SU907669A1 - Device for testing insulation and protection of generator stator winding from earthing - Google Patents

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в области релейной защиты электрических машин для оперативной диагностики состояния статорной изоляции и защиты от замыканий на землю мощных синхронных генераторов.The invention relates to electrical engineering and can be used in the field of relay protection of electrical machines for operational diagnostics of the state of stator insulation and protection against earth faults of powerful synchronous generators.

Возрастание единичной мощности генераторов, номинальных токов и напряжений, усложнение конструкций приводит к увеличению возможного ущерба в случае их повреждения. Замыкания на землю в обмотке статора мощных синхронных генераторов, благодаря наличию значительных собственных емкостных связей с землей, способствуют с одной стороны развитию повреждения, с другой, будучи невыявленными из-за отсутствия защиты, либо из-за наличия зон нечувствительности, могут приводить при замыкании на землю’ во второй точке к тяжелому повреждению генератора .The increase in the unit power of the generators, the rated currents and voltages, the complexity of the structures leads to an increase in possible damage in case of damage. Earth faults in the stator winding of powerful synchronous generators, due to the presence of significant intrinsic capacitive connections with the earth, contribute to the development of damage, on the one hand, being undetected due to lack of protection, or due to the presence of dead zones, can lead to short circuits ground 'at the second point to severe damage to the generator.

Для современной релейной защиты характерна тенденция к переходу от защиты, реагирующей на уже происшедшие повреждения, к защите,носящей профилактический характер.Modern relay protection is characterized by a tendency to move from protection, which responds to already occurred damage, to protection, which is preventive in nature.

В связи с этим приобретает актуальность проблема разработки устройств, выполняющих не только функцию защиты обмотки статора мощных генераторов от замыканий на землю без зон нечувствительности, обладающий повышенным быстродействием и достаточно высокой надежностью, но и позволяющих осуществлять оперативный контроль состояния статорной изоляции.In this regard, the problem of developing devices that perform not only the function of protecting the stator windings of powerful generators from earth faults without dead zones, has increased speed and sufficiently high reliability, but also allows for operational monitoring of the state of stator insulation, is becoming urgent.

Известна защита обмотки статора от замыканий на землю, основанные на принципе наложения постоянного или выпрямленного напряжения (тока) от постороннего источника на защищаемый объект, обладающие рядом весьма существенных достоинств.Known protection of the stator winding against earth faults, based on the principle of applying a constant or rectified voltage (current) from an extraneous source to the protected object, which has a number of very significant advantages.

з 907669z 907669

Наложение постоянного или выпрямленного напряжения позволяет довольно просто осуществить текущий контроль состояния ИЗОЛЯЦИИ, что является совершенно невозможным при использовании других способов защиты. Защиты не имеют зон нечувствительности. Имеется возможность получения высоких параметустройств, а именно: высокой чувствительности и быстродействия. Защиты реагируют на замыкания через большие переходные сопротивления и, что немаловажно, и системы генераторного напряжения применен разделительный трансформатор, а измерительный орган защиты и орган контроля изоляции включены между первичной обмоткой разделительного трансформатора и выходом источника переменного напряжения [2].The application of a constant or rectified voltage makes it quite simple to carry out current monitoring of the state of INSULATION, which is completely impossible when using other protection methods. Protections do not have dead zones. It is possible to obtain high parameter devices, namely: high sensitivity and speed. The protections respond to short circuits through large transient resistances and, importantly, the generator voltage system, an isolation transformer is used, and a measuring protective organ and an insulation monitoring organ are connected between the primary winding of the isolation transformer and the output of the AC voltage source [2].

Недостатком устройства является включение измерительного органа за10 щиты в цепь между источником накладываемого напряжения и разделительным конденсатором вынуждает вводить отстройку защиты по времени от токов на симметричное ухудшение изоляции. Внутренние процессы в защищаемых is объектах мало сказываются на работе защит, что делает ненужным отстройку измерительных органов в нормальном режиме. Работоспособность защит обеспечивается на остановленном обо- 20 рудовании или работающим на холостом ходу.The disadvantage of this device is the inclusion of the measuring body of the protection in the circuit between the source of the applied voltage and the isolation capacitor, which forces the adjustment of the time protection from currents to a symmetrical insulation deterioration. Internal processes in the protected objects is little effect on the operation of the protection, which makes it unnecessary to detune the measuring organs in normal mode. The performance of the protections is ensured when the equipment is stopped or when it is idling.

