УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ Российский патент 2011 года по МПК H02H3/17 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в основном относится к определению замыкания на землю и, в частности, к устройству для определения замыкания на землю.

Уровень техники

Замыкание на землю в обмотке статора генератора является наиболее частой внутренней неисправностью электрической части генератора и наиболее частой причиной повреждения статора генератора, а также непосредственной причиной межфазного замыкания статора генератора. Все остальные электрические неисправности всегда являются следствием замыканий на землю. Замыкание на землю вызывается физическим повреждением обмотки статора или старением изоляции статора. Следовательно, защита статора от замыканий на землю является важнейшим элементом системы защиты генератора. Неправильное функционирование защиты обмотки статора от замыкания на землю повышает вероятность того, что замыкание на землю перейдет в межфазное замыкание, что, в конечном счете, приведет к повреждению генератора.

Для организации эффективной защиты встроенного в установку генератора от последствий эффектов замыканий на землю в обмотках статора необходимо понимание явлений, сопровождающих эти замыкания. Последствия замыканий на землю зависят от мощности, выделяемой в канале замыкания на землю, и от величины повышенных напряжений при замыкании на землю. При правильном функционировании защиты от замыкания на землю возможно создание условий, при которых эрозия магнитопровода или корпуса статора, вызываемая дугой замыкания на землю, незначительна или полностью устраняется. Таким образом, возникновение межфазных замыканий в генераторе является практически невозможным, если защита от замыканий на землю работает должным образом. При этих условиях обеспечивается оптимальная защита блоков генератор-трансформатор от последствий замыканий на землю в обмотках статора. Время, требуемое на ремонт при возникновении замыкания на землю одной из фаз, является относительно малым, поскольку требуется замена только одной обмотки статора. При межфазном замыкании время ремонта может составить несколько месяцев и предполагает (частичную) переборку сердечника статора.

Для минимизации вероятности неправильной работы системы защиты генератора от замыканий на землю, отдельные виды защит, образующие систему, должны использовать различные параметры, при которых происходит их активация. Нейтраль генератора обычно не имеет непосредственного заземления, и поэтому токи замыкания статора на землю в этом случае относительно малы, особенно в генераторах блоков генератор-трансформатор. Однако даже такие малые токи могут вызывать значительные повреждения сердечника статора генератора. Они могут стать также начальной причиной межфазных замыканий.

Способ, используемый для защиты генератора от замыканий на землю в обмотке статора, зависит от способа подключения генератора к системе электропитания. Существует несколько видов подключения - от непосредственного заземления нейтрали, различных уровней резистивного и индуктивного заземления нейтрали до применения изолированной нейтрали. Генераторы с резистивным заземлением подключаются либо непосредственно через резистор, либо через трансформатор с заземленной нейтралью с использованием низковольтного резистора во вторичной обмотке трансформатора. Генератор, непосредственно подключенный к ламелям шины и системе электропитания без повышающего трансформатора, обычно имеет малую мощность, и поэтому система защиты от замыканий на землю основывается на отслеживании амплитуды или направления тока нейтрали. Генератор, подключаемый к системе электропитания через повышающий трансформатор, теоретически достаточно прост, поскольку первичная обмотка повышающего трансформатора всегда соединяется по схеме треугольника и образует естественный барьер для возникновения замыканий на землю на стороне высокого напряжения. Замыкания на землю в обмотке статора, в таком случае, могут определяться путем наблюдения за уровнем напряжения между точкой нейтрали генератора и землей.

Имеются два основных способа, которые в соединении с системой защиты, основанной на (использовании тока) нулевой последовательности, могут обеспечить 100% защиту обмотки статора генератора. При одном из способов используется третья гармоника напряжений в точке нейтрали генератора и на его выводах. При другом способе в цепь генератора инжектируется (вводится) сигнал низкой частоты.

Существует три основных ограничения, определяющих максимальную длину обмотки статора, на которую распространяется эта защита, при различных режимах работы. Они связаны со следующими значениями и параметрами генератора, а также системы защиты: максимальный ток замыкания на землю, протекающий через нейтраль генератора, минимальное инжектируемое (вводимое) напряжение, которое может быть измерено с достаточной точностью, а также максимальное значение составляющей нулевой последовательности в нейтрали генератора при замыкании на землю в обмотке статора. Первое и третье ограничения независимы от системы защиты и зависят только от параметров генератора, системы заземления и трансформатора установки. Однако второе ограничение может быть использовано для улучшения защиты от замыкания на землю в зависимости от системы защиты.

