СИСТЕМА, КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ОБМОТКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2015 года по МПК H02P29/02 H02H7/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к системам для обнаружения неисправностей синхронного генератора и защиты от них. В частности, оно касается неисправностей обмоток синхронного генератора, например, в синхронном генераторе большой мощности для гидроэлектростанции, теплоэлектростанции или атомной электростанции.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Важным фактором, обеспечивающим высокую надежность в электростанциях, является снабжение генераторов, таких как генераторы большой мощности в гидроэлектростанциях или атомных электростанциях, системами контроля состояния, чтобы обнаруживать неисправности на ранней стадии. Задачей изобретения является усовершенствованный способ диагностики, обнаружения и защиты, позволяющий обнаруживать и идентифицировать неисправности обмоток в синхронном генераторе, в частности, межвитковые короткие замыкания в синхронном генераторе. Такие внутренние неисправности в зоне действия релейной защиты генератора могут приводить к серьезному повреждению, если их не обнаруживать и не устранять. Для обнаружения межвитковых коротких замыканий применяли несколько способов, включая поперечную дифференциальную защиту и анализ сигнатур гармоник.

Поперечная дифференциальная защита является широко применяемым способом и обеспечивает приемлемую чувствительность и надежность при защите от межвитковых коротких замыканий синхронного генератора. В этом способе применяют небалансный или дифференциальный ток между ветвями обмоток статора в каждой фазе для индикации присутствия межвиткового короткого замыкания. Для каждой обмотки, подвергаемой контролю, измеряют ток через обмотку в каждой ветви каждой фазы на обоих концах обмотки. Наличие специализированных измерительных устройств, таких как трансформаторы тока (ТТ), на каждом конце каждой обмотки требует многих измерительных устройств, что увеличивает общую стоимость защиты этого типа. Иногда ветви обмоток статора синхронного генератора находятся внутри машины из-за предпочтений изготовления и недоступны для установки ТТ, ограничивая тем самым применение этого способа.

В документе US7528611 (Д1) описаны способ и система для обнаружения неисправностей обмоток в генераторе с параллельными обмотками, в частности, межвитковых коротких замыканий между параллельными обмотками. Система включает в себя компоновку трансформаторов 24, 26, 28, 30, 32 и 34 тока на стороне выводов генератора, по одному трансформатору тока для каждой ветви катушек генератора (фиг. 1 в Д1) и по две ветви в каждой фазе. Трансформаторы тока выполнены с возможностью восприятия различия между катушками каждой фазы и выдачи сигнала тока расщепленной фазы для каждой фазы (Реферат, со строки 60 в столбце 5 по строку 2 в столбце 6). Сигналы тока расщепленной фазы подаются в реле (38) на основе микропроцессора, выполненное с возможностью обнаружения межвитковых коротких замыканий в зоне релейной защиты и выдачи сигнала тревоги или сигнала отключения (столбец 6, строки 5-14). В системе согласно Д1 используется меньше трансформаторов тока, чем при обычной поперечной дифференциальной защите; в частности, в системе согласно Д1 не используются трансформаторы тока на стороне нейтрали генератора. Системе согласно Д1 нужен один трансформатор тока для каждой обмотки катушки каждой фазы. На практике зачастую трудно получить доступ к обмотке для установки трансформатора тока.

Способ анализа сигнатур гармоник предусматривает использование гармонического спектра напряжений или токов синхронного генератора для обнаружения межвиткового короткого замыкания статора. Когда происходит межвитковое короткое замыкание статора, некоторые характеристические гармонические составляющие появляются в гармоническом спектре токов ротора и статора как сигнатуры межвиткового короткого замыкания. Однако мощные электронные устройства, используемые в электрической сети, такие как преобразователи и выпрямители, возмущения системы и несбалансированная работа внешних электрических сетей также могут индуцировать гармоники, которые смогут влиять на сигнатуры и тем самым снижать надежность этого способа.

В документе US7592772 описано обнаружение межвитковых коротких замыканий с помощью анализа гармоник, предусматривающего наличие испытательной катушки ротора для измерения тока обмотки возбуждения ротора. Испытательная катушка расположена у обмотки возбуждения ротора. В промышленных установках зачастую трудно или невозможно установить такую испытательную катушку. Кроме того, когда частота изменяется, нельзя точно измерить гармоническую составляющую. Изобретение обеспечивает альтернативу таким измерениям и анализ токов ротора.

В статье “A Robust On-Line Turn Fault Detection Technique for Induction Machines Based on Monitoring the Sequence Component Impedance Matrix” («Робастный метод поточного обнаружения витковых коротких замыканий для асинхронных машин на основе контроля матрицы полных сопротивлений составляющих последовательностей») описано обнаружение межвитковых коротких замыканий асинхронных двигателей на основе матрицы полных сопротивлений симметричных составляющих последовательности. Изменение недиагональных элементов полных сопротивлений симметричной последовательности указывает возникновение межвитковых коротких замыканий. Чтобы получить данные и параметры для алгоритма обнаружения, способ включает в себя этапы обучения, которые включают в себя несколько преднамеренно несбалансированных операций. См. статью “S. Lee, R. Tallam, T. Habetler, IEEE Transaction on Power Electronics “A robust on-line turn fault detection technique for induction machines based on monitoring the sequence component impedance matrix,” т. 18, № 3, 2003.

Такие несбалансированные этапы обучения непрактичны применительно к синхронным генераторам большой мощности во время их нормальной работы.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения состоит в том, чтобы разработать способ обнаружения неисправностей обмоток, в частности межвитковых коротких замыканий обмоток, простой в применении и при этом надежный. В данном изобретении предложены способ и система для обнаружения неисправностей обмоток синхронного генератора, содержащего статор с обмотками и выводами для токов машины и ротор, который выполнен с возможностью вращения внутри статора. За счет обнаружения и идентификации неисправностей обмоток, в частности межвитковых коротких замыканий, таким образом, что оказывается возможной выдача команд отключения для отсоединения генератора в случае межвитковых коротких замыканий, облегчаются защита от неправильного функционирования генератора и ремонты генератора.

Для этих целей, в данном изобретении предложен способ обнаружения внутренней неисправности синхронного генератора, причем синхронный генератор содержит обмотки для каждой фазы электрической сети, по меньшей мере, один вывод для каждой фазы, расположенный на стороне выводов синхронного генератора и соединенный с соответствующими обмотками, при этом выводы на стороне выводов выполнены с возможностью соединения с электрической сетью, а синхронный генератор способен подводить мощность в электрическую сеть посредством выводов. Синхронный генератор предпочтительно представляет собой генератор, в котором каждая обмотка содержит, по меньшей мере, две ветви обмотки. Способ предусматривает измерение напряжения (V_a, V_b, V_c) каждой фазы на упомянутом, по меньшей мере, одном каждом выводе и тока (I_a, I_b, I_c) каждой фазы на упомянутом, по меньшей мере, одном каждом выводе, и определение того, подвергается ли синхронный генератор межвитковому короткому замыканию в любой из его фаз. Это определение включает в себя: преобразование измеренных фазных токов (I_a, I_b, I_c) и измеренных фазных напряжений (V_a, V_b, V_c) в симметричные токи (I₁, I₂, I₀) последовательности и симметричные напряжения (V₁, V₂, V₀) последовательности соответственно; контроль, по меньшей мере, одной из следующих четырех переменных: (i) остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности; (ii) остаточное напряжение (ΔV₀) нулевой последовательности; (iii) полное сопротивление (Z_2C) связи отрицательной последовательности; и (iv) полное сопротивление (Z_0C) связи нулевой последовательности, причем каждую из этих переменных вычисляют исходя из составляющих (I₁, I₂, I₀, V₂, V₀) последовательностей и, по меньшей мере, одного удельного полного сопротивления (Z₀₀, Z₂₂) генератора, и выясняют, подвергается синхронный генератор неисправности обмотки или нет, исходя из вычисления, по меньшей мере, одного остаточного напряжения (ΔV₀, ΔV₂) или полного сопротивления (Z_2C, Z_0C) связи.

В предпочтительном варианте осуществления способ предусматривает защиту синхронного генератора при определении, что синхронный генератор подвергается внутренней неисправности, а эта защита включает в себя, по меньшей мере, один из этапов, на которых: отображают визуальное указание межвиткового короткого замыкания для оператора; оповещают оператора посредством звукового сигнала тревоги; отключают автоматические выключатели синхронного генератора, отсоединяя генератор от электрической сети, отключают автоматические выключатели возбуждения стороны переменного тока схемы возбуждения для снятия напряжения возбуждения ротора и отключают турбины генератора.