Известна также защита, основанная на принципе наложения выпрямленного напряжения, через нулевые выводы 25 трансформаторов напряжения £1}.Protection is also known, based on the principle of imposing a rectified voltage, through the neutral terminals of 25 voltage transformers £ 1}.

Однако недостатком устройства является наличие гальванической связи элементов защиты и системы генераторного напряжения. 30However, the disadvantage of this device is the galvanic connection of the protection elements and the generator voltage system. thirty

Гальваническая связь не является непосредственной, а осуществляется через высокое индуктивное и активрое сопротивление первичных обмоток трансформаторов напряжения, ограни- , чивающее в сотни раз переменный ток в цепи заземления нейтрали, обусловленный несимметрией фазных напряжений при замыканиях на землю на выводах генератора. Величина этого тока в _t проводе заземления, измеренная при металлических замыканиях на выводах генераторов 165 и 320 МВт, не превышает 0,1-0,15 А, при этом перенапряжения (основной довод против применения принципа наложения) достигают в нейтрали трансформаторов напряжения и на элементах защиты (конденсаторах) значения всего 20-30 В переменной составляющей. Тем не менее, указанная гальваническая связь представляется нежелательной.Galvanic coupling is not direct, but is carried out through the high inductive and active resistance of the primary windings of voltage transformers, limiting the current that is hundreds of times alternating current in the neutral ground circuit due to the asymmetry of phase voltages during ground faults at the generator terminals. The magnitude of this current in the grounding wire _t , measured with metal circuits at the terminals of the generators 165 and 320 MW, does not exceed 0.1-0.15 A, while overvoltages (the main argument against the application of the principle of superposition) reach the neutral voltage transformers and on the elements protection (capacitors) values of only 20-30 In the variable component. However, said galvanic coupling is undesirable.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для защиты от замыкания на землю и контроля изоляг ции электроустановки переменного тока , в котором для обеспечения гальванической развязки элементов защиты заряда конденсатора с целью исключения возможности ложного срабатывания защиты при подаче накладываемого напряжения или при резких колебаниях напряжения источника питания.Closest to the proposed device is a device for earth fault protection and insulation control of an alternating current electrical installation, in which to ensure galvanic isolation of the capacitor charge protection elements in order to exclude the possibility of false protection operation when applying an applied voltage or during sudden fluctuations in the voltage of the power source.

Ввиду того, что ток в этой цепи зависит от потенциала на разделительном конденсаторе, постоянная времени разряда которого зависит от величины переходного сопротивления (при замыкании через это сопротивление), время срабатывания защиты в этом случае становится зависимым от величины переходного сопротивления, что не позволяет сделать защиту быстродействующей. Не исключается также ложное срабатывание защиты при пробое разделительного конденсатора.Due to the fact that the current in this circuit depends on the potential on the isolation capacitor, the discharge time constant of which depends on the value of the transition resistance (when shorting through this resistance), the response time in this case becomes dependent on the value of the transition resistance, which does not allow protection high-speed. False triggering of protection during breakdown of a separation capacitor is also not ruled out.

Включение измерительного органа контроля изоляции в цепь первичной обмотки разделительного трансформатора , применение которого является также усложнением устройства, приводит к необходимости отстройки от тока намагничивания, а также от обратных токов вентилей выпрямителя итоков утечки изоляции элементов и проводников устройства. Необходимость выделения полезного сигнала на фоне токов намагничивания, обратных токов и токов утечки резко понижает точность измерения величины сопротивления контролируемой изоляции.The inclusion of the measuring body of the insulation control in the primary circuit of the isolation transformer, the use of which is also a complication of the device, necessitates the detuning from the magnetization current, as well as from the reverse currents of the rectifier valves, of the leakage currents of the insulation of the elements and conductors of the device. The need to highlight a useful signal against the background of magnetization currents, reverse currents and leakage currents dramatically reduces the accuracy of measuring the resistance value of the controlled insulation.

Поскольку определение сопротивления изоляции осуществляется измерением тока, величина которого за⁵⁰ висит также от значения наложенного напряжения.непредусмотренное Отклонение величины последнего от номинального значения внесет погрешность· в измеряемую величину.Since the determination of the insulation resistance is carried out by measuring the current, the value of which also depends on the value of the applied voltage beyond ^{50. The} deviation of the value of the latter from the nominal value will introduce an error in the measured value.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков, т.е. повышение чувствительности, быстродействия, надежности, а также упроще907669 в цепь заземления первичных обмоток напряжения. цель достигается ние устройства при обеспечении безопасности его эксплуатации.The purpose of the invention is the elimination of these disadvantages, i.e. increasing sensitivity, speed, reliability, as well as simplifying907669 in the ground circuit of the primary voltage windings. The goal is achieved by the device while ensuring the safety of its operation.

