接地故障檢測的製作方法
2023-06-29 04:14:31
專利名稱：接地故障檢測的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及接地故障檢測，並且更具體地涉及接地故障檢
測設備。
背景技術：
發電機定子繞組中的接地故障是最常見的發電機內部電氣故 障，也是損壞發電機定子最常見的原因以及發電機定子相間故障的 直接原因。接地故障通常在所有其他的電氣故障之前。接地故障是 由於定子繞組的物理損壞或者定子絕緣老化所導致的。因此，定子 接地故障保護是發電機保護系統的主要部分。對定子繞組接地故障 的不當操作增加了接地故障轉變為相間故障的可能性，最終將損壞 發電機。
的效應，必須理解伴隨這些故障的現象。接地故障的效應取決於在 接地故障通道中發出的能量以及接地故障過電壓。通過對接地故障 保護的正確操作，可以出現下面的情形，其中由於接地故障電弧所 引起的磁路或者定子架的腐蝕可以忽略或者全部消除。因此，如果 正確地操作了接地故障保護的話，發電機中相間故障實際上是不可 能出現的。在這些條件下，確保了對發電機-變壓器單元的最佳保護， 使定子繞組免於接地故障效應。單條線路接地故障的維修時間應該 相當短，這是因為僅必須調換定子繞組。相間故障的維修時間需要 幾個月，這意味著對定子鐵心的(部分)重新堆疊。
為了使對發電機的接地故障保護系統不當操作的可能性最小， 形成該系統的特定類型的保護應該採用不同的激勵參數。發電機的 中性點通常並不直接接地，那麼定子接地故障電流相對較低，尤其是在發電機-變壓器單元的發電機中。但是，即使這麼小的電流仍 然能夠導致發電機定子芯鐵的明顯損壞。它們也可能轉變成相間故
障。 ，， 、'.'.一 、、 、、 、、f
發電機連接到電力系統的方法。存在幾種可能性，其範圍是從中性 點直接接地，中性點電阻性和電感性連接等級不同到採用隔離中性 點。電阻性接地的發電機要麼與電阻器直接連接，要麼使用變壓器 的次級側的低壓電阻器通過中性點接地變壓器進行變換。直接連接 到母線和沒有升壓變壓器的電力系統的發電機通常功率較低，那麼 接地故障保護基於對中性點電流的幅值或方向的監控。通過升壓變 壓器連接到電力系統的發電機在理論上非常簡單，這是因為升壓變 壓器的初級電路通常為三角形連接，其對高壓側的接地故障構成了 天然屏障。定子繞組上的接地故障然後可通過監測發電機中性點和 地之間的電壓來進行檢測。
主要存在兩種方法，這兩種方法連同基於零序的保護系統可確
保對發電機定子繞組的10 0 %的保護。 一 種方法採用發電機中性點及
其端子上的電壓的三次諧波。另一種方法將低頻信號注入到發電機 電路中。
存在三種影響定子繞組長度的主要限制，定子繞組在不同的運 行狀態下均由這種保護所覆蓋。這些限制與發電機和保護系統的如
下值或參數有關發電機中性點中流過的最大接地故障電流；能夠 以良好精度測量的最小注入電壓；以及定子繞組接地故障過程中發 電機中性點中的最大零序分量。第 一種和第三種限制與保護系統無 關，僅取決於發電機的參數、接地系統和單元變壓器。然而，第二 種限制可用於改進依賴於保護系統的接地故障保護。
此外，現有的注入方法採用了 50Hz以下的注入頻率，這是因為 較高的頻率增加了容性電流，使得難於檢測到用於檢測接地故障的 電阻變化。
發明內容
本發明的目的是提供一種接地故障檢測設備，其能檢測三相同 步電機中較不明顯的接地故障。
本發明基於這樣的實現通過測量三相同步電機中 一個以上位 置中從注入電壓所得到的電流，來實現改進的檢測，而不需要增加 注入電壓。
根據本發明的第一方面，提供一種如所附權利要求1限定的接 地故障檢測設備。
根據本發明的第二方面，提供一種如所附權利要求9所限定的 電氣系統。
根據本發明的第三方面，提供一種如所附權利要求IO所限定的 方法。
進一步優選實施例由從屬權利要求來限定。
