Способ комбинированной защиты машин переменного тока от витковых замыканий в обмотке статора
METHOD FOR COMBINED PROTECTION OF ALTERNATING CURRENT MACHINES AGAINST INTER-WINDING FAULTS IN STATOR WINDING

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для релейной защиты машин переменного тока от витковых замыканий (ВЗ) в обмотке статора. Заявляемое изобретение полезно для повышения надежности работы и чувствительности защиты от ВЗ.
Известен способ защиты от ВЗ в обмотке статора [Патент №1129701 кл. H02K 11/00], при котором асинхронный электродвигатель с блоком защиты, содержащей измерительный элемент в виде дополнительной обмотки, расположенной на статоре в тех же пазах, что и основная обмотка, причем дополнительная обмотка выполнена из N концентрических обмоток, содержащих W витков с изменяющимся шагом пазовых делений. В устройстве реализован способ защиты, основанный на измерении физической величины, сравнении ее с эталоном и при превышении физической величины эталонного значения формируется защитный сигнал. В качестве физической величины используется электродвижущая сила (ЭДС) дополнительной обмотки.
Однако указанный способ имеет недостаток, заключающийся в сложности его практической реализации. У современных машин переменного тока коэффициент заполнения паза имеет достаточно больше значение и использование дополнительной обмотки в пазах статора приводит к усложнению технологии укладки обмотки, что, в результате, увеличивает затраты на изготовление машины.
Известен способ защиты от ВЗ в обмотке статора [Авторское свидетельство СССР №1046826 кл. Н02Н 7/08, H02K 11/00], при котором электрическая трехфазная машина имеет блок защиты от витковых замыканий обмотки статора с реагирующим органом, функционально связанным с кольцом, которое закреплено внутри электрической машины так, что его плоскость перпендикулярна оси вращения ротора, а геометрический центр находился на этой оси, при этом кольцо выполнено короткозамкнутым и охвачено ферромагнитным сердечником, на котором размещена обмотка, подключенная к регистрирующему органу. Блок защиты формирует сигнал при появлении несимметрии в магнитном поле лобового рассеяния трехфазной обмотки. Такая несимметрия поля появляется при возникновении витковых коротких замыканий.
Однако указанный способ имеет несколько недостатков: размещение кольца, охваченного ферромагнитным сердечником, внутри машины приводит к необходимости разборки и сборки машины и представляет сложную технологическую операцию; наводимое в кольце электромагнитное поле не дает точного представления о характере повреждения и появлении виткового замыкания в обмотке, что приводит к необходимости усложнения схемы блока защиты; возможны ложные срабатывания защиты при несимметричной нагрузке генератора; из-за сложности блока защиты не удается обеспечить его высокую надежность в работе и влечет за собой высокую стоимость.
Кроме того, известен способ защиты генератора от ВЗ в обмотке статора [Авторское свидетельство СССР №445961 кл. Н02Н 3 28], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, которое заключается в том, что для защиты от ВЗ обмоток статора, имеющих параллельные ветви, применяется односистемная поперечная дифференциальная защита, осуществляющая сравнение суммы токов трех фаз двух групп параллельных ветвей и реагирующая на уравнительный ток, протекающий в параллельных ветвях поврежденной фазы обмотки статора.
Однако указанный способ имеет несколько недостатков. Во-первых, защита имеет «мертвую» зону и при малой доле замкнувшихся витков не будет обладать достаточной чувствительностью для срабатывания. Во-вторых, защита не сработает при точке равного потенциала, где в контуре отсутствуют уравнительные токи. В-третьих, по принципу работы защиту невозможно использовать в генераторах, обмотка статора которых не расщеплена, таким образом значительное число генераторов остается без специализированной защиты от витковых замыканий.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение чувствительности защиты от ВЗ в обмотке статора и расширение области применения, которое заключается в возможности использования способа в машинах переменного тока с нерасщепленной обмоткой статора.