В варианте осуществления, остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности контролируют посредством напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности; остаточное напряжение (ΔV₀) нулевой последовательности контролируют посредством напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности; полное сопротивление (Z_2C) связи отрицательной последовательности контролируют посредством напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) связи отрицательной последовательности; и/или полное сопротивление (Z_0C) связи нулевой последовательности (с положительной последовательностью) контролируют посредством напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности.

В варианте осуществления, способ предусматривает определение направляющего угла, по меньшей мере, одной фазы (a, b, c) и заключение, что внутренняя неисправность является межвитковым коротким замыканием при обнаружении, что этот угол составляет приблизительно 180 градусов, 60 градусов или минус 60 градусов.

Способ предпочтительно предусматривает идентификацию того, какая фаза (a, b, c) подвергается межвитковому короткому замыканию, осуществляемую исходя из имеющегося угла, причем значение 180 градусов указывает ту же фазу (A), что и измеряемая, значение минус 60 градусов указывает последующую фазу (B), а значение 60 градусов указывает предыдущую фазу (C).

Этот способ осуществляют во время работы синхронного генератора.

Обычно три фазы синхронного генератора построены симметрично. Изобретение предназначено главным образом для симметричных синхронных генераторов. В исправном состоянии, трехфазные токи статора синхронного генератора хорошо сбалансированы и симметричны. Поэтому анализ составляющих симметричных напряжений и токов статора дает составляющие положительной последовательности без или при наличии малых составляющих отрицательной и нулевой последовательностей.

В состоянии такой внутренней неисправности обмотки, как межвитковое замыкание, трехфазные токи выводов статора не симметричны из-за внутреннего небаланса в синхронном генераторе. Поэтому появляются напряжения и токи отрицательной последовательности, которые могут быть обнаружены на выводах синхронного генератора.

В изобретении также предложена система для обнаружения внутренних неисправностей обмоток синхронного генератора и защиты от них. Система для обнаружения предусмотрена для обнаружения внутренних неисправностей обмоток синхронного генератора, а синхронный генератор содержит обмотки для каждой фазы электрической сети, вывод для каждой фазы, расположенный на стороне выводов синхронного генератора и соединенный с соответствующей обмоткой, при этом выводы на стороне выводов выполнены с возможностью соединения с электрической сетью, а синхронный генератор выполнен с возможностью подвода мощности в электрическую сеть посредством выводов. Система для обнаружения предпочтительно выполнена с возможностью обнаружения неисправностей обмоток в генераторе, имеющем обмотки, в котором каждая обмотка содержит, по меньшей мере, две ветви обмотки. Система для обнаружения содержит входную измерительную схему, включающую в себя аналого-цифровые преобразователи, выполненную с возможностью измерения аналоговых значений фазных напряжений выводов и фазных токов выводов, приспособленную для стороны второго контура устройств для измерения тока и напряжения, получающую измерения от устройств для измерения напряжения и устройств для измерения тока, расположенных у выводов синхронного генератора. Система для обнаружения и защиты дополнительно содержит блок обеспечения математического преобразования для преобразования фазных напряжений в составляющие симметричных напряжений последовательностей и фазных токов в составляющие симметричных токов последовательностей и определитель неисправностей обмоток, способный обнаруживать внутренние неисправности обмоток в синхронном генераторе исходя из составляющих отрицательной последовательности, а предпочтительно, и составляющих нулевой последовательности, напряжений и токов.

В варианте осуществления, определитель неисправностей обмоток способен обнаруживать внутреннюю неисправность обмотки на основании, по меньшей мере, одной из следующих четырех переменных: (i) остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности; (ii) остаточное напряжение (ΔV₀) нулевой последовательности; (iii) полное сопротивление (Z_2C) связи отрицательной последовательности; и (iv) полное сопротивление (Z_0C) связи нулевой последовательности. Каждую из этих переменных предпочтительно вычисляют исходя из симметричных составляющих (I₁, I₂, I₀, V₂, V₀) последовательностей и, по меньшей мере, одного удельного полного сопротивления (Z₀₀, Z₂₂) генератора.

В варианте осуществления, остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности вычисляют исходя из напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности; остаточное напряжение (ΔV₀) нулевой последовательности вычисляют исходя из напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности; полное сопротивление (Z_2C) связи отрицательной последовательности вычисляют исходя из напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности, а полное сопротивление (Z_0C) связи нулевой последовательности вычисляют исходя из напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности.

В варианте осуществления, система дополнительно включает в себя определитель межвитковых коротких замыканий, способный обнаруживать межвитковое короткое замыкание путем анализа направляющего угла, по меньшей мере, одного тока отрицательной последовательности относительно соответствующего тока положительной последовательности той же фазы.

В варианте осуществления, определитель межвитковых коротких замыканий включает в себя идентификатор фаз, способный идентифицировать, какая фаза подвергается межвитковому короткому замыканию, путем анализа направления тока отрицательной последовательности, и при этом, в частности, значение 180 градусов указывает ту же фазу, что и измеряемая, значение минус 60 градусов указывает последующую фазу, а значение 60 градусов указывает предыдущую фазу.

В варианте осуществления, система содержит детектор симметричных неисправностей, способный контролировать величины напряжений отрицательной последовательности и токов отрицательной последовательности, а также обнаруживать симметричные короткие замыкания, предусматривая использование, по меньшей мере, одного из следующих критериев:

- когда токи отрицательной последовательности превышают первый малый порог (2-5%) наряду с тем, что напряжения отрицательной последовательности ниже второго малого порога (0,5-2%), определяют, что синхронный генератор подвергается внутренней неисправности;

- когда токи отрицательной последовательности превышают третий малый порог (2-5%) наряду с тем, что напряжения отрицательной последовательности выше четвертого малого порога (0,5-5%), диагностируют симметричное короткое замыкание, возникающее либо потому, что синхронный генератор подвергается внутренней неисправности, либо потому, что электрическая сеть подвергается небалансу.

В данном изобретении токи и напряжения стороны выводов статора используются для определения симметричных составляющих последовательности, таких как токи и напряжение отрицательной последовательности, токи и напряжение положительной последовательности, полное сопротивление связи отрицательной последовательности и полное сопротивление связи нулевой последовательности, чтобы обнаружить изменения в этих составляющих. В предпочтительном варианте, изобретение также позволяет обеспечить обнаружение межвитковых коротких замыканий. В данном способе измерения на стороне выводов в статорах генераторов используются для обнаружения внутренних неисправностей обмоток, и способ пригоден для осуществления - на основе измерений, обеспечиваемых для выработки электроэнергии посредством устройств для измерения тока и напряжения, используемых для контроля, - обнаружения вырабатываемой электроэнергии без необходимости установки специализированных устройств для измерения тока с обнаружением коротких замыканий. В предпочтительном варианте, контроль, включая обнаружение, выводов статора используется совместно с сигналами тока с выводом схемы возбуждения ротора, и поэтому довольно практичен для воплощения в системах защиты генераторов и приемлем для промышленных приложений.

В изобретении также предложен компьютерный программный продукт для определения внутренней неисправности, в частности, межвитковых коротких замыканий, синхронного генератора. Этот компьютерный программный продукт предложен для защиты синхронного генератора, который содержит обмотку для каждой фазы электрической сети, вывод для каждой фазы, расположенный на стороне выводов синхронного генератора и соединенный с соответствующей обмоткой, причем выводы на стороне выводов выполнены с возможностью соединения с электрической сетью, а синхронный генератор способен подводить мощность в электрическую сеть посредством выводов. Компьютерный программный продукт, при выполнении на компьютере, который принимает измерения тока (I_a, I_b, I_c) и напряжения (V_a, V_b, V_c) от измерительных устройств, расположенных у выводов фаз синхронного генератора, побуждает компьютер осуществлять следующие этапы, на которых: (i) преобразуют (302, 502) измеренные фазные токи (I_a, I_b, I_c) и измеренные фазные напряжения (V_a, V_b, V_c) в симметричные токи (I₁, I₂, I₀) последовательности и симметричные напряжения (V₁, V₂, V₀) последовательности соответственно; (ii) контролируют, по меньшей мере, одну из следующих переменных: остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности; остаточное напряжение (ΔV₀) нулевой последовательности; полное сопротивление (Z_2C) связи отрицательной последовательности; и полное сопротивление (Z_0C) связи нулевой последовательности остаточного напряжения (ΔV₂) отрицательной последовательности;, причем каждую из этих переменных вычисляют исходя из симметричных составляющих (I₁, I₂, I₀, V₂, V₀) последовательности и, по меньшей мере, одного остаточного напряжения (ΔV₀, ΔV₂) или полного сопротивления (Z_2C, Z_0C) связи; и (iii) определение (306, 504, 506) того, подвергается ли синхронный генератор неисправности обмотки или нет, исходя из вычисленного, по меньшей мере, одного остаточного напряжения (ΔV₀, ΔV₂) или полного сопротивления (Z_2C, Z_0C) связи.