優選地在三相同步電機的中性點和地之間測量第 一 電流，這是 因為這個位置受到的幹擾最少並且仍然覆蓋了電機的全部三相。
當接地中性點在電機中使用時，該接地故障檢測設備優選地包 括電壓互感器或者接地變壓器。
優選地在接地變壓器或者電壓互感器的次級側，在接地變壓器 或者電壓互感器的初級側和地之間測量第二電流，或者設置成在三 相電機的相繞組上測量第二電流。
該電機優選地是發電機。該發電機可以是通常包含電纜纏繞的 定子並且端電壓大大高於25kV的高壓發電機。由於現有技術注入單 元相關的成本，低頻信號的注入通常附加到端電壓範圍典型為 5-25kV並且額定值在幾十MVA以上的較大型發電機。例如4艮據本 發明的第一實施例，通過使用自電壓互感器低壓側的注入，與以前 相比，可以成本更低地提供該注入原理，並且因此使該注入原理可 用於更多的應用。
該接地故障檢測設備優選地包括溫度檢測裝置，該溫度檢測裝 置布置成檢測電機、尤其是中性電阻器和其他輔助設備的工作溫度，使得可以對接地故障檢測進行溫度補償。
通過測量所得到的電流的復值，注入電壓可用於大大高於50Hz
的頻率，這是因為，不管容性電抗多大，現在可以測量到電阻中很 小的變化，這對於例如避免對現有速度表的電氣幹擾而言將是有益的。
此外，通過測量所得到的電流的復值，根據本發明的接地故障 檢測設備還可以以類似的方式處理髮電機上所有類型的接地方法， 這提供了生產的優點。
從下面給出的實施例的詳細描述以及附圖可以更全面地了解本
發明，附圖僅通過示意的方式給出，因此並不限制本發明，其中 圖1示意性示出具有中性電阻器和電壓互感器的三相同步電機； 圖2針對圖1所示的三相同步電機示意性示出根據本發明第一
實施例的接地故障系統；
圖3示出圖2所示的接地故障檢測系統在接地故障情況下的等
效圖4示意性示出沒有中性電阻器但是具有電壓互感器的三相同 步電機；
圖5針對圖4所示的三相同步電機示意性示出根據本發明第二 實施例的接地故障檢測系統；
圖6示出了圖5所示的接地故障檢測系統在接地故障情況下的 等效圖7示意性示出具有分布式接地變壓器的三相同步電機；
圖8針對圖7所示的三相同步電機示意性示出根據本發明第三
實施例的接地故障檢測系統；
圖9示出了圖8所示的接地故障檢測系統在接地故障情況下的
等效圖IO示意性示出具有中性電阻器但是不具有電壓互感器的三相
7同步電機；
圖11針對圖10所示的三相同步電機示意性示出根據本發明第 四實施例的4妾地故障衝金測系統；
圖12示出了圖11所示的接地故障檢測系統在接地故障情況下 的等效圖；以及
圖。；5 .、、，、具體實施例方式
在下面的描述中，出於解釋並且不是限制的目的，陳述了特定 的細節，諸如特定的技術和應用，以便提供對本發明的透徹的理解。 然而，本領域技術人員應該清楚，本發明可以在脫離這些特定細節 在其他實施例中得以實施。在其他情況下，省略了公知方法和設備
現在參考圖1-3描述本發明的第一實施例。
在圖1中示意性示出了諸如發電機之類的三相同步電機的定子 部。該三相同步電機是星形連接，且在其中性點處接地。該三相同
步電機包括位於中性點和地之間的中性電阻器Rn,以減小可能的接
地故障電流。該中性電阻器Rn通常用於將定子故障的最大接地故障 電流減小到5-15安培的數量級。該三相同步電機還包括與接地電阻 器Rn並聯設置的電壓互感器V。該電壓互感器V例如可用於其他保 護應用，諸如對電機的定子繞組的95%保護或者三次諧波保護。電 壓互感器通常具有中性點的最大期望電壓與110V的比值以及大約 20-100VA。
為了檢測電機在其三相的任何一相中的接地故障，將接地故障 檢測設備布置成將非標稱(off-nominal)頻率電壓Ui注入在電機的 中性點和地之間。所注入的電壓Ui的頻率通常為幾十赫茲到幾百赫 茲，並且與電機的標稱頻率不同，或者是非標稱頻率。所注入的電
壓Ui通過電壓互感器V注入。因此將電壓Ui與中性電阻器Rn並聯注入，如圖2,圖3所示。
