СПОСОБ АДАПТАЦИИ ОБНАРУЖЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ
SINGLE-PHASE GROUND SHORT CIRCUIT DETECTION ADAPTING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области обнаружения короткого замыкания на землю в электрической машине. В частности, оно относится к адаптации такого способа обнаружения короткого замыкания на землю к изменению рабочего состояния машины.
Предшествующий уровень техники
Короткое замыкание на землю в электрической машине, которая подключена к электросети, может представлять значительную опасность для непрерывной работы машины. Тогда как единичное короткое замыкание на землю, близкое к нейтральной точке, может не вызывать какой-либо непосредственной опасности для машины, возникновение следующего короткого замыкания на землю будет формировать большие блуждающие токи, которые могут вызывать сильное повреждение. Чтобы ограничивать ток на землю при единичном коротком замыкании на землю рядом с клеммами, машина зачастую заземляется через импедансное средство, чтобы ограничивать механические и тепловые напряжения, таким образом, снижая результирующие повреждения машины. Такая система заземления зачастую используется, чтобы предоставлять средство обнаружения коротких замыканий на землю в машине.
В принципе, существующие системы для обнаружения коротких замыканий на землю в электрических машинах основаны на измерении электрической величины, например, измеряемых значений тока и/или напряжения. Предварительно определяются опорные значения для измеряемых значений электрической величины. Короткое замыкание на землю обнаруживается на основе измеряемых значений и предварительно определенного опорного значения. Альтернативно могут быть оценены другие электрические значения на основе измеряемых значений, и обнаружение короткого замыкания на землю выполняется на основе оцененных значений и соответствующего предварительно определенного опорного значения. Может быть инициирован сигнал тревоги или аварийного отключения, когда обнаруживается короткое замыкание на землю.
US 4851766 раскрывает такую систему, в которой значение полного сопротивления вычисляется на основе измеренного тока и напряжения, и короткое замыкание на землю обнаруживается посредством сравнения значения полного сопротивления с предварительно определенным опорным значением.
Однако измеряемые значения могут существенно различаться в различных условиях/состояниях машины. Это означает, что либо такой способ может быть применен для обнаружения короткого замыкания на землю, только когда машина находится в конкретном состоянии, либо он может проводить ложный сигнал тревоги или аварийного отключения вследствие неточного обнаружения. Следовательно, чувствительность системы на основе этого изобретения понижена.
US 6172509 раскрывает систему для обнаружения межвитковых и других коротких замыканий обмотки в машине многофазного переменного тока, при этом измеряемые значения тока нормализуются. Нормализация измеряемых токов учитывает собственный дисбаланс машины и переменную нагрузку. Обнаружение короткого замыкания определяется посредством идентификации изменений прохождения тока, что, однако, требует, чтобы одновременно было измерено несколько независимых цепей.
US 5508620 (D1) описывает способы определения коротких замыканий на землю в электрической машине. Он описывает две различные цепи на фиг. 1a и 1b для обнаружения короткого замыкания на землю на статоре и роторе соответственно электрической машины. Переходные сопротивления в месте короткого замыкания различны для различных цепей (столбец 4, строка 5-10 и столбец 4, строка 31-33). Короткие замыкания связаны с различными переходными сопротивлениями в месте короткого замыкания в зависимости от того, какая цепь отказа и способ отказа используется.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является предоставление возможности точного обнаружения короткого замыкания на землю в электрической машине, при этом рабочее состояние машины может изменяться от одного к другому.
Эта задача решается посредством способа по пункту 1 формулы изобретения. Обнаружение короткого замыкания на землю проводится на обмотке электрической машины, при этом электрическая машина находится в первом состоянии машины. Первое опорное значение определяется для измеряемых значений электрической величины. Обнаружение короткого замыкания на землю содержит непрерывное измерение электрической величины в обмотке и обнаружение короткого замыкания на землю на основе измеряемых значений электрической величины и первого опорного значения. Способ содержит прием сигнала, обнаружение изменения состояния машины на основе принятого сигнала и, когда изменение состояния машины обнаруживается, изменение на второе опорного значения для измеряемых значений электрической величины, второе опорное значение отличается от первого опорного значения.
