ЗАЩИТА ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ Российский патент 2015 года по МПК H02H3/17 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области релейной защиты и, в частности, к защите от замыканий на землю в больших электрических машинах. Оно отличается от системы защиты от замыканий на землю для электрической машины, описанной в преамбуле п.7 формулы изобретения.

Уровень техники

Способ обнаружения замыканий на землю на проводниках электрической машины, такой как мощный генератор, раскрывается в документе США US 5739693. Замыкания на землю возникают из-за механического повреждения электрической изоляции между проводниками и металлическими частями, имеющими потенциал земли. Замыкания на землю приводят в результате к токам повреждения, по которым может быть вычислено сопротивление при неисправности и сделана оценка для определения повреждения. Для обнаружения повреждения вблизи нейтральной точки генератора, соединенного звездой, то есть на нейтрали или около нейтрали генератора, потенциал проводников генератора смещается относительно потенциала земли посредством соответственно вводимого сигнала. Активное введение сигнала смещения приводит к так называемой "100-процентной защите статора от замыкания на землю", часто используемой в системах защиты генератора.

Подробнее, периодический прямоугольный вводимый сигнал с неизменной частотой введения, равной одной четверти номинальной частоты сети (то есть 12,5 Гц в сетях на 50 Гц или 15 Гц в сетях на 60 Гц), вводится посредством специализированного генератора сигнала через трансформатор ввода и заземляющие резисторы в статорную или роторную обмотку. Синхронизированное реле защиты измеряет ответный сигнал на этот вводимый сигнал. По ответному сигналу может быть вычислено замыкание на землю нейтрали генератора или на стороне роторной цепи.

Система защиты от замыкания на землю такого рода чувствительна к возмущениям, которые могут приводить к ложному срабатыванию или к неработоспособности с отрицательными воздействиями как для работающей энергостанции, так и для потребителей энергии. В частности, нейтраль генератора (для системы защиты от замыкания на землю статора) подвергается воздействию, а система возбуждения (для системы защиты от замыкания на землю ротора) фактически генерирует паразитные электромагнитные сигналы или шумы в определенных полосах частот, которые могут нарушать работу функций защиты от замыкания на землю.

Аналогично, существующие системы защиты от замыкания на землю могут быть чувствительны к условиям повышенной или пониженной частоты. В частности, в случаях, когда скорость генератора падает ниже 50 Гц (например, всего до 48,5 Гц, что весьма распространено в маломощных сетях), обнаруживалось, что функции защиты от замыкания на землю ротора срабатывали спонтанно. Для генераторов со статическим возбуждением гармонические составляющие (вызванные тиристорами системы возбуждения) на частоте, кратной частоте генератора (то есть 300 Гц, когда генератор работает на частоте 50 Гц, или 291 Гц, когда генератор работает на частоте 48,5 Гц), удаляются цифровыми фильтрами, содержащимися в функции защиты, которая оценивает ответный сигнал. Однако номинальный и статический цифровой фильтр на частоту 300 Гц алгоритма защиты менее эффективен для фильтрации шума на частоте 291 Гц. Следовательно, когда скорость генератора начинает отклоняться от номинальной частоты сети, некоторый шум попадает в функцию защиты и, в конечном счете, вызывает ложное отключение.

Раскрытие изобретения

Поэтому задача изобретения заключается в обеспечении более устойчивой системы защиты от замыкания на землю с пониженной чувствительностью к системному шуму. Эта задача решается посредством способа адаптации системы защиты от замыкания на землю и системы защиты от замыкания на землю в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Из зависимых пунктов формулы изобретения являются очевидными дополнительные предпочтительные варианты осуществления.

В соответствии с изобретением, в системе защиты от замыкания на землю для электрической машины, такой как генератор, с частотой f_i вводимого сигнала подается на электрическую машину, чтобы сформировать периодическое напряжение смещения на проводнике электрической машины, после чего оценивается ответный сигнал. Частота вводимого сигнала адаптируется, то есть регулируется или выбирается в зависимости от системных параметров или системных свойств электрической машины, к которым относится системный шум, взаимодействующий или накладывающийся на ответный сигнал. Следовательно, от выбора статической, заранее определенной частоты вводимого сигнала отказываются в пользу гибкого подхода, соответствующего самому последнему значению системного параметра электрической машины, что, в конечном счете, приводит к повышенной стабильности и надежности системы защиты от замыкания на землю.

В предпочтительном варианте изобретения частота напряжения в сети или частота сети для сети электроснабжения, соединенной с электрической машиной, является первым системным параметром. Частота вводимого сигнала адаптируется в соответствии с отклонением фактической частоты сети от номинальной частоты сети 50 Гц или 60 Гц. В частности, частота вводимого сигнала периодически регулируется пропорционально отклонению фактической частоты сети от номинальной частоты сети. Соответственно, частота вводимого сигнала используется для градуировки спектра шумов и любой паразитный шум, который может выйти из полосы номинальных и статических цифровых фильтров функции защиты, потенциально менее способен взаимодействовать с ответным сигналом.