y
y
k
k
k
I
II
I
II
y
I
II
I
II
I
II
Поставленная задача достигается тем, что формирование управляющего воздействия на отключение машины грубым органом защиты (ПДЗ) производят при возрастании уравнительного тока I, протекающего по параллельным ветвям поврежденной фазы при повреждении с относительно большой долей замкнувшихся витков и конструкцией машины, предусматривающей расщепление статорной обмотки, при этом чувствительным органом защиты формирование управляющего воздействия на отключение машины производят в случае снижения рассчитываемого коэффициента ВЗ относительно уставки срабатывания, причем фактическое значение функции коэффициента ВЗ корректируется через расчет поврежденной модели генератора и расчет коэффициента ВЗ в аварийном режиме, при этом ведется непрерывный контроль соблюдения условия для уравнения равновесия ЭДС и падения напряжения на выводах машины и в случае превышения порога ошибки, формируется сигнал, блокирующий работу защиты, при этом выполняют параллельное моделирование работы машины с расчетом сравниваемых величин, которые в процессе работы принимают за эталонные, адаптивные свойства алгоритма проявляются в автоматической подстройке при фактическом определении коэффициента ВЗ, используя, как физически измеренные параметры машины, так и косвенные, полученные посредством моделирования, в результате на каждой итерации расчета уменьшают уровень ошибки, что контролируют при сравнении функций уравнения равновесия. В известном способе при межвитковых замыканиях возрастает уравнительный ток I, протекающий по параллельным ветвям поврежденной фазы, что является признаком виткового замыкания. В случае межвиткового замыкания с числом замкнутых витков w в одной ветви фазы в закороченных витках под действием ЭДС E возникает большой ток короткого замыкания (КЗ) I, циркулирующий по закороченным виткам. ЭДС и сопротивление поврежденной ветви уменьшаются за счет повредившихся витков, замкнутых накоротко. В результате чего нарушается равенство ЭДС в поврежденной фазе E и E, а также соответствующих токов в этих ветвях. При этом в параллельных ветвях одной фазы появляется ЭДС ΔЕ = E - E, под действием которой в контуре поврежденной фазы возникает уравнительный ток I = ΔЕ / (x + x), где x, x - индуктивные сопротивления ветвей I и II. Тогда как при нормальном режиме и при внешнем коротком замыкании в параллельных ветвях каждой фазы генератора наводятся одинаковые по значению и фазе ЭДС E и E. Сопротивления в параллельных ветвях равны, поэтому соответствующие токи этих ветвей в нормальном режиме и при внешнем КЗ равны по значению и совпадают по фазе. Таким образом при нормальном режиме и при внешнем коротком замыкании геометрическая сумма токов каждой группы параллельных ветвей фаз, соединенных в звезду, равна нулю и в защиту попадает только ток небаланса. При выборе уставки срабатывания защиты ее необходимо отстраивать от возникшего в цепи тока небаланса. В результате чего ток срабатывания защиты принимается на уровне , где  - номинальный ток генератора.
На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Функционирование устройства рассмотрено на примере организации защиты синхронного генератора со схемой соединения обмотки статора «звезда». Устройство содержит следующие элементы.
1. Измерительные трансформаторы тока (ТТ) со стороны фазных выводов защищаемого генератора, посредством которых получают информацию о токах в обмотке статора.
2. Измерительный трансформатор тока, подключенный на сумму токов трех фаз двух групп параллельных ветвей (ТТН) обмотки статора (только при исполнении В), посредством которого получают информацию о токе небаланса в обмотке статора, вызванном несимметрией параллельных ветвей.
3. Измерительный трансформатор напряжения (ТН), посредством которого получают информацию об напряжении U на выводах генератора.
4. Измерительные органы (ИО) напряжения и тока, выполненные, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы ТТ, ТТН и ТН подключены к входам ИО.