Кроме того, существующие способы инжекции используют частоту инжекции ниже 50 Гц, поскольку более высокие частоты приводят к увеличению емкостного тока, усложняющего отслеживание изменений величины сопротивления, используемых при определении замыканий на землю.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является предложение устройства для определения замыкания на землю, которое позволяет определять меньшие по величине замыкания на землю в синхронных трехфазных электрических машинах.

Изобретение основано на использовании того, что путем измерения токов, получаемых в результате инжекции напряжения в более чем одной точке измерения трехфазной электрической машины, достигается улучшение детектирования (определения) без увеличения инжектируемого напряжения.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для определения замыкания на землю в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается электрическая система в соответствии с п.9 формулы изобретения.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предлагается способ в соответствии с п.10 формулы изобретения.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Значение первого тока измеряется предпочтительно между точкой нейтрали и землей синхронной трехфазной электрической машины, поскольку данное значение затрагивается наименее всего и при этом несет информацию обо всех трех фазах электрической машины.

При применении в электрической машине заземленной нейтрали устройство для определения замыкания на землю предпочтительно содержит трансформатор напряжения или заземляющий трансформатор.

Значение второго тока предпочтительно измеряется во вторичной обмотке заземляющего трансформатора или трансформатора напряжения, между землей и первичной обмоткой заземляющего трансформатора или трансформатора напряжения, или на фазных обмотках трехфазной электрической машины.

Электрическая машина предпочтительно представляет собой генератор. Генератор может быть высоковольтным генератором, обычно имеющим статор с проводной обмоткой и напряжение на выводах, существенно превышающее 25 кВ. В связи с существенной стоимостью модуля инжекции, известного из уровня техники, для достаточно больших генераторов с диапазоном выходных напряжений обычно 5-25 кВ и номинальной мощностью около десятков МВА в основном применяется инжекция низкочастотного сигнала. При использовании инжекции с низковольтной обмотки трансформатора напряжения в соответствии, например, с первым вариантом осуществления настоящего изобретения может быть получен принцип инжекции, предполагающий существенное снижение затрат по сравнению с ранее применявшимся способом и который, по этой причине, может быть использован для большего количества приложений.

Устройство для определения замыкания на землю предпочтительно содержит средства измерения температуры, выполненные с возможностью измерения рабочей температуры электрической машины, в частности резистора нейтрали и других вспомогательных устройств, позволяющие использование температурной компенсации в системе определения замыкания на землю.

С помощью измерения комплексного значения результирующего тока, инжектируемое напряжение может быть использовано при частотах, существенно превышающих 50 Гц, поскольку в этом случае могут быть измерены малые изменения сопротивления, несмотря на большое емкостное реактивное сопротивление, что позволяет, например, избежать (возникновения) электрических помех с существующими датчиками скорости.

Кроме того, благодаря измерению комплексного значения результирующего тока устройство для определения замыкания на землю в соответствии с настоящим изобретением может работать аналогичным образом с любыми типами заземлений, используемых в генераторах, что предоставляет производственные преимущества.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение станет более понятным из приведенного ниже более детального описания вариантов осуществления с ссылкой на сопровождающие чертежи, приводимые лишь в качестве иллюстрации и никоим образом не ограничивающие настоящего изобретения:

На фиг.1 схематично показана синхронная трехфазная электрическая машина с резистором нейтрали и трансформатором напряжения;

На фиг.2 схематично показана система определения замыкания на землю в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения для синхронной трехфазной электрической машины, показанной на фиг.1;

На фиг.3 показана эквивалентная схема системы определения замыкания на землю, показанной на фиг.2, в случае замыкания на землю;

На фиг.4 схематично показана синхронная трехфазная электрическая машина без резистора нейтрали с трансформатором напряжения;

На фиг.5 схематично показана система определения замыкания на землю в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения для синхронной трехфазной электрической машины, показанной на фиг.4;

На фиг.6 показана эквивалентная схема системы определения замыкания на землю, показанной на фиг.5, в случае замыкания на землю;

На фиг.7 схематично показана синхронная трехфазная электрическая машина с распределительным заземляющим трансформатором;

