Устройство защиты якорной обмотки машин переменного тока от коротких замыканий
DEVICE FOR PROTECTING THE ARMATURE WINDING OF AC MACHINES FROM SHORT CIRCUITS

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в системах диагностики и защиты якорных обмоток машин переменного тока от коротких замыканий. Изобретение может быть использовано для синхронных генераторов и синхронных двигателей с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов, а также для асинхронных генераторов и асинхронных двигателей.
К генераторам, как источникам электрической энергии, и двигателям, как основным потребителям электрической энергии, предъявляются жесткие требования по надежности и ресурсу работы.  Основными аварийными ситуациями являются короткие замыкания якорной обмотки различных видов: витковые, межсекционные, межфазные, замыкания на корпус. Для определения этих замыканий и отключения электрической машины от внешней цепи в этих ситуациях в состав электронной системы управления включают комплекс определения неисправности и отключающую защитную аппаратуру.
Наиболее сложными для диагностики являются витковые замыкания. Они практически не влияют на выходные параметры по току и напряжению, но тепловой перегрев короткозамкнутых витков за счет больших, протекающих в этих витках токах, может привести к разрушению якорной обмотки и последующему сложному ремонту.
Принцип действия всех диагностических систем основан на определении отклонения механических, тепловых, электрических или магнитных параметров электрической машины от пороговой нормируемой величины, которая характеризует нормальную работу, и отключение ее в случае превышения этой величины в аварийных ситуациях.
Известно устройство защиты электрических машин от витковых коротких замыканий обмотки якоря и от неисправности подшипников [1]. Устройство содержит вибродатчик, который крепится на корпусе машины. Вибродатчик подключается к входу защитного устройства, который обеспечивает подключение к сети трехфазной статорной обмотки машины в случае нормального режима работы и отключение в случае аварии. Устройство работает следующим образом. При включении коммутационного аппарата исправная электрическая машина работает в штатном режиме, при этом корпус машины подвергается нормальным колебаниям, фиксируемым вибродатчиком. Сигнал вибродатчика подается на устройство защиты. При этом, если амплитуда колебаний корпуса машины меньше заданной пороговой величины, защитное устройство не формирует сигнал защиты, и электрическая машина работает нормально, оставаясь подключенной к сети. При возникновении виткового короткого замыкания в обмотке статора нарушается равновесие магнитодвижущих сил трехфазной обмотки, появляются электромагнитные силы одностороннего тяжения ротора, вследствие чего появляется дополнительные колебания корпуса машины и сигнал вибродатчика превышает пороговое значение. Блок сравнения амплитуды пороговой величины и амплитуды аварийного режима колебаний формирует сигнал защиты на отключение двигателя. Сигнал на выходе блока сравнения вызывает срабатывание исполнительного механизма защитного устройства. Основным недостатком устройства является его низкая надежность из-за ложных срабатываний при изменении нагрузки генератора и скачках питающего напряжения.
Известно устройство, реализующее способ защиты синхронного двигателя переменного тока от витковых замыканий. Принцип работы устройства основан на измерении разности параметров магнитного поля лобового рассеяния в нескольких точках торцевой зоны и формировании сигнала на отключение машины [2]. Из абсолютной величины разности измеренных параметров выделяют гармонические составляющие, и если составляющая превысит пороговую величину, то формируется сигнал о наличии виткового замыкания в обмотке статора и команда на отключение электрической машины. Недостатком данного устройства является необходимость размещения большого количества измерителей магнитного поля в лобовых частях для обеспечения требуемой надежности, сложность настройки пороговой величины сигнала для защитной аппаратуры.
Наиболее близким по техническому решению, взятому за прототип, является устройство, которое включает в себя асинхронный двигатель с основной трехфазной якорной обмоткой, который имеет блок защиты, содержащий дополнительную обмотку, уложенную на статоре в пазах с основной обмоткой, причем дополнительная обмотка выполнена из нескольких концентрических обмоток, содержащих витки с изменяющимся шагом пазовых делений [3]. В устройстве реализована защита электрической машины, основанная на измерении физической величины при нормальном и аварийном состоянии, сравнении ее с пороговым значением. При превышении физической величины порогового значения формируется защитный сигнал. В качестве физической величины используется электродвижущая сила дополнительной обмотки. Достоинством прототипа является отказ от размещения большого количества датчиков для фиксации изменения магнитного поля в аварийных режимах и замена их одной измерительной обмоткой, которая проще, надежнее и дешевле. При этом основным недостатком этого устройства осталась сложность схемы дополнительной обмотки, которая состоит из нескольких концентрических катушек, сложность определения параметров обмотки, концентрические катушки которой имеют разное число витков. Дополнительная обмотка может быть применена не для всех якорных обмоток, а только для обмоток, имеющих число пазов, позволяющих разместить концентрированные катушки дополнительной обмотки, что ограничивает применение этого устройства. Схема дополнительной обмотки рассчитана на измерение высших гармоник, амплитуда которых мала, что может привести к ложным срабатываниям и снижению надежности защиты при изменении нагрузки, скачках питающего напряжения. Перечисленные факторы приводят к усложнению конструкции дополнительной обмотки, сложности настройки порогового значения срабатывания защиты, ограничению применения данного технического решения для якорных обмоток, которые не позволяют разместить концентрические катушки дополнительной обмотки.
