CN103314302A

CN103314302A - 增强旋转电机上的发电机接地故障检测的可靠性的方法和设备

Info

Publication number: CN103314302A
Application number: CN2011800654664A
Authority: CN
Inventors: H·约翰逊; J·梅尼斯; S·罗克生博格; T·本特森
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: EP2678699A1; WO2012113440A1; EP2678699B1; CN103314302B; US20130335097A1; RU2539098C1; ES2480967T3; US9018960B2

Abstract

本发明涉及一种用于基于信号注入方案增强发电机接地故障检测可靠性的方法，其中所述发电机包括绕组。所述方法包括以预定义频率向绕组注入测试信号(100)，测量由所注入测试信号引起的绕组中的响应信号的电量(110)，以及基于所测量的电量的值检测接地故障(150)。所述方法进一步包括持续确定响应信号的频率(120)，以及当所确定的频率偏离预定义频率第一阈值时(135)，丢弃对应于所确定频率的当前测量值(140)。

Description

增强旋转电机上的发电机接地故障检测的可靠性的方法和设备

技术领域

本发明涉及检测旋转电机中的接地故障的领域，其中电机包括绕组。接地故障检测基于向电机的绕组注入测试信号。特别地，本发明涉及在具体但常见的情形下增强该方法的可靠性。

背景技术

连接至电网的旋转电机中的接地故障可能会对电机的持续工作造成相当大的危险。虽然靠近中心点的单个接地故障可能不会对电机造成立即的危险，但是下一次接地故障的出现将会产生能够引起严重损坏的大循环电流。为了限制靠近端子处的单个接地故障处的接地电流，电机常常通过阻抗器件接地以限制机械应力和热应力，从而减低给电机带来的损害。这样的接地系统通常用于提供用于检测电机内的接地故障的器件。

用于提供对接地故障的保护的现有方法之一是基于信号注入，其中以不同于旋转电机工作的基础系统频率的频率注入测试信号。通过测量所测量的由注入信号引起的电量(例如电流和/或电压)的变化，可以估算到地电位的阻抗，并且基于所估算的阻抗可以检测接地故障。然而，电机产生谐波，其在加速和减速期间可能与注入信号的频率一致。一致导致不可靠的测量以及因此不可靠的阻抗估算。因而，可能会进行在电机启动和/或停机期间的误保护操作。

US5508620描述了一种用于检测电机导体上的接地故障的方法，其中所测量的信号在数值上进行评估。这意味着接地故障电阻使用所注入的电压和所测量的电流在评估单元中直接计算。然而，只有当注入电压为注入频率为唯一来源时，这种测量原理才可靠。因而，必须持续测试系统以确定所注入的信号是否被评估所破坏，同样在注入的周期性暂停期间。

CN101414744中描述了一种可替换方案，其中由于在发电机加速和减速期间的干扰信号造成的注入信号失真通过以两种不同频率注入测试信号得以避免。首先，检测发电机工作频率；当发电机工作频率大于10Hz并且小于40Hz时，采用100Hz注入功率频率；当发电机工作频率不大于100Hz或不小于40Hz时，采用10Hz注入功率频率。通过使用双频率注入，该方法能够消除在加速和减速期间发电机产生的信号影响。然而，该方案相当复杂，并且需要特别的硬件和连接。另外，该系统需要能在两种频率下工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于在具体但常见的情形下检测旋转电机中的接地故障的增强方法。

该目的通过权利要求1所限定的方法实现。该方法包括以预定义的频率向绕组注入测试信号，测量由所注入的测试信号引起的绕组中的响应信号的电量，持续确定响应信号的频率，当所确定的频率偏离预定义的频率第一阈值时，丢弃对应于所确定频率的当前测量值，以及基于所测量的电量值，确定接地故障。

通过监测所确定的响应信号的频率与所注入的信号的频率的偏移，本发明能够检测电机产生的谐波频率何时接近所注入信号。由于该事实，本发明使得有可能识别在加速和减速期间，电机产生的谐波的干扰。另外，对应于所确定的响应信号频率的测量值将会被阻止，并且不用于检测接地故障。以这种方式，本发明能够在某些具体但常见的情形下提供接地保护，例如在电机启动和停机期间，而不需要进行误操作保护。从而，本发明增强了这种基于信号注入的接地故障检测方法的可靠性。

一般来说，第一阈值应当尽可能小，并且最小的大小受可以确定的频率的精度限制。更准确的频率估算通常需要花费更长时间，这在加速或减速的情形下意味着将会有由加速或减速变化率确定的最佳确切频率估算。