Обнаруживая изменение состояния машины на основе принятого сигнала и переключаясь на опорное значение, соответствующее этому конкретному состоянию машины, изобретение имеет возможность адаптировать обнаружение короткого замыкания на землю к изменению состояния машины и предоставляет возможность более точного обнаружения короткого замыкания на землю.
Когда электрическая машина приводится в действие, она может проходить через различные состояния машины. Например, вращающаяся электрическая машина может запускаться из неподвижного состояния, ускоряться затем до полной скорости, синхронизироваться и далее работать с полной нагрузкой и прекращать работу с замедлением до остановки. Между тем, обнаружение короткого замыкания на землю подразумевает работу во время различных рабочих условий/состояний машины, включающих в себя то, когда машина находится в неподвижном состоянии. Для того чтобы добиваться точного обнаружения, изменения состояния машины должны быть учтены по множеству причин.
Одной из причин является то, что машина может быть подключена к энергосистеме посредством трансформатора блока и прерывателя цепи. В зависимости от состояния прерывателя цепи обнаружение короткого замыкания на землю тогда распознает различное количество оборудования. Когда прерыватель разомкнут, на предмет коротких замыканий на землю распознается только машина, тогда как, когда прерыватель замкнут, распознается сам прерыватель и трансформатор блока плюс, возможно, дополнительное оборудование.
Другая причина заключается в том, что системы изоляции электрической машины имеют некоторую зависимость от напряжения, которая может вызывать изменения емкостного сопротивления порядка 10%. Это происходит, в основном, вследствие наличия концевой защиты от коронного разряда обмотки статора, которая обычно выполнена из нелинейно проводящих материалов. Таким образом, статор, с точки зрения емкостного сопротивления, эффективно становится больше, когда к нему прикладывается напряжение.
Чтобы получать измеряемые значения, трансформатор размещается в цепи измерения. Однако на трансформатор может воздействовать напряжение, приложенное к нему. Это, следовательно, влияет на измеряемые значения, принятые от трансформатора. Например, для обнаружения короткого замыкания на землю на основе подачи сигнала, когда машина находится в неподвижном состоянии, напряжение, приложенное к трансформатору, приходит только от подаваемого сигнала. Тогда как, когда машина находится под полной нагрузкой, поданный сигнал накладывается на напряжение системы, что может оказывать значительное влияние на измеряемые значения. Следовательно, предварительно определенное опорное значение, соответствующее неподвижной машине, не будет достаточно точным, чтобы использоваться, когда машина находится под полной нагрузкой.
Наконец, может присутствовать вспомогательное оборудование, подключенное в чувствительной области системы обнаружения короткого замыкания на землю. Если его полное сопротивление относительно земли изменяется, это будет влиять на систему обнаружения короткого замыкания на землю.
Принятый сигнал может быть внутренним сигналом. Под внутренним сигналом понимается сигнал, используемый в измерении обнаружения короткого замыкания на землю. Анализируя принятый внутренний сигнал, изменение состояния машины может быть обнаружено на основе проанализированного сигнала.
Альтернативно, принятый сигнал может быть сигналом, внешним по отношению к обнаружению короткого замыкания на землю. Способ дополнительно содержит обнаружение изменения состояния машины на основе внешнего сигнала. Внешний сигнал может быть состоянием прерывателя, нагрузкой машины или возбуждением. Кроме того, внешний сигнал может быть либо в аналоговой, либо цифровой форме. В случае аналогового внешнего сигнала способ дополнительно содержит анализ аналогового внешнего сигнала и обнаружение изменения состояния машины на основе проанализированного внешнего сигнала.
