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CN103080757B - 用于检测接地故障的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测AC电路(1)中的接地故障的装置，该AC电路包括具有连接到中性点(14)和端子侧(13)的电机(10)、以及被连接到电机的端子侧的单元变压器(16)，其中，该装置包括：信号注入单元(20)，具有被连接到电机的端子侧(13)的初级绕组(31)和开口三角形连接的次级绕组(32)的电压互感器(30)，具有次级绕组(49)和被连接到电机的中性点(14)的初级绕组(48)的互感器(40、45)，以及接地故障检测单元(50)。信号注入单元(29)被配置为将信号注入到电压互感器(30)的次级绕组(32)。互感器(40、45)被配置为测量在它的次级绕组(49)处的结果注入信号，并且接地故障检测单元(50)被配置为基于所测量的信号检测接地故障。

Description

用于检测接地故障的设备和方法
技术领域
本发明涉及诸如在AC电力线中连接的发电机、电抗器或电动机等电子设备保护的领域。其涉及用于检测接地故障的装置和方法。其具体涉及检测可能靠近电机的中性点发生的接地故障。
背景技术
被连接到电网络的电机中的接地故障可能对电机的正确操作带来相当大的危险。例如，定子接地故障是发电机受到的最常见的故障类型。它是对于发电机的定子绕组的损坏的最频繁的起因，并且它可以是随后的相间的故障的直接起因。经由接地系统(如阻抗)将电机接地，以限制电机中的机械应力和故障损坏，以限制故障期间的暂态电压，并且以提供用于检测电机中的接地故障的装置。虽然第一接地故障电路可以被忽略并且将不导致立即的损害，但是两个相继的接地故障可能导致不能被接地系统限制的短路电流，该短路电流可能随后导致对电机的严重损坏并且该损坏可能是非常高成本的。
例如，对于三相发电机，通过测量在发电机的中性点处的零序电压实现定子接地保护，这可以提供来自发电机的端子的定子绕组的95％的保护，而靠近中性点的5％的定子绕组不能受到该方案保护。最终用户通常需要针对接地故障的100％的定子绕组保护，这意味着必须保护最后5％的定子绕组。
EP 1 936 393 A1涉及一种用于测量电力设备的阻抗的装置。该装置包括用于将非标称频率的测试信号注入到电力设备的电路中的信号注入单元、用于测量来自注入的测试信号的电量的信号转换单元、以及用于接收测量的电量以便确定电气特性的处理设备。这样的电气特性例如可以用于确定发电机的接地故障。通过使用两个装置，第一和第二装置，可以实现用于确定电力设备的电气特性的冗余。第一装置的第一信号注入单元将第一非标称频率的第一测试信号注入到该设备的第一电路中，并且第二信号注入单元将第二非标称频率的第二测试信号注入到该设备的第二电路中。第一和第二处理设备基于测量的分别从第一和第二信号转换单元接收的电量，计算电气特性。基于由第一处理单元产生的第一输出信号和由第二处理产生的第二输出信号确定输出信号。
在用于发电机接地保护的IEEE指导(IEEE Guide for GeneratorGround Protection)和IEEE标准C37.101中描述了两个方案，这两个方案都提供100％的定子绕组保护。
第一方案基于处于操作中的发电机可能产生三次谐波并且三次谐波可以在发电机的中性点处看起来是零序数量的原理。通过测量中性点和端子处的三次谐波并且比较测量值，可以确定接地故障是否已经发生以及接地故障的位置，即接地故障是否发生在中性点或在端子处。然而，当机器停止时该方案将不工作并且另一个缺点在于该方案依赖于机器的三次谐波的产生，并且事实上不是每个发电机在中性点都产生三次谐波。
第二方案的操作基于注入在与电机在其上操作的基础系统频率不同的频率上的信号。在其中一个子谐波上注入信号。相对应基础频率50Hz或60Hz，典型的值例如可以是12.5Hz或20Hz。通过测量由注入信号引起的子谐波电量的改变，可以检测接地故障。然而，该方案具有对电机的接地系统的依赖，这意味着，该方案的组件和装置相应地改变，例如一个人可以在机器的中性点或端子注入信号。通常电流和电压都必须被测量，这导致高成本的解决方案。
