СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ОБРЫВА ФАЗЫ ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 2018 года по МПК H02H5/10 G01R31/02 G01R31/08 

Недавние аварии систем энергоснабжения подчеркнули насущную необходимость обнаружения состояний обрыва фазы, которые могут возникать в таких системах. В частности, необходим способ обнаружения таких состояний в отношении вспомогательных трансформаторов (трансформаторов, обеспечивающих внутренние потребности системы) при обрыве фазы для обеспечения защиты системы.

В одном случае вспомогательный компонент отключался с использованием шины, находящейся под напряжением. Причиной происшествия явилась неисправность колонки изоляторов фазы С трансформатора измерения электроэнергии для расчета ее оплаты. Часть колонки изоляторов упала на землю, в результате чего мгновенно возникло неравновесное состояние: обрыв фазы С, замыкание фазы С на землю. Это состояние привело к асимметрии напряжений, которая передалась на шины подстанции через вспомогательный трансформатор системы. Возникшее состояние обрыва фазы не вызвало срабатывания какого-либо из реле зашиты трансформатора, в результате чего возникшее состояние существовало достаточно продолжительное время. Ток замыкания на землю, представляющий собой комбинацию токов высоковольтного двигателя и магнитной связи трансформатора с трехстержневым сердечником, выходил из вспомогательных трансформаторов системы, однако величина тока составляла примерно 60 А, что существенно ниже уровня срабатывания реле максимального тока фазы, которые защищают трансформатор.

В другом случае на том же энергоснабжающем предприятии подвесной фарфоровый изолятор для линии под напряжением 345 кВ, расположенный на А-образной раме вспомогательного трансформатора системы, разрушился из-за производственного дефекта. Линия под напряжением 345 кВ упала на землю, в результате чего произошло замыкание фазы на землю, приведшее к запуску схемы отключения вспомогательного трансформатора системы, что вызвало переброс шин под напряжением 6,9 кВ на вспомогательный трансформатор энергоблока, а с шин системы безопасности в аварийных ситуациях было снято напряжение с последующим его восстановлением от дизельных генераторов.

Состояния обрыва фазы на некоторых трансформаторах могут быть обнаружены с использованием традиционной релейной защиты. Однако для других трансформаторов, включая трансформаторы с соединением обмотки по схеме "звезда" на стороне высокого напряжения, трудно определить обрыв фазного провода или фазных проводников на стороне электрической сети трансформатора ввиду регенерации высокого напряжения на стороне первичной и вторичной обмоток под действием магнитного потока в сердечнике трансформатора. В этих условиях контроль напряжения, осуществляемый в традиционных системах релейной защиты, не обеспечит обнаружение состояния обрыва фазы.

Кроме того, в тех случаях, когда трансформаторы работают в условиях малой и/или нулевой нагрузки в отношении энергопотребления, обнаружение состояний обрыва фазы весьма проблематично. В качестве примеров трансформаторов, работающих в условиях малой или нулевой нагрузки, можно указать трансформаторы, работающие в дежурном режиме, такие как вспомогательные или пусковые трансформаторы. Состояния малой или нулевой нагрузки являются преобладающими для большинства вспомогательных трансформаторов электрических подстанций.

Таким образом, существует потребность в обнаружении состояний обрыва фазы, которые могут происходить в трансформаторах систем электроснабжения, для использования в схемах защиты этих систем.

Фигура 1 - принципиальная схема системы, содержащей трансформатор, в которой для контроля обрыва фазы используется вывод нейтрали.

Фигура 2 - принципиальные схемы некоторых систем, содержащих различные типы трансформаторов, подходящих для контроля с использованием способа по настоящему изобретению.

Фигура 3A - график тока нейтрали перед обрывом фазы и после ее обрыва.

Фигура 3В - гистограмма гармонических составляющих частоты тока нейтрали перед обрывом фазы и после ее обрыва.

Фигура 4А - снимок с экрана монитора гармонических составляющих тока намагничивания, полученных в результате измерений, перед обрывом фазы.

Фигура 4В - снимок с экрана монитора гармонических составляющих тока намагничивания, полученных в результате измерений, после обрыва фазы.

Фигура 5А - принципиальная схема, на которой показан провод нейтрали, используемый для контроля обрыва фазы трансформатора системы.

Фигура 5В - график тока нейтрали перед разрывом фазы и после ее разрыва, на котором показан запуск двигателя (нагрузка) в состоянии обрыва фазы.

Фигура 5С - принципиальная схема системы обнаружения обрыва фазы по току, подаваемому в нейтраль.