В варианте осуществления, остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности контролируют посредством напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности; остаточное напряжение (ΔV₀) нулевой последовательности оперативно контролируют посредством напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности; сопротивление (Z_2C) связи отрицательной последовательности контролируют посредством напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности; и/или сопротивление (Z_0C) связи нулевой последовательности контролируют посредством напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности.

В варианте осуществления, этапы предусматривают определение направляющего угла (альфа) тока отрицательной последовательности относительно угла тока положительной последовательности, по меньшей мере, одной фазы (a, b, c), и заключение, что внутренняя неисправность является межвитковым коротким замыканием при обнаружении, что этот угол (альфа) составляет приблизительно 180 градусов, 60 градусов или минус 60 градусов.

В предпочтительном варианте идентификация того, какая фаза (a, b, c) подвергается межвитковому короткому замыканию, осуществляется исходя из имеющегося угла (альфа), причем значение 180 градусов указывает ту же фазу (A), что и измеряемая, значение минус 60 градусов указывает последующую фазу (B), а значение 60 градусов указывает предыдущую фазу (C).

В варианте осуществления, компьютерный программный продукт также позволяет заставить компьютер осуществлять, по меньшей мере, один из этапов, на которых: (a) отображают визуальное указание межвиткового короткого замыкания для оператора; (b) выдают звуковой сигнал тревоги для оператора; (c) выдают сигнал отключения для отсоединения синхронного генератора от электрической сети при определении, что синхронный генератор подвергается внутренней неисправности.

Преимущественные признаки, обеспечиваемые данным изобретением, являются следующими:

(1) полное сопротивление связи (или остаточное напряжение) отрицательной последовательности, которое свидетельствует о значительности внутреннего небаланса машины, обуславливаемого межвитковым коротким замыканием;

(2) направление тока отрицательной последовательности относительно тока положительной последовательности, которое выявляет не только межвитковое короткое замыкание, но и фазу, ему подверженную; и

(3) составляющая переменного тока ротора, вычисленная исходя из параметров стороны схемы возбуждения переменного тока, также обеспечивает меру степени небаланса машины в случае межфазных коротких замыканий.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1а показана система контроля и защиты синхронного генератора в соответствии с изобретением.

На фиг. 1b показаны части системы, используемые для дополнительного измерения, осуществляемого с целью оперативного контроля, токов ротора.

На фиг. 2 изображены подробности обмоток синхронного генератора согласно фиг. 1.

На фиг. 3 иллюстрируется способ контроля и защиты синхронного генератора в соответствии с изобретением.

На фиг. 4 изображен контролер для контроля и защиты синхронного генератора в соответствии с изобретением.

На фиг. 5 иллюстрируется дополнительный способ защиты синхронного генератора в соответствии с изобретением.

На фиг. 6 иллюстрируется обнаружение токов отрицательной последовательности во время короткого замыкания.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг. 1 изображена компоновка для защиты синхронного генератора 1. Синхронный генератор 1 соединен с электрической сетью 3, такой как единая национальная электрическая сеть 3, и выполнен с возможностью генерирования и передачи электрической энергии в электрическую сеть 3. Синхронный генератор 1 имеет сторону 2 нейтрали, на которой обмотки синхронного генератора 1 взаимосвязаны в соединении звездой и заземлены посредством полного сопротивления или заземляющего трансформатора. Синхронный генератор также содержит сторону 4 выводов, на которой каждая обмотка генератора соединена с соответствующим проводником 5 - по одному для каждой фазы. Синхронный генератор соединен с электрической сетью 3 посредством проводников 5, таких как электрические шины или провода, и автоматических выключателей 7, выполненных с возможностью соединения синхронного генератора 1 с электрической сетью 3 и разъединения с ней. Синхронный генератор представляет собой трехфазный синхронный генератор 1, соединенный с трехфазной сетью 3, и для каждой фазы a, b, c предусмотрены один проводник 5 и один автоматический выключатель 7. Соединение между синхронным генератором 1 и электрической сетью 3 также включает в себя устройство 9 повышающего трансформатора, так что энергию низкого уровня напряжения на стороне генератора можно преобразовать в энергию высокого уровня напряжения для электрической сети 3 с целью возможной передачи на дальнее расстояние. Синхронный электрический генератор 1 механически подключен к турбинной системе 6, например - к гидроэлектрической турбине или паровой турбине ядерного реактора или котла, работающего на органическом топливе.

Установка также содержит систему 10-17 оперативного контроля и защиты, содержащую устройства 10 для измерения тока в форме трансформаторов 10 тока и устройства 11 для измерения напряжения в форме трансформаторов 11 напряжения, по одному для каждой фазы 10a-c и 11a-c соответственно. Каждое измерительное устройство 10-11 соединено посредством вторичных проводов с блоком 12 защиты и выполнено и приспособлено для передачи замеров токов и напряжений в блок защиты, причем измерительные устройства предусмотрены для передачи каждого фазного тока (I_a, I_b, I_c) и каждого фазного напряжения (V_a, V_b, V_c) в блок 12 защиты. Кроме того, блок 12 защиты оперативно соединен вторичными проводами 13 с автоматическими выключателями 7a-c и выполнен с возможностью избирательной передачи команд отключения в каждый автоматический выключатель 7a-c и выполнен с возможностью избирательного соединения синхронного генератора 1 с электрической сетью 3 и разъединения его с ней. Блок 12 защиты оперативно соединен вторичными проводами (такими, как обозначенные позициями 17 и 36) с другими частями генерирующей системы, включая турбину 6 и систему 30 возбуждения ротора, для избирательного соединения и разъединения турбины 6 и системы 30 возбуждения ротора. Блок 12 защиты включает в себя аппаратные средства компьютера, экранный дисплей 14, систему 15 сигнализации неисправностей и систему связи, которая соединяет блок 12 защиты с системой 16 автоматизации подстанций, где операторы 19 получают сигналы неисправностей при обнаружении неисправности. Система для обнаружения и защиты способна измерять фазные токи и фазные напряжения на стороне 4 выводов синхронного генератора 1. Система для обнаружения и защиты способна анализировать замеры и - если обнаруживается неисправность - принимать меры, такие как оповещение оператора посредством изображения на экране, посредством звука через громкоговоритель, отключение генератора 1 от электрической сети 3, отсоединения турбины и отсоединения системы возбуждения ротора синхронного генератора.

Изобретение направлено на обнаружение неисправностей обмоток синхронного генератора и защиту от этих неисправностей, но может с выгодой предусматривать и средства обнаружения и защиты других типов, хотя они здесь и не описаны. Поэтому система 10-17 для обнаружения и защиты в соответствии с изобретением способна анализировать измеренные токи и напряжения с целью выявления неисправностей обмоток, в частности, межвитковых коротких замыканий, а также для защиты от таких неисправностей путем принятия мер при обнаружении такой неисправности. Система 10-17 для обнаружения и защиты может оказаться подходящей для встраивания в уже существующую систему защиты электрического генератора путем воплощения способа диагностики неисправностей обмоток и способов защиты согласно изобретению. Такое воплощение можно реализовать посредством компьютерной программы, дополняющей существующую систему защиты, например, когда аппаратные средства, подобные устройствам 10 и 11 для измерения тока и напряжения, блоку 12 защиты и выходному устройству, такому как монитор 14, уже включены в состав системы.

Блок 12 защиты также соединен со схемой 30 возбуждения ротора, принадлежащей ротору (сигнальное соединение 18), и обмоткой (32) возбуждения ротора, принадлежащей синхронному генератору 1. По причинам ясности изображения, схема (30) возбуждения показана «пунктирными линиями», но изображена еще и на фиг. 1b. Блок 12 защиты способен измерять фазные переменные токи выводов 14 фаз d, e, f возбуждения и включает в себя средства для обнаружения межвитковых коротких замыканий исходя из этих измерений. Это дополнительное обнаружение будет подробнее описано ниже со ссылками на фиг. 1b и фиг. 5, где иллюстрируются этапы способа, предусматривающие анализ токов обмотки возбуждения ротора.

На фиг. 2 подробнее изображены обмотки 20, 23, 26 синхронного генератора и положения устройств 10 и 11 для измерения тока и напряжения. Синхронный генератор 1 включает в себя по две ветви обмоток, то есть, 21, 22, 24, 25, 27, 28, на фазу и по одному устройству 10a, b, с для измерения тока и одному устройству 11a, b, с для измерения напряжения на фазу. Таким образом, устройства 10 для измерения тока измеряют три фазных тока I_a, I_b или I_c из всех обмоток, в этом случае - из обеих ветвей для каждой фазной обмотки.