Основным техническим результатом предполагаемого изобретения является упрощение конструкции дополнительной обмотки, упрощении определения ее параметров по сечению и количеству витков, расширение сферы применения за счет универсальности дополнительной обмотки, повышение надежности защиты за счет более простой настройки порогового значения. Это достигается особенностями конструкции дополнительной обмотки и методикой размещения ее в пазах якорной обмотки. Фазы дополнительной обмотки имеют полную симметрию. В зависимости от методов диагностики, их можно соединить в треугольник или звезду.
Сущность технического решения поясняется принципиальными схемами устройства защиты якорной обмотки машин переменного тока от коротких замыканий на фиг.1 - при соединении фаз дополнительной обмотки в треугольник и на фиг.2 - при соединении фаз дополнительной обмотки в звезду.
Технический результат достигается тем, что
согласно предлагаемого изобретения,
у
стройство защиты якорной обмотки машин переменного тока от коротких замыканий, содержащее основную обмотку, дополнительную обмотку, уложенную в пазах с основной якорной обмоткой, устройство измерения физической величины, подключенное к дополнительной обмотке, устройство сравнения физической величины дополнительной обмотки с ее пороговым  значением, к которому на вход поступает сигнал от устройства измерения физической величины, а на выходе оно формирует сигнал для защитного устройства, защитное устройство, отключающее якорную обмотку в аварийных режимах  от внешней цепи при превышении физической величины над пороговым значением  дополнительная обмотка имеет принципиальную схему, аналогичную якорной обмотке, фазы дополнительной обмотки находятся  в тех же пазах что и фазы основной якорной обмотки и дополнительная обмотка работает  на холостом ходу.
Кроме того, фазы дополнительной обмотки устройства соединены в треугольник и индикатором наличия коротких замыканий является наличие тока в контуре дополнительной обмотки, который превышает пороговое значение.
Кроме того, фазы дополнительной обмотки соединены в звезду, к фазам дополнительной обмотки подключены дополнительные сопротивления, соединенные тоже в звезду, величина которых обеспечивает работу дополнительной обмотки в режиме холостого хода, а индикатором наличия коротких замыканий является напряжение между нейтральной точкой дополнительной обмотки и нейтральной точкой дополнительных сопротивлений, которое превышает пороговое значение.
Кроме того, последовательно с фазами дополнительной обмотки включены переменные сопротивления для установления порогового значения тока в дополнительной обмотке при режиме отсутствия коротких замыканий.
Кроме того, последовательно с фазами дополнительной обмотки включены переменные сопротивления для установления порогового напряжения между нейтральной точкой дополнительной обмотки и нейтральной точкой сопротивлений  при режиме отсутствия коротких замыканий.
Принципиальная схема предлагаемого технического решения при соединении фаз дополнительной обмотки в треугольник представлена на фиг. 1.
Предлагаемое устройство содержит основную якорную обмотку, например, трехфазную якорную обмотку синхронного генератора 1, дополнительную обмотку 2, устройство измерения физической величины, в качестве которого можно применить, например, амперметр 3 для измерения тока, устройство сравнения, например, компаратор  4, устройство защиты, например, контактор 5 и дополнительные сопротивления 6, например, сопротивления величиной более 1.0 кОм. Фазы основной обмотки 1 могут быть соединены в треугольник либо в звезду. Дополнительная обмотка 2 имеет ту же самую схему, что и основная обмотка 1. Фазы дополнительной обмотки 2 соединяются в треугольник и уложены в пазы основной обмотки 1, но изолированы от нее и имеют меньшее, примерно в 10 раз, сечение, чем основная обмотка, чтобы минимально использовать эффективное сечение паза. Дополнительная обмотка 2 работает на холостом ходу. Устройство измерения физической величины 3 включено последовательно в одну из фаз дополнительной обмотки 2. В схеме (фиг.1) устройство измеряет величину тока, протекающего в фазах дополнительной обмотки 2. Значение измеренного тока подается на вход устройства сравнения 4. Выход устройства сравнения 4 соединен с входом защитного устройства 5. Фазы основной обмотки 1 подключены к защитному устройству 5. Защитное устройство 5 подключает основную обмотку 1 к внешней цепи, или отключает ее от внешней цепи в зависимости от сигнала устройства сравнения 4. Дополнительные сопротивления 6 включены в каждую фазу дополнительной обмотки 2 последовательно. Они служат для установления порогового значения тока в дополнительной обмотке 2 при отсутствии короткого замыкания.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Известно, что несимметричный режим работы для фазных токов и фазных напряжений можно разложить на три симметричных режима для прямой последовательности фаз, обратной последовательности фаз и нулевой последовательности фаз вращающегося поля [4]. В случае нормального режима работы при отсутствии виткового короткого замыкания в основной обмотке 1 суммарная ЭДС фаз дополнительной обмотки 2 будет иметь ЭДС только прямой последовательности фаз. ЭДС фаз обратной и нулевой последовательности будут отсутствовать. Суммарная ЭДС в контуре треугольника дополнительной обмотки 2 будет равна 0, уравнительный ток в фазах дополнительной обмотки 2 будет равен 0 и это значение покажет подключенное в контур устройство измерения физической величины 3.