Фигура 6 - схема контролируемого трансформатора в нормальных условиях работы.

Фигура 7 - схема контролируемого трансформатора, работающего после того, как произошел обрыв фазы.

Фигуры 8А, 8В - принципиальные схемы, на которых показаны конфигурации трансформаторов, на которых проводились лабораторные испытания.

Фигура 9А - снимок с экрана монитора сигнала подаваемого тока источника и тока нейтрали первичной обмотки в условиях отсутствия обрыва фазы.

Фигура 9В - снимок с экрана монитора сигнала подаваемого тока источника и тока нейтрали первичной обмотки в условиях обрыва фазы.

В настоящем изобретении предлагается способ обнаружения состояния обрыва фазы трансформатора, у которого на стороне высокого напряжения используется соединение обмотки по схеме "звезда" с заземлением, причем способ включает контроль тока, протекающего через провод подсоединения нейтрали на стороне высокого напряжения трансформатора, схемами релейной защиты по напряжению или по току для идентификации признака состояния обрыва фазы в сигнале, который может характеризовать изменение величины тока. Указанный контроль может осуществляться в режиме реального времени.

Также предлагается способ обнаружения состояния обрыва фазы трансформатора, у которого на стороне высокого напряжения используется соединение обмотки по схеме "звезда" с заземлением, причем способ включает подачу сигнала в провод подсоединения нейтрали трансформатора и контроль тока, протекающего в проводе подсоединения нейтрали трансформатора на стороне высокого напряжения, для идентификации признака обрыва фазы в сигнале, который может характеризовать изменение величины тока.

На фигуре 1 приведена принципиальная схема, на которой показано соединение нейтрали для контроля обрыва фазы. Система 10 физически и электрически подсоединена к трансформатору 12. Трансформатор 12 имеет сторону 14 высокого напряжения и сторону 16 низкого напряжения. Устройство 18 обнаружения обрыва фазы поддерживает электрический контакт с проводом 20 подсоединения нейтрали.

В соответствии с некоторыми иллюстративными вариантами трансформатор может быть вспомогательным трансформатором станции или пусковым трансформатором. Трансформаторы также могут быть генераторными трансформаторами, повышающими напряжение до уровня передачи, однако при получении напряжения из системы передачи трансформаторы понижают это напряжение на передающей подстанции для использования в промышленности и в жилищах.

Способы, предлагаемые в настоящем изобретении, подходят для обнаружения состояния обрыва фазы для трансформаторов с соединениями обмоток по схеме "звезда-треугольник", для трехстержневых трансформаторов с соединениями обмоток по схеме "звезда-звезда", для трехстержневых трансформаторов с соединениями обмоток по схеме "звезда-звезда" и с внутренней обмоткой, соединенной по схеме "треугольник, или для бронестержневых трансформаторов с соединениями обмоток по схеме "звезда-звезда" и с внутренней обмоткой, соединенной по схеме "треугольник".

На фигуре 2 приведен принципиальная схема некоторых систем, содержащих различные типы трансформаторов, подходящих для контроля с использованием способа по настоящему изобретению. На фигуре 2 показана принципиальная схема трансформаторной системы с различными конфигурациями трансформаторов. Источник 21 энергоснабжения соединен с сетью 23 среднего/низкого напряжения через трансформаторную систему 22. Трансформаторная система 22 содержит сердечник 24 с различными конфигурациями обмоток. Трансформатор 24 может содержать конфигурацию 25 "звезда-треугольник" соединения обмоток на сердечнике любого типа, конфигурацию 26 "звезда-звезда" на трехстержневом сердечнике, конфигурацию 27 "звезда-звезда" на трехстержневом сердечнике с внутренней обмоткой, соединенной по схеме "треугольник", или конфигурацию 28 "звезда-звезда" обмоток на бронестержневом сердечнике с внутренней обмоткой, соединенной по схеме "треугольник".

В последних из указанных трансформаторах третья или третичная обмотка соединена по схеме "треугольник", однако в ней отсутствуют клеммы для подсоединения нагрузки. Эта обмотка полностью находится внутри корпуса трансформатора. По внутренним третичным обмоткам, соединенным по схеме "треугольник", протекают токи третьей гармоники, находящиеся в фазе. В этом случае предотвращается выход токов третьей гармоники во внешние линии и повышается качество электроэнергии в четырехпроводных распределительных системах, в которых используется соединение "звезда".

