СПОСОБ ЗАЩИТЫ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ОТ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ ОБМОТКИ РОТОРА
METHOD OF SYNCHRONOUS MACHINE PROTECTION FROM TURN-TO-TURN SHORT-CIRCUIT OF ROTOR WINDING

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам, и предназначено для защиты синхронных электрических машин от витковых замыканий обмотки ротора.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ защиты синхронной электрической машины от витковых замыканий обмотки ротора [KZ 5381 А4, МПК Н01Н 7/06, опубл. 1997], заключающийся в измерении индукции магнитного поля в торцевой зоне, по которой судят о возникновении виткового замыкания для формирования отключающего сигнала.
Этот способ обладает недостаточной чувствительностью из-за того, что в нем определяют несимметрию обмотки ротора и статора. Однако несимметрия обмотки ротора возникает при витковом замыкании, а несимметрия обмотки статора - при колебаниях в электрической сети, что вызывает ложное срабатывание.
Известен способ защиты синхронной электрической машины от витковых замыканий обмотки ротора [KZ 21247 А4, МПК Н02Н 7/08 (2006.01), Н02K 11/00 (2006.01), опубл. 15.05.2009], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в измерении индукции магнитного поля в торцевой зоне в двух точках, которые смещены вдоль воздушного зазора на расстояние, кратное полюсному делению торцевой зоны. Результаты измерения сравнивают между собой, и если их разность превысит установленную величину, то формируют сигнал на гашение магнитного поля ротора и отключение машины от сети.
Недостатком известного способа является ложное срабатывание при внешних переходных процессах.
Задачей изобретения является предотвращение отключений синхронной электрической машины при внешних переходных процессах.
Поставленная задача решена за счет того, что способ защиты синхронной электрической машины от витковых замыканий обмотки ротора, так же как в прототипе, заключается в измерении индукции магнитного поля в двух точках торцевой зоны, которые смещены вдоль воздушного зазора на расстояние, кратное полюсному делению, результаты измерения сравнивают между собой, определяют их разность А и формируют сигнал на гашение магнитного поля ротора и отключение синхронной электрической машины от сети.
Согласно изобретению предварительно задают время сравнения, а формирование сигнала на гашение магнитного поля ротора и отключение синхронной машины от сети производят при выполнении неравенства в течение времени сравнения
А>B,
ОТС
1
где В=k·А,
ОТС
где k - коэффициент отстройки,
1
А - постоянная составляющая, измеренная в нормальном режиме работы синхронной электрической машины.
За счет учета апериодической слагающей тока короткого замыкания в течение времени сравнения выполняется неравенство А>B при внешних переходных процессах.
Такой способ позволяет предотвратить ложное срабатывание защиты синхронной электрической машины при внешних переходных процессах за счет учета апериодической слагающей тока короткого замыкания и производить ее отключение только при возникновении витковых замыканий в роторе.
На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего способ защиты синхронной электрической машины от витковых замыканий обмотки ротора.
ОТС
1,
На фиг. 2 приведены осциллограммы ЭДС в аварийном режиме работы синхронной машины при витковом замыкании в обмотке ротора, где а) - полученные от первого датчика индукции магнитного поля, б) - от второго датчика индукции магнитного поля, в) - от блока сравнения; кривая 1 - с обмотки статора, кривая 2 - с обмотки ротора, кривая 3 - полученная от блока выделения постоянной составляющей А в безаварийном режиме работы синхронной электрической машины, кривая 4 - установленная величина В, определяемая из выражения В=k·А
ОТС
1,
На фиг. 3 представлены осциллограммы ЭДС в безаварийном режиме: где а) - полученные от первого датчика индукции магнитного поля, б) - от второго датчика индукции магнитного поля; где кривая 1 - с обмотки статора, кривая 2 - с обмотки ротора; в) - кривая 3, полученная от блока выделения постоянной составляющей А в безаварийном режиме работы синхронной электрической машины, кривая 4 - установленная величина В, определяемая из выражения В=k·Акривая 5 - полученная от блока выделения постоянной составляющей А в переходном режиме работы синхронной электрической машины.