5. Датчик положения ротора (ДПР) генератора, посредством которого получают информацию об угле поворота ротора у. Выход ДПР подключен к ИО.
6. Датчик измерения тока (ДИТ) в обмотке ротора генератора, посредством которого получают информацию о токе в возбуждения. Выход ДИТ подключен к ИО.
7. Блок контроля исправности измерительных цепей напряжения (КИН), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы ИО напряжения подключены к входам КИН.
8. Блок определения режима (БОР), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы всех ИО тока подключены к входам БОР.
9. Блок поперечной дифференциальной защиты (ПДЗ) генератора, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выход ИО тока от ТТН подключен к входам ПДЗ.
10. Блок расчета коэффициента витковых замыканий в режиме холостого хода (БРКХ) генератора, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы: ИО напряжения, тока; ДИТ; ДПР; КИВ и БОР подключены к входам БРКХ.
11. Блок расчета коэффициента витковых замыканий в нагрузочном режиме (БРКН) генератора, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы: ИО напряжения, тока; ДИТ; ДПР; БОР подключены к входам БРКН.
12. Блок расчета коэффициента витковых замыканий в аварийном режиме (БРКА), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы: ИО напряжения, тока; ДИТ; ДПР; БОР и БМ подключены к входам БРКА.
13. Блок блокировки (ББ) работы защиты, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы БРКН подключены к входам ББ.
14. Реагирующие органы (PO1, PO2, РО3), выполненные, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы: БРКХ; БРКН; БРКА подключены к входам PO1, PO2, РО3.
15. Блок моделирования (БМ) переходных процессов в генераторе, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы: БРКН; PO2; всех ИО тока и напряжения; ДИТ; ДПР подключены к входам БМ.
16. Блок сравнения (БС) фактического уравнения равновесия с эталонным, выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы ББ, БМ, БРКА подключены к входам БС.
17. Блок формирования управляющего воздействия (БФУВ), выполненный, например, на микропроцессорной элементной базе. Выходы РО, БОР, ББ, БС подключены к входам БФУВ.
Способ осуществляется следующим образом.
С помощью ИО принимают сигналы с вторичных обмоток ТТ и ТН и преобразуют аналоговые величины в удобную для дальнейшей обработки форму.
a
b
c
С помощью КИН получают информацию о текущих значениях напряжений u(t), u(t), u(t) - на вторичных обмотках ТН и осуществляют контроль исправности измерительных цепей напряжения. Если фиксируют неисправность вторичных цепей ТН, то на выходе КИН формируют логический сигнал «1», иначе - логический сигнал «0». Контроль исправности измерительных цепей напряжения осуществляют, например, с помощью методик, описанных в [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 800 с.: ил.].
В процессе работы синхронной машины, при помощи измерительной системы напряжения и тока, ДИТ на выходе блока БОР формируют логический сигнал «0» если генератор находится под нагрузкой, иначе - логический сигнал «1» (режим холостого хода).
wx
Операцией логического умножения сигналов от БОР и КИН выдают разрешение на работу БРКХ. В режиме холостого хода генератора ВЗ в обмотке статора выявляют через расчет коэффициента ВЗ k в блоке БРКХ. Для расчета на вход БРКХ поступают сигналы с ДИТ, ДПР и ИО напряжения. При этом используют выражения для определения производных пото-косцепления по времени в фазных координатах обмотки статора [Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. - Л., Наука, 1985. - 502 с.].
w
В режиме под нагрузкой ВЗ в обмотке статора генератора выявляют через расчет коэффициента ВЗ k в блоке БРКН. Разрешение на работу БРКН осуществляется входным логическим сигналом «0» от БОР. Для расчета на вход БРКН поступают сигналы с ДИТ, ДПР и ИО напряжения и тока. При этом используют уравнения равновесия электродвижущей силы (ЭДС) и падения напряжения для фазных контуров обмотки статора генератора, выделяя из выражений для индуктивностей соответствующие коэффициенты ВЗ. Соответствующие уравнения равновесия для синхронной машины с демпферными контурами можно найти, например, в [Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. - М.: Энергия, 1970, - 518 с.].