Обнаружение обрыва фазы представляет проблему для таких трансформаторов, поскольку трудно обнаружить разрыв проводника (или проводников) на стороне электрической сети вспомогательного трансформатора станции, например, когда напряжение регенерируется во вторичной и первичной обмотках трансформатора под действием магнитного потока в его сердечнике, как это происходит в трансформаторах таких типов. Также проблемой является обнаружение обрыва фазы трансформаторов с сильной магнитной восприимчивостью в условиях малой или нулевой нагрузки (дежурный режим).

В некоторых вариантах способа, предлагаемого в настоящем изобретении, для обнаружения обрыва фазы на стороне электрической сети трансформатора, осуществляется контроль тока нейтрали.

В других вариантах способа, предлагаемого в настоящем изобретении, для активного контроля обрыва фазы на стороне электрической сети трансформатора, используется подача сигнала в провод подсоединения нейтрали.

В некоторых вариантах предлагаемого способа осуществляется контроль напряжения и/или тока на выводе нейтрали трансформатора. Защита по напряжению и/или по току может быть устроена таким образом, чтобы обеспечивалось обнаружение нарушения равновесия напряжения или тока, возникающее в результате обрыва фазы. Обрыв фазы может быть обнаружен с использованием реле с микропроцессорами, которые обеспечивают возможность цифровой обработки сигналов и имеют аналоговый вход, на который поступают выборочные измерения тока, или другие схемы получения данных, известные в технике.

В некоторых вариантах способ, предлагаемый в настоящем изобретении, включает контроль импеданса нулевой последовательности схемы трансформатора, причем признак обрыва фазы содержит повышение импеданса от сотен или тысяч Ом до нескольких МОм.

Ток нейтрали трансформатора отличается в случаях, когда контур тока находится в нормальном сбалансированном состоянии, и когда контур тока находится в состоянии обрыва фазы. В трехфазных трансформаторах в нормальном сбалансированном режиме работы ток равномерно распределяется между тремя фазами. Обычная частота работы типичных систем - 50 Гц или 60 Гц.

В нормальном сбалансированном режиме работы схема трансформатора указывается как схема нулевой последовательности. Сбалансированная схема нулевой последовательности характеризуется низким импедансом. Импеданс схемы нулевой последовательности может составлять, например, от примерно 300 Ом до примерно 1000 Ом.

В случае обрыва фазы одна из трех фаз будет электрически разомкнута, а другие фазы остаются замкнутыми. В условиях обрыва одной фазы схема трансформатора будет иметь большой импеданс, который определяется преимущественно характеристиками намагничивания трансформатора. Типичный импеданс в схеме трансформатора в состоянии обрыва фазы может быть в диапазоне от примерно 0,5 МОм до примерно 3 МОм.

Состояние обрыва фазы может быть обнаружено путем анализа гармонических составляющих системы трансформатора, полученных с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ). Когда система переходит из схемы нулевой последовательности в состояние обрыва фазы, это проявляется в снижении третьей гармонических составляющих и в одновременном увеличении первой, пятой и седьмой гармонических составляющих.

Когда частота подаваемого (возбуждаемого) тока или тока нейтрали равна 60 Гц, признак обрыва фазы может содержать уменьшение составляющей 180 Гц (третья гармоника) тока нейтрали, и/или увеличение составляющей 60 Гц тока нейтрали, и/или увеличение составляющей 300 Гц (пятая гармоника) тока нейтрали.

Анализ содержания гармонических составляющих может быть выполнен в частотной области с использованием методов кинетики стационарного состояния синусоидального сигнала. Гармонические составляющие могут быть определены либо расчетом цепей для получения выходной волны устройства с последующим анализом разложения Фурье, либо путем измерений с использованием анализатора спектра гармонических составляющих или анализатора качества электроэнергии.

На фигуре 3A приведены графики частоты тока нейтрали, полученные в результате моделирования, в трансформаторе со схемой соединений "звезда-звезда" обмоток и с внутренней обмоткой, соединенной по схеме "треугольник", перед и после обрыва фазы. Перед обрывом фазы (момент 32 времени) гармонические составляющие тока нейтрали, полученные методом БПФ, - это прежде всего третья гармоника 31 с частотой 180 Гц. В состоянии обрыва фазы частота 30 тока нейтрали характеризуется изменением гармонических составляющих.

На фигуре 3В показаны величины гармонических составляющих частоты тока нейтрали, полученные в результате моделирования, для состояния обрыва фазы. Гармонические составляющие 35, полученные методом БПФ, частоты тока нейтрали перед обрывом фазы, характеризуются третьей и девятой гармониками (180 Гц и 540 Гц). Гармонические составляющие 36 в состоянии обрыва фазы характеризуются увеличением первой, пятой и седьмой гармоник (60 Гц, 300 Гц и 420 Гц, соответственно) и уменьшением третьей гармоники.