На фиг.8 схематично показана система определения замыкания на землю в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения для синхронной трехфазной электрической машины, показанной на фиг.7;

На фиг.9 показана эквивалентная схема системы определения замыкания на землю, показанной на фиг.8, в случае замыкания на землю;

На фиг.10 схематично показана синхронная трехфазная электрическая машина с резистором нейтрали без трансформатора напряжения;

На фиг.11 схематично показана система определения замыкания на землю в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения для синхронной трехфазной электрической машины, показанной на фиг.10;

На фиг.12 показана эквивалентная схема системы определения замыкания на землю, показанной на фиг.11, в случае замыкания на землю;

На фиг.13 показана блок-схема способа определения замыкания на землю, общего для вариантов осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

В приведенном ниже описании в целях пояснения, а не ограничения, приводятся характерные признаки, такие как отдельные методики и способы применения, в целях обеспечения исчерпывающего понимания настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано в других вариантах осуществления, отличающихся от этих характерных признаков. В других примерах детальное описание хорошо известных способов и устройств опускается с тем, чтобы не загромождать описание настоящего изобретения чрезмерными деталями.

Далее описывается первый вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.1-3.

На фиг.1 схематично показана статорная часть синхронной трехфазной электрической машины, такой как генератор. Синхронная трехфазная электрическая машина имеет соединение типа «звезда», и ее нейтраль соединена с землей. Синхронная трехфазная электрическая машина содержит резистор R_n нейтрали, подключенный между точкой нейтрали и землей, для уменьшения возможных токов замыкания на землю. Резистор R_n нейтрали обычно выполнен с возможностью уменьшения максимальных токов замыкания на землю для замыканий в статоре до величины порядка 5-15 А. Синхронная трехфазная электрическая машина дополнительно содержит измерительный трансформатор напряжения V, установленный параллельно с заземляющим резистором R_n. Измерительный трансформатор напряжения V используется, например, в других защитных устройствах, таких как устройства 95% защиты или защиты обмоток статора электрической машины на основе блока третьей гармоники. Измерительный трансформатор напряжения обычно имеет величину максимально возможного напряжения в нейтрали до 110 В и мощность около 20-100 ВА.

Для определения замыкания на землю в электрической машине в любой из трех ее фаз устройство для определения замыкания на землю выполнено с возможностью инжекции напряжения U_i с отличающейся от номинальной частотой, между точкой нейтрали электрической машины и землей. Частота инжектируемого напряжения обычно имеет значение от десятков Гц до нескольких сотен Гц и отличается от номинальной частоты электрической машины (имеет неноминальное значение). Инжектируемое напряжение U_i инжектируется через измерительный трансформатор напряжения V. Таким образом, напряжение U_i инжектируется параллельно с резистором R_n нейтрали, как показано на фиг.2 и 3.

Устройство для определения замыкания на землю снабжено первым измерительным средством, таким как токовый шунт или токовый трансформатор, выполненным с возможностью измерения первого тока в первой точке измерения электрической машины. Первый ток является результатом инжекции напряжения U_i. Устройство для определения замыкания на землю также снабжено вторым измерительным средством, таким как токовый шунт или токовый трансформатор, выполненным с возможностью измерения второго тока во второй точке измерения, отличающейся от первой точки измерения электрической машины. Второй ток является результатом инжекции того же самого напряжения U_i, также как и первый ток. В альтернативном варианте для получения измерений тока может использоваться катушка Роговского.

Первая точка измерения предпочтительно находится между нейтралью электрической машины и землей, то есть в одной из точек 1, 2 или 4 на фиг.2, или между инжектором и измерительным трансформатором напряжения, то есть в точке 3 на фиг.2. Вторая точка (точки) измерения расположена(ы) предпочтительно в трех фазах электрической машины, то есть в точках 5 на фиг.2, во вторичной обмотке измерительного трансформатора напряжения, то есть в точке 3 на фиг.2, между землей и первичной обмоткой измерительного трансформатора напряжения, то есть в точке 4 на фиг.2, между нейтралью и первичной обмоткой измерительного трансформатора напряжения, то есть в точке 2 на фиг.2, между измерительным трансформатором напряжения и его генератором, то есть в точке 6 на фиг.2, или на резисторе R_n нейтрали, то есть в точке 7 на фиг.2.

