УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
DEVICE AND METHOD FOR DETECTION OF GROUND SHORT-CIRCUIT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области защиты электрического устройства, такого как генератор, реактор или электрический двигатель, подключенного к электрической линии переменного тока. Оно относится к устройству и способу для детектирования короткого замыкания на землю. В частности, оно относится к детектированию короткого замыкания на землю, которое может происходить вблизи нейтральной точки электрической машины.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Короткое замыкание на землю в электрической машине, которая подключена к электрической сети, может представлять большую опасность для нормальной работы электрической машины. Например, короткое замыкание на землю статора является наиболее распространенным типом короткого замыкания, которому подвержен генератор. Наиболее часто оно приводит к повреждению статорной обмотки генератора и может быть непосредственной причиной последующего межфазного короткого замыкания. Электрическую машину заземляют с помощью системы заземления, такой как система заземления по импедансу, для ограничения механических напряжений и повреждений в машине, для ограничения переходного напряжения во время коротких замыканий и для обеспечения средства детектирования коротких замыканий на землю в электрической машине. Хотя ток первого короткого замыкания на землю может быть незначительным и не вызовет немедленного повреждения, два последующих коротких замыкания могут привести к току короткого замыкания, который не сможет быть ограничен системой заземления, и это, следовательно, может закончиться серьезным повреждением электрической машины, которое может обойтись очень дорого.
Например, в случае трехфазного электрического генератора защита статора от короткого замыкания на землю достигается измерением напряжения нулевой последовательности в нейтральной точке генератора, и это может обеспечивать защиту 95% статорной обмотки со стороны выводов генератора, тогда как 5% статорной обмотки вблизи нейтральной точки не могут быть защищены этой схемой. Часто конечные пользователи требуют 100%-ной защиты статорной обмотки от коротких замыканий на землю, и это означает, что последние 5% статорной обмотки должны быть защищены.
Патентный документ ЕР1936393 А1 относится к компоновке для измерения импеданса электрического устройства. Компоновка содержит блок подачи сигнала, предназначенный для подачи тестового сигнала с частотой, отличной от номинальной, в электрическую цепь электрического устройства, блок преобразования сигнала, предназначенный для измерения электрических величин подаваемого тестового сигнала, и устройство обработки для приема измеряемых электрических величин для определения электрической характеристики. Такую электрическую характеристику можно использовать, например, для детектирования коротких замыканий на землю в генераторе. Избыточность при определении электрических характеристик электрического устройства может достигаться применением двух компоновок, первой и второй компоновки. Блок подачи первого сигнала из первой компоновки подает первый тестовый сигнал с первой частотой, отличной от номинальной, в первую электрическую цепь устройства, и блок подачи второго сигнала подает второй тестовый сигнал со второй частотой, отличной от номинальной, во вторую электрическую цепь устройства. Первое и второе устройства обработки вычисляют электрические характеристики на основании измеряемых электрических величин, принятых соответственно от первого и второго блоков преобразования сигнала. Выходной сигнал определяется на основании первого выходного сигнала, генерируемого первым блоком обработки, и второго выходного сигнала, генерируемого вторым блоком обработки.
Две схемы описаны в IEEE Guide for Generator Ground Protection, IEEE Standard C37.101, они обе обеспечивают 100%-ную защиту статорных обмоток.
Первая схема основана на принципе, заключающемся в том, что при работе генератором может создаваться третья гармоника, и она может появляться в нейтральной точке генератора в виде величины нулевой последовательности. Путем измерения третьей гармоники в нейтральной точке и на выводах и сравнения измеряемых значений можно определять, происходит ли короткое замыкание на землю и местоположение короткого замыкания на землю, то есть, где происходит короткое замыкание на землю, в нейтрали или на выводах. Однако эта схема не работает, когда машина остановлена, а другой недостаток заключается в том, что работа схемы зависит от создаваемой машиной третьей гармоники, но дело в том, что не каждый электрический генератор создает третью гармонику в нейтрали.
Работа второй схемы основана на подаче сигнала с частотой, отличающейся от основной частоты в системе, на которой работает электрическая машина. Подается один из субгармонических сигналов. Например, типичное значение может быть 12,5 Гц или 20 Гц по отношению к основной частоте 50 Гц или 60 Гц. По измерению изменения электрических величин подаваемого субгармонического сигнала можно детектировать короткое замыкание на землю. Однако работа этой схемы зависит от системы заземления электрической машины, и это означает, что соответственно изменяются компоненты и компоновка схемы, например, сигнал может подаваться в нейтраль или на выводы машины. Большей частью необходимо измерять ток и напряжение, и это приводит к затратному решению.
