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CN110970872B - 用于基于注入的接地故障保护处理的装置 - Google Patents

用于基于注入的接地故障保护处理的装置 Download PDF

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CN110970872B
CN110970872B CN201910635083.4A CN201910635083A CN110970872B CN 110970872 B CN110970872 B CN 110970872B CN 201910635083 A CN201910635083 A CN 201910635083A CN 110970872 B CN110970872 B CN 110970872B
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transformer
impedance
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neutral point
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T·本特森
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Abstract

本发明涉及一种用于基于注入的接地故障保护处理的装置，该装置包括：电机(10)的多个定子绕组(12A，12B，12C)，该多个定子绕组(12A，12B，12C)连接到中性点(NP)；第一变压器(TR1)，包括至少一个初级绕组，该至少一个初级绕组连接到定子绕组(12A，12B，12C)的至少一个测量点(NP)；以及至少一个次级绕组，用于测量电机在测量点处的电气量。还存在第二变压器(TR2)，第二变压器具有初级绕组和次级绕组，该初级绕组连接在中性点(NP)与接地电势之间，该次级绕组用于连接到信号发生和检测单元(16)，以便将信号注入到中性点(NP)并且接收响应。第二变压器(TR2)的阻抗在电机(10)的阻抗的范围内。

Description

用于基于注入的接地故障保护处理的装置
技术领域
本发明涉及电机的故障处理。本发明更具体地涉及一种用于这种电机的基于注入的接地故障保护处理的装置。
背景技术
诸如发电机之类的电机可能在定子绕组中遭受接地故障。
发电机的中性点通常经由阻抗而被连接到地，以在定子接地故障的情况下限制电流，因为这种电流可能熔化定子的铁芯。该阻抗是接地阻抗，该接地阻抗可以附加地用于测量。然而，如果存在两个接地故障，则无论如何，大的电流都可以在定子中循环。因此，因为第二接地故障可能是灾难性的，所以知道定子是否具有一个接地故障很重要。通过使用变压器或在绕组的某个其他点处测量中性点电压，可以在绕组的主要部分中检测在服务中的这些故障。在文献中，这通常被称为95％定子接地故障保护。如果阻抗被直接连接到中性点(IEC接地)，则该变压器可以是低功率电压变压器，或者如果阻抗被连接到变压器的低压侧(ANSI接地)，则该变压器可以是更高功率的配电变压器。还可以采用ANSI接地的变型，诸如以采用用于创建针对测量的虚拟中性点的“开口三角形(open-delta)”连接方案来将三相变压器连接到绕组的其他点(例如，连接到三个定子连接端子)。
这类保护很快，已经被证明是可靠的，并且用于大多数发电机。
然而，存在的问题就是无法检测到接近中性点的接地故障。
基于注入的接地故障保护是一种即使发电机定子接地故障接近中性点也能检测到它们的方法。根据该方法，这通过将测试信号注入发电机中性点或另一注入点、并且通过测量电流以及还可能测量所注入的电压、估计对地电阻(resistance to ground)来实现。当基于注入的接地故障保护与95％定子对地保护相结合时，可以在所有操作条件下、甚至在静止状态下检测绕组的任何位置中的发电机定子接地故障。然而，基于注入的保护比95％保护更慢且更复杂，这意味着基于注入的保护和95％保护两者可能都需要。