Устройство основано на принципе наложения на цепь статора выпрямленного напряжения через нулевые выводы первичных обмоток трансформаторов напряжения и содержит источник переменного напряжения,выпрямитель, разделительный конденсатор , включенный нулевых выводов трансформа торов Поставленная тем, что в устройство контроля изоляции и защиты измерительный орган выполнен в виде измерительного преобразователя постоянного тока присоединенного к шунту, включённому между объединенной нулевой точкой первичных обмоток трансформаторов напряже- ; ния и разделительным конденсатором,а выход измерительного органа через последовательно соединенные цифровой преобразователь и микро-ЭВМ подключен. к исполнительному органу и цифровому индикатору. Для защиты разделительного конденсатора от перенапряжений применен тиристор,катод которого заземлен, анод подключен между токоограничивающим резистором и разделительным диодом, а управляющий электрод - посредством резистора соединен с анодом. Параллельно тиристору в обратном направлении подключен диод.The device is based on the principle of applying a rectified voltage to the stator circuit through the zero leads of the primary windings of the voltage transformers and contains an AC voltage source, a rectifier, an isolation capacitor, included zero leads of the transformers. The measuring body is made in the form of an insulation and protection monitoring device as a measuring transducer DC connected to the shunt connected between the combined zero point of the primary windings of the transformers rower; ni and a separation capacitor, and the output of the measuring body through a series-connected digital converter and micro-computer is connected. to the executive body and the digital indicator. To protect the isolation capacitor from overvoltages, a thyristor is used, the cathode of which is grounded, the anode is connected between the current-limiting resistor and the isolation diode, and the control electrode is connected through the resistor to the anode. Parallel to the thyristor, a diode is connected in the opposite direction.

Выпрямленное и застабилизированное с помощью выпрямителя 2 и стабилизатора 3 напряжение источника 1 подводится к нулевым выведай 16 первичных обмоток трансформаторов напряжения (не показаны) параллельно батарее конденсаторов 9 и через первичные обмотки трансформаторов напряжения накладываются на цель статора генератора.The voltage of source 1, rectified and stabilized by means of a rectifier 2 and a stabilizer 3, is brought to zero; output 16 primary windings of voltage transformers (not shown) parallel to the capacitor bank 9 and are superimposed on the target of the generator stator through the primary windings of voltage transformers.

При снижении сопротивления изоляции цепи статора (или появлении замыкания на корпус) создается контур для протекания постоянного тока через первичные обмотки трансформаторов напряжения .сопротивление изоляции (или места замыкания) и измерительный шунт 10. При протекании токов утечки изоляции (или замыкания) через шунт 10 на нем происходит падение напряжения, которое подается на вход измерительного преобразователя 11 постоянного тока, осуществляющего гальваническое разделение первичных и измерительных цепей. С выхода преобразователя 11 постоянное напряжение подается на вход аналого-цифрового преобразователя 12, осуществляющего преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код. с целью его дальнейшей обработки микро-ЭВМ 13 выдает информацию о сопротивлении изоляции на цифровой индикатор 15 в АСУ ТП электрической станции. При этом микро-ЭВМ 13 можетWith a decrease in the insulation resistance of the stator circuit (or the appearance of a short to the housing), a circuit is created for direct current to flow through the primary windings of the voltage transformers. The insulation resistance (or short circuit) and measuring shunt 10. When the leakage currents of the insulation (or short circuit) flow through the shunt 10 to it occurs a voltage drop, which is fed to the input of the measuring transducer 11 direct current, performing galvanic separation of the primary and measuring circuits. From the output of the converter 11, a constant voltage is supplied to the input of an analog-to-digital converter 12, which converts the input analog signal into a digital code. for the purpose of its further processing, the microcomputer 13 provides information on the insulation resistance to a digital indicator 15 in the automated control system of a power plant. In this case, the microcomputer 13 may

На выходе выпрямителя установлен полупроводниковый стабилизатор напряжения , выход которого через разделительный диод и токоограничивающий резистор подключен к разделительному конденсатору.A semiconductor voltage stabilizer is installed at the output of the rectifier, the output of which is connected to a separation capacitor through a diode and a current-limiting resistor.

На чертеже представлена схема устройства.The drawing shows a diagram of the device.