除了接地故障之外，电机还受到其他类型的故障，例如过压、不平衡电流、过热、匝间故障、相间故障等。为了针对各种各样的故障保护电机，提供大量装配有大量测量设备保护系统。例如，通常在电机的中性点提供具有初级绕组和次级绕组的互感器(instrument transformer)，用于测量电压。基于该测量，保护继电器可以相应地启动保护方案。另一个典型的布置是将单元变压器/升压变压器连接到电机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于检测接地故障的简化设备，其克服了现有技术的上述缺点。
由如权利要求1前序部分中所定义的接地检测装置实现该目的，其特征在于，信号注入单元被配置为将信号注入到电压互感器(voltage transformer)的次级绕组，互感器被配置为测量在它的次级绕组上的结果注入信号，并且接地故障保护单元被配置为基于测量的信号检测接地故障。
本发明的操作原理基于如果在中性点或靠近中性点发生接地故障，则测量的结果注入信号将在中性点处减小或者消失，而在正常操作中该注入信号将在中性点处出现。
通过测量并且检查在中性点处的注入信号，可以检测在中性点上或靠近中性点发生的接地故障。这对于定子接地故障的检测特别重要，因为当与已经提及了95％的定子接地故障保护继电器一起使用时其允许100％的定子接地故障保护。
与现有技术的第一方案相比，本发明的一个优点在于本发明甚至可以在即时机器停止也能检测接地故障，因为本发明基于注入信号而不是电机的三次谐波的生成。
在出于其他保护目的而在电路中已经存在互感器和电压互感器中的两个或任意一个的情况中，它们可以分别被配置为注入信号和测量注入信号。在该情况中，本发明与现有技术的第二方案相比具有进一步的优点，因为本发明使得除了那些现有测量仪器之外不需要额外仪器。这允许物有所值的解决方案，特别是例如当受保护机器是小型发电机时。这意味着，重新使用已经存在于网络中的测量导致对于客户成本有效的解决方案。
根据本发明的一个实施方式，该接地故障检测单元还被配置为将所测量的信号与指定阈值进行比较，并且如果所测量的信号低于该阈值，则检测到靠近中性点的接地故障。该接地故障检测单元还可以启动到保护单元的信号，该保护单元可以进一步基于检测的接地故障的严重性启动跳闸信号。
根据本发明的另一个实施方式，该电压互感器被配置为测量在它的次级绕组处的注入信号。该接地故障保护单元被配置为基于来自电压互感器的测量信号和来自互感器的测量信号，检测接地故障。
根据本发明的一个实施方式，该电机的该中性点阻抗接地或者不接地。
根据本发明的一个实施方式，该电机是发动机、电动机或者电抗器中的任意一个并且它的定子绕组Y形连接。
根据本发明的一个实施方式，连接到该中性点的该互感器可以是电压互感器或者配电变压器。
根据本发明的一个实施方式，该注入信号是电压信号或电流信号。随时间变化量注入信号，这意味着注入的信号具有AC波形，例如正弦波、方波。
根据本发明的一个实施方式，其中，在电机操作在基础系统频率上的情况中，该注入信号具有与该基础系统频率不同的频率。
根据本发明的一个实施方式，其中，在该注入信号是电压信号的情况中，该注入信号具有小于2V的电压幅度。
还由如权利要求10中所定义的方法实现本发明。该方法包括步骤：将信号注入到单元变压器的次级绕组，测量在互感器的次级绕组上的结果注入信号，以及基于测量的结果注入信号检测是否已经发生靠近中性点的接地故障。
该方法还包括步骤：将该测量的信号与指定阈值进行比较并且基于该比较结果确定是否存在接地故障。
此外，该方法可以包括步骤：测量在该电压互感器的次级绕组处的该注入信号，并且基于来自该电压互感器的测量的注入信号和来自该互感器的测量的结果注入信号，确定接地故障的位置。
附图说明
现在将通过本发明的不同实施方式的描述并且参考附图更严密地解释本发明。
图1显示了根据本发明的一个实施方式的用于检测发电机的定子绕组的接地故障的装置的示意图。
图2显示了了用于检测电机的接地故障的本发明方法的流程图。
图3示出了本发明的另一个装置的示意图。
具体实施方式