Помимо коротких замыканий на землю электрическая машина также подвергается неисправностям других видов, например перенапряжение, неуравновешенный ток, перегрев, межвитковое замыкание, межфазное короткое замыкание и т.д. Для защиты электрической машины от различных неисправностей предложен ряд защитных систем, снабженных некоторым количеством измерительных устройств. Например измерительный трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки, часто предусматривают в нейтрали электрической машины для измерения напряжений. На основании измерения защитное реле может соответственно инициализировать защитную схему. В другом типичном устройстве модульный/повышающий трансформатор подключен к электрической машине.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в создании упрощенного устройства для детектирования короткого замыкания на землю, который устраняет упомянутые выше недостатки из предшествующего уровня техники.
Эта задача решается устройством для детектирования короткого замыкания на землю, определенным в преамбуле п.1 формулы изобретения, отличающимся тем, что блок подачи сигнала сконфигурирован с возможностью подачи сигнала на вторичную обмотку трансформатора напряжения, измерительный трансформатор сконфигурирован с возможностью измерения результирующего подаваемого сигнала на его вторичной обмотке и блок детектирования короткого замыкания на землю сконфигурирован с возможностью детектировать короткое замыкание на землю на основании измеренного сигнала.
Принцип работы изобретения основан на том, что если короткое замыкание на землю происходит в нейтральной точке или вблизи нее, измеряемый результирующий подаваемый сигнал должен уменьшаться или исчезать в нейтральной точке, тогда как при нормальной работе подаваемый сигнал должен присутствовать в нейтральной точке.
Путем измерения и исследования подаваемого сигнала в нейтральной точке можно детектировать короткое замыкание на землю, происходящее в нейтральной точке или вблизи нее. Это особенно важно для детектирования короткого замыкания на землю статора, поскольку обеспечивается возможность 100%-ной защиты статора от короткого замыкания на землю, когда он используется вместе с уже упомянутым 95%-ным реле защиты статора от короткого замыкания на землю.
По сравнению с первой схемой из предшествующего уровня техники одно преимущество изобретения заключается в том, что изобретение позволяет детектировать короткое замыкание на землю даже если машина остановлена, поскольку изобретение основано на подаваемых сигналах, а не на генерации третьей гармоники в электрической машине.
В случае, когда любой из измерительного трансформатора и трансформатора напряжения или оба уже имеются в электрической цепи для решения других задач защиты, они могут быть сконфигурированы с возможностью подачи сигнала и измерения подаваемого сигнала, соответственно. В этом случае изобретение обладает дополнительным преимуществом по сравнению со второй схемой из предшествующего уровня техники, поскольку для изобретения нет необходимости в дополнительных приборах помимо существующих измерительных приборов. Это обеспечивает возможность получения подходящего по цене решения, особенно в случае, когда защищаемая машина представляет собой, например, небольшой генератор. Это означает, что повторные измерения, уже существующие в сети, приводят к экономически эффективному решению для потребителя.
Согласно одному варианту осуществления изобретения блок детектирования короткого замыкания дополнительно сконфигурирован с возможностью сравнивать измеряемый сигнал с заданным порогом и, если измеряемый сигнал ниже порога, детектируется короткое замыкание на землю вблизи нейтральной точки. Блок детектирования короткого замыкания на землю может также инициализировать сигнал для блока защиты, который может также инициализировать сигнал аварийного отключения на основании опасности детектированного короткого замыкания на землю.
Согласно другому варианту осуществлению изобретения трансформатор напряжения сконфигурирован с возможностью измерения подаваемого сигнала на его вторичных обмотках. Блок детектирования короткого замыкания на землю сконфигурирован с возможностью детектирования короткого замыкания на землю на основании измеряемого сигнала от трансформатора напряжения и измеренного сигнала от измерительного трансформатора.
Согласно одному варианту осуществления изобретения нейтральная точка электрической машины является заземленной по импедансу или незаземленной.
Согласно одному варианту осуществления изобретения электрическая машина представляет собой любую из: генератора, двигателя или реактора, а ее статорные обмотки соединены звездой.
Согласно одному варианту осуществления изобретения измерительный трансформатор, подключенный к нейтральной точке, может быть трансформатором напряжения или распределительным трансформатором.