Устройство контроля изоляции й ₄₅ защиты содержит источник 1 переменного напряжения, выпрямитель 2, стабилизатор 3 напряжения, разделительный диод 4, защитный диод 5,тиристор 6 с резистором 7 в управляющей цепи, _м токоограничительный резистор 8, разделительный конденсатор 9, измерительный шунт 10 с измерительным преобразователем 11 постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь 12, $$ микро-ЭВМ 13, исполнительный орган 14 и цифровой индикатор 15·Isolation control device nd ₄₅ protection comprises a source 1, AC voltage, the rectifier 2, stabilizer 3 voltage divider diode 4, the protective diode 5, the thyristor 6 with a resistor 7 to a control circuit, _m current limiting resistor 8, capacitor 9, the measuring shunt 10 to the measuring DC / DC converter 11, analog-to-digital converter 12, $$ micro-computer 13, actuator 14 and digital indicator 15

Устройство работает следующим образом .The device operates as follows.

производить в промежутках между за-, мерами тока и определения сопротивления изоляции обработку информации, не относящийся к данной защите (решение фоновых задач).in the intervals between measurements of current and determining the insulation resistance, information processing that is not related to this protection (solving background problems).

Увеличением сопротивления шунта 10 можно повышать чувствительность защиты в значительной степени.By increasing the resistance of the shunt 10, it is possible to increase the sensitivity of the protection to a large extent.

Использование измерительного преобразователя постоянного тока 11, не реагирующего на переменную составляющую измеряемого тока, позволяет предотвратить неправильное срабатывание защиты от переменных токов, появление которых возможно в цепи заземления первичных обмоток трансформаторов напряжения, при возникновении несимметрии напряжений.The use of a direct current measuring transducer 11, which does not respond to the alternating component of the measured current, prevents the protection against alternating currents from tripping, the appearance of which is possible in the ground circuit of the primary windings of voltage transformers, in the event of voltage asymmetry.

Для ограничения перенапряжений на разделительном конденсаторе 9 параллельно конденсатору установлен тиристор 6 с токоограничивающим резистором 8, который действует следую7 щим образом. При повышении напряжения до значения, определяемого величиной сопротивления резистора 7 в цепи управления тиристора 6 (например, до 300 В), последний открыва- 5 ется, шунтирует конденсаторы 9 и пропускает по разрядной цепи ток, величина которого во всех.возможных режимах не превышает допустимого для данного типа.тиристора значения. Ю Низкоомный резистор 8 предназначен для ограничения тока разряда через тиристор, а разделительный диод 4 предохраняет в этом режиме стабилитроны стабилизатора напряжения от 15 перегрузки током. Возврат тиристора в закрытое состояние происходит автоматически после разряда конденсатора 9· Особенностью схемы включения тиристора в данном устройстве являет-20 ся то, что токоограничивающий резистор 8 включен не последовательно с тиристором, а между выходом выпрямителя (стабилизатора) и разделительным конденсатором. Благодаря 25 этому пультисирующий ток выпрямителя, замыкающийся через тиристор после его открытия, не сглаживается конденсатором, а два раза за период снижается до нуля, чем обеспечивается 30 закрытие тиристора после разряда конденсатора. Таким образом, разрядник на основе тиристора может работать при длительных и многократных повышениях напряжения, надежно защищая ₃₅ разделительный конденсатор от повреждения. В случае повышения напряжения обратной полярности конденсатор 9 шунтируется диодом 5, обеспечивающим защиту стабилитронов.стабилиза- 40 тора напряжения 3 от повреждения.To limit overvoltages, a thyristor 6 with a current-limiting resistor 8 is installed parallel to the capacitor on the isolation capacitor 9, which operates as follows. When the voltage rises to a value determined by the resistance value of the resistor 7 in the control circuit of the thyristor 6 (for example, up to 300 V), the latter opens, shunts the capacitors 9 and passes a current through the discharge circuit, the value of which in all possible modes does not exceed the permissible for this type of thyristor value. The low-resistance resistor 8 is designed to limit the discharge current through the thyristor, and the isolation diode 4 protects the zener diodes of the voltage regulator in this mode from 15 current overloads. The thyristor returns to the closed state automatically after the capacitor is discharged 9. A feature of the thyristor switching circuit in this device is that the current-limiting resistor 8 is connected not in series with the thyristor, but between the output of the rectifier (stabilizer) and the isolation capacitor. Due to this 25, the pulsating current of the rectifier, which closes through the thyristor after it is opened, is not smoothed by the capacitor, but is reduced to zero twice during the period, which ensures 30 closing of the thyristor after the discharge of the capacitor. Thus, the thyristor-based arrester can operate with prolonged and repeated increases in voltage, reliably protecting the ₃₅ isolation capacitor from damage. In the case of an increase in voltage of reverse polarity, the capacitor 9 is shunted by a diode 5, which provides protection of the Zener diodes. Stabilizer-40 of the voltage torus 3 from damage.