在下文的示例中，本发明用于检测发电机的定子接地故障，并且电压信号被注入电压互感器的次级绕组。然而，本发明不限于注入电压信号，并且电机可以是例如电抗器。
图1显示了包括三相发电机10和单元变压器(unit transformer)20的电路1。该发电机还包括定子绕组12，定子绕组12具有中性点14和被连接到单元变压器的初级绕组的端子13。在该示例中，单元变压器的初级绕组被三角形连接到发电机的端子以便将发电机与网络的外部故障隔离。然而，也能够将单元变压器的初级绕组星形连接。
装置2被配置为检测定子绕组的接地故障并且包括信号注入单元20、电压互感器30、互感器40和故障检测单元50。电压互感器30和互感器40在次级侧具有100-120V的额定值。
将电压互感器30通过它的初级绕组31连接到定子绕组的端子13，而它的次级绕组32是开口三角形连接，并且电阻器35被跨接到次级绕组32的两端。信号注入单元被连接到电压互感器30的次级绕组32并且被配置为生成这样一种信号，其中继而经过连接通道34将该信号注入互感器30的次级绕组32。
将定子绕组的中性点14被连接到互感器40的初级绕组48并且经由电阻器42被阻抗接地，该电器器42跨互感器的次级绕组49连接以将定子绕组的中性点接地，这是ANSI调节系统中最普通的配置。该电阻器被适配为将接地故障值限制为在定子中发生接地故障的情况中对于发电机定子绝缘安全的值。该限制典型地在3-25A的范围中。
虽然在该方案中，基于阻抗接地系统将机器接地，但是本发明不限于该接地系统。其还适用于在不存在接地系统或者当使用主接地系统时的情况中。这意味着，本发明可应用于电机而不管它的接地系统是什么，并且总是如所推荐的从电机的端子侧注入信号并且在中性点进行测量，这与现有技术的第二方案相反。
更精确地说，电压互感器45用于将定子中性点中的电压向下变换到可测量的值。出于同样的目的，可以改为使用配电变压器来代替电压互感器。在该情况中，配电变压器在次级侧具有高达240V的额定值。
此外，通过连接44，在互感器45的次级绕组处测量注入信号的响应，并且将该响应进一步传送到接地故障检测单元，该接地故障检测单元被配置为将测量信号与指定阈值比较并且确定靠近该定子绕组的中性点是否已经发生接地故障。在全部正常操作条件期间，将存在中性点中的注入信号。在接地故障的情况中，注入信号的响应将减小并且最终在中性点14处消失，并且因此还将减少并且在互感器45的次级绕组处消失。
为了检测该接地故障并且对于电机提供针对接地故障的保护，可以使用简单的欠压保护功能，该欠压保护功能可以位于与电压互感器45相同的地方。定子绕组的其他部分中的故障将被检测并且受到标准95％定子接地故障保护的保护，以提供例如对于发电机的定子绕组针对接地故障的100％的保护。
图3显示了本发明的另一个实施方式的示意图，其中，电压互感器30进一步被配置为经由连接36测量在它的次级绕组处的注入信号。分别在电压互感器30和电压互感器45处测量注入信号，并且将该注入信号传送到故障检测电路50。故障检测电路50被配置为监管并且比较测量信号。通过比较在端子和中性点处的测量信号，检测单元可以通过确定故障的接地电阻确定是否存在接地故障。
图2是用于示出检测电路中单元连接的电机的接地故障的创造性方法的流程图。
步骤100，该方法通过将信号注入电压互感器的次级绕组开始。在最简单的情况中注入信号可以是正弦信号。但是注入信号也可以具有包括具有一个主导频率的多个频率的任意其他合适的形状，例如矩形脉冲信号。在电机在基础频率上操作的情况中，将在不同的频率上注入信号。该频率可以被选择为与电机中出现的任意其他谐波异步，因而当分析该信号时该频率可区分并且容易地从该信号的频谱摘选该频率。例如，所选择的频率可以在基础频率的1.6-1.9倍的范围中。优选地，注入信号将是电压信号并且具有小于2V、优选地在0.5V到2.0V范围内的幅度。
在下一个步骤110中，测量在被连接到中性点的互感器的次级绕组处的结果注入信号。此外，步骤120，测量在电压互感器的次级绕组处的注入信号。步骤130，将在互感器的次级绕组处测量的结果注入信号与指定阈值进行比较，或者可替换地步骤130’，与在被连接到电机的端子侧的电压互感器的次级绕组处的测量的注入信号进行比较。