Согласно одному варианту осуществления изобретения подаваемый сигнал представляет собой сигнал напряжения или тока. Сигнал подается с изменяющейся во времени величиной, и это означает, что подаваемый сигнал имеет форму переменного тока, такую как синусоидальная, прямоугольная и т.д.
Согласно одному варианту осуществления изобретения в случае, когда электрическая машина работает на основной частоте в системе, подаваемый сигнал имеет частоту, отличающуюся от основной частоты в системе.
Согласно одному варианту осуществления изобретения в случае, когда подаваемый сигнал представляет собой сигнал напряжения, подаваемый сигнал имеет амплитуду напряжения меньше чем 2 В.
Задача настоящего изобретения также решается способом, определенным в п.10 формулы изобретения. Такой способ содержит этапы подачи сигнала на вторичную обмотку трансформатора блока, измерения результирующего подаваемого сигнала на вторичной обмотке измерительного трансформатора и определения, происходит или нет короткое замыкание на землю вблизи нейтральной точки, на основании измеренного результирующего подаваемого сигнала.
Способ может дополнительно содержать этапы сравнения измеряемого сигнала с заданным порогом и определения, имеется ли короткое замыкание на землю, на основании результата сравнения.
Кроме того, способ может также содержать этапы измерения подаваемого сигнала на вторичной обмотке трансформатора напряжения и определения местоположения короткого замыкания на землю на основании измеряемого подаваемого сигнала от трансформатора напряжения и измеряемого результирующего подаваемого сигнала от измерительного трансформатора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает принципиальную схему компоновки для детектирования короткого замыкания на землю статорной обмотки генератора согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 изображает блок-схему последовательности операций способа изобретения для детектирования короткого замыкания на землю в электрической машине; и
Фиг. 3 изображает принципиальную схему другой компоновки согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующих примерах изобретение используется для детектирования короткого замыкания на землю статора генератора при подаче сигнала напряжения на вторичную обмотку трансформатора напряжения. Однако изобретение не ограничено подачей сигнала напряжения, а электрической машиной может быть, например, реактор.
Фиг. 1 изображает электрическую схему 1, содержащую трехфазный генератор 10 и модульный трансформатор 20. Генератор также содержит статорные обмотки 12, имеющие нейтральную точку 14 и выводы 13, подключенные к первичным обмоткам модульного трансформатора. В этом примере первичные обмотки модульного трансформатора соединены треугольником с выводами генератора для изоляции генератора от внешних коротких замыканий сети. Однако первичные обмотки трансформатора блока также могут быть соединены звездой.
Компоновка 2 выполнена с возможностью детектирования замыкания на землю статорных обмоток и содержит блок 20 подачи сигнала, трансформатор 30 напряжения, измерительный трансформатор 40 и блок 50 детектирования короткого замыкания. Трансформатор 30 напряжения и измерительный трансформатор 40 имеют на вторичной стороне номинальное напряжение 100-120 В.
Трансформатор 30 напряжения подключен к выводам 13 статорных обмоток через его первичную обмотку 31, тогда как его вторичные обмотки 32 соединены разомкнутым треугольником и резистор 35 подключен к двум концам вторичных обмоток 32. Блок подачи сигнала подключен к вторичным обмоткам 32 трансформатора 30 напряжения и выполнен с возможностью генерировать сигнал, который, в свою очередь, подается на вторичные обмотки 32 трансформатора 30 по соединительному каналу 34.
Нейтральная точка 14 статорных обмоток подключена к первичной обмотке 48 измерительного трансформатора 40 и заземлена по импедансу посредством резистора 42, который подключен через вторичную обмотку 49 измерительного трансформатора для заземления нейтральной точки статорных обмоток, и эта конфигурация является наиболее традиционной в рамках систем, регламентированных Американским национальным институтом стандартов. Резистор выполнен с возможностью ограничивать ток короткого замыкания на землю до значения, которое является безопасным для изоляции статора генератора в случае возникновения в статоре короткого замыкания на землю. Этот предел обычно находится в диапазоне 3-25 А.
Хотя в этой схеме машина заземлена в соответствии с системой заземления по импедансу, однако изобретение не ограничено этой системой заземления. Оно также применимо в случае, когда система заземления отсутствует или когда используется основная система заземления. Это означает, что изобретение применимо для электрической машины независимо от ее системы заземления и, как рекомендовано, сигнал подается со стороны выводов электрической машины и измеряется в нейтральной точке в отличие от второй схемы из предшествующего уровня техники.