В предпочтительном варианте изобретения спектр шумов n(f), описывающий системный шум, накладывающийся на ответный сигнал, является вторым системным параметром. Диапазон частот, содержащий или охватывающий множество возможных частот вводимого сигнала, сканируется на наличие системного шума и из числа возможных частот выбирается основная частота введения, для которой системный шум является самым низким. Следовательно, основной системный шум на частоте вводимого сигнала минимизируется.

В предпочтительном варианте изобретения порог n_t скорости генератора, разделяющий два различных шумовых режима, является третьим системным параметром. Два спектра системных шумов измеряются или записываются во время запуска генератора как функция скорости генератора от нуля до приблизительно номинальной скорости генератора, представляя системный шум вблизи первой и второй возможной частоты вводимого сигнала. Если может быть идентифицирован порог скорости генератора, ниже которого первый спектр шума некритичен и выше которого некритичен второй спектр шума, частота вводимого сигнала во время любого последующего запуска генератора в момент порога будет изменяться с первой на вторую возможную частоту. Следовательно, правильная работа защиты от замыкания на землю может быть обеспечена, начиная с нулевой скорости генератора.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, адаптация частоты вводимого сигнала позволяет выбирать различные частоты в пределах возможных полос частот для различных электрических машин. Следовательно, можно избежать помехи, присутствующей в существующих схемах защиты с неизменной частотой вводимого сигнала для генераторов, жестко соединенных параллельно на одной и той же шине, то есть лишенных какого-либо гальванического разделения. Для динамически адаптируемых частот вводимого сигнала связь между реле обеспечивает для каждого реле текущую установку частоты для других устройств, так что соответствующая калибровка может быть сделана без создания взаимных помех. Схема координации гарантирует, что не существует нескольких реле, одновременно начинающих адаптацию, приводя к нестабильной ситуации.

Изобретение предпочтительно может применяться для 100-процентной защиты статора от замыкания на землю в генераторах с низкой номинальной мощностью порядка 20 МВА. Другими словами, генераторы с номинальной мощностью ниже 100 МВА, которые до настоящего времени ограничивались 95-процентной защитой статора от замыкания на землю по причинам стоимости, могут извлечь выгоду от 100-процентной защиты статора от замыкания на землю, не требуя никаких дополнительных мер или инвестиций с целью повышения надежности.

Краткое описание чертежей

Предмет изобретения будет объяснен более подробно в последующем описании со ссылкой на предпочтительные примерные варианты осуществления, которые поясняются на приложенных чертежах, на которых:

фиг.1 - схема обнаружения замыкания на землю;

фиг.2 - измеренный спектр шума для генератора с частотой 60 Гц; и

фиг.3 - два примерных спектра шума, записанных во время запуска турбогенератора с частотой 50 Гц, и соответственно получающаяся частота f_t вводимого сигнала.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

На фиг.1 представлена схема обнаружения замыкания на землю обмоток статора (R, S, Т) электрической машины, в частности трехфазной машины, такой как генератор. Нейтральная точка звезды обмоток или нейтраль 10 генератора смещается посредством вводимого сигнала u_i, генерируемого генератором 20 сигнала и подаваемого в нейтральную точку звезды через заземляющие резисторы. Чтобы обнаружить замыкания на землю, напряжение u_RE на заземляющем резисторе и подается на блок оценки в реле 21 защиты от замыкания на землю. Сопротивление R_f при замыкании вычисляется в блоке оценки, основываясь на введенных и измеренных напряжениях. Адаптированная частота f_i вводимого сигнала определяется в реле защиты в соответствии с вариантами, показанными ниже, и передается от реле 21 защиты на генератор 20 сигнала через линию связи 22.

На фиг.2 показан измеренный на нейтрали генератора с частотой 60 Гц спектр n(f) шумов на частотах между 1 Гц и 200 Гц. Спектр шумов определяется инструментом конфигурации, который измеряет соответствующие сигналы со всеми частотами, попадающие на вход реле защиты от замыкания на землю. С этой целью инструмент конфигурации соединяется с проводником генератора в том же самом или рядом с тем местом, в котором подключено реле защиты. Реле защиты может само быть адаптировано, чтобы выполнить эти задачи конфигурации. На более позднем этапе во время ввода в действие и при наличии действующих потенциальных источников шумов, инструмент конфигурации проводит сканирование по соответствующим частотам и записывает спектр шумов. В этом контексте шум генерируется не только сетью или присоединенным первичным оборудованием, таким как запускающий преобразователь частоты SFC, но также вызывается измерительными трансформаторами, искажающими ответный сигнал.