0
уст
усх
A.уст
В ББ происходит сравнение фактического значения функции A(t), с выбранной уставкой А предельного значения ошибки в расчете уравнения равновесия. При невыполнении условия A(t) < А с выдержкой времени t на выходе ББ формируют логический сигнал «0», блокирующий работу БФУВ.
w.уст1
wx
нб
w.уст2
нб
нб
мч
мч
kwx.уст
С помощью PO1 производят сравнение рассчитанного в БРКХ значения коэффициента ВЗ в режиме холостого хода машины со значением уставки. При выполнении условия неравенства k < k + k < k, где k - коэффициент небаланса, принимают равным k = 0.02k, k - коэффициент максимальной чувствительности защиты, зависит от типа генератора и лежит в пределах 0.95-0.98, а также превышении уставки по времени t, на выходе PO1 формируют логический сигнал «1», который поступает на вход БФУВ.
w.уст1
wx
нб
w.уст2
kwx.уст
С помощью PO2 производят сравнение рассчитанного в БРКН значения коэффициента ВЗ под нагрузкой со значением уставки. При выполнении условия неравенства k < k + k < k, а также превышении уставки по времени t, на выходе PO2 формируют логический сигнал «1», который поступает на вход БФУВ и БМ.
w
w
m
В БМ производят параллельное моделирование режима работы машины, полученные значения используются при корректировке фактического значения коэффициента k при обнаружении факта повреждения обмотки статора. Ко входу блока БМ подключен выход блока БРКН, через который передают рассчитанное фактическое значение коэффициента k. В результате после формирования логического сигнала «1» блоком PO1, поступившего на вход БМ, выполняют расчет аварийной модели, учитывая факт повреждения обмотки статора. Полученные при расчете аварийной модели машины функции тока в короткозамкнутом контуре поврежденной фазы обмотки статора и ее производной по времени передают на вход БРКА. Стоит отметить, что функции тока в короткозамкнутом контуре поврежденной фазы обмотки статора и ее производной по времени формируются на выходной сигнал БМ только при получении логического сигнала «1» от PO1. Также рассчитывается функция A(t) для модели генератора, соответствующая аварийному режиму работы машины.
wa
wa
к
В аварийном режиме (факте обнаружения ВЗ) под нагрузкой фактический коэффициент ВЗ k в обмотке статора генератора корректируют через расчет аварийного коэффициента ВЗ k в блоке БРКА. Разрешение на работу БРКА осуществляется входным логическим сигналом «0» от БОР, а также при наличии входного сигнала от БМ о ненулевых начальных условиях для уравнения короткозамкнутого контура одной из фаз обмотки статора. Для расчета на вход БРКА поступают сигналы с ДИТ, ДПР и ИО напряжения и тока, а также с БМ. При этом используют новую систему уравнений равновесия электродвижущей силы (ЭДС) и падения напряжения для фазных контуров обмотки статора генератора, дополненную уравнением для короткозамкнутого контура поврежденной фазной обмотки статора машины, также выделяя из выражений для индуктивностей соответствующие коэффициенты ВЗ. Также рассчитывается новая функция A(t), соответствующая аварийному режиму работы машины.
wa
w.уст1
wa
нб
w.уст2
kwa.ycт
С помощью РО3 производят сравнение рассчитанного в БРКА значения аварийного коэффициента ВЗ k под нагрузкой со значением уставки. При выполнении условия неравенства k < k + k < k, а также превышении уставки по времени t, на выходе РО3 формируют логический сигнал «1», который поступает на вход БФУВ.