Для повышения надежности заземления цепи первичных обмоток трансформаторов напряжения измерительный преобразователь 1 присоединен к шунте 45 10. С целью исключения разрывов цепи заземления первичных обмоток трансформаторов напряжения конденсатор 9 и резистор 10 выполняются из нескольких элементов , соединенных параллельно.To improve the reliability of grounding of the circuit of the primary windings of voltage transformers, the measuring transducer 1 is connected to the shunt 45 10. In order to eliminate breaks in the grounding circuit of the primary windings of voltage transformers, the capacitor 9 and the resistor 10 are made of several elements connected in parallel.

Предлагаемое устройство контроля изоляции и защиты имеет значительно улучшенные параметры в сравнении с известным. 55The proposed device for monitoring insulation and protection has significantly improved parameters in comparison with the known. 55

1. Увеличивается быстродействие и чувствительность защиты.1. Increases the speed and sensitivity of protection.

Вынос измерительного шунта из контура зарядного тока разделительного конденсатора и его установка в объединенном нулевом проводе первичных обмоток трансформаторов напряжения позволяет контролировать ток в цепи заземления нейтрали, отказаться от отстройки защиты по времени и величину от токов заряда, а также получать практически мгновенное срабатывание, независимо от величины переходного сопротивления в месте замыкания .Removing the measuring shunt from the charging current circuit of the isolation capacitor and installing it in the combined neutral wire of the primary windings of the voltage transformers allows you to control the current in the neutral grounding circuit, refuse to tune the protection in time and the magnitude of the charge currents, and also receive almost instantaneous response, regardless of the magnitude transition resistance in the circuit.

2. Повышается точность измерения сопротивления изоляции, благодаря применению стабилизатора напряжения и устранению необходимости учета тока намагничивания разделительного трансформатора, а также обратных токов вентилей выпрямителя, токов утечки изоляции элементов и проводников устройства.2. The accuracy of measuring the insulation resistance is improved due to the use of a voltage stabilizer and eliminating the need to take into account the magnetizing current of the isolation transformer, as well as the reverse currents of rectifier valves, leakage currents of the insulation of the elements and conductors of the device.

3. Повышается надежность.3. Increases reliability.

Использование разрядника многократного действия на основе тиристора предохраняет аппаратуру от повреждений , обеспечивая нормальную работу защиты в переходных режимах и тем самым повышая надежность работы устройства.The use of a multiple action arrester based on a thyristor protects the equipment from damage, ensuring the normal operation of the protection in transient conditions and thereby increasing the reliability of the device.

Съем входного сигнала с измерительного шунта в цепи заземления нейтрали первичных обмоток трансформаторов напряжения позволяет избежать ложного срабатывания защиты в случае пробоя разделительного конденсатора.Removing the input signal from the measuring shunt in the neutral grounding circuit of the primary windings of voltage transformers allows you to avoid false protection in the event of a breakdown of the isolation capacitor.

4. Обеспечивается безопасность работы.4. Safety is ensured.

Использование измерительного преобразователя постоянного тока обеспечивает надежное гальваническое разделение цепей защиты и системы генераторного напряжения.The use of a DC / DC transducer provides reliable galvanic isolation of the protection circuits and the generator voltage system.

5. Упрощается устройство защиты, благодаря сключению аппаратуры,предназначенной для отстройки от токов заряда разделительного конденсатора, поскольку измерительный орган вынесен в цепь заземления нейтрали первичных обмоток трансформаторов напряжения и зарядные токи через него не протекают. Также исключается из устройства высоковольтный разделительный трансформатор, имеющий значительные габаритные размеры.5. The protection device is simplified due to the disconnection of equipment designed to detunate the separation capacitor from the charge currents, since the measuring body is placed in the neutral ground circuit of the primary windings of voltage transformers and charging currents do not flow through it. A high-voltage isolation transformer having significant overall dimensions is also excluded from the device.

Claims (2)

1.Авторское свидетельство СССР К 279758, кл. Н 02 Н 7/06, 1970,1. Author's certificate of the USSR K 279758, cl. H 02 H 7/06, 1970, 2.Авторское свидетельство СССР If 690584, кл. Н 02 Н 3/16, 1977.2. USSR author's certificate If 690584, cl. H 02 H 3/16, 1977.