На фиг.2 отличительные пики шумов видны на частотах 60, 120 и 180 Гц. Вблизи обычно принятой частоты 15 Гц (стрелка) вводимого сигнала также виден некоторый паразитный шум. Соответственно, возможные частоты приблизительно 12 Гц или 18 Гц для вводимого сигнала подходят лучше. Инструмент конфигурации может определить или предложить одну или несколько незатронутых помехами полос частот, в которых может быть выбрана основная или номинальная частота вводимого сигнала. При этом инженер по вводу в эксплуатацию имеет хорошее руководство для выбора оптимальной основной частоты вводимого сигнала для цепи статора и ротора, позволяющей системе введения сигнала действовать в незатронутом помехами диапазоне частот без какого-либо шума или только с небольшим шумом.

На фиг.3 на верхнем графике показан примерный спектр шума, записанный во время запуска 50-тигерцового турбогенератора на скоростях между 1 и 3300 об/мин. В полосе 30 Гц гармонические составляющие возникают при 600 об/мин, 900 об/мин и 1800 об/мин; в полосе 150 Гц гармонические составляющие обнаружены только при 3000 об/мин, то есть на номинальной частоте сети или вблизи нее. На нижнем графике на фиг. 3 показана ступенчатая адаптация частоты f_i вводимого сигнала к показанным спектрам шумов, которая делает пригодными функции цифровой фильтрации реле защиты. В начале процесса запуска генератора частота вводимого сигнала устанавливается равной 150 Гц, потому что никакие гармонические составляющие частоты 150 Гц вплоть до пороговой скорости 2400 об/мин не ожидаются, а после этого, то есть при скорости генератора выше 2400 об/мин, частота вводимого сигнала уменьшается, например, до основной частоты вводимого сигнала, приблизительно равной 30 Гц, потому что гармонические составляющие частоты 30 Гц при этом уровне скорости исчезают.

Чтобы определить соответствующий порог или момент переключения скорости генератора, выборочный частотный спектр шумов, как он показан на фиг.3, должен записываться, по меньшей мере, во время самого первого процесса запуска. В дальнейшем такой спектр может периодически обновляться. Опять же, обновление может выполняться назначенным инструментом конфигурации или самим реле защиты. Во всяком случае, для всех последующих процессов запуска рабочая защита от замыкания на землю затем может устанавливаться непосредственно с нулевой скорости генератора.

Чтобы смягчить ошибки фильтра, например, в условиях пониженной частоты, разрешается слежение за частотой сети и фактическая частота f_i вводимого сигнала делается такой, чтобы она отличалась от ранее выбранной основной частоты вводимого сигнала. Это показано на нижнем графике на фиг.3 как конечный наклон после резкого падения от начальной частоты 150 Гц вводимого сигнала. В отличие от статической основной частоты 30 Гц вводимого сигнала, фактическая частота f_i вводимого сигнала изменяется пропорционально частоте сети или скорости генератора и равна основной частоте вводимого сигнала только в случае частоты, точно равной 50 Гц. Для примера, частота сети 48,5 Гц приведет к отклонению частоты вводимого сигнала на 0,9 Гц. Предполагая, что весь спектр шумов типа, показанного на фиг.2 (в том числе, белые пятна), градуирован в частоте сети, паразитный шум, который статические цифровые фильтры в реле защиты (фильтрующие составляющие, строго кратные номинальной частоте сети) неспособны подавить, таким образом, подавляется. Чтобы организовать соответствующие незначительные изменения вокруг основной частоты вводимого сигнала, фактическая частота сети предпочтительно определяется непосредственно самим реле защиты.

Параллельно или альтернативно вышеупомянутой адаптации основной частоты вводимого сигнала посредством оценки профиля шума, также возможны адаптации основной частоты вводимого сигнала для относительно различных режимов нагрузки генератора. Такие режимы нагрузки отражают различные этапы до и после подключения нагрузки генератора; такие, как когда нагрузка генератора выше или ниже 50% от номинальной нагрузки; или когда рубильник генератора замкнут или разомкнут. Основные частоты вводимого сигнала будут определяться и храниться в таблицах поиска для каждого идентифицированного режима нагрузки.