US2011/0085272中公开了用于上文所提及的方案的基于注入的接地故障保护。在该文档中，存在根据三种方案而被连接到电机的绕组的注入变压器。还存在与注入变压器一起设置的电流变压器，该电流变压器被放置为与注入变压器所使用的接地电阻相邻。
可以在US5739693中找到执行基于注入的接地故障保护的另一方式，其中注入变压器跨第一电阻被连接，而测量变压器跨第二电阻被连接，该第一电阻和第二电阻在地与电机的三个定子绕组的中性点之间串联连接。
可以在US2009/0160454中找到又一示例，其中电势电压变压器在接地电势与多个定子绕组的中性点之间注入信号，并且响应被不同放置的测量部件所检测到，该测量部件可以是电流变压器或Rogowski线圈。
此外，Rajeswari,Faculty of Electrical Engineering,Anna University:Chennai,June 2009的论文“A comparative study of wavelet based computationalintelligence techniques for the protection of parallel transmission lines,synchronous generators and power transformers”对经由中性点将信号注入到定子绕组进行了讨论。
在基于注入的接地保护方案的一个特定版本中，在变压器的低压侧上测量注入的电压和电流，并且校准过程使得可以估计从诸如中性点之类的注入测量点到地的阻抗。这种保护适用于除直接接地之外的所有类型的发电机接地方法，直接接地由于上述原因而并不常见。
上述各种接地保护方案通常都能很好地工作。然而，每个不同的连接方案可能在阻抗确定方面具有可靠性问题。
因此，感兴趣的是获得一种改进，该改进在于独立于所使用的连接方案而获得的阻抗确定的质量。例如，期望获得针对IEC和ANSI接地两者的良好结果。
本发明涉及这种改进。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供在基于注入的接地故障保护期间独立于所使用的连接方案的确定阻抗中的改进质量。
该目的通过一种用于基于注入的接地故障保护处理的装置来实现，该装置包括：
电机的多个定子绕组，该定子绕组连接到中性点；
第一变压器，包括至少一个初级绕组和至少一个次级绕组，该至少一个初级绕组连接到定子绕组的至少一个点，该至少一个次级绕组用于测量电机在第一变压器的测量点处的电气量；以及
第二变压器，具有初级绕组和次级绕组，该初级绕组连接在中性点与接地电势之间，该次级绕组用于连接到信号发生和检测单元，以便将信号注入中性点并且接收响应，
其中第二变压器的阻抗在电机的阻抗的范围内。
电机的阻抗是固有电机对地阻抗，该阻抗又可以主要是电容性的并且包括定子绕组对地的电容。
第二变压器的阻抗是绕组阻抗。当次级侧被短路时，它可以是从初级侧看到的阻抗。
第二变压器的阻抗可以有利地在电机的阻抗的0.25倍至4倍的第一范围内。
第二变压器可以是控制电力变压器。控制电力变压器被理解为额定功率为几kVA(诸如5至10kVA)的变压器，其中初级侧可以被设计为用于kV范围(诸如15至25kV)内的电压，并且次级侧可以被设计为用于数百伏的范围(诸如100至240V)内的电压。
第一变压器又可以是配电变压器或电压变压器。电压变压器是专为电压测量目的而设计的变压器，并且可能只需要足以驱动次级侧测量设备的功率。它的额定功率可以为大约50至200VA，其中初级侧的设计由预期用途决定，并且次级侧可以被设计为用于数百伏的范围内的电压，诸如110V。配电变压器应当理解为额定功率在50至200kVA范围内的变压器。配电变压器可以具有低压侧和高压侧，该低压侧被设计为用于数百伏的范围(诸如100至240V)内的电压，该高压侧被设计为用于kV范围(诸如3至30kV)内的电压。
