CN101507072B - 接地故障检测装置、用于接地故障检测的方法和电气设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于三相同步电机的接地故障检测设备，以及包括接地故障检测设备以及三相同步电机的电气***。该接地故障检测设备将非标称频率电压注入在三相同步电机的中性点和地之间，以及测量得到的电流，以检测接地故障。
Description
技术领域
本发明一般涉及接地故障检测，并且更具体地涉及接地故障检测设备。
背景技术
发电机定子绕组中的接地故障是最常见的发电机内部电气故障，也是损坏发电机定子最常见的原因以及发电机定子相间故障的直接原因。接地故障通常在所有其他的电气故障之前。接地故障是由于定子绕组的物理损坏或者定子绝缘老化所导致的。因此，定子接地故障保护是发电机保护***的主要部分。对定子绕组接地故障的不当操作增加了接地故障转变为相间故障的可能性，最终将损坏发电机。
为了有效保护单元连接的发电机以免出现定子绕组中接地故障的效应，必须理解伴随这些故障的现象。接地故障的效应取决于在接地故障通道中发出的能量以及接地故障过电压。通过对接地故障保护的正确操作，可以出现下面的情形，其中由于接地故障电弧所引起的磁路或者定子架的腐蚀可以忽略或者全部消除。因此，如果正确地操作了接地故障保护的话，发电机中相间故障实际上是不可能出现的。在这些条件下，确保了对发电机-变压器单元的最佳保护，使定子绕组免于接地故障效应。单条线路接地故障的维修时间应该相当短，这是因为仅必须调换定子绕组。相间故障的维修时间需要几个月，这意味着对定子铁心的(部分)重新堆叠。
为了使对发电机的接地故障保护***不当操作的可能性最小，形成该***的特定类型的保护应该采用不同的激励参数。发电机的中性点通常并不直接接地，那么定子接地故障电流相对较低，尤其是在发电机-变压器单元的发电机中。但是，即使这么小的电流仍然能够导致发电机定子芯铁的明显损坏。它们也可能转变成相间故障。
用于保护发电机以避免定子绕组中的接地故障的方法取决于将发电机连接到电力***的方法。存在几种可能性，其范围是从中性点直接接地，中性点电阻性和电感性连接等级不同到采用隔离中性点。电阻性接地的发电机要么与电阻器直接连接，要么使用变压器的次级侧的低压电阻器通过中性点接地变压器进行变换。直接连接到母线和没有升压变压器的电力***的发电机通常功率较低，那么接地故障保护基于对中性点电流的幅值或方向的监控。通过升压变压器连接到电力***的发电机在理论上非常简单，这是因为升压变压器的初级电路通常为三角形连接，其对高压侧的接地故障构成了天然屏障。定子绕组上的接地故障然后可通过监测发电机中性点和地之间的电压来进行检测。
主要存在两种方法，这两种方法连同基于零序的保护***可确保对发电机定子绕组的100％的保护。一种方法采用发电机中性点及其端子上的电压的三次谐波。另一种方法将低频信号注入到发电机电路中。
存在三种影响定子绕组长度的主要限制，定子绕组在不同的运行状态下均由这种保护所覆盖。这些限制与发电机和保护***的如下值或参数有关：发电机中性点中流过的最大接地故障电流；能够以良好精度测量的最小注入电压；以及定子绕组接地故障过程中发电机中性点中的最大零序分量。第一种和第三种限制与保护***无关，仅取决于发电机的参数、接地***和单元变压器。然而，第二种限制可用于改进依赖于保护***的接地故障保护。
此外，现有的注入方法采用了50Hz以下的注入频率，这是因为较高的频率增加了容性电流，使得难于检测到用于检测接地故障的电阻变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种接地故障检测设备，其能检测三相同步电机中较不明显的接地故障。
本发明基于这样的实现：通过测量三相同步电机中一个以上位置中从注入电压所得到的电流，来实现改进的检测，而不需要增加注入电压。
根据本发明的第一方面，提供一种用于三相同步电机的接地故障检测设备，其中该三相同步电机具有接地的中性点，其中所述接地故障检测设备包括布置成将非标称频率电压注入在所述中性点和所述地之间的注入装置，其特征在于，所述接地故障检测设备包括：第一测量装置，该第一测量装置布置成测量所述三相同步电机的第一位置处从所述注入的非标称频率电压得到的第一电流，第二测量装置，该第二测量装置布置成测量所述三相同步电机中不同于所述第一位置的第二位置处从所述注入的非标称频率电压得到的第二电流，以及控制装置，该控制装置布置成根据所述第一电流和第二电流检测所述三相同步电机中的接地故障。