Изобретение применимо к синхронным генераторам, имеющим лишь по одной ветви на фазу. Изобретение применимо к синхронным генераторам, имеющим по три или четыре или более ветвей на фазу. Однако вычисления основаны лишь на токах и напряжениях выводов, например трех фазных токах и напряжениях. Нет необходимости располагать трансформаторы тока, которые измеряют ток через обмотку каждой ветви (или расщепленной фазы), в каждой ветви обмотки.

На фиг. 3 иллюстрируется способ контроля и защиты для синхронного генератора в соответствии с изобретением. Способ начинается измерением (этап 301) каждого фазного тока I_a, I_b, I_c и каждого фазного напряжения V_a, V_b, V_c на стороне 4 выводов синхронного генератора 1. Измеренные токи (I_a, I_b, I_c) и напряжения (V_a, V_b, V_c) преобразуются на этапе 302 в их так называемые симметричные составляющие (I₁, I₂, I₀, V₂, V₀) последовательности, называемые также основными составляющими. В состоянии отсутствия неисправностей, синхронный генератор оказывает симметричное влияние на электрическую сеть, а составляющие (I₁; V₁) положительной последовательности являются ненулевыми, тогда как составляющие (I₀; V₀) нулевой последовательности и составляющие (I₂; V₂) отрицательной последовательности являются нулевыми. На следующем этапе 305 вычисления, определяют остаточное напряжение отрицательной последовательности, остаточное напряжение нулевой последовательности, полное сопротивление связи отрицательной последовательности и/или полное сопротивление связи нулевой последовательности. На этапе 306 диагностирования осуществляют контроль остаточных параметров (или остатков) и/или полного сопротивления связи (или полных сопротивлений связи), и если любое из остаточного напряжения (остаточных напряжений) или полного сопротивления связи (полных сопротивлений связи) отклоняется от нуля, т.е. от состояния отсутствия неисправностей, на значительную величину, то обнаруживается короткое замыкание обмотки. Если короткое замыкание обнаружено, способ продолжается этапом 313 и обеспечивает защиту электрического устройства, т.е. защиту генератора 1 и электрической сети 3. Если короткое замыкание не обнаружено, способ возвращается к первому этапу - этапу 301 измерения - и обеспечивает измерение всех фазных токов и напряжений, снова последовательно проводя следующие этапы 302, 305 и 306.

На фиг. 1b подробнее изображены части схемы 30 возбуждения ротора согласно фиг. 1. Схема 30 возбуждения ротора соединена с обмоткой возбуждения ротора и способна выдавать постоянный ток I_r в обмотку возбуждения. Для этой цели выводы 34 схемы 30 возбуждения ротора выполнены с возможностью выдачи фазных токов d, e, f выводов в выпрямитель 31 схемы 30 возбуждения 30. Выпрямитель 31 предусмотрен для выпрямления фазных токов I_d, I_e, I_f выводов переменного тока в постоянный ток I_r ротора.

На фиг. 4 подробнее изображен блок 12 защиты, который может быть воплощен в аппаратных средствах компьютера, известных как интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ). Блок 12 защиты содержит аналоговую входную измерительную схему 40 (включающую в себя аналого-цифровые преобразователи), соединенную с устройствами 10 и 11 для измерения тока и напряжения, причем аналоговая входная измерительная схема 40, включающая в себя аналого-цифровые преобразователи, выполненные с возможностью оцифровывания измерительных сигналов, выполнена и приспособлена для приема фазных напряжений (V_a, V_b, V_c) и фазных токов (I_a, I_b, I_c) выводов, т.е., измерительных сигналов каждого фазного напряжения и фазного тока. Блок 12 защиты дополнительно включает в себя средства для оценки оцифрованных измерений фазных токов (I_a, I_b, I_c) и фазных напряжений (V_a, V_b, V_c). Блок 12 защиты включает в себя блок 42 обеспечения математического преобразования для математической обработки измерений, который способен преобразовывать фазные токи (I_a, I_b, I_c) и фазные напряжения (V_a, V_b, V_c) в их симметричные составляющие последовательности или основные составляющие (I₁, I₂, I₀, V₂, V₀), содержащие напряжения и токи (V₁, I₁) положительной последовательности, напряжения и токи (V₂, I₂) отрицательной последовательности и напряжения и токи (V₀, I₀) нулевой последовательности. Симметричные составляющие последовательности затем используются блоком 12 защиты, чтобы обнаружить, подвергается ли синхронный генератор 1 внутренней неисправности обмотки.

Блок 12 защиты дополнительно включает в себя определитель 44 симметричных коротких замыканий для определения того, указывают ли составляющие (V₂, I₂) отрицательной последовательности на присутствие симметричного короткого замыкания. Такое симметричное короткое замыкание может произойти из-за внутренней неисправности обмотки синхронного генератора 1 и/или из-за неисправности, обусловленной небалансом внешней электрической сети 3. Чтобы определить, подвергается ли синхронный генератор 1 внутренней неисправности, определитель 44 симметричных коротких замыканий способен контролировать величины напряжений (V₂) и токов (I₂) отрицательной последовательности соответственно. Определитель 44 симметричных коротких замыканий способен сравнивать большой ток (I₂) отрицательной последовательности и напряжение (V₂) отрицательной последовательности с порогами для определения присутствия внутренней неисправности обмотки в синхронном генераторе 1. Если и ток отрицательной последовательности, и напряжение отрицательной последовательности ниже своего соответствующего порога, определитель 44 симметричных коротких замыканий способен определить, что синхронный генератор исправен. Сравнительно большой ток (I₂) отрицательной последовательности в сочетании с малым - или близким к нулю - напряжением (V₂) отрицательной последовательности указывает, что синхронный генератор подвергается внутренней неисправности. Для обнаружения такой внутренней неисправности, определитель 44 симметричных коротких замыканий способен исследовать, ниже ли напряжение (V₂) отрицательной последовательности, чем первый порог (дельта 1, например, 0,5-2% полного напряжения V₁), и выше ли ток (I₂) отрицательной последовательности, чем второй порог (дельта 2, например, 2-5% полного тока I₁).

Относительно большое напряжение (V₂) отрицательной последовательности в сочетании с относительно большим током (I₂) отрицательной последовательности указывает на несимметричное короткое замыкание, которое может быть внутренним или внешним. Чтобы определить присутствие такой несимметричной неисправности, которая может указывать на неисправный синхронный генератор, а также на несбалансированную электрическую сеть, определитель 44 симметричных коротких замыканий способен сравнивать напряжение V₂ отрицательной последовательности и определять, выше ли это напряжение, чем третий порог (дельта 3), который предпочтительно имеет такую же величину, как первый порог (дельта 1), и этот третий порог напряжения является приблизительно таким же, как первый порог, составляя, например, 1% (напряжения положительной последовательности). Кроме того, определитель 44 симметричных коротких замыканий способен сравнивать, выше ли ток (I₂) отрицательной последовательности, чем четвертый порог (дельта 4), который предпочтительно имеет такую же величину, как второй порог, составляя, например, 2-5% тока положительной последовательности. Если определитель 44 симметричных коротких замыканий определяет, что одновременно и напряжение V₂ отрицательной последовательности выше третьего порога, и ток (I₂) отрицательной последовательности выше четвертого порога, то он способен определять присутствие несимметричного короткого замыкания, а блок 12 защиты способен дополнительно исследовать, является ли несимметричное короткое замыкание внутренним коротким замыканием обмотки генератора 1 или внешним симметричным коротким замыканием электрической сети 3.

C целью определения, подвергается ли синхронный генератор 1 внутренней неисправности, блок 12 защиты содержит определитель 46 внутренних неисправностей, предназначенный для обнаружения внутренних неисправностей синхронного генератора 1. Определитель 46 внутренних неисправностей способен использовать симметричные составляющие (I₁, I₂, I₀, V₂, V₀) последовательности фазных токов (I_a, I_b, I_c) и напряжений (V_a, V_b, V_c) выводов вместе с характеристиками полного сопротивления синхронного генератора 1, чтобы определить, подвергается ли синхронный генератор неисправности обмотки. Как уже частично описано со ссылками на фиг. 3 и будет математически подробнее описано ниже в разделе «Анализ 1», определитель 46 внутренних неисправностей вычисляет, по меньшей мере, один из показателей внутренних неисправностей обмоток; в предпочтительном варианте, определитель 46 внутренних неисправностей вычисляет более одного, предпочтительно - два показателя. Определитель 46 внутренних неисправностей способен вычислять полные сопротивления связи (полное сопротивление Z_2C связи отрицательной последовательности и полное сопротивление Z_0C связи нулевой последовательности, а также остаточные напряжения. Так, в альтернативном или дополнительном варианте, определитель 46 внутренних неисправностей способен вычислять одно из остаточного напряжения (ΔV₂) отрицательной последовательности и остаточного напряжения (ΔV₀) нулевой последовательности или их оба.