更进一步地，该装置可以包括信号发生和检测单元，该信号发生和检测单元连接到第二变压器的次级绕组。该信号发生和检测单元可以更具体地被配置为：注入信号，检测响应并且确定中性点处的对地阻抗。
该装置还可以包括电气量检测单元，该电气量检测单元连接到第一变压器的至少一个次级绕组，以用于检测测量点的电压和/或电流。
该装置还可以包括连接到第一变压器的接地阻抗、诸如接地电阻。接地阻抗在这里用于测量测量点的电压和/或电流。
接地阻抗可以连接到第一变压器的至少一个次级绕组。作为备选，接地阻抗可以连接在中性点与接地电势之间，并且第一变压器的初级绕组可以与接地阻抗并联连接。在后一情况下，第二变压器的初级绕组也可以与接地阻抗并联连接。
测量点可以是中性点，在这种情况下，第一变压器的一个初级绕组可以连接在中性点与接地电势之间，以及与第二变压器的初级绕组并联连接。
备选地，第一变压器可以包括多个初级绕组，每个初级绕组连接到对应的定子绕组。在这种情况下，接地阻抗可以与第一变压器的对应数目的次级绕组一起连接在闭合路径中。在这种情况下，测量点可能是通过第一变压器的连接而形成的虚拟中性点。
第一变压器的初级绕组可以根据多种连接方案中的一种连接方案而被连接到定子绕组。
当存在多种连接方案时，这些方案可以包括：
第一连接方案，其中测量点是中性点，接地阻抗连接在中性点与接地电势之间，第一变压器包括一个初级绕组和一个次级绕组，其中第一变压器的初级绕组与接地阻抗并且与第二变压器的初级绕组并联连接；
第二连接方案，其中测量点是中性点，第一变压器包括一个初级绕组和一个次级绕组，该初级绕组在中性点与接地电势之间与第二变压器的初级绕组并联连接，并且第一变压器的次级绕组连接到接地阻抗；
第三连接方案，其中第一变压器包括：多个初级绕组，每个初级绕组连接到对应的定子绕组；以及对应数目的次级绕组，该对应数目的次级绕组与接地阻抗一起连接在闭合路径中，并且测量点是通过第一变压器的连接而形成的虚拟中性点；以及
第四连接方案，其中测量点是中性点，第一变压器包括：一个初级绕组，该初级绕组仅在中性点与接地电势之间与第二变压器的初级绕组并联连接；以及次级绕组，该次级绕组以这样的方式连接到电气量检测单元，使得初级绕组在中性点与接地电势之间插入与电气量检测单元的阻抗成比例的阻抗，从而使得中性点浮动。
在第四连接方案中，由第一变压器插入的阻抗可以比定子的阻抗高至少100倍、并且有利地高至少1000倍。所插入的阻抗可以是例如大约100MΩ，并且定子阻抗可以是大约1kΩ。
因此，实际使用的连接方案可以是上文所提及的组中的方案。然后，该方案组还可以由第一连接方案、第二连接方案、第三连接方案以及第四连接方案组成。
该连接方案还可以被认为是接地连接方案，因为它们都涉及在定子绕组与接地电势之间连接第一变压器。
信号发生和检测单元可以被配置为以相同的方式注入信号、检测响应并且确定中性点处的阻抗，而与所使用的连接方案无关。因此，信号发生和检测单元的性能也将是相同的，而与所使用的连接方案无关。
本发明具有多个优点。无论使用哪种连接方案，它都能提供可靠的接地故障保护。因此，实现了独立于所使用的连接方案的增加的可靠性。因此，在仍然使用特定连接方案的同时，还可以实现增加的可靠性，在连接方案作为要求的情况下，这是有利的。
应当强调，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)/(comprising)”用于指定所陈述特征、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、组件或它们的组。
附图说明
现在将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中：
图1示意性地示出了用于基于注入的接地故障保护处理的装置的第一实施例，
图2示出了用于基于注入的接地故障保护处理的装置的第二实施例，
图3示意性地示出了用于基于注入的接地故障保护处理的装置的第三实施例，以及
图4示出了用于基于注入的接地故障保护处理的装置的第四实施例。
具体实施方式