接地故障檢測設備具有諸如分流器(current shunt)或者電流互 感器的第一測量裝置，其布置成測量電機第一位置處的第一電流。 第一電流由所注入的電壓Ui得到。接地故障檢測設備還具有諸如分 流器或者電流互感器的第二測量裝置，其布置成測量不同於該電機 的第一位置的第二位置處的第二電流。該第二電流與第一電流相同 均由注入電壓Ui得到。可替換的，可使用羅果夫斯基(Rogowski) 線圏來採集電流測量值。
第一位置優選地在電機中性點和地之間，即，圖2中的位置1， 2或4中的一個，或者在注入器和電壓發生器之間，即，圖2中的位 置3。 一個或多個第二位置優選地在電機的三相中，即，在圖2的位 置5;在電壓互感器的次級側上，即，圖2中的位置3;在地和電壓 互感器的初級側之間，即，圖2中的位置4;在中性點和電壓互感器 的初級側之間，即圖2的位置2;在電壓發生器及其互感器之間，即， 圖2的位置6;或者在中性電阻器Rn上，即，在圖2的位置7。
通過測量電機至少兩個不同位置處所得到的電流，可以提高接 地故障檢測設備的精度，而基本不增加成本並且不影響該電機的初 級繞線。可以具有與電機接地方法無關的類似設計。
在接地方法採用高電阻中性點的情況下，電阻器的溫度漂移和/ 或電機的工作溫度的溫度漂移可用於調節該電阻器的值，該值繼而
可用於調節得到的電流。這樣可以允許對中性電阻器進行內在監控， 以指示其值的較小變化。因此可以使用本發明對電阻器的完整性進
行密切監測。
關於測量裝置在相繞組上的位置，本發明還將辨別出接地故障 已在哪一相發生。在這種情況下，使用兩個以上的電流用於^r測該 故障，這是因為與故障相相比，繞組的非故障相將具有不同的特性。
該接地故障檢測設備還包括諸如微處理器或類似的控制裝置， 其布置成通過基於這兩個電流，或者基於兩個以上的電流的計算來
檢測接地故障。通常，這種計算基於除中性電阻器Rn外的故障電阻Rf,但是計算精度可通過使這種計算基於包括與故障電容Ce並聯的 電阻Rf的故障阻抗來進一步改進。
該注入裝置優選地還包括帶通濾波器BP，以使得注入電路在
5 0 H z單線路對地故障期間不會給電壓互感器帶來負擔。
為了保護電機以避免接地故障，該接地故障檢測設備採用本領
域技術人員公知的保護裝置來補充。因此補充的接地故障檢測設備
以及三相同步電機一起形成電氣系統，其保護電機以避免接地故障。 儘管已經將注入電壓描述成與中性電阻器並聯地注入，但是可
替換的是可以與中性電阻器串聯地注入。
本發明的第二實施例在圖4-圖6中示出，除了在電機中沒有使
用中性電阻器外，該實施例與上述的本發明第一實施例相同。此外，
由於沒有使用中性電阻器，那麼測量位置1和2是相同的位置，位
置7不存在。
本發明的第三實施例在圖7-圖9中示出，除了在電機中使用分 布式接地變壓器來將中性電阻器轉換成低壓設計外，該實施例與上 述的本發明第二實施例相同。此外，根據本發明的接地故障檢測設 備設置在其次級側中，以直接在其低壓側上注入信號。
的額定值。
本發明的第二和第三實施例可與電壓互感器和分布式接地變壓 器兩者組合，將接地故障檢測設備定位在任一變壓器的次級側，或 者設置將全部的三個功能組合在一個變壓器中。
本發明的第四實施例在圖10-圖12中示出，除了在電機中沒有 使用電壓互感器外，該實施例與上述的本發明第一實施例相同。此 外，由於沒有使用電壓發生器，因此測量位置3和圖6是相同的位 置。
圖13中示出了用於上述實施例的、在諸如發電機的電機中的接 地故障檢測的方法步驟。該方法開始於將非標稱頻率電壓Ui注入在 三相同步電機的中性點和地之間。接下來的步驟包括測量電機的第
10一位置1, 2， 3, 4處從所注入的非標稱頻率電壓Ui得到的第一電流。 接下來的步驟包括測量電機中與第一位置不同的第二位置3、 4、 5、 6、 7處從所注入的非標稱頻率電壓Ui得到的第二電流。最後的步驟 包括通過基於第 一 電流和第二電流的計算來檢測接地故障。