Этот ток превысит пороговое значение в аварийной ситуации, что будет индикатором наличия виткового замыкания в одной из фаз.
При наличии виткового короткого замыкания в основной обмотке 1 результирующее магнитное поле искажается и становится несиммертичным. В контуре фаз дополнительной обмотки 2 появится отличная от нуля результирующая ЭДС нулевой последовательности фаз. Под ее действием начнет течь уравнительный ток нулевой последовательности фаз, который будет определен устройством измерения физической величины 4. Устройство сравнения 4 сравнит этот ток с пороговым значением и, в случае его превышения, даст сигнал устройству защиты 5 на отключение основной обмотки 1 от внешней цепи.
Рассмотрим устройство защиты якорной обмотки машин переменного тока от коротких замыканий при соединения фаз дополнительной обмотки в звезду (фиг.2).
Предлагаемое устройство (фиг.2), аналогично с предыдущей схемой, содержит основную якорную обмотку 1, например, трехфазную якорную обмотку синхронного генератора, дополнительную обмотку 2, устройство измерения физической величины, например, вольтметр 3, устройство сравнения 4, например, компаратор, устройство защиты 5, например, контактор, и дополнительные сопротивления 6, величина которых составляет более 1.0 кОм. Фазы основной обмотки 1 соединены в звезду. Дополнительная обмотка 2 имеет ту же самую схему, что и основная обмотка 1. Фазы дополнительной обмотки 2 соединяются в звезду и уложены в пазы основной обмотки 1, но изолированы от нее и имеют меньшее, примерно в 10 раз, сечение, чем основная обмотка, чтобы минимально использовать эффективное сечение паза. Дополнительные сопротивления 6 соединены в звезду. Фазы дополнительной обмотки 2 подключены к дополнительным сопротивлениям 6. Величина дополнительных сопротивлений 6 выбирается таким образом, чтобы дополнительная обмотка работала в режиме холостого хода.  Устройство измерения физической величины 3 включено между нейтральной точкой соединения фаз дополнительной обмотки 2 и нейтральной точкой соединения дополнительных сопротивлений 6. В схеме устройство измеряет величину напряжения между этими нейтралями. Значение измеренного напряжения подается на вход устройства сравнения 4. Выход устройства сравнения 4 соединен с входом защитного устройства 5. Фазы основной обмотки 1 подключены к защитному устройству 5. Защитное устройство 5 подключает основную обмотку 1 к внешней цепи, или отключает ее от внешней цепи в зависимости от сигнала устройства сравнения 4.
Устройство в этом варианте исполнения работает следующим образом. При отсутствии короткого замыкания в основной обмотке 1 в ЭДС фаз дополнительной обмотки 2 будет присутствовать составляющая только прямой последовательности фаз. Составляющие обратной последовательности фаз и нулевой последовательности фаз будут равны 0. В силу полной симметрии, потенциал нулевой точки звезды дополнительных сопротивлений 6 будет равен 0. Соответственно, разность потенциалов между нулевой точкой фаз дополнительной обмотки 2 и нулевой точкой дополнительных сопротивлений 6 будет равна 0 и устройство измерения физической величины (напряжения) 3 включенное между этими точками, покажет нулевое значение напряжения.
При наличии виткового короткого замыкания в основной обмотке 1 симметрия ЭДС фаз нарушится, появится составляющая фаз нулевой последовательности. Потенциал нейтральной точки дополнительной обмотки 2 будет отличен от нуля, между нейтральными точками фаз появится разность потенциалов. Эту разность потенциалов между нейтральной точкой дополнительной обмотки 2 и нейтральной точкой дополнительных сопротивлений 6 зафиксирует измеритель напряжения 3, включенный между этими точками.
Наличие разности потенциалов между нейтральными точками будет индикатором аварийного режима короткого замыкания.