Перечень ссылочных позиций

10 Нейтраль генератора

20 Генератор сигнала

21 Реле защиты от замыкания

22 Линия связи.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение стабильности и надежности системы защиты. При защите от замыкания на землю электрической машины, такой как генератор, вводимый сигнал с частотой f_i подается на электрическую машину, чтобы создавать периодическое напряжение смещения на шине электрической машины. Оценивается ответный сигнал для идентификации замыкания. Частота вводимого сигнала адаптируется, то есть регулируется или выбирается в зависимости от системного параметра или системного свойства электрической машины, которые являются характерными для системного шума, взаимодействующего с ответным сигналом или накладывающегося на него. Таким образом, отказываются от выбора неизменной, заранее заданной частоты вводимого сигнала в пользу гибкого подхода, соответствующего самому последнему значению системного параметра электрической машины. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ адаптации системы защиты от замыкания на землю для электрической машины, включающий ввод системой сигнала u_i с частотой f_i вводимого сигнала в проводник электрической машины и вычисление ответного сигнала u_RE, чтобы идентифицировать замыкание на землю в электрической машине, при этом
измеряют системный параметр электрической машины, характерный для системного шума, и
адаптируют указанную частоту ввода в соответствии с системным параметром.

2. Способ по п.1, в котором системный параметр является частотой f_g сетевого напряжения сети электроснабжения, соединенной с электрической машиной, причем
частоту f_i вводимого сигнала адаптируют в соответствии с отклонением фактической частоты сети от номинальной частоты сети.

3. Способ по п.1 или 2, в котором адаптацию частоты вводимого сигнала выполняют периодическую.

4. Способ по п.1 или 2, в котором периодически регулируют частоту вводимого сигнала пропорционально отклонению фактической частоты сети от номинальной частоты сети.

5. Способ по п.1, в котором системный параметр является спектром шумов n(f), причем
измеряют спектр шумов в диапазоне частот, содержащем множество возможных частот вводимого сигнала, и
выбирают основную частоту вводимого сигнала из числа возможных частот вводимого сигнала с самым низким шумом.

6. Способ по п.1, в котором системный параметр является порогом n_t скорости генератора, причем
измеряют во время запуска генератора первый спектр системных шумов для возможной частоты вводимого сигнала при запуске и второй спектр системных шумов для возможной основной частоты вводимого сигнала,
идентифицируют порог скорости генератора, ниже которого приемлемым является первый спектр шумов и выше которого приемлемым является второй спектр шумов, и
выбирают частоту вводимого сигнала, которая, при скорости генератора ниже порога, должна быть указанной частотой вводимого сигнала при запуске, а при скорости генератора выше порога, должна быть указанной основной частотой вводимого сигнала.

7. Способ по п.1 или 2, в котором
записывают первый спектр шумов, характерный для шума в полосе вблизи первой частоты, как функцию скорости генератора во время запуска генератора;
записывают второй спектр шума, характерный для шума в полосе вблизи второй частоты, как функцию скорости генератора во время запуска генератора;
идентифицируют порог скорости n_t генератора, ниже которого приемлемым является первый спектр шума и выше которого приемлемым является второй спектр шума, и
выбирают частоту вводимого сигнала, которая должна быть указанной первой частотой для скоростей генератора ниже порога n_t и указанной второй частотой для скоростей генератора выше порога n_t.

8. Способ по п.1 или 2, в котором дополнительно
выбирают первую возможную частоту вводимого сигнала и вторую возможную частоту вводимого сигнала;
измеряют во время запуска генератора первый спектр системного шума, представляющий системный шум вблизи указанной первой возможной частоты вводимого сигнала как функцию скорости генератора;
измеряют во время запуска генератора второй спектр системного шума, представляющий системный шум вблизи указанной второй возможной частоты вводимого сигнала как функцию скорости генератора;
идентифицируют порог n_t скорости генератора, ниже которого некритичен первый спектр шума и выше которого некритичен второй спектр шума; и
изменяют частоту вводимого сигнала с первой возможной частоты на вторую возможную частоту на пороге n_t скорости генератора во время последующих запусков генератора.

9. Способ по п.1 или 2, в котором дополнительная электрическая машина электрически соединена с первой электрической машиной, при этом для дополнительной машины выбирают дополнительную основную частоту вводимого сигнала, которая отличается от основной частоты вводимого сигнала, выбранной для электрической машины.

10. Способ по п.1 или 2, в котором дополнительно адаптируют частоту вводимого сигнала в зависимости от различных режимов нагрузки генератора.

11. Способ по п.1 или 2, в котором используют систему защиты от замыкания на землю для защиты ротора и/или статора от замыкания на землю в генераторе с мощностью свыше 20 МВА.

12. Система защиты от замыкания на землю для электрической машины, содержащая генератор (20) сигнала для введения сигнала u_i с частотой f_i вводимого сигнала в проводник (10) электрической машины и реле (21) защиты от замыкания на землю, которое выполнено с возможностью оценивать ответный сигнал u_RE, чтобы идентифицировать замыкание на землю в электрической машине,
отличающаяся тем, что генератор (20) сигнала посредством средства связи соединен с реле (21) защиты через линию (22) связи, чтобы получать значение частоты f_i вводимого сигнала, адаптированной в соответствии со способом по любому из пп.1-10.