СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ ГЕНЕРАТОРА НА ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЕ
METHOD AND DEVICE FOR IMPROVEMENT OF DETECTION RELIABILITY OF GENERATOR GROUND FAULT AT ROTATING ELECTRICAL MACHINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области обнаружения короткого замыкания на землю во вращающейся электрической машине, причем машина включает в себя обмотку. Обнаружение короткого замыкания на землю основано на подаче тестового сигнала на обмотку машины. В частности, изобретение относится к повышению надежности такого способа как при особых, так и общих обстоятельствах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Короткое замыкание на землю во вращающейся электрической машине, соединенной с электрической сетью, может представлять собой значительную опасность при длительной работе машины. Тогда как одиночное короткое замыкание на землю вблизи с нейтральной точкой может и не привести к какой-либо немедленной опасности для машины, возникновение следующего короткого замыкания на землю создаст большие протекающие токи, которые могут привести к серьезному повреждению. Для ограничения тока на землю при одиночном коротком замыкании на землю вблизи выводов, машина часто заземляется через импедансное средство для ограничения механических и тепловых напряжений, таким образом, уменьшая результирующее повреждение машины. Такая система заземления часто используется, чтобы обеспечить средство для обнаружения короткого замыкания на землю внутри машины.
Один из существующих способов предоставления защиты от короткого замыкания на землю основан на подаче сигнала, причем тестовый сигнал подается на частоте, отличной от основной частоты системы, на которой работает вращающаяся электрическая машина. Измеряя изменение измеряемых электрических параметров, например, тока и/или напряжения, являющихся результатом поданного сигнала, может быть оценен импеданс относительно земли, и на основании этого оцененного импеданса может быть обнаружено короткое замыкание на землю. Однако машиной производятся гармоники, которые, во время ускорения и замедления, могут совпасть с частотой поданного сигнала. Совпадение приводит к ненадежному измерению и, таким образом, к ненадежной оценке импеданса. Следовательно, может реализоваться ложное защитное действие во время старта и/или останова машины.
Патент США 5508620 описывает способ обнаружения короткого замыкания на землю проводника электрической машины, когда измеренный сигнал оценивается численно. Это означает, что сопротивление короткого замыкания рассчитывается непосредственно в блоке оценки, используя поданное напряжение и измеренный ток. Однако этот принцип измерения надежен только тогда, когда поданное напряжение представляет собой единственный источник поданной частоты. Поэтому система должна непрерывно тестироваться, чтобы определить, искажен ли поданный сигнал оценкой также во время периодических пауз в подаче сигнала.
Альтернативное решение описано в CN 101414744, где искажение поданного сигнала из-за вмешивающихся сигналов во время ускорения и замедления генератора исключаются посредством подачи тестовых сигналов на двух различных частотах. Во-первых, детектируется рабочая частота генератора; когда рабочая частота генератора больше 10 Гц и меньше 40 Гц, частота вводимой мощности выбирается как 100 Гц; когда рабочая частота генератора не больше 100 Гц, или не меньше 40 Гц, частота вводимой мощности выбирается как 20 Гц. Посредством использования подачи двойной частоты, способ дает возможность устранить влияние сигнала, создаваемого генератором во время ускорения и замедления. Однако это решение слишком сложно и требует специальных аппаратных средств и специальных подключений. Кроме того, система должна быть приспособлена для работы на обеих частотах.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в предоставлении усовершенствованного способа для обнаружения короткого замыкания на землю во вращающейся электрической машине как при особых так и при общих обстоятельствах.
Эта задача решается способом, по п.1 формулы. Способ содержит подачу тестового сигнала на заданной частоте на обмотку, измерение электрического параметра сигнала отклика в обмотке, являющегося результатом поданного тестового сигнала, непрерывное определение частоты сигнала отклика, сброс данного измеренного значения, соответствующего определенной частоте, когда определенная частота отклоняется от заданной частоты при первом пороговом значении, и обнаружение короткого замыкания на землю на основании измеренного значения электрического параметра.
Посредством обнаружения отклонения определенной частоты сигнала отклика от частоты поданного сигнала, изобретение позволяет обнаруживать то, когда частота гармоник, созданных машиной, становится близка к поданному сигналу. Вследствие этого факта, изобретение позволяет идентифицировать взаимное влияние гармоник, созданных машиной во время ускорения и замедления. Кроме того, измеренное значение, соответствующее определенной частоте сигнала отклика, будет блокировано, и не будет использоваться для обнаружения короткого замыкания на землю. Таким образом, изобретение позволяет предоставить защиту от короткого замыкания на землю при некоторых особых и общих обстоятельствах, например во время старта или останова машины, без проведения ложной защитной операции. Поэтому изобретение повышает надежность способа обнаружения короткого замыкания на землю на основе такой подачи сигнала.
Обычно, первый порог должен быть как можно меньше, и минимальный размер ограничивается точностью, с которой может быть определена частота. Более точные оценки частоты обычно занимают большое время, что, при ускорении или замедлении, означает, что оптимально точная оценка частоты, будет задаваться уровнем ускорения или замедления.