С помощью измерения результирующего тока, по меньшей мере, в двух различных точках измерения электрической машины точность устройства для определения замыкания на землю улучшается без существенного увеличения стоимости, а также без оказания влияния на первичную обмотку машины. Это позволяет использовать сходную конструкцию устройства независимо от способа заземления электрической машины.

В том случае, если способ заземления использует нейтраль с высокоомным резистором, величина температурного отклонения резистора и/или температурного отклонения рабочей температуры электрической машины могут быть использованы для регулировки величины сопротивления резистора, которая, в свою очередь, может использоваться для регулирования результирующих токов. Это позволит осуществлять непрерывное наблюдение за резистором нейтрали, отслеживая даже малые изменения его значения. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением тщательно отслеживается работоспособность резистора.

Благодаря измерениям, производимым с помощью измерительных средств на фазных обмотках, настоящее изобретение также позволяет определить, в какой из фаз произошло замыкание на землю. В этом случае для определения замыкания используется значение более чем двух токов, поскольку исправные фазы обмоток будут иметь характеристики, отличные от характеристик замкнутой на землю фазы.

Устройство для определения замыкания на землю дополнительно содержит средства управления, такие как микропроцессор или подобные, выполненные с возможностью определения замыкания на землю путем выполнения расчетов на основе значений двух токов или более, чем двух токов. Обычно такие расчеты основаны на значении сопротивления R_f замыкания, независимо от значения резистора R_n нейтрали, однако точность расчетов может быть дополнительно улучшена путем использования для таких расчетов значения импеданса замыкания, отражающего параллельное подключение сопротивления R_f и емкости С_е замыкания.

Средство инжекции также предпочтительно содержит полосовой фильтр ВР, такой, чтобы цепь инжекции не нагружала измерительный трансформатор напряжения во время замыкания на землю одиночной цепи 50 Гц.

Для защиты электрической машины от замыканий на землю устройство для определения замыканий на землю дополнено средствами защиты, известными специалисту в данной области техники. Дополненное таким образом устройство для определения замыкания на землю и синхронная трехфазная электрическая машина вместе образуют электрическую систему, которая защищает электрическую машину от замыканий на землю.

Хотя инжектируемое напряжение описано как инжектируемое параллельно с резистором нейтрали, в альтернативном варианте оно может инжектироваться последовательно с резистором нейтрали.

Второй вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.4-6 и является идентичным с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, описанным выше, за исключением того, что в электрической машине не используется резистор нейтрали. Кроме того, поскольку резистор нейтрали не используется, то точки измерений 1 и 2 будут одной и той же точкой, а точка 7 отсутствует.

Третий вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.7-9 и является идентичным со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, описанным выше, за исключением того, что в электрической машине используется распределительный заземляющий трансформатор, в котором резистор нейтрали используется в системе низкого напряжения. Кроме того, ко вторичной обмотке данного трансформатора подключено устройство для определения замыкания на землю в соответствии с настоящим изобретением для инжекции сигнала непосредственно в его низковольтную обмотку.

Заземляющий трансформатор распределительного типа обычно имеет уровень напряжения вторичной обмотки 240 В и номинальную мощность 15-300 кВА.

Второй и третий варианты осуществления настоящего изобретения могут быть соединены как с измерительным трансформатором напряжения, так и с распределительным заземляющим трансформатором, при этом устройство для определения замыкания на землю подключается ко вторичной обмотке обоих трансформаторов, или все три функции могут быть также объединены в одном трансформаторе.

Четвертый вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.10-12 и является идентичным с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, описанным выше, за исключением того, что в электрической машине не используется измерительный трансформатор напряжения. Кроме того, поскольку генератор измерительного напряжения не используется, то точки измерений 3 и 6 будут являться одной и той же точкой.

Последовательность шагов способа для определения замыкания на землю в электрической машине, такой как генератор, для вариантов осуществления, описанных выше, показана на фиг.13. Первым шагом способа является инжекция напряжения U_i с отличной от номинальной частотой между точкой нейтрали синхронной трехфазной электрической машины и землей. На следующем шаге производится измерение первого тока, получающегося в результате инжекции напряжения U_i с отличной от номинальной частотой в первой точке измерений 1, 2, 3, 4 электрической машины. Следующий шаг предполагает измерение второго тока, получающегося в результате инжекции напряжения U_i с отличной от номинальной частотой во второй точке измерений 3, 4, 5, 6, 7, отличающейся от первой точки измерений, электрической машины. Завершающий шаг предполагает определение замыкания на землю на основе значений первого и второго токов.