优选的，第一阈值在5-100mHZ范围中。有利地，即使对于微小偏移，也检测所确定的响应信号频率和预定义频率之间的偏移，这样将会最小化可能的错误。

在本发明的各种实施例中，所测量的电量可以是电流或者电压。这意味着接地故障检测可以基于所测量的电流或电压值。可替换的，该方法可以进一步包括基于所测量的第一电量值估算另一电量的值，例如，可以基于所测量的电流或电压值估算阻抗值，以及从而可以基于所估算的阻抗值检测接地故障。

本发明的目的还通过权利要求6所限定的设备实现。这种设备包括信号注入单元，被配置用于以预定义频率向电机的绕组注入测试信号，测量装置，被配置用于测量由所注入的测试信号引起的绕组中响应信号的电量，以及故障检测单元，被配置用于基于所测量的电量的值检测接地故障。另外，故障检测单元被配置用于持续确定响应信号的频率，并且当所确定的频率偏离预定义频率第一阈值时，丢弃对应于所确定频率的当前测量值。

附图说明

通过本发明的不同实施例的描述并且参考附图，将更仔细地解释本发明。

图1示出根据本发明的一个实施例的、用以通过注入增强旋转电机的接地检测的可靠性的所发明的方法的流程图。

图2图示用于对具有带有绕组的定子的发电机提供接地保护的设备的示意图，其中测试信号可以注入到不同的点中。

图3a-c图示根据本发明的三个实施例的图2的设备的示意图。

具体实施方式

参考图2，设备2被布置用于检测三相发电机10的定子绕组的接地故障。

虽然图2所例示的为发电机，但是应当理解，本发明也可应用于其他类型旋转电机，例如电动机。

发电机10包括具有中性点14和端子13的定子绕组12，端子13连接至单元变压器16的初级绕组。

在该示例中，单元变压器16的初级绕组18三角形连接至发电机的端子，以将发电机与网络的外部故障隔离开。中性点14通过配电变压器40的初级绕组48连接至配电变压器40。配电变压器40被布置用于对设备2提供测量。发电机还通过放置在配电变压器的次级绕组49两端之间的中性电阻器42在中性点14处阻抗接地。设备通过连接点8和9连接至中性电阻器42，以获取各种测量。

中性电阻器42适于将接地故障电流限制于如下值，该值在定子中发生接地故障的情况下限制发电机定子损坏。该限制典型的在3-25A范围内。

替代将中性电阻器42放置在变压器的次级绕组49的两端之间，图2图示出第二可能位置，由虚线42’所表示。在该情形下，连接至电阻器42’的变压器为配电变压器，在图2中由30表示，其中它的次级绕组为开口三角形连接。该位置建立了另一注入点。在这种情况下，中性电阻器42’将被连接至配电变压器30的次级绕组32的两端，配电变压器30通过其初级绕组31连接至定子绕组的端子13。然而，还有可能将中性电阻器放置在其他位置，例如由42”表示的位置。在该情形下，变压器30将为用于测量零序电压的电压变压器。

参考图3a-c，设备2包括信号注入单元20、测量及故障检测单元50。信号单元20被布置用于产生电流或电压形式的测试信号。通过连接点8和9向变压器40的次级绕组49注入所产生的测试信号，在关于图1的步骤100处。另外，使用与系统频率不同的频率注入测试信号。

在任一上述情形中，在步骤100处，变压器40、30被配置用于测量响应信号的电量。所注入信号的响应通过连接点8和9在变压器40、30的次级绕组处被测量。测量结果进一步被传送给测量及故障检测单元50。所测量的电量可以是电流或电压中的一个，或者两者。

在步骤120处，测量及故障检测单元50被配置用于确定响应信号的频率。步骤135，当所确定的频率偏离第一预定义阈值时，步骤140处，丢弃当前测量的值。因此，防止发电机产生的谐波所引起的干扰被用于检测接地故障。第一预定义阈值在5-100mHz范围内，使得即使对于非常小的偏离，检测也被阻止。

在发电机的加速或减速期间，总是有有限的机会，其中在干扰信号处于阈值之内的时刻执行测量。在这种情形中，检测不到干扰，并且存在误保护操作的风险。然而，大型电机需要一些时间启动和停机，这使得可能在干扰信号进入阈值区域之前检测频率偏离。从而，为了避免误动作，应当在已经检测到干扰信号之后阻止接地保护功能短的时间间隔。该时间间隔可以通过由阈值定义的频率窗和额定频率乘以最长启动或停机时间之间的比值确定，从而在该时间间隔之后，发电机频率必定处于阈值窗之外。