Помимо этого блок 12 защиты снабжен определителем 48 межвитковых коротких замыканий и фаз, который предусмотрен для определения присутствия межвиткового короткого замыкания и той фазы синхронного генератора, которая этому межвитковому короткому замыканию подвергается. Определитель 48 межвитковых коротких замыканий и фаз способен определять угол (альфа) между током (I₂) отрицательной последовательности и соответствующим током (I₁) положительной последовательности. Этот угол (альфа) указывает, в обмотке 20, 23, 37 какой фазы синхронного генератора 1 находится межвитковое короткое замыкание. Эти вычисления дополнительно описаны ниже в разделе «Анализ 2» и иллюстрируются на фиг. 6.

Энергогенерирующие системы обычно наделены функциями защиты от межфазных коротких замыканий. Предлагаемое техническое решение предпочтительно предусматривает установку в энергогенерирующей системе, уже имеющей защиту от межфазных коротких замыканий, а блок 12 защиты может предусматривать такой признак за наличия детектора 49 межфазных коротких замыканий, предусмотренного для определения межфазных коротких замыканий и/или коротких замыканий фаз на «землю». Такое обнаружение коротких замыканий фаз на «землю» не является основной задачей данного изобретения и поэтому не описывается здесь подробнее. Короткое замыкание фазы на «землю» также негативно влияет на симметрию генератора, и поэтому такое короткое замыкание нужно устранять или учитывать при использовании предлагаемого технического решения.

Блок 12 защиты также снабжен средствами 51-53 для защиты синхронного генератора 1 и электрической сети 3 при обнаружении неисправности. С этой целью, блок 12 защиты содержит блок 51 отключения автоматических выключателей, который оперативно соединен с автоматическими выключателями 7, соединяющими синхронный генератор 1 с электрической сетью 3. Блок защиты также содержит блок 52 визуальной индикации, оперативно соединенный с дисплеем 14 и способный выдавать оператору визуальное указание, которое указывает неисправность, предпочтительно - указывает тип неисправности, например, такой как неисправность обмотки, и предпочтительно указывающее межвитковое короткое замыкание и обмотку той фазы синхронного генератора, в которой это межвитковое короткое замыкание произошло. Блок 12 защиты способен выдавать такое визуальное указание - при обнаружении соответствующего короткого замыкания - оператору 19 посредством системы 16 автоматизации подстанций. Блок 12 защиты дополнительно содержит выход 53 звукового сигнала тревоги, соединенный с громкоговорителем 15, для оператора 19 системы 16 автоматизации подстанций, чтобы предупредить его, когда обнаруживается неисправность. Приемлем вариант, в котором блок защиты может быть частью системы 16 автоматизации подстанций, которая предусмотрена для управления всей энергогенерирующей установкой, включающей в себя турбину, генератор 1, трансформаторную подстанцию 9 и соединения с электрической сетью 3.

Блок 12 защиты также обеспечивает дополнительное средство для определения межвитковых коротких замыканий, осуществляющее контроль тока ротора синхронного генератора. С этой целью, блок 12 защиты содержит измерительную схему (60 на фиг. 4), выполненную и приспособленную для приема измерений переменного тока в случае фазных токов I_d, I_e, I_f вывода 34 возбуждения ротора. Блок 12 защиты также включает в себя вычислительный блок 62, способный вычислять ток (I_r) обмотки возбуждения ротора исходя из фазных токов (I_d, I_e, I_f) вывода возбуждения.

Блок защиты дополнительно содержит дополнительный детектор межвитковых коротких замыканий, способный диагностировать межвитковые короткие замыкания исходя из вычисленного тока (I_r) обмотки возбуждения ротора. Эти вычисления описываются ниже в разделе «Анализ 3).

На фиг. 5 иллюстрируются дополнительные варианты осуществления способа обнаружения внутренних неисправностей обмоток, в частности, межвитковых коротких замыканий, синхронного генератора и защиты от них в соответствии с изобретением. Способ начинается измерением (этап 501) фазных напряжений (V_a, V_b, V_c) и токов (I_a, I_b, I_c) выводов статора. Это измерение также включает в себя измерение фазных токов (I_d, I_e, I_f) на выводах 34 стороны переменного тока схемы 30 возбуждения ротора.

Следующий этап 502 включает в себя преобразование измеренных значений фазных напряжений (V_a, V_b, V_c) и токов (I_a, I_b, I_c) выводов статора в симметричные составляющие (V₁, V₂, V₀) и токи (I₁, I₂, I₀) последовательности. Эти симметричные составляющие последовательности используются в дальнейшем анализе. Параллельно этапу 502 преобразования измерений параметров статора, способ включает в себя этап 502В вычисления тока I_r обмотки возбуждения ротора исходя из фазных токов (I_d, I_e, I_f) схемы 30 возбуждения, например, этап суммирования абсолютных значений фазных токов (I_d, I_e, I_f).

Параллельная ветвь анализа, предназначенная для анализа тока I_r ротора, продолжается вычислением - на этапе 510 - составляющих переменного тока, присутствующих в токе I_r ротора. Составляющая постоянного тока, присутствующая в токе I_r ротора, и гармоники 6-го порядка (гармоники порядков n×6, включающие в себя гармоники 6-ого и более высокого порядка, т.е. гармоники 12-го, 18-го … порядков) вычитаются из тока I_r ротора. Параллельная ветвь анализа тока I_r ротора продолжается этапом 511 определения того, есть ли другие составляющие переменного тока в токе I_r ротора, помимо отфильтрованных гармоник 6-го порядка. Это определяется путем вычисления среднеквадратического значения (СКЗ) остаточного тока I_remain (после удаления составляющих постоянного тока и гармоник 6-го порядка) или вычисления межпиковых отклонений остаточного тока I_remain или вычисления среднего значения для значений остаточного тока I_remain. Результат вычисления на этапе 511 используется для создания отчета о неисправности на этапе 514, причем этот отчет о неисправности также основан на анализе статора. Если вычисленное содержимое переменного тока (среднеквадратическое, межпиковое или среднее значение) для остаточного тока I_remain больше, чем порог, анализ тока ротора используют для подтверждения на этапе 514 создания отчета, что синхронный генератор подвергается короткому замыканию.

После этапа 502 преобразования, анализ статора продолжается установлением на этапе 503, больше ли ток I₂ отрицательной последовательности, чем второй порог (дельта 2). Если ток I₂ отрицательной последовательности близок к нулю, т.е. меньше, чем порог дельта 2, делают вывод, что синхронный генератор не подвергается внутренней неисправности, и процесс возвращается к первому этапу - этапу 501 измерения токов и напряжений выводов. Однако если обнаруживается, что ток I₂ отрицательной последовательности присутствует, превышая порог дельта 2, что указывает на неисправность, способ продолжается установлением на этапе 504, меньше ли напряжение отрицательной последовательности, чем первый порог (дельта 1). Если это напряжение мало, т.е. меньше, чем первый порог, делают вывод, что синхронный генератор подвергается внутренней неисправности. Однако если напряжение отрицательной последовательности больше, чем упомянутый порог, то нельзя сделать вывод, что синхронный генератор 1 подвергается внутренней неисправности, поскольку неисправность может быть обусловлена внешней сетью 3.

Установление внутренней неисправности на этапе 504 на основании напряжения отрицательной последовательности, меньшего, чем первый порог дельта 1, приводит к первому порогу, составляющему приблизительно 2-5% напряжения положительной последовательности. Процесс продолжается этапом 505а вычисления, по меньшей мере, одной из четырех переменных. Если на этапе 504 нельзя сделать вывод, что генератор подвергается внутренней неисправности, поскольку напряжение отрицательной последовательности больше, чем первый порог дельта 1, процесс продолжается этапом 505b вычисления, по меньшей мере, одной из четырех переменных. Этапы 505a и 505b включают в себя один и тот же этап 505 вычисления. Результат этапа 505a используется для определения серьезности внутренней неисправности на этапе 507, а результат этапа 505b используется для определения на этапе 506, является неисправность внутренней или внешней, и если она является внутренней, то результат также используется на этапе 507 для определения серьезности неисправности. Вычисление, по меньшей мере, одной из четырех переменных на этапе 505 состоит из вычисления остаточного напряжения (ΔV₂ или ΔV₀) и/или полного сопротивления (Z_2c или Z_0c) связи.

Говоря подробнее, первая переменная представляет собой остаточное напряжение ΔV₂ отрицательной последовательности, которое вычисляют с помощью напряжения V₂ отрицательной последовательности, тока I₂ отрицательной последовательности и собственного полного сопротивления Z₂₂ связи отрицательной последовательности синхронного генератора 1. Упомянутое вычисление будет описано подробнее в разделе «Анализ 1» ниже и приведет к «уравнению 5» для вычисления этого остаточного напряжения ΔV₂ отрицательной последовательности.