Полезно использовать внутренний сигнал, чтобы обнаруживать изменение состояния машины, поскольку такой внутренний сигнал специально предназначен для обнаружения короткого замыкания на землю и, следовательно, всегда доступен. С внутренним сигналом не требуется наличия дополнительных связанных сигналов для того, чтобы обнаруживать изменение состояния машины.
Согласно одному варианту осуществления изобретения изменение состояния машины обнаруживается по свойству проанализированного сигнала. Например, среднеквадратичная амплитуда, обозначенная как RMS, доминирующая частота или доминирующая амплитуда могут быть использованы для этой цели. Проанализированный сигнал может быть либо аналоговым внешним сигналом, либо внутренним сигналом.
Согласно одному варианту осуществления изобретения состояние машины находится в каком-либо одном из неподвижных состояний, ускорения, замедления, полной скорости или полной нагрузки. Способ содержит измерение электрической величины, когда машина находится в одном из состояний машины, и определение/установление опорного значения, соответствующего этому конкретному состоянию машины, на основе измеряемых значений электрической величины. Эта процедура может быть выполнена при вводе в промышленную эксплуатацию защитного устройства. Защитное устройство включает в себя функцию обнаружения короткого замыкания на землю и способ по изобретению. Таким образом, опорные значения, определенные при вводе в эксплуатацию, будут отражать состояния машины, когда машина подключается к реальной энергосистеме. Впоследствии, опорные значения выборочно используются, когда машина и защитное устройство работают в системе.
Согласно одному варианту осуществления изобретения обнаружение короткого замыкания на землю содержит подачу тестового сигнала с предварительно определенной частотой на обмотку машины, и способ содержит прием измеряемых значений электрической величины, при этом измеряемые значения измеряются в точке, где тестовый сигнал подается. Способ дополнительно содержит непрерывный анализ измеренного сигнала и обнаружение изменения состояния машины на основе проанализированного сигнала. Измеряемой электрической величиной является RMS.
Полезно использовать RMS, чтобы определять изменение состояния машины, поскольку RMS проводит различие между измеряемыми значениями и полной амплитудой сигнала. Первые содержат только предварительно определенную частоту, тогда как последняя включает в себя все другие частоты, причем эти частоты могут изменяться при изменяющихся состояниях машины.
Согласно одному варианту осуществления изобретения обнаружение короткого замыкания на землю содержит подачу тестового сигнала с предварительно определенной частотой на обмотку машины. Способ содержит прием внешнего сигнала и обнаружение изменения состояния машины на основе принятого внешнего сигнала.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет объяснено более детально посредством описания различных вариантов осуществления изобретения и со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1a показывает блок-схему последовательности операций способа по изобретению, чтобы адаптировать защиту от короткого замыкания на землю к изменению состояния машины на основе внутреннего сигнала согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг. 1b показывает блок-схему последовательности операций способа по изобретению, чтобы адаптировать защиту от короткого замыкания на землю к изменению состояния машины на основе внешнего сигнала согласно другому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 иллюстрирует схематичный чертеж системы обнаружения короткого замыкания на землю, включающей в себя функцию обнаружения короткого замыкания на землю и возможные местоположения для получения сигнала для обнаружения изменения состояния машины.
Фиг. 2a иллюстрирует схематичный чертеж устройства 2 согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг. 3a иллюстрирует диаграмму RMS-уровня в измеренном канале напряжения, когда машина, показанная на фиг. 2, находится в процессе возбуждения.
Фиг. 3b иллюстрирует соответствующую диаграмму величины оцененного полного сопротивления относительно земли во время возбуждения машины.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Со ссылкой на фиг. 1a и 1b способ по изобретению иллюстрируется совместно с функцией обнаружения короткого замыкания на землю. Такая функция обнаружения обычно предоставляется защитным устройством, которое подключено к проводнику/обмотке электрической машины, которая далее подключена к энергосистеме (не показана). Такая электрическая машина может быть генератором или электродвигателем, например. Чтобы обнаруживать короткое замыкание на землю, обнаружение короткого замыкания на землю содержит измерение одной или нескольких электрических величин, например, сигнала(ов) тока и/или напряжения. Измерение может быть получено посредством одного или нескольких измерительных трансформаторов, размещенных в цепи измерения.