步骤140如果该比较显示测量的结果注入信号低于该阈值，或者可替换地测量的结果注入信号减小而在端子侧测量的注入信号增加，则检测到靠近中性点处的接地故障。在检测到接地故障之后，可以启动跳闸信号，并且将由断路器将电机与电路断开。

Claims (12)

1.一种用于检测AC电路(1)中的接地故障的装置(2)，所述AC电路(1)包括：
-电机(10)，具有中性点(14)和端子侧(13)，以及
-被连接到所述电机的所述端子侧的单元变压器(16)，
其中，所述装置包括：信号注入单元(20)，具有被连接到所述电机的所述端子侧(13)的初级绕组(31)和开口三角形连接的次级绕组(32)的电压互感器(30)，具有次级绕组(49)和被连接到所述电机的所述中性点(14)的初级绕组(48)的互感器(40、45)，以及接地故障检测单元(50)，其特征在于：
-所述信号注入单元(20)被配置为将信号注入到所述电压互感器(30)的所述次级绕组(32)，
-所述互感器(40、45)被配置为以电压形式测量在它的次级绕组(49)处的结果注入信号，并且
-所述接地故障检测单元(50)被配置为基于所测量的信号检测接地故障。
2.如权利要求1所述的装置，其中，接地故障检测单元还被配置为将所测量的结果注入信号与指定阈值进行比较，并且如果所测量的结果注入信号低于所述阈值，则检测到靠近所述中性点的接地故障。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述电压互感器(30)被配置为测量在它的次级绕组(32)处的所述注入信号，所述接地故障检测单元(50)被配置为基于来自所述电压互感器(30)的所测量的注入信号和来自所述互感器(40)的所测量的结果注入信号，检测接地故障。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述电机的所述中性点阻抗接地或者不接地。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述电机是发电机、电动机或者电抗器中的任意一个并且它的定子绕组Y形连接。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述互感器是电压互感器或者配电变压器。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述注入的信号是具有AC波形的电压信号或电流信号。
8.如权利要求1所述的装置，其中，当所述电机操作在基础系统频率上时，所述注入的信号具有与所述基础系统频率不同的频率。
9.如权利要求1所述的装置，其中，在所述注入的信号是电压信号的情况中，所述注入的信号具有小于2V的电压幅度。
10.一种用于检测电路中的接地故障的方法，所述电路包括：
-电机，具有中性点和端子侧，
-被连接到所述电机的所述端子侧的单元变压器，
-电压互感器，具有被连接到所述电机的所述端子侧的初级绕组和开口三角形连接的次级绕组，以及
-互感器，具有次级绕组和被连接到所述中性点的初级绕组，
其特征在于，所述方法包括步骤：
-将信号注入到所述电压互感器的所述次级绕组(100)，
-以电压形式测量在所述互感器的所述次级绕组上的结果注入信号(110)，以及
-基于所测量的结果注入信号，确定在所述中性点处是否发生接地故障(140)。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述方法还包括步骤：将所测量的信号与指定阈值进行比较，并且基于所述比较的结果确定是否存在接地故障(130、140)。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述方法还包括步骤：测量在所述电压互感器的所述次级绕组处的所述注入信号(120)，并且基于来自所述电压互感器的所测量的注入信号和来自所述互感器的所测量的结果注入信号，确定接地故障的位置(130’、140)。
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