 фоpмирователей соответственно, пропорциональные действующим значениям напряжений U₁ и U₂. На пятый вход мультиплексора поступает через пятое УВХ 26 напряжение с выхода датчика 25 проводимости охлаждающей среды, пропорциональное 1/R_o.

В микроЭВМ в результате проведенного цикла измерений поступают цифровые коды, соответствующие измеренным значениям I₁, I₂, U₁, U₃, 1/R_o. Значения частот напряжений U₁, U₂ первого и второго стабилизированных источников известны и введены в программу микроЭВМ.

Емкость системы охлаждения С_о на несколько порядков меньше емкости изоляции С_и, поэтому ею можно пренебречь и вместо уравнения (2) использовать приближенное равенство (5)
С С_и (5)
Действительно, в первом приближении емкость изоляции каждого стержня синхронной машины может быть представлена как емкость плоского конденсатора, обкладками которого служат медный стержень и сталь сердечника статора. Расстояние между обкладками равно толщине изоляции 1-2 см, а площадь конденсатора равна площади поверхности стеpжня, т.е. произведению его параметра на длину. Для стеpжней 1х5 см при длине генератора 8 им это составляет 12^.10^-3 8 96^.10^-3 10^-2 м². Емкость конденсатора прямо пропорциональна площади и обратно пpопорциональна расстоянию между обкладками, т.е. пропорциональна величине 10^-2/(1-2) ^.10^-2 0,5-1. Емкость шланга с водой, подводящего ее к стержню, также можно рассматривать в первом приближении как емкость конденсатора, обкладками которого является медь стержня и заземленный сливной коллектор. Расстояние между ними равно длине шланга 80 см (0,8 м), а площадь обкладок соответствует сечению шланга около 1 см² 10^-4 м. При этом емкость одного шланга системы охлаждения пропорциональна величине 10^-4/0,8 1,25^.10^-4, т. е. емкость изоляции на 3-4 порядка больше емкости системы охлаждения.

Решая на микроЭВМ систему уравнений (1), (3), (4) относительно неизвестных C, R и R_и при известных ω₁, ω₂, I₁, I₂, U₁, U₂, 1/R_o, находим сопротивление изоляции, тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции на частоте 50 Гц:
tg δ RC˙2π˙50.

Рассчитанные значения R_и и С_и, а также tgδ выводятся из ЭВМ на исполнительный орган 16 и цифровой индикатор 17. Исполнительный орган сравнивает значение R_b и tg δ с допустимыми их значениями и выдает сигнал при снижении R_и или росте tg δ, либо действует на отключение генератора при значительном снижении R_и и росте tg δ. Цифровой индикатор позволяет вести визуальный контроль за параметрами изоляции.

Использование: в электротехнике для релейной защиты синхронных генераторов, оперативной диагностики состояния статорной изоляции и защиты от замыканий на землю. Сущность изобретения: устройство для контроля изоляции и защиты обмотки статора блочного генератора от замыканий на землю содержит измерительный трансформатор напряжения, высоковольтные обмотки которого соединены в звезду с заземленной нейтралью и пофазно присоединены к выводам обмотки статора, а низковольтные обмотки соединены в разомкнутый треугольник, один вывод которого присоединен к первому полюсу первого стабилизированного источника переменного напряжения, а другой вывод через измерительный шунт присоединен к второму полюсу упомянутого источника. Напряжения с выходов селективных формирователей 8, 18, 21, 22 средневыпрямленного напряжения поступают на входы устройств 11, 12, 23, 24 выборки и хранения соответственно. Все перечисленные устройства выборки и хранения управляются от микроЭВМ 15 и одновременно получают с ее первого управляющего выхода управляющий сигнал, по которому они запоминают входные напряжения, соответствующие одному моменту времени, и хранят их в течение времени, достаточного для работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14. После подачи управляющего сигнала на устройства выборки и хранения микроЭВМ 15 подает сигналы управления на мультиплексор 13 с второго управляющего выхода и на АЦП 14 с третьего управляющего выхода. При этом осуществляется поочередное присоединение выходов устройств выборки и хранения к входу АЦП, выполняется преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды и ввод этих кодов в микроЭВМ. Таким образом, на первый вход мультиплексора 13 поступает с выхода первого формирователя через первое устройство 11 выборки и хранения напряжение, пропорциональное действующему значению тока I₁ частотой f₁ , создаваемого первым источником 4, а на второй вход мультиплексора - напряжение, создаваемое вторым источником. Решая на микроЭВМ систему уравнений, находим сопротивление изоляции, которое выводится на исполнительный орган 16 и цифровой индикатор 17. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЗАЩИТЫ ОБМОТКИ СТАТОРА БЛОЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ, содержащее измерительный трансформатор напряжения, высоковольтные обмотки которого соединены в звезду с заземленной нейтралью и пофазно присоединены к выводам обмотки статора, измерительный шунт, аналого-цифровой преобразователь, присоединенный к входу микроЭВМ, выход которой присоединен к цифровому индикатору и исполнительному органу, отличающееся тем, что в устройстве дополнительно введены первый и второй стабилизированные источники переменного напряжения, первый и второй селективные формирователи средневыпрямленного напряжения, первый преобразователь напряжения в напряжение, первое и второе устройства выборки и хранения, мультиплексор, причем первый полюс первого стабилизированного источника переменного напряжения присоединен к одному выводу низковольтной обмотки трансформатора напряжения, соединенной в разомкнутый треугольник, а второй полюс через измерительный шунт присоединен к другому выводу, входы первого преобразователя напряжения в напряжение присоединены к выводам измерительного шунта, а выход к входу первого селективного формирователя средневыпрямленного напряжения, выход которого присоединен к входу первого устройства выборки и хранения, выход мультиплексора присоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, а первый и второй входы к выходам первого и второго устройств выборки и хранения соответственно, первый управляющий выход микроЭВМ присоединен к управляющим входам первого и второго устройств выборки и хранения, второй управляющий выход микроЭВМ присоединен к управляющим входу мультиплексора, третий управляющий выход микроЭВМ присоединен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, вход второго селективного формирователя средневыпрямленного напряжения присоединен к выходу первого преобразователя напряжения в напряжение, а выход к входу второго устройства выборки и хранения, полюса второго стабилизированного источника переменного напряжения соединены с соответствующими полюсами первого источника. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй преобразователь напряжения в напряжение, третий и четвертый селективные формирователи средневыпрямленного напряжения, третье и четвертое устройства выборки и хранения, причем входы упомянутых третьего и четвертого селективных формирователей средневыпрямленного напряжения присоединены к выходу второго преобразователя напряжения в напряжение, а выходы к входам соответственно третьего и четвертого устройств выборки и хранения, выходы которых присоединены к третьему и четвертому входам мультиплексора, а управляющие входы третьего и четвертого устройств выборки и хранения присоединены к первому управляющему выходу микроЭВМ. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введены пятое устройство выборки и хранения, датчик проводимости охлаждающей среды, присоединенный к входу пятого устройства выборки и хранения, выход которого присоединен к пятому входу мультиплексора, а управляющий вход присоединен к первому управляющему входу микроЭВМ.