Очевидно, что может существовать множество вариантов настоящего изобретения. Такие изменения не должны рассматриваться как отступление от объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Все такие варианты, как являющиеся очевидными для специалиста в данной области техники, должны рассматриваться как включенные в объем настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении точности. Устройство для определения замыкания на землю инжектирует напряжение с частотой, отличной от номинальной, между точкой нейтрали синхронной трехфазной электрической машины и землей и измеряет результирующие токи в двух точках измерения, отличных друг от друга. Замыкание на землю определяется на основе результирующего тока. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Устройство для определения замыкания на землю для синхронной трехфазной электрической машины, имеющей точку нейтрали, соединенную с землей, содержащее средства инжекции, выполненные с возможностью инжекции напряжения (U_i) с частотой, отличной от номинальной, между точкой нейтрали и землей, отличающееся тем, что содержит: первое средство измерения, выполненное с возможностью измерения первого тока, получаемого в результате инжекции указанного напряжения, в первой точке измерений (1, 2, 3, 4) синхронной трехфазной электрической машины, второе средство измерения, выполненное с возможностью измерения второго тока, получаемого в результате инжекции указанного напряжения, во второй точке измерений (3, 4, 5, 6, 7), отличающееся от первой точки измерений, синхронной трехфазной электрической машины, и средство управления, выполненное с возможностью определения замыкания на землю в синхронной трехфазной электрической машине на основе первого и второго токов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что синхронная трехфазная электрическая машина содержит резистор (R_n) нейтрали между точкой нейтрали и землей или распределительный заземляющий трансформатор между точкой нейтрали и землей.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первая точка измерений (1, 2, 4) находится между точкой нейтрали и землей.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что вторая точка измерений (5) находится на фазных обмотках синхронной трехфазной электрической машины.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что синхронная трехфазная электрическая машина содержит распределительный заземляющий трансформатор или измерительный трансформатор напряжения.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что вторая точка измерений (3, 4, 5, 6) находится на вторичной обмотке указанных трансформаторов, между землей и первичной обмоткой трансформаторов, или на фазных обмотках синхронной трехфазной электрической машины.

7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанная электрическая машина является генератором.

8. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что содержит средства определения температуры, выполненные с возможностью определения рабочей температуры указанной электрической машины и ее вспомогательных устройств, предпочтительно температурного отклонения резистора нейтрали или трансформаторов, используемых в измерительных целях.

9. Электрическая система, содержащая устройство для определения замыкания на землю и синхронную трехфазную электрическую машину, имеющую точку нейтрали, соединенную с землей, причем устройство для определения замыкания на землю содержит средство инжекции, выполненное с возможностью инжекции напряжения (U_i) с частотой, отличной от номинальной, между точкой нейтрали и землей, отличающаяся тем, что устройство для определения замыкания на землю содержит: первое средство измерения, выполненное с возможностью измерения первого тока, получаемого в результате инжекции указанного напряжения, в первой точке измерений (1, 2, 3, 4) синхронной трехфазной электрической машины, второе средство измерения, выполненное с возможностью измерения второго тока, получаемого в результате инжекции указанного напряжения, во второй точке измерений (3, 4, 5, 6, 7), отличающейся от первой точки измерений, синхронной трехфазной электрической машины, и средство управления, выполненное с возможностью определения замыкания на землю в синхронной трехфазной электрической машине на основе первого и второго токов.

10. Способ определения замыкания на землю в синхронной трехфазной электрической машине, имеющей точку нейтрали, соединенную с землей, отличающийся тем, что содержит следующие шаги: инжекция напряжения (U_i) с частотой, отличной от номинальной, между точкой нейтрали и землей; измерение первого тока, получаемого в результате инжекции указанного напряжения (U_i) с частотой, отличной от номинальной, в первой точке измерений (1, 2, 3, 4) синхронной трехфазной электрической машины, измерение второго тока, получаемого в результате инжекции указанного напряжения (U_i) с частотой, отличной от номинальной, во второй точке измерений (3, 4, 5, 6, 7), отличающейся от первой точки измерений, синхронной трехфазной электрической машины, определение замыкания на землю в трехфазной электрической машине расчетным путем на основе первого и второго токов.