顯而易見的是，本發明可以以多種方式進行改變。這種改變不 能被認為是脫離了所附權利要求書限定的本發明的範圍。只要對於 本領域的技術人員來說是顯而易見的，那麼所有的這些變化旨在包 括在所附權利要求書所限定的本發明的範圍內。
權利要求
1. 一種用於三相同步電機的接地故障檢測設備，其中該三相同步電機具有接地的中性點，其中所述接地故障檢測設備包括布置成將非標稱頻率電壓(Ui)注入在所述中性點和所述地之間的注入裝置，其特徵在於，所述接地故障檢測設備包括第一測量裝置，該第一測量裝置布置成測量所述三相同步電機的第一位置(1，2，3，4)處從所述注入的電壓得到的第一電流，第二測量裝置，該第二測量裝置布置成測量所述三相同步電機中不同於所述第一位置的第二位置(3，4，5，6，7)處從所述注入的電壓得到的第二電流，以及控制裝置，該控制裝置布置成根據所述第一電流和第二電流檢測所述三相同步電機中的接地故障。
2. 根據權利要求1的接地故障檢測設備，其中所述三相同步電 機包括位於所述中性點和所述地之間的中性電阻器(Rn)，或者位 於所述中性點和所述地之間的分布式接地變壓器。
3. 根據權利要求1或2的接地故障檢測設備，其中所述第一位 置(1, 2, 4)在所述中性點和所述地之間。
4. 根據權利要求1-4中任一項的接地故障檢測設備，其中所述 第二位置(5)安設在所述三相同步電機的相繞組上。
5. 根據權利要求1-4中任一項的接地故障檢測設備，其中所述
6. 根據權利要求5的接地故障檢測設備，其中所述第二位置(3， 4, 5， 6)在所述變壓器或互感器的次級側，在所述變壓器或互感器 的初級側和地之間，或者設置在所述三相同步電機的相繞組上。
7. 根據權利要求1-6中任一項的接地故障檢測設備，其中所述 電才幾是發電才幾。
8. 根據權利要求1-7中任一項的接地故障檢測設備，包括溫度 檢測裝置，該溫度檢測裝置布置成檢測所述電機及其輔助設備的工作溫度，優選的是為測量目的而使用的中性電阻器或變壓器的溫度 漂移。
9. 一種包括接地故障檢測設備和三相同步電機的電氣系統，其 中三相同步電機具有接地的中性點，其中所述接地故障檢測設備包 括布置成將非標稱頻率電壓(Ui)注入在所述中性點和所述地之間的注入裝置，其特徵在於，所述接地故障檢測設備包括第一測量裝置，該第一測量裝置布置成測量所述三相同步電機的第一位置(1, 2, 3， 4)處從所述注入的電壓得到的第一電流，第二測量裝置，該第二測量裝置布置成測量所述三相同步電機中不同於所述第一位置的第二位置(3, 4， 5, 6， 7)處從所述注入的電壓得到的第二電流，以及控制裝置，該控制裝置布置成根據所述第 一 電流和第二電流檢測所述三相同步電機中的接地故障。
10. —種用於三相同步電機中的接地故障檢測方法，其中三相同 步電機具有接地的中性點，其特徵在於下面的步驟將非標稱頻率電壓(Ui)注入在所述中性點和所述地之間； 測量所述三相同步電機的第一位置(1， 2， 3， 4)處從所述注入的非標稱頻率電壓(Ui)得到的第一電流；測量所述三相同步電機中不同於所述第 一位置的第二位置(3 ， 4，5, 6， 7)處從所述注入的非標稱頻率電壓(Ui)得到的第二電流；以及通過基於所述第 一 電流和第二電流的計算來檢測所述三相同步 電機中的接地故障。
全文摘要
本發明涉及用於三相同步電機的接地故障檢測設備，以及包括接地故障檢測設備以及三相同步電機的電氣系統。該接地故障檢測設備將非標稱頻率電壓注入在三相同步電機的中性點和地之間，以及測量得到的電流，以檢測接地故障。
文檔編號H02H3/17GK101507072SQ200780030636
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月15日 優先權日2006年8月18日
發明者G·奧爾古因, M·富爾茨伊克, S·G·約翰松, S·林達爾, T·本格特松 申請人:Abb研究有限公司