根据本发明的第二方面，提供一种包括接地故障检测设备和三相同步电机的电气***，其中三相同步电机具有接地的中性点，其中所述接地故障检测设备包括布置成将非标称频率电压注入在所述中性点和所述地之间的注入装置，其特征在于，所述接地故障检测设备包括：第一测量装置，该第一测量装置布置成测量所述三相同步电机的第一位置处从所述注入的非标称频率电压得到的第一电流，第二测量装置，该第二测量装置布置成测量所述三相同步电机中不同于所述第一位置的第二位置处从所述注入的非标称频率电压得到的第二电流，以及控制装置，该控制装置布置成根据所述第一电流和第二电流检测所述三相同步电机中的接地故障。
根据本发明的第三方面，提供一种用于三相同步电机中的接地故障检测方法，其中三相同步电机具有接地的中性点，其特征在于下面的步骤：将非标称频率电压注入在所述中性点和所述地之间；测量所述三相同步电机的第一位置处从所述注入的非标称频率电压得到的第一电流；测量所述三相同步电机中不同于所述第一位置的第二位置处从所述注入的非标称频率电压得到的第二电流；以及通过基于所述第一电流和第二电流的计算来检测所述三相同步电机中的接地故障。
进一步优选实施例由从属权利要求来限定。
优选地在三相同步电机的中性点和地之间测量第一电流，这是因为这个位置受到的干扰最少并且仍然覆盖了电机的全部三相。
当接地中性点在电机中使用时，该接地故障检测设备优选地包括电压互感器或者接地变压器。
优选地在接地变压器或者电压互感器的次级侧，在接地变压器或者电压互感器的初级侧和地之间测量第二电流，或者设置成在三相电机的相绕组上测量第二电流。
该电机优选地是发电机。该发电机可以是通常包含电缆缠绕的定子并且端电压大大高于25kV的高压发电机。由于现有技术注入单元相关的成本，低频信号的注入通常附加到端电压范围典型为5-25kV并且额定值在几十MVA以上的较大型发电机。例如根据本发明的第一实施例，通过使用自电压互感器低压侧的注入，与以前相比，可以成本更低地提供该注入原理，并且因此使该注入原理可用于更多的应用。
该接地故障检测设备优选地包括温度检测装置，该温度检测装置布置成检测电机、尤其是中性电阻器和其他辅助设备的工作温度，使得可以对接地故障检测进行温度补偿。
通过测量所得到的电流的复值，注入电压可用于大大高于50Hz的频率，这是因为，不管容性电抗多大，现在可以测量到电阻中很小的变化，这对于例如避免对现有速度表的电气干扰而言将是有益的。
此外，通过测量所得到的电流的复值，根据本发明的接地故障检测设备还可以以类似的方式处理发电机上所有类型的接地方法，这提供了生产的优点。
附图说明
从下面给出的实施例的详细描述以及附图可以更全面地了解本发明，附图仅通过示意的方式给出，因此并不限制本发明，其中：
图1示意性示出具有中性电阻器和电压互感器的三相同步电机；
图2针对图1所示的三相同步电机示意性示出根据本发明第一实施例的接地故障***；
图3示出图2所示的接地故障检测***在接地故障情况下的等效图；
图4示意性示出没有中性电阻器但是具有电压互感器的三相同步电机；
图5针对图4所示的三相同步电机示意性示出根据本发明第二实施例的接地故障检测***；
图6示出了图5所示的接地故障检测***在接地故障情况下的等效图；
图7示意性示出具有分布式接地变压器的三相同步电机；
图8针对图7所示的三相同步电机示意性示出根据本发明第三实施例的接地故障检测***；
图9示出了图8所示的接地故障检测***在接地故障情况下的等效图；
图10示意性示出具有中性电阻器但是不具有电压互感器的三相同步电机；
图11针对图10所示的三相同步电机示意性示出根据本发明第四实施例的接地故障检测***；
图12示出了图11所示的接地故障检测***在接地故障情况下的等效图；以及
图13是共同用于本发明实施例的接地故障检测的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，出于解释并且不是限制的目的，陈述了特定的细节，诸如特定的技术和应用，以便提供对本发明的透彻的理解。然而，本领域技术人员应该清楚，本发明可以在脱离这些特定细节在其他实施例中得以实施。在其他情况下，省略了公知方法和设备的详细描述，以使得本发明不会由于不必要的细节而变得不清楚。