可以针对多个电相来提供诸如发电机或电动机之类的电机，在这种情况下，电机具有多个定子绕组和对应数目的转子绕组。
定子绕组可以连接到中性点。
如上文所提及的，中性点通常具有对地阻抗，以在定子接地故障的情况下限制电流，因为这种电流可能熔化定子的铁芯。然而，如果存在两个接地故障，则无论如何，大的电流都可以在定子中循环。因此，因为第二接地故障可能是灾难性的，所以知道定子是否具有一个接地故障很重要。通过使用变压器来测量中性点电压，可以在绕组的主要部分中检测到在服务中的这些故障。
附加地，可以通过经由变压器将具有特殊频率的信号注入到绕组中来检测故障，并且使用响应来测量定子绕组的故障对地阻抗。在当今的定子注入保护中，固定测试信号通常从相应变压器的低压侧通过电压变压器(VT)或配电变压器(DT)而被注入。电压变压器应当被理解为仅为电压测量目的而设计的变压器，并且可能仅需要足以驱动次级侧测量设备的功率。它的额定功率可以是大约50至200V，其中初级侧的设计由预期用途决定，并且次级侧可以被设计为用于数百伏的电压，诸如110V。配电变压器应当被理解为额定功率在50至200kVA范围之内的变压器。配电变压器可以具有低压侧和高压侧，该低压侧被设计为用于数百伏的范围(诸如100至240V)内的电压，该高压侧被设计为用于kV范围(诸如3至30kV)内的电压。
如果阻抗被直接连接到中性点(IEC接地)，则变压器可以是低功率电压变压器，或者如果阻抗被连接到变压器的低压侧(ANSI接地)，则变压器可以是更高功率的配电变压器，其中IEC接地是用于第一变压器的第一类型连接方案，而ANSI接地是用于变压器的第二类型连接方案。本文中，IEC是国际电工委员会的缩写，而ANSI是美国国家标准协会的缩写。
此外，存在其他类型的连接方案。在第三类型连接方案(其也是ANSI接地方案的变型)中，配电变压器是以“开口三角形”连接被连接到定子绕组的三相变压器，其中创建虚拟中性点以用于进行测量。
第四连接方案是第一连接方案的变型，然而，无需使用接地阻抗并且中性点浮动。
当使用这些类型的连接方案时，可能出现关于定子对地故障的检测的可靠性的问题。
在第一类型方案中，主要问题源似乎是电压变压器。它们通常具有与发电机阻抗串联的高的绕组阻抗，并且该绕组阻抗通常超过10倍。因此，只有非常小部分的注入信号可以穿透VT并且感测定子绕组。这意味着只有一小部分测量信号包含关于发电机阻抗的信息。在存在问题并且几乎不可接受的一些情况下，只有2％的信号是有用的。除了噪声和测量精度的明显问题之外，这一事实还使得测量对用于VT的磁化电流改变敏感。附加地，已经发现VT特性变化很大，并且难以预先估计所提出的安装是否存在问题。通过注入更多电流可以改善这种情况，但VT构造强制施加限制(VT次级绕组的最大热额定值通常小于4A)。因此，对于具有VT接地的所有适用电机、例如同步电机，故障对地电阻的估计并不好且不太可靠。
在第二类型方案和第三类型方案中，对于高压发生器，出现的主要问题在于中性点或虚拟中性点阻抗可能极其小，低于0.1Ω，甚至低于60mΩ。这导致注入变压器上的电压非常低，并且因此信噪比较低。因此，需要大约数十安培量级的大量电流，以便使用注入的信号穿透DT并且感测定子绕组。即使配电变压器的绕组阻抗显著低于VT的绕组阻抗，该阻抗也会进一步降低测量精度。
在第四类型方案中，只能经由中性点测量电压。
因此，对于具有任何接地的所有适用电机、诸如同步电机，故障对地电阻的估计并不好且不太可靠。
而且，ANSI和IEC接地方案在许多情况下是事实上的用以接地定子绕组的工业标准方法。
鉴于上文已经描述的内容，需要改进测量的可靠性。而且，如果能够对所有上述连接方案实现这种改进(即，在仍然满足定子的特定连接要求的同时)，则这将是理想的。
本发明的各方面涉及这些问题。