На фигурах 4А и 4В приведены снимки с экрана монитора компьютера, на которых представлены измерения гармонических составляющих на трехстержневом испытательном трансформаторе с соединением "звезда-звезда" обмоток (без внутренней обмотки, соединенной по схеме "треугольник") перед и после обрыва фазы. Как можно видеть на фигуре 4А, перед обрывом фазы частотный спектр тока нейтрали содержит преимущественно частотные составляющие 180 Гц (третья гармоника 41). Как можно видеть на фигуре 4В, в состоянии обрыва фазы частотный спектр тока нейтрали содержит преимущественно частотную составляющую 60 Гц.

В некоторых вариантах предлагаемого способа для контроля обрыва фазы используется сигнал, подаваемый в провод подсоединения нейтрали. Трансформаторный модуль подачи тока может иметь магнитную связь с проводом подсоединения нейтрали трансформатора, причем состояние нейтрали при этом не изменяется. В провод подсоединения нейтрали может быть подан сигнал напряжением от примерно 1 В до примерно 10 В и с силой тока от примерно 10 мА до примерно 100 мА (указанные величины приведены лишь в качестве примера и не являются ограничениями). В схеме нулевой последовательности величины выходных напряжений и токов остаются близкими входным величинам. В состоянии обрыва фазы величина сигнала может падать более чем на 20 дБ.

Для обеспечения подачи сигнала провод подсоединения нейтрали окружают сердечником с обмоткой, количество витков которой достаточно для возбуждения необходимого напряжения, обеспечивающего подачу тока в провод подсоединения нейтрали, посредством магнитной связи, без нарушения подсоединения провода нейтрали. В предлагаемом способе используется сигнал небольшой величины, однако он обеспечивает возможность определения больших изменений импеданса, которые указывают на состояние обрыва фазы.

На фигуре 5А приведена принципиальная схема, на которой показано соединение для осуществления измерений и подачи тока на вывод нейтрали трансформатора с трехстержневым сердечником и соединением "звезда-звезда" обмоток. Источник 51 энергоснабжения физически и электрически подсоединен к трансформатору 52, причем точка 58 подачи/измерения тока находится на выводе 56 нейтрали схемы "звезда" и на проводе 57 подсоединения нейтрали вторичной обмотки. Трансформатор 52 физически и электрически подсоединен к индукционному двигателю 53 и к резистивной нагрузке 54.

На фигуре 5В иллюстрируется изменение тока нейтрали частотой 60 Гц на стороне высокого напряжения, происходящее в состоянии обрыва фазы. На графике показана зона 60 отсутствия нагрузки до запуска двигателя мощностью 250 л.с. (момент 62 времени). Состояние обрыва фазы (момент 61 времени) возникает до запуска двигателя на отметке 10 секунд, что характеризуется небольшим увеличением тока. В зоне 63 работы двигателя мощностью 250 л.с. может быть обнаружено более выраженное увеличение тока нейтрали с частотой 60 Гц. После обрыва фазы в момент 61 времени происходит увеличение составляющей тока нейтрали, имеющей частоту 60 Гц. Если обрыва фазы нет, то составляющая тока с частотой 60 Гц в двигателе, работающем в зоне 63, будет практически равна нулю.

На фигуре 5С приведена схема системы 70 обнаружения состояния обрыва фазы с использованием подачи тока, которая может быть реализована практически для осуществления предлагаемого способа. Система 70 содержит источник переменного тока, частота которого отличается от частоты системы энергоснабжения и который подсоединен к трансформатору тока вместе с зондом 67 для измерения тока, и электронный контроллер 66. Трансформатор 65 подачи тока может быть расположен таким образом, чтобы он обеспечивал магнитную связь между источником 64 подаваемого сигнала и проводником 69, подсоединенным к проводу 68 подсоединения нейтрали обмотки, соединенной по схеме "звезда", для которой может обеспечиваться обнаружение состояния обрыва фазы. Зонд 67 для измерения тока может измерять ток либо в проводе 68 подсоединения нейтрали трансформатора, либо в обмотке трансформатора 65 подачи тока. Этот зонд 67 для измерения тока нейтрали может быть подсоединен к электронному контроллеру 66.