Аналогичным образом, уравнения (5)-(8) описывают, как можно вычислить другие три переменные. Так, этап 505 включает в себя вычисление, по меньшей мере, одной из четырех переменных согласно соответствующим уравнениям (5)-(8), а подробности этого вычисления приведены в разделе «Анализ 1». Вторая переменная представляет собой остаточное напряжение ΔV₀ нулевой последовательности, которое вычисляют с помощью напряжения V₀ нулевой последовательности, тока I₀ нулевой последовательности и собственного полного сопротивления Z₀₀ связи нулевой последовательности синхронного генератора 1.

Третья переменная представляет собой полное сопротивление Z_2c связи отрицательной последовательности, которое вычисляют с помощью напряжения V₂ отрицательной последовательности, тока I₂ отрицательной последовательности, собственного полного сопротивления Z₂₂ связи отрицательной последовательности и тока I₁ положительной последовательности.

Четвертая переменная представляет собой полное сопротивление Z_0c связи нулевой последовательности, которое вычисляют с помощью напряжения V₀ нулевой последовательности, тока I₀ нулевой последовательности, собственного полного сопротивления Z₀₀ связи нулевой последовательности и тока I₁ положительной последовательности.

Если вычисленная переменная или вычисленные переменные больше, чем порог, то на этапе 506 делают заключение, что генератор подвергается внутренней неисправности, а величину вычисленной переменной используют на последующем этапе 507 для определения серьезности неисправности, поскольку величина каждой из переменных является характеристикой серьезности внутренней неисправности. Кроме того, если переменная ниже порога, делают заключение, что внутренней неисправности в синхронном генераторе нет, и процесс возвращается к первому этапу - этапу 501 изменения напряжений и токов выводов статора, а предпочтительно - еще и токов выводов переменного тока схемы возбуждения ротора.

Этап 507 включает в себя создание отчета о серьезности неисправности для внутренней неисправности, причем серьезность неисправности определяют исходя из величин вычисленных переменных. На фиг. 5 показано, что за этапом 507 следует этап 508, но в альтернативном варианте этап 507 может быть включен в этап 514 создания отчета о неисправности. Результат этапа 507 предпочтительно используют при создании отчета о неисправности на этапе 514.

Этап 508 включает в себя вычисление разности углов между токами I₂ отрицательной последовательности и токами I₁ положительной последовательности, при этом, по меньшей мере, одну разность углов вычисляют между одним током отрицательной последовательности и соответствующим током положительной последовательности той же фазы. Эти углы могли быть вычислены уже на этапе 502, когда измеренные токи (I_a, I_b, I_c) выводов преобразовали в симметричные составляющие (I₁, I₂, I₀) последовательностей, и этом случае этап 508 вычисления входит в этап 502 преобразования. Вычисленные углы можно использовать для определения, что внутренняя неисправность является межвитковым коротким замыканием, а дальнейшее описание этого определения приведено в разделе «Анализ 2» и иллюстрируется на фиг. 6. Вычисленный угол позволяет обнаружить межвитковое короткое замыкание, если этот угол представляет собой один из трех углов или является близким к одному из трех углов. Этими тремя углами являются 180 градусов, минус 60 градусов и 60 градусов. Помимо этого, рассматриваемый угол указывает, в какой фазе синхронный генератор подвергается межвитковому короткому замыканию. За этапом вычисления разности углов следует этап (этап 509) определения той фазы, в которой синхронный генератор подвергается межвитковому короткому замыканию.

Способ продолжается следующим этапом 514 создания отчета о неисправности, который предпочтительно включает в себя отчет о серьезности неисправности, созданный на этапе 507, результат анализа тока ротора с этапа 511, который включает в себя указание величины составляющих переменного тока, указывающих на неисправность, например - среднеквадратического значения этих составляющих, в постоянном токе ротора (составляющие переменного тока, указывающие на неисправность, являются составляющими переменного тока без гармоник 6-го порядка), и включает в себя указание внутренней неисправности и того, является ли внутренняя неисправность межвитковым внутренним коротким замыканием и той фазы, в которой можно обнаружить межвитковое короткое замыкание.

За присутствующими в способе этапами оперативного контроля синхронного генератора - этапами 501-511 - следует этап 513 защиты, так что контроль включает в себя также принятие мер, когда обнаруживается внутренняя неисправность. Этап 513 защиты включает в себя, по меньшей мере, одно из выдачи визуального указания для оператора, выдачи звукового сигнала тревоги, прекращения процесса генерирования энергии посредством отключения автоматического выключателя генератора и отсоединения электрической сети. За этапом 513 защиты предпочтительно следует этап 514 создания отчета о неисправности. Кроме того, созданный отчет о неисправности с этапа 514 удобно передавать на автоматизированные рабочие места операторов и в устройства управления процессом генерирования энергии.

Это изобретение позволяет ввести новые способы обнаружения межвитковых коротких замыканий статоров синхронных генераторов с повышенной чувствительностью и надежностью. Предложенный способ обладает преимуществом бесконтактности и не требует избыточных специализированных измерительных трансформаторов обнаружения межвитковых коротких замыканий синхронного генератора, т.е. - избыточных по сравнению с обычными устройствами для измерения мощности. Вместо этого, изобретение предусматривает использование только замеров токов и напряжений с выводов 5 генератора, причем эти замеры обычно доступны в генераторах мощности и обычно используются для контроля тока, напряжения и мощности, подводимых из генератора 1 мощности. В изобретении предложено комбинированное использование двух способов. Первый способ предусматривает использование анализа симметричных составляющих напряжений и токов статора и матрицы полных сопротивлений последовательностей синхронного генератора 1. Второй способ основан на проводимом во временной области анализе токов обмотки 31 возбуждения ротора.

АНАЛИЗ 1

Изобретение предусматривает использование способа обработки матрицы полных сопротивлений составляющих последовательности. Описание способа обработки матрицы полных сопротивлений составляющих последовательности для обнаружения межвитковых коротких замыканий приводится ниже. Уравнения напряжений в установившемся состоянии синхронного генератора в координатах фаз abc можно выразить в следующем виде (уравнение 1):

где V_abc - напряжения выводов синхронного генератора, а I_abc - токи выводов синхронного генератора. E_abc - напряжения внутренних эдс синхронного генератора. (Для ясности, Z_aa в матричном уравнении записано без использования подстрочных символов - как Zaa). Уравнение (1) можно преобразовать в координаты последовательностей следующим образом (уравнение 2):

где (V₁ V₂ V₀)^-1=T(V_a V_b V_c)^-1, (I₁ I₂ I₀)^-1=T(I_a I_b I_c)^-1, а(E₁ E₂ E₀)^-1=T(E_a E_b E_c)^-1. Здесь Т - матрица преобразования, предназначенная для преобразования фазных напряжений и фазных токов в их симметричные - или основные - составляющие, при этом

где а - комплексная единица для 120 градусов, так что

В исправном состоянии, если синхронный генератор хорошо сбалансирован, уравнение (2) можно диагонализировать как (уравнение 3):

Если существует небольшой небаланс из-за конструкции синхронного генератора, в уравнение (2) могут существовать недиагональные элементы, но - с весьма малыми значениями. В состоянии межвиткового короткого замыкания, матрица полных сопротивлений синхронного генератора и противо-эдс (электродвижущие силы E1, E2, E0) несимметрична, что приводит к следующим уравнениям напряжений (уравнение 4):

где fZ₁₂₀ - это Z₁₂₀ в неисправном состоянии. (Используя надстрочный индекс для f (для короткого замыкания) и подстрочные индексы для обозначения номеров элементов, в нижеследующем тексте употребляем символ Z^f ₁₁).

Сравнивая уравнение 3 и уравнение 4, изменения недиагональных элементов в матрицах полных сопротивлений последовательности синхронного генератора можно использовать как указатель коротких замыканий для межвитковых коротких замыканий синхронного генератора.

Производя действия с уравнением (4), определяем так называемые остаточное напряжение (5) отрицательной последовательности и остаточное напряжение (6) нулевой последовательности соответственно, коль скоро можно показать, что

ΔV₂=Z^f ₂₁I₁+Z^f ₂₀I₀-E₂= -V₂-Z^f ₂₂I₂; (5)

ΔV₀=Z^f ₀₁I₁+Z^f ₀₂I₂-E₀= -V₀-Z^f ₀₀I₀. (6)

Определяем также полное сопротивление Z_2C связи отрицательной последовательности и полное сопротивление Z_0C связи нулевой последовательности (здесь символ «с» относится к связи) как

Z_2C=ΔV₂/I₁=Z^f ₂₁+Z^f ₂₀(I₀/I₁)-(E₂/I₁); (7)

Z_0C=ΔV₀/I₁=Z^f ₀₁+Z^f ₀₂(I₂/I₁)-(E₀/I₁); (8)

и при этом полные сопротивления связи отображают связь с положительной последовательностью, т.е. Z_2C представляет собой полное сопротивление связи отрицательной последовательности с положительной последовательностью, а Z_0C представляет собой полное сопротивление связи нулевой последовательности с положительной последовательностью.