现在参考图1-3描述本发明的第一实施例。
在图1中示意性示出了诸如发电机之类的三相同步电机的定子部。该三相同步电机是星形连接，且在其中性点处接地。该三相同步电机包括位于中性点和地之间的中性电阻器Rn，以减小可能的接地故障电流。该中性电阻器Rn通常用于将定子故障的最大接地故障电流减小到5-15安培的数量级。该三相同步电机还包括与接地电阻器Rn并联设置的电压互感器V。该电压互感器V例如可用于其他保护应用，诸如对电机的定子绕组的95％保护或者三次谐波保护。电压互感器通常具有中性点的最大期望电压与110V的比值以及大约20-100VA。
为了检测电机在其三相的任何一相中的接地故障，将接地故障检测设备布置成将非标称(off-nominal)频率电压Ui注入在电机的中性点和地之间。所注入的电压Ui的频率通常为几十赫兹到几百赫兹，并且与电机的标称频率不同，或者是非标称频率。所注入的电压Ui通过电压互感器V注入。因此将电压Ui与中性电阻器Rn并联注入，如图2，图3所示。
接地故障检测设备具有诸如分流器(current shunt)或者电流互感器的第一测量装置，其布置成测量电机第一位置处的第一电流。第一电流由所注入的电压Ui得到。接地故障检测设备还具有诸如分流器或者电流互感器的第二测量装置，其布置成测量不同于该电机的第一位置的第二位置处的第二电流。该第二电流与第一电流相同均由注入电压Ui得到。可替换的，可使用罗果夫斯基(Rogowski)线圈来采集电流测量值。
第一位置优选地在电机中性点和地之间，即，图2中的位置1，2或4中的一个，或者在注入器和电压发生器之间，即，图2中的位置3。一个或多个第二位置优选地在电机的三相中，即，在图2的位置5；在电压互感器的次级侧上，即，图2中的位置3；在地和电压互感器的初级侧之间，即，图2中的位置4；在中性点和电压互感器的初级侧之间，即图2的位置2；在电压发生器及其互感器之间，即，图2的位置6；或者在中性电阻器Rn上，即，在图2的位置7。
通过测量电机至少两个不同位置处所得到的电流，可以提高接地故障检测设备的精度，而基本不增加成本并且不影响该电机的初级绕线。可以具有与电机接地方法无关的类似设计。
在接地方法采用高电阻中性点的情况下，电阻器的温度漂移和/或电机的工作温度的温度漂移可用于调节该电阻器的值，该值继而可用于调节得到的电流。这样可以允许对中性电阻器进行内在监控，以指示其值的较小变化。因此可以使用本发明对电阻器的完整性进行密切监测。
关于测量装置在相绕组上的位置，本发明还将辨别出接地故障已在哪一相发生。在这种情况下，使用两个以上的电流用于检测该故障，这是因为与故障相相比，绕组的非故障相将具有不同的特性。
该接地故障检测设备还包括诸如微处理器或类似的控制装置，其布置成通过基于这两个电流，或者基于两个以上的电流的计算来检测接地故障。通常，这种计算基于除中性电阻器Rn外的故障电阻Rf，但是计算精度可通过使这种计算基于包括与故障电容Ce并联的电阻Rf的故障阻抗来进一步改进。
该注入装置优选地还包括带通滤波器BP，以使得注入电路在50Hz单线路对地故障期间不会给电压互感器带来负担。
为了保护电机以避免接地故障，该接地故障检测设备采用本领域技术人员公知的保护装置来补充。因此补充的接地故障检测设备以及三相同步电机一起形成电气***，其保护电机以避免接地故障。
尽管已经将注入电压描述成与中性电阻器并联地注入，但是可替换的是可以与中性电阻器串联地注入。
本发明的第二实施例在图4-图6中示出，除了在电机中没有使用中性电阻器外，该实施例与上述的本发明第一实施例相同。此外，由于没有使用中性电阻器，那么测量位置1和2是相同的位置，位置7不存在。
本发明的第三实施例在图7-图9中示出，除了在电机中使用分布式接地变压器来将中性电阻器转换成低压设计外，该实施例与上述的本发明第二实施例相同。此外，根据本发明的接地故障检测设备设置在其次级侧中，以直接在其低压侧上注入信号。
分布型接地变压器通常具有240V的次级电压等级和15-300kVA的额定值。