这通常通过提供用于基于注入的接地故障保护处理的装置来解决，该装置包括电机的多个定子绕组，其中定子绕组连接到中性点。该装置还包括第一变压器，该第一变压器包括至少一个初级绕组和至少一个次级绕组，至少一个初级绕组连接到定子绕组的至少一个点，至少一个次级绕组用于测量电机在第一变压器的测量点处的电气量。该装置还包括第二变压器，该第二变压器具有初级绕组和次级绕组，该初级绕组连接在中性点与接地电势之间，该次级绕组用于连接到信号发生和检测单元，以便将信号注入中性点并且接收响应。在该装置中，第二变压器的阻抗也在电机的阻抗的范围内。
更进一步地，第一变压器的所有初级绕组可以根据多种连接方案中的一种连接方案而被连接到定子绕组的所述至少一个点。
图1示意性地示出了根据第一连接方案的用于基于注入的接地故障保护处理的装置的第一实施例。该装置包括电机10，电机10具有多个定子绕组12A、12B和12C。在这里给出的示例中，定子绕组的数目是三，并且电机10是发电机。应当认识到，定子绕组的数目可以更多或更少。电机还可以是电动机。这里重要的是，电机的阻抗是固有电机对地阻抗。该电机阻抗又主要是电容性的并且包括定子绕组对地的电容。
三个定子绕组12A、12B和12C以Y形配置连接，使得在定子彼此连接的交叉点处存在中性点NP。因此，每个定子绕组12A、12B和12C的第一端连接到中性点NP，而定子12A、12B和12C的第二端经由对应的连接端子而被连接到另外的设备。作为示例，每个定子绕组可以连接到升压变压器的相应初级绕组。
中性点NP经由接地连接路径而被连接到接地电势。
该装置还包括第一变压器TR1和第二变压器TR2。该第一变压器TR1包括至少一个初级绕组和至少一个次级绕组，至少一个初级绕组连接到定子绕组，至少一个次级绕组用于测量电机的特性。在该第一实施例中，第一变压器是单相变压器。因此，只有一个初级绕组和一个次级绕组。
第二变压器TR2同样是单相变压器。第二变压器TR2具有初级绕组和次级绕组，初级绕组连接在中性点NP与接地电势之间，次级绕组用于连接到信号发生和检测单元16。因此，该信号发生和检测单元16可以连接到第二变压器TR2的次级绕组。在第一实施例的一些变型中，信号发生和检测单元16被包括在该装置中，而根据一些其他变型，信号发生和检测单元16被排除在外。然而，如果单元16未被包括，则在操作时，该装置应当连接到该单元16。
而且，第二变压器TR2的阻抗在电机10的阻抗的范围内或者附近。第二变压器的阻抗是绕组阻抗，该绕组阻抗是当次级侧被短路时从初级侧看到的阻抗。更具体地，阻抗可以在电机10的阻抗的0.25至4倍的第一范围内。
作为示例，第二变压器TR2的阻抗可以在0.25至2kΩ的范围内，如果电机的阻抗是大约1kΩ，则可能是这种情况。因此，第二变压器TR2可以是控制电力变压器。
控制电力变压器是额定功率为几kVA(诸如5至10kVA)的变压器，其中初级侧可以被设计为用于kV范围(诸如15至25kV)内的电压，并且次级侧可以被设计为用于数百伏的范围(诸如100至240V)内的电压。
还可以存在连接到第一变压器TR1的次级绕组的电气量检测单元18，以用于检测中性点NP的电气量，诸如电压和/或电流。在第一实施例的一些变型中，电气量检测单元18被包括在该装置中，而根据一些其他变型，电气量检测单元18被排除在外。然而，如果单元18未被包括，则在操作时，该装置应当连接到该单元18。
第一变压器TR1根据第一连接方案而被连接到电机，第一连接方案是IEC接地方案。因此，第一变压器的测量点是中性点NP。
因此存在接地阻抗，该接地阻抗在这种情况下是连接到第一变压器TR1的第一接地电阻RN1，该第一接地电阻用于测量测量点的电压和/或电流。该接地阻抗还用于限制可能由单个定子接地故障导致的循环电流。
根据该第一方案，中性点NP因此经由第一接地电阻RN1接地。因此，第一接地电阻RN1被连接在中性点NP与接地电势之间的接地连接路径中。
第一变压器TR1(其可以是变压器)也连接到在中性点NP与接地电势之间的该接地连接路径中。更具体地，第一变压器TR1的初级绕组与接地阻抗RN1并联连接。同样，该第二变压器TR2的初级绕组连接到接地连接路径中。它也与接地阻抗RN1以及第一变压器TR1的初级绕组并联连接。因此，第一变压器的一个初级绕组连接在中性点与接地电势之间，并且与第二变压器的初级绕组并联连接。还有一个次级绕组。