Предпочтительно, первое пороговое значение находится в диапазоне 5-100 мГц. Преимущественно то, что отклонение между определенной частотой сигнала отклика и заданной частотой обнаруживается даже для малых отклонений, поскольку это минимизирует возможную ошибку.
В различных вариантах реализации изобретения, измеренный электрический параметр может быть или током, или напряжением. Это означает, что обнаружение короткого замыкания на землю может быть основано на измеренных значениях тока или напряжения. Альтернативно, способ может дополнительно содержать оценку значений другого электрического параметра, на основании измеренных значений первого электрического параметра, например, значение импеданса может быть оценено на основании измеренных значений тока или напряжения и, поэтому, короткое замыкание на землю может быть обнаружено на основании оцененного значения импеданса.
Задача изобретения также решается устройством, как это определено в п.6 формулы. Такое устройство содержит блок подачи сигнала, сконфигурированный для подачи тестового сигнала на заданной частоте на обмотку машины, средство измерения, сконфигурированное для измерения электрического параметра сигнала отклика в обмотке, являющегося результатом поданного тестового сигнала, и блок обнаружения короткого замыкания, сконфигурированный для обнаружения короткого замыкания на землю на основании измеренного значения электрического параметра. Кроме того, блок обнаружения короткого замыкания сконфигурирован для непрерывного определения частоты сигнала отклика, и сброса данного измеренного значения, соответствующего определенной частоте, когда определенная частота отклоняется от заданной частоты при первом пороговом значении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже, изобретение рассматривается более конкретно посредством описания различных вариантов реализации изобретения и в связи с приложенными чертежами.
Фиг. 1 изображает блок-схему последовательности операций заявленного способа для повышения надежности обнаружения короткого замыкания на землю вращающейся электрической машины посредством подачи сигнала в соответствии с одним вариантом реализации изобретения.
Фиг. 2 изображает схему устройства для предоставления защиты от замыкания на землю для генератора, имеющего статор с обмотками, причем тестовый сигнал может быть подан в различных точках.
Фиг. 3a-c изображают схемы устройства на Фиг. 2, в соответствии с тремя вариантами реализации изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Относительно Фиг. 2, устройство 2 сконфигурировано для обнаружения короткого замыкания на землю обмоток статора трехфазного генератора 10.
Хотя на Фиг. 2 в качестве примера показан генератор, следует понимать, что изобретение также применимо к другим типам вращающихся электрических машин, например, к электродвигателю.
Генератор 10 содержит обмотки 12 статора, имеющие нейтральную точку 14 и выводы 13, соединенные с первичными обмотками блока трансформатора 16.
В этом примере, первичные обмотки 18 блока трансформатора 16 соединены треугольником с выводами генератора для изоляции генератора от внешних неисправностей сети. Нейтральная точка 14 соединена с распределительным трансформатором 40 через первичную обмотку 48 распределительного трансформатора 40. Распределительный трансформатор 40 выполнен с возможностью предоставления измерения для устройства 2. Генератор представляет собой дополнительный импеданс, заземленный в нейтральной точке 14 через нейтральный резистор 42, помещенный между двумя концами вторичной обмотки 49 распределительного трансформатора. Устройство соединено с нейтральным резистором 42 через точки 8 и 9 подключения для получения различных измерений.
Нейтральный резистор 42 выполнен с возможностью ограничения тока короткого замыкания на землю до значения, которое ограничивает повреждения статора генератора в случае, если короткое замыкание на землю случается в статоре. Этот предел обычно находится в диапазоне 3-25A.
Вместо того, чтобы помещать нейтральный резистор 42 между двумя концами вторичной обмотки 49 трансформатора, второе возможное местоположение, показанное на Фиг. 2, обозначено пунктирными линиями как 42'. В этом случае, трансформатор, соединенный с резистором 42' является распределительным трансформатором, обозначенным как 30 на Фиг. 2, где его вторичные обмотки соединены разомкнутым треугольником. Это местоположение устанавливает другую точку подачи сигнала. В этом случае, нейтральный резистор 42' должен быть соединен с двумя концами вторичных обмоток 32 распределительного трансформатора 30, который соединен с выводами 13 обмоток статора через его первичную обмотку 31. Однако дополнительно возможно поместить нейтральный резистор в другие местоположения, например, так, как обозначено 42". В этом случае, трансформатор 30 должен быть трансформатором напряжения для измерения напряжения нулевой последовательности.
Относительно Фиг. 3a-c, устройство 2 содержит блок 20 подачи сигнала, блок 50 измерения и обнаружения короткого замыкания. Блок 20 сигнала выполнен с возможностью генерирования тестового сигнала в виде тока или напряжения. Сгенерированный тестовый сигнал подается на вторичные обмотки 49 трансформатора 40 через точки 8 и 9 подключения, на этапе 100 в связи с Фиг. 1. Кроме того, тестовый сигнал подается с частотой, отличной от частоты системы.