Точнее, трансформатор 45 напряжения используют для преобразования напряжений в нейтральной точке статора до измеримого уровня. Для той же самой цели вместо трансформатора напряжения можно использовать распределительный трансформатор. В таком случае распределительный трансформатор может иметь на вторичной стороне номинальное напряжение до 240 В.
Кроме того, значение подаваемого сигнала измеряют на вторичных обмотках трансформатора 45, на выводах 44, и затем передают к блоку детектирования короткого замыкания на землю, который сконфигурирован с возможностью сравнения измеренного сигнала с заданным пороговым значением и определения возникновения короткого замыкания на землю вблизи нейтральной точки статорных обмоток. Во время любых нормальных рабочих условий подаваемый сигнал должен присутствовать в нейтральной точке. В случае короткого замыкания на землю значение подаваемого сигнала в нейтральной точке 14 будет уменьшаться и, в конечном счете, обращаться в нуль и, следовательно, также будет уменьшаться и в конечном счете обращаться в нуль на вторичных обмотках трансформатора 45.
Чтобы детектировать такие короткие замыкания на землю и обеспечивать защиту электрической машины от коротких замыканий на землю, можно использовать простую защиту от пониженного напряжения, которую можно располагать в том же месте, где находится трансформатор 45 напряжения. Например, короткие замыкания в других частях статорной обмотки будут детектироваться и защита от них будет осуществляться с помощью стандартной 95%-ной защиты от короткого замыкания на землю статора, чтобы обеспечить 100%-ной защиту статорных обмоток генератора от коротких замыканий на землю.
Фиг. 3 изображает принципиальную схему другого варианта осуществления изобретения, в которой трансформатор 30 напряжения дополнительно сконфигурирован с возможностью измерять подаваемый сигнал на принадлежащих ему вторичных обмотках через соединение 36. Подаваемые сигналы измеряются на трансформаторе 30 напряжения и трансформаторе 45 напряжения, соответственно, и результаты передаются к блоку 50 детектирования короткого замыкания. Блок 50 детектирования короткого замыкания сконфигурирован с возможностью контролировать и сравнивать измеренные сигналы. При сравнении измеренных сигналов на выводах и в нейтральной точке блок детектирования может определять наличие или отсутствие короткого замыкания на землю путем определения переходного сопротивления в месте короткого замыкания на землю.
Фиг. 2 является блок-схемой последовательности операций способа изобретения для детектирования короткого замыкания на землю электрической машины, подключенной к блоку в электрической цепи.
Способ начинают с подачи сигнала на вторичную обмотку трансформатора напряжения, этап 100. В простейшем случае подаваемый сигнал может быть синусоидальным сигналом. Но он также может иметь любую другую подходящую форму, содержащую многочисленные частоты с одной преобладающей частотой, как например, прямоугольный импульсный сигнал. В случае, когда электрическая машина работает на основной частоте, сигнал должен подаваться на другой частоте. Частоту можно выбирать не совпадающей с любой другой гармоникой, имеющейся в электрической машине, чтобы частота различалась и легко выделялась из спектра сигнала при анализе сигнала. Например, выбираемая частота может быть больше основной частоты в 1,6-1,9 раз. Предпочтительно, чтобы подаваемый сигнал был сигналом напряжения и имел амплитуду меньше чем 2 В, предпочтительно, чтобы он был в диапазоне от 0,5 В до 2,0 В.
На следующем этапе 110 результирующий подаваемый сигнал измеряют на вторичной обмотке измерительного трансформатора, подключенного к нейтральной точке. Кроме того, подаваемый сигнал измеряют на вторичной обмотке трансформатора напряжения, этап 120. Результирующий подаваемый сигнал, измеряемый на вторичной обмотке измерительного трансформатора, сравнивают с заданным порогом, этап 130, или, альтернативно, с подаваемым сигналом, измеренным на вторичных обмотках трансформатора напряжения, который подключен к стороне выводов электрической машины, этап 130'.
Если сравнение показывает, что измеряемый результирующий подаваемый сигнал ниже порога или, альтернативно, измеренный результирующий подаваемый сигнал уменьшается в то время, как возрастает подаваемый сигнал, измеренный на стороне выводов, детектируют короткое замыкание на землю вблизи нейтральной точки, этап 140. При детектировании короткого замыкания на землю может инициализироваться сигнал аварийного отключения, и электрическая машина будет отключена от электрической цепи автоматическим выключателем.