电气量检测单元18基于通过接地阻抗RN1的电流和/或跨接地阻抗RN1的电压，经由第一变压器TR1而检测中性点NP的电流和/或电压。这用于所谓的“95％”定子接地保护，其可以基于检测到的中性点NP处的电压和/或电流来安全地检测电机处可能发生的95％的接地故障。
如前所述，接地故障可能引起流过接地路径的循环电流，可以通过经由接地阻抗RN1检测这种循环电流的电气量检测单元18而在95％的情况下可靠地检测到该故障。
然而，电气量检测单元18可能在检测接近中性点NP的接地故障时存在问题，因为那里的电压非常小。信号发生和检测单元16可以检测接近中性点NP的这种接地故障以及电气量检测单元18能够检测到的故障。因此，信号发生和检测单元16执行所谓的“100％”定子接地故障保护。
连接到第二变压器TR2的次级绕组的信号发生和检测单元16经由第二变压器TR2而将测试信号注入到中性点NP。测试信号使用的频率应当与电机的操作频率及其谐波明显不同。然后，该测试信号的响应经由第二变压器TR2通过相同的信号发生和检测单元16被检测，并且用于确定中性点NP处的阻抗，该阻抗可以是接地阻抗。通过测量所注入的电流和电压，可以估计对地电阻并且检测接地故障。
由于第二变压器TR2的阻抗在电机的阻抗的区域中，所以还确保了正在被检测的信号电平的质量足以实现可靠检测。
由此，能够可靠地检测第二接地故障。
图2示出了该装置的第二实施例。
与第一实施例中一样，这里定子绕组12A、12B和12C连接到中性点NP，该中性点NP经由接地连接路径而被连接到接地电势。还存在第一变压器TR1和第二变压器TR2，第一变压器TR1包括一个初级绕组和连接到电气量检测单元18的一个次级绕组，第二变压器TR2连接到信号发生和检测单元16。
同样，在该实施例中，信号发生和检测单元16和电气量检测单元18可以被包括或不被包括在该装置中。然而，如果单元16和18未被包括，则在操作时，该装置应当连接到该单元16和18。
在这种情况下，第二变压器TR2也可以是控制电力变压器，其阻抗在电机10的阻抗的范围内或附近，诸如在电机10的阻抗的0.25至4倍的范围内。
在该第二实施例中，第一变压器TR1可以是根据第二连接方案而被连接到定子绕组的配电变压器，该第二连接方案是ANSI接地方案。因此，第一变压器的测量点是中性点NP。
因此，存在接地阻抗，这里被实现为接地电阻RN1，第一变压器TR1经由该接地电阻RN1而测量中性点NP处的电压和/或电流。
出于同样的原因，中性点NP这里也连接到接地电势。在这种类型的方案中，第一变压器TR1的初级绕组连接在接地连接路径中。然而，接地阻抗连接到第一变压器TR1的次级绕组。尽管接地阻抗没有物理地连接在该接地连接路径中，但是第一变压器TR1将阻抗插入到接地连接路径中，该阻抗与阻抗RN1成比例。所插入的阻抗为N2*RN1，其中N是初级绕组与次级绕组之间的匝数比。因此，第一变压器TR1和阻抗RN1可以一起被认为形成接地连接路径的接地阻抗。然后，该插入的阻抗也将形成先前所描述的循环电流限制阻抗。
而且，从该第二实施例中可以看出，第二变压器TR2的初级绕组也连接到该接地连接路径中。还可以看出，第一变压器的初级绕组在中性点NP与接地电势之间与第二变压器的初级绕组并联连接。因此，它们在接地连接路径中彼此并联连接。因此，第一变压器的一个初级绕组连接在中性点与接地电势之间，并且与第二变压器的初级绕组并联连接。
此外，在该第二实施例中，连接到第二变压器TR的次级绕组的信号发生和检测单元16经由第二变压器TR2而将信号注入到电机中，其响应经由相同的第二变压器TR2而通过信号发生和检测单元16来检测，并且用于检测中性点处的阻抗，以用于100％接地故障检测。同样，电气量检测单元18可以经由第一变压器TR1而检测中性点的电流和/或电压，以用于95％接地故障检测。
因为由于第二变压器将信号直接注入到具有插入的对地阻抗的接地连接路径中而导致第二变压器的阻抗在电机的阻抗的区域中，所以在这种情况下，也确保了正在被检测的信号电平的质量足以实现可靠检测。
图3示出了该装置的第三实施例。