Чтобы обнаруживать короткое замыкание на землю, опорное значение предварительно определяется для измеряемых значений. Когда измеряемое значение отклоняется от предварительно определенного опорного значения, предупреждение или аварийное отключение может быть инициировано посредством обнаружения короткого замыкания на землю.
Альтернативно, обнаружение короткого замыкания на землю может вычислять/оценивать полное сопротивление относительно земли на основе измеряемых значений тока и напряжения. Короткое замыкание на землю обнаруживается на основе этого оцененного значения полного сопротивления и предварительно определенного опорного значения. Это может быть пояснено примером следующим образом.
Поскольку короткое замыкание на землю может рассматриваться как соединение с землей параллельно с эталонным полным сопротивлением относительно земли, значение  переходного сопротивления в месте короткого замыкания может быть оценено посредством уравнения,
При этом  - это значение полного сопротивления, вычисленное на основе измеренного тока и напряжения, а  - это опорное значение. Сравнивая оцененное переходное сопротивление  в месте короткого замыкания с опорным значением, короткое замыкание на землю может быть определено, когда  меньше, чем предварительно определенное значение.
Однако измеренные ток и напряжение могут иметь различные уровни при различных состояниях машины. Использование одного единственного опорного значения может приводить в результате к неточному вычисленному значению переходного сопротивления в месте короткого замыкания, таким образом, влияя на достоверность обнаружения короткого замыкания на землю. Используя различные значения  для различных состояний машины, значение  переходного сопротивления в месте короткого замыкания может быть оценено более точно.
Следует понимать, что этот принцип может быть также применен к другим способам оценки короткого замыкания на землю. Например, измеряемые значения могут быть значениями тока. Если измеряемые значения тока больше, чем предварительно определенное значение, обнаруживается короткое замыкание на землю.
Способ может начинаться с установки текущего опорного значения в значение, соответствующее текущему состоянию машины на этапе 100, например, значение, соответствующее тому, когда машина находится в неподвижном состоянии. Когда машина включается, машина ускоряется; следовательно, состояние машины изменяется на ускорение. Это изменение может быть обнаружено посредством сигнала, внутреннего по отношению к обнаружению короткого замыкания на землю, на этапе 102. Это обусловлено тем, что обнаружение короткого замыкания на землю подразумевает постоянное его применение к машине, означая, что защита от короткого замыкания на землю на основе обнаружения работает, когда машина находится в неподвижном состоянии и когда она находится в эксплуатации, например. Следовательно, внутренний сигнал измеряется всегда. Этот внутренний сигнал дополнительно анализируется на этапе 110, чтобы определять, изменилось ли состояние машины на этапе 120, на основе свойства, такого как среднеквадратичная амплитуда, доминирующая частота или доминирующая амплитуда проанализированного сигнала. Когда изменение обнаруживается, опорное значение, соответствующее этому состоянию машины, выбирается в качестве текущего опорного значения на этапе 100, например, опорное значение, соответствующее ускорению машины. Вновь выбранное текущее опорное значение далее сообщается устройству обнаружения короткого замыкания на землю. После этого короткое замыкание на землю обнаруживается на основе измеряемых значений и этого опорного значения.
Более того, возможно, что изменение состояния машины обнаруживается на основе сигнала, внешнего по отношению к обнаружению короткого замыкания на землю, этап 101. Например, состояние прерывателя может быть представлено цифровым сигналом, таким как "включен" или "выключен". В этом случае прерыватель размещается между электрической машиной и повышающим трансформатором и служит для соединения или разъединения машины с повышающим трансформатором. Состояние прерывателя, таким образом, также отражает состояние машины. Когда прерыватель разомкнут, измерением является полное сопротивление машины относительно земли, в то время как, когда прерыватель замкнут, на измерение может влиять низковольтная обмотка повышающего трансформатора. Повышающий трансформатор может иметь значительную емкость на землю, таким образом, приводя в результате к необходимости изменения опорного значения, используемого в обнаружении короткого замыкания на землю. Такое изменение обнаруживается на этапе 120.