Система обеспечивает обнаружение состояния обрыва фазы в трехфазном трансформаторе путем контроля тока нейтрали трансформатора, как это раскрывается в настоящем описании. В нормальном режиме работы устанавливают базовые уровни подаваемого тока и его гармонических составляющих. Когда в трансформаторе с соединением "звезда" обмотки происходит обрыв фазы, импеданс цепи, по которой проходит ток, увеличивается, и это вызывает реакцию источника 64 подаваемого сигнала. Увеличение электрического импеданса приводит к уменьшению уровня тока источника, что обнаруживается электронным контроллером 66. Одновременно с уменьшением тока источника в проводе 68 подсоединения нейтрали трансформатора происходит повышение тока промышленной частоты в результате нарушения баланса токов фаз, вызванного обрывом фазы.

В некоторых вариантах при обрыве фазы одновременно с увеличением тока промышленной частоты в нейтрали трансформатора могут также происходить изменения гармонических составляющих этого тока. Ток промышленной частоты вместе с его гармоническими составляющими также может непрерывно контролироваться и может использоваться для обнаружения состояния обрыва фазы. Поэтому система обнаружения обрыва фазы с использованием подаваемого тока может использовать для этой цели измерения трех величин на обмотке, соединенной по схеме "звезда", трехстержневого трансформатора: 1) изменение уровня тока источника в проводе подсоединения нейтрали трансформатора; 2) изменение уровня тока промышленной частоты в проводе подсоединения нейтрали трансформатора; и 3) изменение уровней гармонических составляющих тока промышленной частоты в проводе подсоединения нейтрали трансформатора, в частности третьей и пятой гармонических составляющих этого тока.

На фигуре 6 приведена схема контроля трансформатора, который может быть любым из трансформаторов, схемы которых приведены на фигуре 2 и которые могут работать в режиме нулевой последовательности с низким импедансом, причем в схеме контроля используется подача сигнала по предлагаемому способу. Трансформатор содержит первичную обмотку 71 высокого напряжения и вторичную обмотку 72 трансформатора источника электроснабжения. Источник 73 подаваемого тока имеет магнитную связь с вводом 79 нейтрали первичной обмотки 71 и возбуждает ток 74, поступающий в первичную обмотку. Подаваемый ток 74 протекает по пути нулевой последовательности трех неповрежденных фаз 75, 76 и 77 и далее через вторичную обмотку 72. В этом режиме нулевой последовательности импеданс сравнительно мал, и токовая цепь будет простой, поскольку все три фазы остаются замкнутыми (без обрывов).

На фигуре 7 приведена схема этого же трансформатора, однако в состоянии обрыва фазы, и в этом случае также осуществляется подача тока в соответствии с предлагаемым способом. Трансформатор содержит первичную обмотку 81 высокого напряжения и вторичную обмотку 82 трансформатора источника электроснабжения. Источник 83 подаваемого тока имеет магнитную связь с первичной обмоткой 81 и возбуждает ток 84, поступающий в эту обмотку. Импеданс для тока 84 существенно повышается в результате обрыва фазы 85, однако ток может протекать через замкнутые фазы 86 и 87. Хотя прохождение тока 84 по фазам 86, 87 затруднено, он все-таки выходит из вторичной обмотки.

По сравнению с ситуацией фигуры 6 подаваемый ток 84 существенно ослабляется магнитным импедансом, изменившимся в результате обрыва фазы 85, как это показано на фигуре 7. Это изменение происходит преимущественно по причине перехода от схемы нулевой последовательности трансформатора с относительно низким импедансом в состояние высокого импеданса, определяемого магнитными характеристиками трансформатора, в результате возникновения состояния обрыва фазы.

На фигуре 8А приведена принципиальная схема одного из вариантов предлагаемого способа с использованием подачи тока. Трансформатор 92 с первичной и вторичной обмотками, соединенными по схеме "звезда", и с внутренней обмоткой, соединенной по схеме "треугольник", соединен электрически с трехфазной электросетью 90 напряжением 208 В. Источник 91 подаваемого тока имеет магнитную связь с выводом 93 нейтрали с целью непрерывного контроля трансформатора 92 для обнаружения состояния обрыва фазы. Известные способы определения напряжения не обеспечивают обнаружение состояния обрыва фазы в трансформаторах с такой конфигурацией.