正如第一实施例和第二实施例中一样，这里定子绕组12A、12B和12C连接到浮动的中性点NP。也存在连接到电气量检测单元18的第一变压器TR1以及连接到信号发生和检测单元16的第二变压器TR2。
此外，在该实施例中，信号发生和检测单元16和电气量检测单元18可以被包括或不包括在该装置中。然而，如果单元16和18未被包括，则在操作时，该装置应当连接到该单元16和18。
在这种情况下，第二变压器TR2也可以是控制电力变压器。
正如第二实施例中一样，第二变压器TR2的初级绕组连接在中性点NP与接地电势之间，而没有任何接地阻抗。
第二变压器TR2的阻抗同样在电机10的阻抗的范围内或附近，诸如在电机10的阻抗的0.25至4倍的范围内。
如上所述，定子绕组的中性点因此未接地或浮动。原因如下：
第二变压器TR2可以被视为引入与单元16的内部阻抗成比例的阻抗，该阻抗通常非常高(理想地，无穷大)。因此，在中性点NP与接地电势之间引入的阻抗将非常高，从而可以认为中性点浮动。
在该第三实施例中，第一变压器也可以是配电变压器，该配电变压器具有呈连接到次级侧的接地电阻器RN1的形式的接地阻抗。
然而，所使用的连接方案是第三连接方案，该第三连接方案是“开口三角形”连接方案。因此，第一变压器是三相变压器，三相变压器包括多个初级和次级绕组。为了更好地示出连接，三相变压器在图3中被示为三个互连的单相变压器TR1A、TR1B和TR1C。第一变压器的初级绕组是Y形连接的，并且连接到对应的定子绕组，例如，连接到这些定子绕组的连接端子。因此，初级绕组的一端连接到接地电势，而另一端连接到对应定子绕组的第二端。次级绕组又基本上是三角形连接的。它们连接在闭合路径或闭合串中。而且，被实现为电阻RN1的第一接地阻抗与次级绕组一起连接到闭合路径中。接地阻抗可以被视为与串中的第一变压器的次级绕组串联连接。它还可以被视为连接在两个次级绕组之间。电气量测量单元18又与第一接地阻抗RN1并联连接。从而还可以看出，该接地阻抗RN1与第一变压器TR1A、TR1B、TR1C的次级绕组一起连接在闭合路径中。
通过诸如支路TR1A和TR1C的次级绕组之类的两个次级绕组之间的接地阻抗的这种“开口三角形”连接，产生了与地无关的虚拟中性点。该虚拟中性点是第一变压器的测量点，其使用方式与第二实施例的实际中性点相同。
同样，在该第三实施例中，由电气量检测单元18执行的接地故障检测可能无法检测到第二接地故障，并且因此信号发生和检测单元16用于经由第二变压器TR2而将信号注入到电机中，其响应经由第二变压器而通过信号发生和检测单元16来检测，并且用于检测中性点处的阻抗。
因此，该实施例也提供了可靠的接地故障检测。
图4示出了该装置的第四实施例。
正如第一实施例、第二实施例和第三实施例中一样，这里定子绕组12A、12B和12C连接到中性点NP，第一变压器TR1连接到电气量检测单元18，并且第二变压器TR2连接到信号发生和检测单元16。
此外，在该实施例中，信号发生和检测单元16和电气量检测单元18可以被包括或不包括在该装置中。然而，如果单元16和18未被包括，则在操作时，该装置应当连接到该单元16和18。
在这种情况下，第二变压器TR2还可以是控制电力变压器，并且第一变压器TR1可以是电压变压器。
第二变压器的阻抗同样在电机10的阻抗的范围内或附近，诸如在电机10的阻抗的0.25至4倍的范围内。
然而，在该实施例中使用第四连接方案，第四连接方案是未接地或浮动中性点连接方案。因此定子绕组的中性点未接地或浮动。
第一变压器TR1同样是单相变压器。然而，第一变压器和第二变压器两者的初级绕组连接(例如，彼此并联)在中性点与接地电势之间。由此，第一变压器的测量点也是中性点NP。第一变压器的一个初级绕组也连接在中性点与接地电势之间，并且与第二变压器的初级绕组并联连接。第一变压器TR1的初级绕组更具体地仅与第二变压器TR2的初级绕组并联连接。
在这种情况下，没有使用限流阻抗，并且针对第一定子接地故障将没有电流流动。因此，电气量检测单元18必须依靠电压测量以用于检测故障。