Устройство сравнения 4 зафиксирует эту разность, сравнит ее с пороговым значением и даст сигнал устройству защиты 5 на отключение основной обмотки 1 от внешней цепи.
Новизна технического решения по обоим вариантам исполнения устройства обусловлена тем, что, в отличие от прототипа, дополнительная обмотка полностью повторяет силовую якорную обмотку. Она находится в тех же пазах якоря, имеет те же параметры (схему, шаг по пазам, укорочение). Число витков и сечение дополнительной обмотки не влияет на принцип ее действия и подбирается таким образом, чтобы существенно не уменьшить эффективное сечение паза для активных проводников. Дополнительная обмотка работает в режиме холостого хода, что позволяет фиксировать только магнитную несимметрию при различных режимах работы якоря и не реагировать на электрическую несимметрию нагрузки, которая не является аварийным режимом.
Таким образом, дополнительная обмотка имеет более простую по сравнению с прототипом принципиальную схему, более надежна из-за отсутствия ложного срабатывания при скачках напряжения силовой обмотки якоря. При этом появляется дополнительная возможность диагностировать любые типы коротких замыканий, корме витковых: замыкания между секциями фазы, замыкания между фазами, замыкания на корпус, так как во всех видах замыканий присутствует магнитная несимметрия, которую определяет дополнительная обмотка. При этом дополнительная обмотка не реагирует на несимметричную нагрузку по фазам в режиме генератора, что является штатным режимом работы.
По данным научно-исследовательской и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.
Достоинства предлагаемого технического решения заключаются в следующем.
1. В отличие от прототипа дополнительная обмотка изготавливается не из концентрических катушек и укладывается не в пазы, рассчитанные по специальной методике, а имеет принципиальную схему, одинаковую с якорной обмоткой, и фазы обмотки укладывается в те же пазы, в которых находятся одноименные фазы якорной обмотки. При этом она не требует для себя расчета специальных параметров по сечению и числу витков. Достаточно выполнить ее симметричной по фазам. Сечение провода и число витков выбираются из условия предоставления силовой обмотке требуемого объема. Это упрощает изготовление дополнительной обмотки и ее монтаж, делает применение ее универсальным для всех вариантов якорной обмотки.
2. В дополнительной обмотке не выделяются высшие гармоники физической величины, как это делается в прототипе, а измеряются их действующее значение. Это повышает ее чувствительность и упрощает настройку защиты на пороговое значение срабатывания.
3. Устройство позволяет с помощью дополнительных подстроечных сопротивлений установить пороговые значения близкие к нулю в режиме отсутствия коротких замыканий, что также упрощает настройку защитной аппаратуры.
4. Дополнительная обмотка, фиксируя магнитную несимметрию, реагирует только на короткие замыкания всех типов и не чувствительна к штатным режимам несимметрии нагрузки в отличие от прототипа. Это повышает ее надежность и исключает ложные срабатывания.
5. Дополнительная обмотка очень чувствительна к магнитной несимметрии и может определить неисправность в самом начале возникновения точечного пробоя изоляции, что упрощает ремонтные работы. Устройства аналогов и прототипа имеют меньшую чувствительность по пороговой величине и фиксируют аварию на более поздних этапах нарушения изоляции, когда аварийный дефект становится явным и приводит к разрушению места короткого замыкания от теплового разрушения
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. В лаборатории Южно-Уральского государственного университета (национально-исследовательского университета) были проведены испытания на генераторе с имитацией коротких замыканий 1 витка, 3 витков и 5 витков, которые подтвердили достоверность предлагаемой технической концепции.
Источники  информации
1.Патент RU 2295815 C1. Устройство защиты машин переменного тока. Автор(ы):Богдан Александр Владимирович (RU),Стрижков Игорь Григорьевич (RU),Потапенко Иосиф Андреевич (RU),Соболь Александр Николаевич (RU). Патентообладатель(и):Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный аграрный университет (RU). Заявка: 2005131150/09, 07.10.2005, Дата начала отсчета срока действия патента:07.10.2005.
2. Патент RU 2677225 C2. Способ защиты синхронного двигателя переменного тока от витковых замыканий.  Автор(ы): Новожилов Александр Николаевич (KZ), Акаев Айбек Муратбекович (KZ), Новожилов Тимофей Александрович (RU). Патентообладатель(и): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" (RU). Заявка: 2016113600, 08.04.2016. Дата начала отсчета срока действия патента:08.04.2016. Дата регистрации:16.01.2019.
3. Авторское свидетельство SU 1129701 A. Асинхронный электродвигатель с блоком защиты. Авторы: Завгородний В.Д., Павлович Н.В., Неверкла С.В.
4. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. Техн. учебн. заведений.- 3-е изд., перераб.- Л.:Энергия, 1978,- страница 747.