На фигуре 8В приведена принципиальная схема еще одного варианта предлагаемого способа с использованием подачи тока. Трансформатор 96 с соединением "треугольник-звезда" обмоток физически и электрически соединен последовательно с трансформатором 97 с трехстержневым сердечником и соединением "звезда-звезда" обмоток и с трехфазной электросетью 95 напряжением 208 В. Источник 98 подаваемого тока соединен электрически с выводом 99 нейтрали с целью контроля системы для обнаружения состояния обрыва фазы. Известные способы определения напряжения не обеспечивают обнаружение состояния обрыва фазы в трансформаторных системах с такой конфигурацией.

На фигуре 9А приведен снимок с экрана монитора сигнала подаваемого тока источника и тока нейтрали первичной обмотки в условиях отсутствия обрыва фазы. На фигуре 9В приведен снимок с экрана монитора сигнала подаваемого тока источника и тока нейтрали первичной обмотки в условиях обрыва фазы. Когда схема нулевой последовательности имеет малый импеданс, сигналы подаваемого напряжения 100 и подаваемого тока 101 имеют синусоидальную форму. При возникновении состояния обрыва фазы сигнал 110 подаваемого напряжения по-прежнему имеет синусоидальную форму, а сигнал 111 подаваемого тока снижается до уровня его обнаружения. Измеренная величина подаваемого тока 101 в схеме нулевой последовательности была примерно 530 мА, а измеренная величина тока 111 в состоянии обрыва фазы составила лишь 80 мА. Падение измеряемого тока произошло в результате перехода схемы нулевой последовательности с малым импедансом в состояние высокого импеданса, которое в основном определялось магнитными характеристиками трансформатора.

Поэтому ток нейтрали или подаваемый сигнал обеспечивает возможность обнаружения состояния обрыва фазы в трансформаторах такого типа, когда обычная защита по напряжению или по фазному току неэффективна.

Как показывают результаты испытаний, подтверждающие результаты моделирования, величина подаваемого тока существенно снижается в результате изменения импеданса схемы. Это изменение подаваемого тока может контролироваться через точку подсоединения нейтрали для обнаружения состояния обрыва фазы. При возникновении этого состояния происходит обнаруживаемое изменение тока нейтрали. Кроме того, при обрыве фазы уменьшается гармоническая составляющая с частотой 180 Гц тока нейтрали, и увеличиваются гармонические составляющие с частотами 60 Гц и 300 Гц.

Способ с использованием подачи тока особенно подходит для ситуаций низкой или нулевой нагрузки трансформатора. В некоторых вариантах может быть использовано сочетание пассивного и активного способов для обеспечения надежной системы обнаружения обрыва фазы.

В некоторых вариантах способ также включает введение регулируемой временной задержки (в соответствующем устройстве тревожной сигнализации или в автомате защиты) для предотвращения ложных тревог или отключений из-за падений напряжения, не связанных с обрывом фазы. Способ может включать изменения тока во времени для генерации сигнала тревожной сигнализации или отключения в случае возникновения состояния обрыва фазы.

На фигуре 10А приведены графики частоты тока нейтрали, полученные в результате моделирования, в трехстержневом трансформаторе со схемой соединений "звезда-звезда" обмоток и с внутренней обмоткой, соединенной по схеме "треугольник", перед и после обрыва фазы. Амплитуда волны тока нейтрали изменялась примерно в 6 раз после возникновения состояния обрыва фазы (точка 120).

На фигуре 10В показаны величины гармонических составляющих частоты тока нейтрали, полученные в результате моделирования, для состояния обрыва фазы. Гармонические составляющие частоты тока нейтрали (указаны ссылочным номером 130), полученные методом БПФ, до возникновения состояния разрыва фазы характеризуются частотами 60 Гц, 180 Гц и 540 Гц (первая, третья и девятая гармоники, соответственно). Гармонические составляющие в состоянии обрыва фазы, которые указаны ссылочным номером 131, характеризуются увеличением на частотах 60 Гц, 300 Гц и 420 Гц (первая, пятая и седьмая гармоники, соответственно) и уменьшением на частотах 180 Гц и 540 Гц (третья и девятая гармоники).

Когда к трансформатору подсоединена нагрузка 100 кВт, ток нейтрали легко определялся на фоне шумов схемы. Когда нагрузки нет, то шумы схемы могут маскировать составляющую 60 Гц частоты тока нейтрали, и ее может быть трудно обнаружить. Когда к трансформатору подсоединена нагрузка 100 кВт, становится легче определить гармонические составляющие тока нейтрали, даже без подачи сигнала. Как можно видеть на фигуре 10В, при нагрузке 100 кВт и отсутствии обрыва фазы была идентифицирована составляющая 60 Гц частоты тока нейтрали (указана ссылочным номером 130), которая существенно увеличивалась в состоянии обрыва фазы (указана ссылочным номером 131).