在另一极端情形下，发电机可能启动或停机非常迅速，以至于与测量间隔相比，在检测频率干扰的区域中花费非常短的时间。偶尔，有可能当频率偏离在阈值之内时执行测量。这将会给出错误读数，并且没有干扰指示，由此存在误动作的可能。为了避免误动作，因此需要至少两个连续的测量结果指示故障。由于需要发电机非常迅速地改变速度，以让该情形成为可能，在下一次测量时将不会有干扰。

如图1所示，始终监控频率偏离，由于防止了其他扰动引起的误保护动作，这成为进一步的优势。这样的扰动可能来自电力系统并触发频率偏离，以及因此导致发起误保护动作的风险。

步骤150，测量及故障检测单元进一步被配置用于基于电量的测量值确定接地故障。

图3a，3b和3c示出本发明设备的三个实施例2a、2b和2c的示意图。在所有实施例中，信号注入单元20被配置用于通过连接26和25注入测试信号。然而，可以以多种方式获得结果响应信号的测量。

应当理解，图3a-c图示了三个可能的示例，可以知道另外的变形。例如，可能具有不同的注入和测量连接点。

图3a图示了在连接22和23之间测量结果响应信号的电压。这意味着接地故障检测基于22和23之间的电压差的测量值。当接地故障发生处，电压下降。然而，在所测量的电压的频率偏离预定义频率第一阈值的情形下，电压的测量值将不会被用于检测接地故障。

接地故障检测可以基于如图3b所图示的电流测量，其中在注入单元20的输出和9之间建立分流器，作为电阻器6。因此，通过测量分流器6上的电压降，或者连接点24和23之间的电压差，能够获得电流测量。在接地故障发生时，电流增大。

图3c为图3a和3b的组合。这意味着接地故障检测能够基于从测量的电流和电压值导出的计算值。例如，可以基于测量的电流和电压值计算阻抗值。例如，可以如下估算故障阻抗Z_fault：

\frac{1}{Z_{fault}} = \frac{1}{Z_{m}} - \frac{1}{Z_{ref}}

其中，Z_m为基于测量的电流和电压所计算的阻抗值，并且Z_ref为参考电压。通过将所估算的故障阻抗Z_fault和第二预定义阈值进行比较，可以确定接地故障。一般来说，当发电机处于正常状态，该故障阻抗大，而在接地故障期间，故障阻抗下降至接近零。

Claims

1.一种用于通过注入检测旋转电机中的接地故障的方法，其中所述电机包括绕组，并且所述方法包括：

-以预定义频率向所述绕组注入测试信号(100)，

-测量由所注入的测试信号引起的所述绕组中的响应信号的电量(110)，以及

-基于所测量的所述电量的值检测接地故障(150)，

其特征在于，所述方法进一步包括：

-持续确定所述响应信号的频率(120)，以及

-当所确定的频率偏离所述预定义频率第一阈值时(135)，丢弃对应于所确定的频率的当前测量值(140)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中基于所确定的频率的精度定义所述第一阈值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一阈值在5-100mHz范围中。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所测量的电量为电流或电压中的任一个。

5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括基于所测量的第一电量的值估算第二电量的值，以及基于所估算的所述第二电量的值检测接地故障。

6.一种用于通过注入检测旋转电机中的接地故障的设备(2)，其中所述电机(1)包括绕组，并且所述设备包括：

-信号注入单元(20)，被配置用于以预定义频率向所述电机的所述绕组注入测试信号，

-测量装置(50)，被配置用于测量由所注入的测试信号引起的所述绕组中的响应信号的电量，以及

-故障检测单元(50)，被配置用于基于所测量的所述电量的值检测接地故障，

其特征在于，所述故障检测单元(50)进一步被配置用于

-持续确定所述响应信号的所述频率，以及

-当所确定的频率偏离所述预定义频率第一阈值时，丢弃对应于所确定的频率的当前测量值。

7.根据权利要求6所述的设备，其中基于所确定的频率的精度定义所述第一阈值。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一阈值在5-100mHz范围中。

9.根据权利要求6所述的设备，其中所测量的电量为电流或电压中的任一个。

10.根据前述权利要求6至9中任一项所述的设备，所述故障检测单元进一步被配置用于基于所测量的第一电量的值估算第二电量的值，并且基于所估算的所述第二电量的值检测接地故障。