本发明的第二和第三实施例可与电压互感器和分布式接地变压器两者组合，将接地故障检测设备定位在任一变压器的次级侧，或者设置将全部的三个功能组合在一个变压器中。
本发明的第四实施例在图10-图12中示出，除了在电机中没有使用电压互感器外，该实施例与上述的本发明第一实施例相同。此外，由于没有使用电压发生器，因此测量位置3和图6是相同的位置。
图13中示出了用于上述实施例的、在诸如发电机的电机中的接地故障检测的方法步骤。该方法开始于将非标称频率电压Ui注入在三相同步电机的中性点和地之间。接下来的步骤包括测量电机的第一位置1，2，3，4处从所注入的非标称频率电压Ui得到的第一电流。接下来的步骤包括测量电机中与第一位置不同的第二位置3、4、5、6、7处从所注入的非标称频率电压Ui得到的第二电流。最后的步骤包括通过基于第一电流和第二电流的计算来检测接地故障。
显而易见的是，本发明可以以多种方式进行改变。这种改变不能被认为是脱离了所附权利要求书限定的本发明的范围。只要对于本领域的技术人员来说是显而易见的，那么所有的这些变化旨在包括在所附权利要求书所限定的本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种用于三相同步电机的接地故障检测设备，其中该三相同步电机具有接地的中性点，其中所述接地故障检测设备包括布置成将非标称频率电压(Ui)注入在所述中性点和所述地之间的注入装置，其特征在于，所述接地故障检测设备包括：
第一测量装置，该第一测量装置布置成测量所述三相同步电机的第一位置(1，2，3，4)处从所述注入的非标称频率电压得到的第一电流，
第二测量装置，该第二测量装置布置成测量所述三相同步电机中不同于所述第一位置的第二位置(3，4，5，6，7)处从所述注入的非标称频率电压得到的第二电流，以及
控制装置，该控制装置布置成根据所述第一电流和第二电流检测所述三相同步电机中的接地故障。
2.根据权利要求1的接地故障检测设备，其中所述三相同步电机包括位于所述中性点和所述地之间的中性电阻器(Rn)，或者位于所述中性点和所述地之间的分布式接地变压器。
3.根据权利要求1或2的接地故障检测设备，其中所述第一位置(1，2，4)在所述中性点和所述地之间。
4.根据权利要求1或2的接地故障检测设备，其中所述第二位置(5)安设在所述三相同步电机的相绕组上。
5.根据权利要求1或2的接地故障检测设备，其中所述三相同步电机包括分布式接地变压器或者电压互感器。
6.根据权利要求5的接地故障检测设备，其中所述第二位置(3，4，5，6)在所述变压器或互感器的次级侧，在所述变压器或互感器的初级侧和地之间，或者设置在所述三相同步电机的相绕组上。
7.根据权利要求1或2的接地故障检测设备，其中所述电机是发电机。
8.根据权利要求1或2的接地故障检测设备，包括温度检测装置，该温度检测装置布置成检测所述电机及其辅助设备的工作温度，优选的是为测量目的而使用的中性电阻器或变压器的温度漂移。
9.一种包括接地故障检测设备和三相同步电机的电气***，其中三相同步电机具有接地的中性点，其中所述接地故障检测设备包括布置成将非标称频率电压(Ui)注入在所述中性点和所述地之间的注入装置，其特征在于，所述接地故障检测设备包括：
第一测量装置，该第一测量装置布置成测量所述三相同步电机的第一位置(1，2，3，4)处从所述注入的非标称频率电压得到的第一电流，
第二测量装置，该第二测量装置布置成测量所述三相同步电机中不同于所述第一位置的第二位置(3，4，5，6，7)处从所述注入的非标称频率电压得到的第二电流，以及
控制装置，该控制装置布置成根据所述第一电流和第二电流检测所述三相同步电机中的接地故障。
10.一种用于三相同步电机中的接地故障检测方法，其中三相同步电机具有接地的中性点，其特征在于下面的步骤：
将非标称频率电压(Ui)注入在所述中性点和所述地之间；
测量所述三相同步电机的第一位置(1，2，3，4)处从所述注入的非标称频率电压(Ui)得到的第一电流；
测量所述三相同步电机中不同于所述第一位置的第二位置(3，4，5，6，7)处从所述注入的非标称频率电压(Ui)得到的第二电流；以及
通过基于所述第一电流和第二电流的计算来检测所述三相同步电机中的接地故障。
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