Подача сигнала нейтрали необходима, если составляющая 60 Гц частоты тока нейтрали слишком мала и маскируется шумами. Если ток нейтрали превышает уровень шумов, например, когда подсоединена достаточно большая нагрузка, то увеличение составляющей 60 Гц при возникновении состояния обрыва фазы может быть обнаружено.

В настоящем изобретении также предлагается система для обнаружения состояния обрыва фазы трансформатора с соединением "звезда" обмотки с заземлением на стороне высокого напряжения, причем система содержит источник подаваемого сигнала, который электрически связан с трансформатором подачи (возбуждения) тока, имеющим магнитную связь с выводом нейтрали трансформатора с соединением "звезда" с заземлением на стороне высокого напряжения, зонд для измерения тока, сконфигурированный для измерения тока на выводе нейтрали или в обмотке трансформатора подачи тока, а также электронный контроллер, соединенный с зондом для измерения тока.

В некоторых вариантах система обнаружения обрыва фазы с подачей тока может содержать следующие компоненты (перечень не является исчерпывающим): трансформатор подачи тока с коэффициентом трансформации 600:5, классификация С400; зонд для измерения тока с чувствительностью 1000 мВ/А; электронный контроллер; и источник подаваемого сигнала. Электронный контроллер может быть любым контроллером на основе микропроцессора, имеющим возможность цифровой обработки сигналов и по меньшей мере один аналоговый вход для приема выходного сигнала измерительного зонда, и содержит по меньшей мере один выход реле или транзистора для обеспечения функций тревожной сигнализации или защитного отключения. В качестве источника подаваемого сигнала может использоваться однофазный или трехфазный двигатель с переменной частотой. Выходное напряжение двигателя с переменной частотой не должно превышать номинальное напряжение трансформатора подаваемого тока.

Когда обнаруживается состояние обрыва фазы, электронный контроллер может передавать сигнал через выход реле или транзистора на обычное устройство тревожной сигнализации для предупреждения оператора системы или же может обеспечивать срабатывание автомата защиты.

В некоторых вариантах электронный контроллер системы обнаружения состояния обрыва фазы с использованием подачи тока нейтрали может осуществлять цифровую обработку сигналов.

В других вариантах электронный контроллер системы обнаружения состояния обрыва фазы с использованием подачи тока нейтрали содержит по меньшей мере один аналоговый вход для приема выходного сигнала от измерительного зонда и по меньшей мере один выход реле или транзистора для обеспечения функций тревожной сигнализации или защитного отключения.

В других вариантах источник подаваемого сигнала системы обнаружения состояния обрыва фазы с использованием подачи тока нейтрали содержит однофазный или трехфазный двигатель с переменной частотой, причем выходное напряжение этого двигателя не превышает номинальное напряжение трансформатора подачи тока.

Хотя в вышеприведенном описании были рассмотрены конкретные примеры (варианты) осуществления изобретения, эти примеры приведены лишь для иллюстрации изобретения, и следует понимать, что специалистами в данной области техники могут быть предложены различные модификации рассмотренных вариантов без выходы за пределы сущности и объема изобретения. Следует понимать, что вышеописанные варианты являются не только альтернативами, а могут быть использованы в сочетании друг с другом.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в схемах защиты систем электроснабжения. Техническим результатом является обеспечение защиты трансформатора, работающего в условиях малой и/или нулевой нагрузки в отношении энергопотребления. Способ обнаружения состояния обрыва фазы трансформатора, у которого на стороне высокого напряжения используется соединение обмотки по схеме "звезда" с заземлением, включает контроль тока, протекающего через провод подсоединения нейтрали на стороне высокого напряжения трансформатора, схемы релейной защиты по напряжению или по току для идентификации признака состояния обрыва фазы в сигнале, который может характеризовать изменение величины тока. На вывод нейтрали подают токовый сигнал и осуществляют контроль режима нулевой последовательности трансформатора для обнаружения состояния разрыва фазы, характеризующегося повышением импеданса схемы и уменьшением или падением до нуля подаваемого тока. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Способ обнаружения состояния обрыва фазы трансформатора с низкой или нулевой нагрузкой, причем состояние обрыва фазы характеризуется нарушением равновесия между фазами трансформатора, у которого на стороне высокого напряжения используется соединение обмотки по схеме "звезда" с заземлением, причем способ включает контроль тока, протекающего через провод подсоединения нейтрали на стороне высокого напряжения трансформатора, схемы релейной защиты по напряжению или по току для идентификации признака состояния обрыва фазы в сигнале, который характеризует изменение величины тока.