Для исправных синхронных генераторов, остаточное напряжение ΔV₂ отрицательной последовательности и остаточное напряжение ΔV₀ нулевой последовательности близки к нулю. Полное сопротивление Z_2C связи отрицательной последовательности и полное сопротивление Z_0C связи нулевой последовательности также близки к нулю.

Во время состояния межвиткового короткого замыкания внутренняя симметрия синхронного генератора нарушается. Остаточные напряжения (ΔV₂; ΔV₀, соответственно) отрицательной и нулевой последовательностей, а также полные сопротивления (Z_2C; Z_0C, соответственно) отрицательной и нулевой последовательностей, согласно уравнениям (5)-(8) являются ненулевыми. Вместо этого, остаточные напряжения (ΔV₂; ΔV₀) отрицательной и нулевой последовательностей, а также полные сопротивления (Z_2C; Z_0C) связи отрицательной и нулевой последовательностей, зависят от значительности межвиткового короткого замыкания.

Поэтому в изобретении предлагается использование любого из уравнений (5)-(8) для обнаружения межвитковых коротких замыканий синхронного генератора. Для обнаружения этих межвитковых коротких замыканий синхронного генератора можно контролировать правые стороны уравнений (5)-(8). Напряжения V_a, V_b, V_c и токи I_a, I_b, I_c генератора измеряют и преобразуют в симметричные - или основные - напряжения V₁, V₂, V₀ и токи I₁, I₂, I₀ последовательности соответственно.

Этот же способ можно также использовать для калибровки обнаруживаемых переменных (5)-(8) с целью получения полных сопротивлений связи отрицательной и нулевой последовательностей, а также остаточных напряжений отрицательной и нулевой последовательностей для исправного синхронного генератора. Так, можно устанавливать рабочее пороговое значение, выше которого обнаруживается внутренняя неисправность синхронного генератора. Во избежание возможной неправильной обработки из-за внешних неисправностей синхронных генераторов, можно применять определенные критерии блокировки, такие как критерии блокировки при перегрузке по току или критерии блокировки при перегрузке по напряжению.

Тот факт, что небаланс сети не влияет на правильное обнаружение при обнаружении межвитковых коротких замыканий синхронных генераторов, составляет преимущество по сравнению со способами обнаружения на основе сигнатур гармоник.

АНАЛИЗ 2

Относительное направление или угол между током I₂ отрицательной последовательности каждой фазы (А, В, C), например - фазы «а», и током I₁ положительной последовательности той же фазы «а» указывает ту фазу, в которой возникает межвитковое короткое замыкание. Определяя символом I_2a ток отрицательной последовательности фазы A и символом I_1a ток положительной последовательности фазы A, отмечаем, что угол приблизительно 180° между I_2a и I_1a указывает на межвитковое короткое замыкание в фазе A. Если межвитковое короткое замыкание возникает в фазе B, угол между I_2a и I_1a составляет около минус 60°. Если межвитковое короткое замыкание возникает в фазе C, угол между I_2a и I_1a составляет около плюс 60°. Изобретение дает возможность вычислять направляющий угол, а на основании этого угла - делать вывод о том, в какой фазе синхронный генератор подвергается межвитковому короткому замыканию. Изобретение дает возможность использовать вычисленный угол в качестве указания межвиткового короткого замыкания в синхронном генераторе.

На фиг. 6 показаны взаимосвязи направлений между током положительной последовательности и током отрицательной последовательности во время короткого замыкания и приводятся примеры коротких замыканий в трех разных фазах А, В, C. На этом чертеже символ I_2a используется для обозначения составляющей отрицательной последовательности тока фазы A. Символ I_1a используется для обозначения составляющей положительной последовательности тока фазы A. Как показано, направляющий угол между составляющими отрицательной и положительной последовательностей тока фазы A составляет 180° во время межвиткового короткого замыкания в фазе A. Направляющий угол между составляющими отрицательной и положительной последовательностей тока фазы A составляет «минус» 60° во время межвиткового короткого замыкания в фазе В. Направляющий угол между составляющими отрицательной и положительной последовательностей тока фазы A составляет 60° во время межвиткового короткого замыкания в фазе С.

АНАЛИЗ 3

В дополнение к анализу составляющих последовательностей статора, для обнаружения межвиткового короткого замыкания синхронного генератора как окончательного отличительного признака короткого замыкания можно также использовать проводимый во временной области анализ токов обмотки возбуждения ротора. В исправном состоянии, ток обмотки ротора синхронного генератора включает в себя в основном постоянный ток и гармоники порядка 6×n (n=1, 2, 3,...), являющиеся результатом работы выпрямительных схем возбуждения. Система выполнена с возможностью измерения переменных токов возбуждения, который для каждой из трех фаз (d, e, f). Ток (I_r) обмотки возбуждения ротора вычисляют исходя из измеренных фазных токов (I_d, I_e, I_f) возбуждения. Система способна отфильтровывать составляющую постоянного тока и гармоники порядка 6n. Система способна обнаруживать другие составляющие переменного тока путем оценки составляющих переменного тока во временной области с помощью среднеквадратического или среднего или межпикового значений (СКЗ или СЗ или МПЗ). Вместе с тем, на анализ токов обмотки возбуждения ротора будут негативно влиять небалансы в сети питания выводов 34, а этот анализ основан на подтверждении такого диагноза «межвиткового короткого замыкания», как получаемого посредством анализов 1 и 2.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности. Согласно способу измеряют (301, 501) напряжение (V_a, V_b, V_c) каждой фазы, по меньшей мере, на одном каждом выводе и ток (I_a, I_b, I_c) каждой фазы через этот вывод; определяют (302, 305, 306, 502-506), подвергается ли синхронный генератор внутренней неисправности в любой из его фаз. Определение включает в себя: преобразование (302, 502) измеренных фазных токов (I_a, I_b, I_c) и измеренных фазных напряжений (V_a, V_b, V_c) в симметричные токи (I₁, I₂, I₀) последовательности и симметричные напряжения (V₁, V₂, V₀) последовательности соответственно. Способ дополнительно включает в себя этапы, на которых контролируют (305, 505), по меньшей мере, одну из следующих переменных: остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности; остаточное напряжение (ΔV₀) нулевой последовательности; полное сопротивление (Z_2C) связи отрицательной последовательности; полное сопротивление (Z_0C) связи нулевой последовательности, причем каждую из этих переменных вычисляют исходя из симметричных составляющих (I₁, I₂, I₀, V₂, V₀) последовательности и, по меньшей мере, одного удельного полного сопротивления (Z₀₀, Z₂₂) генератора; и определяют (306, 504, 506), подвергается ли синхронный генератор неисправности обмотки или нет, исходя из вычисления, по меньшей мере, одного остаточного напряжения (ΔV₀, ΔV₂) или полного сопротивления (Z_2C, Z_0C) связи. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ контроля, включающий в себя обнаружение внутренних неисправностей обмоток, в частности межвитковых коротких замыканий, синхронного генератора (1), причем синхронный генератор (1) содержит обмотку (20, 23, 26) для каждой фазы (а-с) электрической сети (3), вывод (5а-с) для каждой фазы (а-с), расположенный на стороне (4) выводов синхронного генератора (1) и соединенный с соответствующей обмоткой, при этом выводы (5а-с) на стороне (4) выводов соединены с электрической сетью (3), а синхронный генератор (1) выполнен с возможностью подводить мощность в электрическую сеть (3) посредством выводов (5), при этом способ, содержащий этапы, на которых:
измеряют (301, 501) напряжение (V_a, V_b, V_c) каждой фазы, по меньшей мере, на одном каждом выводе и ток (I_a, I_b, I_c) каждой фазы через этот вывод,
определяют (302, 305, 306, 502-506), подвержен ли синхронный генератор внутренней неисправности, в частности межвитковому короткому замыканию, в любой из его фаз, причем определение включает в себя:
преобразование (302, 502) фазных токов (I_a, I_b, I_c) и фазных напряжений (V_a, V_b, V_c) в симметричные токи (I₁, I₂, I₀) последовательности и симметричные напряжения (V₁, V₂, V₀) последовательности соответственно;
контроль (305, 505), по меньшей мере, одной из следующих переменных:
остаточного напряжения (ΔV₂) отрицательной последовательности;
остаточного напряжения (ΔV₀) нулевой последовательности;
полного сопротивления (Z_2c) связи отрицательной последовательности;
полного сопротивления (Z_0c) связи нулевой последовательности, причем каждую из этих переменных вычисляют исходя из симметричных составляющих (I_l, I₂, I₀, V₂, V₀) последовательности и, по меньшей мере, одного удельного полного сопротивления (Z₀₀, Z₂₂) генератора, и
определяют (306, 504, 506), подвержен ли синхронный генератор неисправности обмотки или нет, исходя из вычисленного, по меньшей мере, одного остаточного напряжения (ΔV₀, ΔV₂) или полного сопротивления (Z_2c, Z_0c) связи,
при этом способ дополнительно содержит дополнительный этап (64) обнаружения внутренних неисправностей, включающий в себя анализ тока обмотки возбуждения ротора синхронного генератора.