Возможно, внешний сигнал может быть также аналоговым сигналом. В таком случае измеренный сигнал необходимо сначала обработать и проанализировать, этап 110, на основе свойства, такого как RMS-амплитуда, доминирующая частота или доминирующая амплитуда проанализированного сигнала. Затем проанализированный результат используется, чтобы определять, изменилось ли состояние машины на другое состояние машины, этап 120.
Фиг. 2 иллюстрирует схематичный чертеж части электроэнергетической системы, включающей в себя устройство 2 обнаружения короткого замыкания на землю. Чертеж также показывает некоторые из возможных источников, из которых сигналы для обнаружения изменения состояния машины могут быть получены. Такие источники указываются стрелками 11, 11', 11'', сопровождаемыми символами "S".
В этом примере устройство 2 размещено для обнаружения короткого замыкания на землю в обмотках статора трехфазного генератора 10.
Хотя на фиг. 2 приведен в пример генератор, следует понимать, что изобретение также применимо к другим типам электрических машин, например электродвигателю.
Генератор 10 содержит обмотки статора, имеющие нейтральную точку 14 и клеммы 13, соединенные с первичными обмотками трансформатора 16 блока через прерыватели 15, 15' и 15''. Первичные обмотки 18 трансформатора 16 блока соединены треугольником с клеммами генератора для изоляции генератора от внешних коротких замыканий сети. Между прерывателями 15, 15', 15'' и трансформатором 16 блока могут быть подключены дополнительные нагрузки 14.
Нейтральная точка 14 соединена с распределительным трансформатором 40 через первичную обмотку 48 распределительного трансформатора 40. Распределительный трансформатор 40 выполнен с возможностью обеспечения измерения для устройства 2.
Генератор дополнительно заземлен полным сопротивлением в нейтральной точке 14 через нейтральный резистор 42, расположенный между двумя концами вторичной обмотки 49 распределительного трансформатора. Устройство соединено с нейтральным резистором 42 через точки 8 и 9 соединения, чтобы получать различные измерения, используемые устройством 2. Нейтральный резистор 42 выполнен с возможностью ограничивать ток короткого замыкания на землю до значения, которое ограничивает повреждения статора генератора в случае, когда в статоре возникает короткое замыкание на землю. Это ограничение типично находится в диапазоне 3-25 А. Однако нейтральный резистор 42 может быть размещен также в других местоположениях. Одним примером является пример, указанный пунктирной линией 42'.
Фиг. 2a дополнительно иллюстрирует схематичный чертеж устройства 2 обнаружения короткого замыкания на землю согласно одному варианту осуществления изобретения. В этом примере обнаружение короткого замыкания на землю основано на подаче сигнала. Устройство 2 содержит блок 20 подачи сигнала, блок 50 обнаружения короткого замыкания и цепь измерения. Блок 20 сигнала выполнен с возможностью формирования тестового сигнала в форме тока или напряжения. Сформированный тестовый сигнал подается через соединения 26 и 25 к вторичным обмоткам 49 трансформатора 40 через точки 8 и 9 соединения. Кроме того, тестовый сигнал подается с частотой, отличающейся от частоты системы. С помощью цепи измерения разница напряжения между 22 и 23 может быть измерена. Кроме того, с размещением токового шунта между выводом блока 20 и 9 подачи в качестве резистора 6 измерение тока может быть получено посредством измерения падения напряжения через токовый шунт 6 или разности напряжения между точками 24 и 23 соединения. С помощью измеряемых значений тока и напряжения значение полного сопротивления может быть оценено, и, следовательно, короткое замыкание на землю может быть обнаружено на основе уравнения (1).