В любом из вышеупомянутых случаев, трансформатор 40, 30 сконфигурирован для измерения электрического параметра сигнала отклика, на этапе 110. Отклик поданного сигнала измеряется на вторичных обмотках трансформатора 40, 30 через точки 8 и 9 подключения. Измерение дополнительно связано с блоком 50 измерения и обнаружения короткого замыкания. Измеренный электрический параметр может быть одним из тока или напряжения, или обоими.
Блок 50 измерения и обнаружения короткого замыкания сконфигурирован для определения частоты сигнала отклика, этап 120. Когда определенная частота отклоняется от первого заданного порогового значения, этап 135, данное измеренное значение будет сброшено, этап 140. Поэтому, взаимное влияние, образованное гармониками, создаваемыми генератором, исключается при обнаружении короткого замыкания на землю. Первое заданное пороговое значение находится в диапазоне 5-100 мГц так, чтобы обнаружение было блокировано даже для очень малых отклонений.
Во время ускорения или замедления генератора, всегда имеется определенная вероятность того, что измерение будет выполнено в момент, когда помеховый сигнал находится в пределах порога. В таком случае, помеха не обнаруживается и имеется риск ложной защитной операции. Однако большие электрические машины имеют некоторое время для старта и останова, что позволяет обнаруживать отклонение частоты прежде, чем помеховый сигнал попадет в пороговую область. Таким образом, чтобы избежать ложного действия, функция защиты от короткого замыкания на землю должна быть блокирована на короткий период времени после того, как мешающий сигнал был обнаружен. Этот период времени может быть определен отношением частотного окна, определенного порогом, и номинальной частоты, умноженной на наибольшее время старта или останова так, чтобы частота генератора была несколько вне порогового окна после этого периода времени.
В другом крайнем случае, генератор может запускаться или остановиться настолько быстро, что это займет очень короткое время, по сравнению с интервалом измерения, в области, где обнаруживается взаимное влияние частот. Может случится, что измерение будет выполнено, когда отклонение частоты находится в пределах порога. Это даст ложное обнаружение и отсутствие указания на взаимное влияние и, таким образом, вероятность ложного действия. Поэтому, чтобы избежать ложного действия, требуется, чтобы, по меньшей мере, два последовательных измерения указывали на короткое замыкание. Поскольку требуется, чтобы сделать этот сценарий возможным, чтобы генератор изменял скорость очень быстро, не будет никакого взаимного влияния при следующем измерении.
Как показано на Фиг. 1, отклонение частоты регистрируется всегда, что является дополнительным преимуществом, поскольку предотвращаются ложные защитные действия, вызванные другими нарушениями. Такое нарушение может исходить из системы электроснабжения и вызывать отклонение частоты и, таким образом, привести к риску инициализации ложного защитного действия.
Блок измерения и обнаружения короткого замыкания дополнительно сконфигурирован для определения короткого замыкания на землю на основании измеренного значения электрического параметра, этап 150.
На Фиг. 3a, 3b и 3c показаны схемы трех вариантов реализации 2a, 2b и 2c устройства по изобретению. Во всех вариантах реализации, блок 20 подачи сигнала сконфигурирован для подачи тестового сигнала через соединения 26 и 25. Однако измерение результирующего сигнала отклика может быть получено различным образом.
Следует понимать, что на Фиг. 3a-c показаны три возможных примера, известны дополнительные варианты. Например, возможно иметь различные точки подачи подключения измерения.
На Фиг. 3a показано, что напряжение результирующего сигнала отклика измеряется между соединениями 22 и 23. Это означает, что обнаружение короткого замыкания на землю основано на измеренных значениях разности напряжения между 22 и 23. При возникновении короткого замыкания на землю, напряжение уменьшается. Однако в случае, если частота измеряемого напряжения отклоняется от заданной частоты с первым порогом, измеряемые значения напряжения не будут использоваться для обнаружения короткого замыкания на землю.
Обнаружение короткого замыкания на землю может быть основанным на измерении тока, как показано на Фиг. 3b, причем токовый шунт устанавливается между выходом блока 20 и 9 подачи как резистор 6. Поэтому, измеряя падение напряжения на токовом шунте 6, или разность напряжений между соединительными точками 24 и 23, может быть получено измерение тока. При возникновении короткого замыкания на землю, ток увеличивается.
fault
Фиг. 3c представляет собой комбинацию Фиг. 3a и 3b. Это означает, что обнаружение короткого замыкания на землю может быть основанным на расчетных значениях, получаемых из измеренных значений тока и напряжения. Например, значения импеданса могут быть вычислены на основании измеренных значений тока и напряжения. Например, импеданс Z короткого замыкания может быть оценен следующим образом,
fault
m
ref
1/Z=1/Z-1/Z,
m
ref
причем Z - рассчитанное значение импеданса на основании измеренного тока и напряжения, и Z - опорное значение. Сравнивая оцененный импеданс короткого замыкания со вторым заданным пороговым значением, может быть определено короткое замыкание на землю. В целом, когда генератор находится в рабочем состоянии, этот импеданс короткого замыкания оказывается большим, тогда как во время короткого замыкания на землю, импеданс короткого замыкания уменьшается почти до нуля.