2. Способ обнаружения состояния обрыва фазы трансформатора с низкой или нулевой нагрузкой, причем состояние обрыва фазы характеризуется нарушением равновесия между фазами трансформатора, у которого на стороне высокого напряжения используется соединение обмотки по схеме "звезда" с заземлением, причем способ включает подачу сигнала в провод подсоединения нейтрали трансформатора и контроль тока, протекающего в проводе подсоединения нейтрали трансформатора на стороне высокого напряжения, для идентификации признака состояния обрыва фазы в сигнале, который характеризует изменение величины тока.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором контроль осуществляется в режиме реального времени.

4. Способ по п. 1 или 2, включающий контроль напряжения и/или контроль тока на выводе нейтрали трансформатора.

5. Способ по п. 4, в котором защита по напряжению и/или защита по току выполнена таким образом, чтобы обеспечивалось обнаружение нарушения баланса напряжения или тока, возникающего в результате возникновения состояния обрыва фазы.

6. Способ по п. 1 или 2, включающий контроль импеданса нулевой последовательности схемы трансформатора, причем признак обрыва фазы включает повышение импеданса от сотен или тысяч Ом до нескольких МОм.

7. Способ по п. 1 или 2, в котором когда частота подаваемого сигнала или тока нейтрали равна 60 Гц, признак состояния обрыва фазы содержит уменьшение составляющей 180 Гц тока нейтрали, и/или увеличение составляющей 60 Гц тока нейтрали, и/или увеличение составляющей 300 Гц тока нейтрали.

8. Способ по п. 1 или 2, включающий также использование регулируемой временной задержки для фильтрации сигналов, не связанных с состоянием обрыва фазы.

9. Способ по п. 1 или 2, в котором трансформатор представляет собой трансформатор с соединениями обмоток по схеме "звезда-треугольник", трехстержневой трансформатор с соединениями обмоток по схеме "звезда-звезда", трехстержневой трансформатор с соединениями обмоток по схеме "звезда-звезда" с внутренней обмоткой или бронестержневой трансформатор с соединениями обмоток по схеме "звезда-звезда" с внутренней обмоткой.

10. Способ по п. 1 или 2, в котором трансформатор представляет собой вспомогательный трансформатор подстанции.

11. Способ по п. 1 или 2, в котором трансформатор представляет собой пусковой трансформатор.

12. Способ по п. 2, в котором признак состояния обрыва фазы содержит снижение уровня подаваемого сигнала более чем примерно на 20 дБ.

13. Способ по п. 2, в котором состояние обрыва фазы определяется по изменению уровня подаваемого тока источника в проводе подсоединения нейтрали.

14. Способ по п. 2, в котором состояние обрыва фазы определяется по изменению уровня тока промышленной частоты в проводе подсоединения нейтрали.

15. Способ по п. 2, в котором состояние обрыва фазы определяется по изменению уровня по меньшей мере одной гармонической составляющей частоты тока промышленной частоты в проводе подсоединения нейтрали.

16. Способ по п. 15, в котором изменение уровня по меньшей мере одной гармонической составляющей определяется по третьей и/или пятой гармонической составляющей тока промышленной частоты.

17. Система для обнаружения состояния обрыва фазы трансформатора с низкой или нулевой нагрузкой, у которого на стороне высокого напряжения используется соединение обмотки по схеме "звезда" с заземлением, причем система содержит источник подаваемого сигнала, который электрически связан с трансформатором подачи (возбуждения) тока, имеющим магнитную связь с выводом нейтрали трансформатора с соединением обмотки по схеме "звезда" с заземлением на стороне высокого напряжения, зонд для измерения тока, сконфигурированный для измерения тока на выводе нейтрали или в обмотке трансформатора подачи тока, а также электронный контроллер, соединенный с зондом для измерения тока.

18. Система по п. 17, в которой электронный контроллер способен осуществлять цифровую обработку сигналов.

19. Система по п. 18, в которой электронный контроллер содержит по меньшей мере один аналоговый вход для приема выходного сигнала от измерительного зонда и по меньшей мере один выход реле или транзистора для обеспечения функции тревожной сигнализации или защитного отключения.

20. Система по п. 17, в которой источник подаваемого сигнала содержит однофазный или трехфазный двигатель с переменной частотой, причем выходное напряжение этого двигателя не превышает номинальное напряжение трансформатора подачи тока.