С этой конфигурацией на различия напряжения между соединениями 22 и 23, 24 будет влиять не только поданный сигнал от блока 20, но также другие напряжения, присутствующие в нейтральной точке 14. В обычном рабочем состоянии напряжение основной частоты в нейтральной точке является очень небольшим, а напряжение третьей гармоники может достигать нескольких процентов от номинального напряжения на клеммах. Это напряжение, таким образом, будет включено в сигналы измерения напряжения и тока. Анализ короткого замыкания на землю должен игнорировать эту гармонику, и другие возможные гармоники, фокусируясь на амплитуде поданной частотной составляющей.
Кроме того, дополнительные сигналы, кроме поданного, не присутствуют в неподвижном состоянии. Таким образом, поскольку третья гармоника обычно гораздо больше, чем поданный сигнал, она будет значительно влиять на полную амплитуду измеренного сигнала, и это может быть определено количественно посредством RMS-значения сигнала, как иллюстрировано на фиг. 3a. В этом примере машина возбуждается в момент времени около 10:00:30. Фиг. 3b показывает соответствующую диаграмму величины оцененного полного сопротивления относительно земли в момент времени, когда машина возбуждается. Она показывает, что уровень величины оцененного полного сопротивления относительно земли значительно изменился в этот момент времени.
Фиг. 2a показывает обнаружение короткого замыкания на землю на основе подачи сигнала, и цепь измерения содержит измерение тока и напряжения. Однако, само изобретение может быть применено к другим схемам обнаружения короткого замыкания на землю и с различными конфигурациями измерения.
Со ссылкой на фиг. 2 сигнал, который используется для обнаружения изменения состояния машины, может быть получен также из других источников. Например, может быть принято состояние прерывателей 15, 15' и 15''. Следует понимать, что другие возможные источники также могут быть применимы. В этом примере изобретенный способ объединен в функцию обнаружения короткого замыкания на землю. Однако он может быть реализован как отдельная функция. Кроме того, как изобретенный способ, так и функция обнаружения короткого замыкания на землю могут быть объединены в защитное устройство, такое как интеллектуальное электронное устройство (IED), для защиты, управления и наблюдения за электрической машиной, к которой оно подключено.
Могут быть определены различные опорные значения, когда такое защитное устройство вводится в эксплуатацию в электроэнергетической системе.
Например, относительно аналоговых сигналов и формулы (1) опорные значения могут быть выполнены, например, как процесс настройки параметров. Первое опорное значение  может быть определено, когда машина, которая должна быть защищена, находится в неподвижном состоянии, на основе оцененных значений полного сопротивления относительно земли. Затем второе опорное значение  может быть определено, когда машина находится в эксплуатации, на основе измеренного полного сопротивления относительно земли.
Кроме того, максимальный допустимый уровень тревоги может быть оценен посредством отклонений от активных опорных значений, наблюдаемых в цикле "неподвижное состояние - эксплуатация - неподвижное состояние". Оценивая и записывая полное сопротивление относительно земли во время различных состояний машины, переходные сопротивления в месте короткого замыкания могут быть оценены на основе первого и второго опорных значений,  и . Уровень тревоги может быть отрегулирован соответствующим образом.
Следовательно, для каждого конкретного состояния машины может быть решено, нужно ли опорное значение для этого состояния машины. Если да, опорное значение определяется соответствующим образом.
Относительно цифровых сигналов и формулы (1) опорные значения, соответствующие "включению" и "выключению" прерывателя, могут быть определены соответственно следующим образом. Когда машина вращается и полностью намагничена, и прерыватель разомкнут, означая, что должен быть принят сигнал "выключения", оценивается полное сопротивление, и определяется опорное значение . Затем полное сопротивление оценивается, когда прерыватель замыкается, означая, что будет принят сигнал "включения". Кроме того, определяется необходимость изменения опорного значения и определяется опорное значение , соответствующее "включенному" состоянию прерывателя.