2. Способ по п. 1, в котором:
остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности контролируют посредством напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности;
остаточное напряжение (ΔV₀) нулевой последовательности контролируют посредством напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности;
полное сопротивление (Z_2c) связи отрицательной последовательности контролируют посредством напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности; и/или
полное сопротивление (Z_0c) связи нулевой последовательности контролируют посредством напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности.

3. Способ по п. 1 или 2, содержащий этап, на котором определяют направляющий угол (альфа) тока отрицательной последовательности относительно угла тока положительной последовательности, полученного из составляющих (a, b, c) трехфазного тока, и заключают, что внутренняя неисправность является межвитковым коротким замыканием, при определении, что этот угол (альфа) составляет приблизительно 180 градусов, 60 градусов или минус 60 градусов.

4. Способ по п. 3, содержащий этап, на котором идентифицируют то, какая фаза (a, b, c) подвергается межвитковому короткому замыканию, исходя из угла (альфа), причем значение 180 градусов указывает ту же фазу (a), что и измеряемая, значение минус 60 градусов указывает последующую фазу (b), а значение 60 градусов указывает предыдущую фазу (с).

5. Способ по п. 1 или 2, включающий в себя этап, на котором защищают (313, 513) синхронный генератор при определении того, что синхронный генератор подвергается внутренней неисправности, а эта защита (313, 513) включает в себя, по меньшей мере, один из этапов, на которых:
отображают визуальное указание межвиткового короткого замыкания для оператора,
оповещают оператора посредством звукового сигнала тревоги,
отсоединяют синхронный генератор от электрической сети.

6. Способ по п. 1 или 2, в котором дополнительный этап (64) обнаружения внутренних неисправностей представляет собой этапы (64) обнаружения межвитковых коротких замыканий, включающие в себя этапы, на которых
измеряют токи схемы возбуждения переменного тока и вычисляют ток (I_r) обмотки возбуждения ротора исходя из фазных переменных токов (I_d, I_e, If) схемы (30) возбуждения ротора, предпочтительно - диагностируют межвитковое короткое замыкание при обнаружении составляющих переменного тока в токе (I_r) обмотки возбуждения ротора после фильтрации токов гармоник 6-го порядка, т.е. гармоник порядка n×6, где n=1, 2, 3 …, из вычисленного тока (I_r) ротора.

7. Система для обнаружения внутренних неисправностей обмоток синхронного генератора (1), причем синхронный генератор (1) содержит обмотку (20, 23, 26) для каждой фазы (а-с) электрической сети (3), по меньшей мере, один вывод (5а-с) для каждой фазы (а-с), расположенный на стороне (4) выводов синхронного генератора (1) и соединенный с соответствующей обмоткой, при этом выводы (5а-с) на стороне (4) выводов соединены с электрической сетью (3), а синхронный генератор (1) выполнен с возможностью подвода мощности в электрическую сеть (3) посредством выводов (5), причем система для обнаружения содержит:
измерительную схему (40), выполненную для измерения фазных напряжений (V_a, V_b, V_c) выводов и измерений фазных токов (I_a, I_b, I_c) выводов;
блок обеспечения (42) математического преобразования для преобразования каждого из фазных напряжений (V_a, V_b, V_c) выводов в симметричные составляющие (U₁, U₂, U₀) напряжений последовательности и каждого из фазных токов (I_a, I_b, I_c) выводов в симметричные составляющие (I_l, I₂, 1о) токов последовательности; и
определитель (44) неисправности обмотки, выполненный с возможностью обнаруживать внутренние неисправности обмотки в синхронном генераторе исходя из составляющих (U₂, I₂) отрицательной последовательности или составляющих (U₀, I₀) нулевой последовательности напряжений и токов;
при этом система дополнительно содержит дополнительный определитель (64) внутренних неисправностей обмоток для анализа тока обмотки возбуждения ротора синхронного генератора.

8. Система по п. 7, в которой определитель (44) неисправности обмотки выполнен с возможностью обнаруживать внутреннюю неисправность обмотки на основании, по меньшей мере, одной из следующих четырех переменных:
остаточного напряжения (ΔI₂) отрицательной последовательности;
остаточного напряжения (ΔI₀) нулевой последовательности;
полного сопротивления (Z_2c) связи отрицательной последовательности; и
полного сопротивления (Z_0c) связи нулевой последовательности;
причем каждая из этих переменных, предпочтительно, вычислена исходя из симметричных составляющих (I_l, I₂, I₀, V₂, V₀) последовательности и, по меньшей мере, одного удельного полного сопротивления (Z₀₀, Z₂₂) генератора.

9. Система по п. 8, в которой:
остаточное напряжение (ΔV₂) отрицательной последовательности вычислено исходя из напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности;
остаточное напряжение (ΔM₀) нулевой последовательности вычислено исходя из напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности;
полное сопротивление (Z_2c) связи отрицательной последовательности вычислено исходя из напряжения (V₂) отрицательной последовательности, тока (I₂) отрицательной последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₂₂) отрицательной последовательности; а
полное сопротивление (Z_0c) связи нулевой последовательности вычислено исходя из напряжения (V₀) нулевой последовательности, тока (I₀) нулевой последовательности, тока (I₁) положительной последовательности и собственного полного сопротивления (Z₀₀) нулевой последовательности.

10. Система по любому из пп. 7-9, дополнительно включающая в себя определитель (46) межвитковых коротких замыканий, выполненный с возможностью обнаруживать межвитковое короткое замыкание путем анализа направляющего угла (альфа), по меньшей мере, одного тока (I₂) отрицательной последовательности относительно соответствующего тока (I₁) положительной последовательности той же фазы (a, b, c).

11. Система по п. 10, в которой определитель (46) межвитковых коротких замыканий включает в себя идентификатор фазы, выполненный с возможностью идентифицировать, какая фаза (a, b, c) подвергнута межвитковому короткому замыканию, путем анализа направления (альфа) тока отрицательной последовательности, и при этом, в частности, значение 180 градусов указывает ту же фазу (a), что и измеряемая, значение минус 60 градусов указывает последующую фазу (b), а значение 60 градусов указывает предыдущую фазу (c).

12. Система по любому из пп. 7-9, в которой дополнительный детектор (64) межвитковых коротких замыканий выполнен для обнаружения межвиткового короткого замыкания и включает в себя блок (62) вычисления тока ротора, выполненный с возможностью вычислять ток (I_r) обмотки возбуждения ротора исходя из фазных переменных токов (I_d, I_e, I_f) схемы (30) возбуждения ротора, предпочтительно, дополнительный детектор (64) межвитковых коротких замыканий выполнен с возможностью диагностировать межвитковое короткое замыкание при обнаружении составляющих переменного тока в токе (I_r) обмотки возбуждения ротора после фильтрации токов гармоник 6-го порядка, т.е. гармоник порядка n×6, где n=1, 2, 3 …, из вычисленного тока (I_r) ротора.

13. Система по любому из пп. 7-9, содержащая детектор (43) симметричных коротких замыканий, выполненный с возможностью контролировать величины напряжений (U₂) отрицательной последовательности и токов (I₂) отрицательной последовательности, а также обнаруживать симметричные короткие замыкания, предусматривающий использование, по меньшей мере, одного из следующих критериев:
- когда токи (I₂) отрицательной последовательности превышают первый малый порог (2-5%) наряду с тем, что напряжения (U₂) отрицательной последовательности ниже второго малого порога (0,5-2%, предпочтительно 0,5-3%, более предпочтительно примерно 1%), определено, что синхронный генератор подвергается внутренней неисправности;
- когда токи (I₂) отрицательной последовательности превышают третий малый порог (2-5%) наряду с тем, что напряжения (U₂) отрицательной последовательности выше четвертого малого порога (0,5-5%, предпочтительно 0,5-3%, более предпочтительно примерно 1%), диагностируется симметричное короткое замыкание, либо потому, что синхронный генератор подвержен внутренней неисправности, либо потому, что электрическая сеть подвергнута дисбалансу.