Заявленный способ может быть осуществлен с помощью устройства (фиг. 1), содержащего первый датчик индукции магнитного поля 1 (ДИМП1), установленный в торцевой зоне синхронной электрической машины, и второй датчик индукции магнитного поля 2 (ДИМП2), установленный на расстоянии полюсного деления от первого датчика индукции магнитного поля 1 (ДИМП1) в торцевой зоне синхронной электрической машины. К выходам датчиков индукции магнитного поля 1 (ДИМП1) и 2 (ДИМП2) последовательно подключены блок сравнения 3 (БС), блок выделения постоянной составляющей А 4 (БВПС) и блок формирования отключающего сигнала 5 (БФОС), который связан с выключателем, подключающим машину к сети (не показано на фиг. 1).
В качестве датчиков индукции магнитного поля 1 (ДИМП1) и 2 (ДИМП2) могут быть использованы индукционные датчики магнитного поля 1GT101DC производителя HONEYWELL. Блок сравнения 3 (БС), блок выделения постоянной составляющей 4 (БВПС) и блок формирования отключающего сигнала 5 (БФОС) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя amtel AT89S53.
<mrow><mn>2</mn><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mn>3000</mn></mrow>
1
Для проверки работоспособности предложенного способа защиты синхронной электрической машины от виткового замыкания обмотки ротора в нормальном состоянии первый датчик индукции магнитного поля 1 (ДИМП1) установили в торцевой зоне синхронной электрической машины ГАБ-4Т/230, с полюсным делением τ=1…р, где
,
об/мин. Второй датчик индукции магнитного поля 2 (ДИМП2) установили на расстоянии полюсного деления nτ, где n - число полюсного деления (n=2, τ=3) от первого датчика индукции магнитного поля 1 (ДИМП1) в торцевой зоне синхронной электрической машины. В блоке 4 (БВПС) задали времясравнения t=0,04 с, в течение которого выполнялось неравенство:
А>B,
ОТС
1
где В - установленная величина, В=k·А,
ОТС
ОТС
k - коэффициент отстройки, k=1,3÷1,5,
1
1
А - постоянная составляющая, измеренная в нормальном режиме, А=1,3.
Датчиками индукции магнитного поля 1 (ДИМП1) и 2 (ДИМП2) измерили индукцию магнитного поля.
1
Если произошло витковое замыкание обмотки ротора электрической синхронной машины, то его магнитодвижущая сила уменьшается. В датчиках индукции магнитного поля 1 (ДИМП1) и 2 (ДИМП2) от токов в обмотках статора индуцируются электродвижущие силы, равные по величине, но обратные по знаку (фиг. 2, а), б) - кривая 1). В тоже время обмотка ротора из-за разности магнитодвижущих сил полюсов индуцирует электродвижущие силы в датчиках индукции магнитного поля 1 (ДИМП1) и 2 (ДИМП2) с разными по величине полуволнами (фиг. 2, а), б) - кривая 2). В блоке сравнения 3 (БС) сравнивают между собой результаты измерения первого 1 (ДИМП1) и второго 2 (ДИМП2) датчиков индукции магнитного поля. В блоке выделения постоянной составляющей 4 (БВПС) из разности сравнения индукций магнитного поля в двух точках торцевой зоны выделяют постоянную составляющую А (фиг. 2, в) - кривая 3), и она в нашем примере на промежутке времени сравнения t=0,04 с оказалась больше величины В (на фиг. 2, в) - кривая 4), то есть выполнено неравенство А>B, и блок формирования отключающего сигнала 5 (БФОС) сформировал сигнал на гашение магнитного поля ротора и отключение машины от сети.
1
В произвольном эксплуатационном режиме работы синхронной электрической машины в обмотках статора и ротора индуцируются электродвижущие силы, равные по величине, но обратные по знаку (фиг. 3, а) и б) - кривые 1, 2). Это обусловлено тем, что магнитодвижущие силы полюсов, как обмоток статора, так и обмоток ротора, равны между собой и отключающий сигнал не формируется (на фиг. 3, в) - кривая 3 ниже кривой 4), и заданное неравенство не выполняется, так как в течение времени сравнения tоказалосьB>А.
1
При переходном режиме синхронной электрической машины в блоке выделения постоянной составляющей 4 (БВПС) формируется постоянная составляющая А, которая со временем затухает (фиг. 3, в) - кривая 5), и ее время затухания меньше времени сравнения t(фиг. 3, в) - кривая 4), и сигнал на отключение синхронной электрической машины не подается. Таким образом, не происходит ложное срабатывание защиты при внешних переходных процессах.