к
m
m
к
к+1
к
В БС происходит сравнение входных функций: A(t) - полученной с выхода БРКН после проверки с уставкой ББ; A(t) - полученной с выхода БРКА при известном факте повреждения обмотки; A(t) - полученной с выхода БМ при параллельном моделировании работы машины. При одновременном выполнении условий неравенств A(t) < A(t) < A(t) и A(t) ≤ A(t) на выходе БС формируют логический сигнал «1», который поступает на вход БФУВ.
Поперечная дифференциальная защита представляет собой цифровую ПДЗ генератора, то есть при помощи этого блока входные сигналы обрабатывают тем же образом, что и в прототипе. В случае, если в результате такой обработки сигналов фиксируют аварийный режим, то на выходе ПДЗ формируют сигнал на отключение синхронной машины. Подробнее об алгоритме цифровой ПДЗ представлено в [Циглер Г. Цифровые устройства дифференциальной защиты. Принципы и область применения: Под редакцией чл.-корр. РАН А.Ф. Дьякова-Нюрнберг, 2005 - 273 с.: ил.]
сигн.уст
сигн.уст
При помощи БФУВ производят операцию логического сложения входных сигналов от PO1, PO2 и РО3. При этом в случае формирования логического сигнала «1» от PO1, значение входного логического сигнала от БОР должно быть аналогичным. В случае формирования логического сигнала «1» от PO2 и логического сигнала «0» от БС, в БФУВ формируется команда готовности к отключению и срабатывает выдержка времени t на сигнал о наличии ВЗ в обмотке статора машины, с указанием только поврежденной фазы. Если за время t входной логический сигнал от РО3 принял значение «1» и блоком БС на вход БФУВ выдан аналогичный сигнал, то блоком БФУВ формируют команду «отключение генератора от защиты ВЗ обмотки статора» с указанием численного значения доли замкнувшихся витков в поврежденной фазе обмотки статора.
сигн.уст
wx
По истечению выдержки времени t и наличии входного логическом сигнала «0» от БС блоком БФУВ формируют команду на предупредительную сигнализацию «развозбуждение генератора и выход его в режим холостого хода с проверкой коэффициента ВЗ k». После алгоритм защиты работает через цепочку блоков БРКХ-PO1- БФУВ и при соблюдении условий срабатывания защиты, блоком БФУВ выдают команду на аварийную сигнализацию «срабатывание защиты ВЗ обмотки статора».
Таким образом, в соответствии с предложенным способом, ВЗ с относительно большой долей замкнувшихся витков выявляют с помощью ПДЗ от ВЗ - грубый орган защиты. При малой степени повреждения, недостаточной для срабатывания ПДЗ, или когда конструкцией генератора не предусмотрено расщепление статорной обмотки, защита от ВЗ строится на комбинированном принципе - чувствительный орган защиты, основанном, как на измерении физических величин, так и на косвенных признаках выявления ВЗ в обмотке статора машины. Совместное применение двух указанных принципов позволяет использовать преимущества каждого из них и одновременно с этим устранить их недостатки. Применение ПДЗ малоэффективно при небольшом количестве замкнувшихся витков, поскольку уставка защиты должна быть отстроена от токов небаланса, что вызывает снижение чувствительности к ВЗ. Поэтому на ранней стадии повреждения обмотки статора применяется комбинированная защита от ВЗ, что позволяет защите эффективно выявить развивающиеся ВЗ и при этом сохранить высокую надежность функционирования. В случае, когда конструкцией генератора не предусмотрено расщепление статорной обмотки основным и единственным способом выявления ВЗ является комбинированная защита. Надежность защиты от ВЗ в этом случае несколько снижается, в сравнении с прототипом, поскольку комбинированная защита имеет значительно больше функциональных узлов, но тем не менее генератор при этом обладает специализированной защитой от ВЗ, и повреждение селективно идентифицируется, не дожидаясь развития аварии: в замыкания на корпус машины или в между фазные КЗ.
Таким образом, технический результат - повышение чувствительности к ВЗ и расширение области применения защиты - достигнуты.