由于该实施例中没有使用接地阻抗，所以第一变压器TR1第二变压器TR2可以被视为引入与单元16和18的内部阻抗成比例的阻抗。如之前所提及的，这些阻抗通常非常高(理想地，无穷大)，从而在中性点NP与地之间引入的阻抗将会非常高。这会导致中性点浮动。第一变压器TR1的次级绕组从而以这样的方式连接到电气量检测单元18，使得初级绕组在中性点NP与地之间插入与电气量检测单元18的阻抗成比例的阻抗。
由第一变压器插入的阻抗可以比定子的阻抗高至少100倍、并且有利地高至少1000倍，从而使中性点浮动。所插入的阻抗可以是例如大约100MΩ，并且定子阻抗可以是大约1kΩ。因此，第一变压器TR1可能仅能够检测电压，而不能检测电流。
同样，在该第四实施例中，连接到第二变压器TR2的次级绕组的信号发生和检测单元16经由第二变压器TR2而将信号注入到电机的中性点NP，其响应经由相同的第二变压器TR2而通过信号发生和检测单元16来检测。信号和响应用于检测中性点NP处的阻抗，这在电气量检测单元无法可靠地检测到故障的情况下是有利的。
可以看出，通过在不同实施例中以相同方式连接第二变压器TR2，信号发生和检测单元能够在可靠性良好的情况下针对所有上述连接方案注入和检测信号。因此，无论在特定情况下需要哪种连接方案，都能获得相同类型的可靠的100％接地故障保护。因此，存在与所使用的连接方案无关的注入测试信号的统一方式。因此，通过使用第二变压器和信号发生和检测单元所实现的保护的性能也将是类似的，而与所使用的连接方案无关。
由此可以看出，定子接地故障的检测显著改善，并且有效地消除了注入点处的电压变压器高串联阻抗和配电变压器低接地阻抗的问题。即，第二变压器具有相对较低的串联阻抗，并且大部分信号将通过第二变压器传播，因此所估计的定子绕组的故障对地电阻比在经由第一变压器注入的情况下更稳定并且精度更高。由于注入路径始终相同，所以通常在其次级侧注入至多4A就足够，以便针对所有类型的定子绕组接地实现良好性能。
另一优点是第二变压器可以“原样”使用，而与特定发电站中使用的实际定子接地设备无关。可以看出，没有有意的接地设备或经由Peterson线圈接地的发电机可以以完全相同的方式得到保护。
因此，建议通过注入进行接地故障保护的技术的根本改变在于所有安装都以相同方式进行：注入总是通过连接到发电机中性点的第二变压器，而与所使用的连接方案无关。除了其他益处之外，这还将简化工程并且给予更可预测的性能：
对于IEC接地，消除了与VT特性相关的不确定性，并且性能将显著改善。
对于ANSI接地，消除了小阻抗的问题，因为中性点阻抗现在被视为由配电变压器所变换，即，幅度与发电机电容的幅度相同。进一步地，配电变压器绕组阻抗将与中性阻抗串联。
另外，有效地消除了注入设备影响连接到中性点变压器的其他保护功能的风险。最后，制造商选择中性点变压器低压电平不再成为问题。因此，不再需要将注入设备调整到这种电平。
电气量检测单元以及信号发生和检测单元中提供的功能可以各自基于具有相关联的程序存储器的处理器的使用，该程序存储器包括用于执行其功能的计算机程序代码。它们还可以各自基于数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。
虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在涵盖各种修改和等同装置。因此，本发明仅受以下权利要求的限制。

Claims (14)

1.一种用于基于注入的接地故障保护处理的装置，所述装置包括：
电机(10)的多个定子绕组(12A，12B，12C)，所述定子绕组(12A，12B，12C)连接到中性点(NP)；
第一变压器(TR1；TR1A，TR1B，TR1C)，包括至少一个初级绕组和至少一个次级绕组，所述至少一个初级绕组连接到所述定子绕组(12A，12B，12C)的至少一个端，所述至少一个次级绕组用于测量所述电机在所述第一变压器的测量点处的电气量；以及
第二变压器(TR2)，具有初级绕组和次级绕组，所述初级绕组连接在所述中性点(NP)与接地电势之间，所述次级绕组用于连接到信号发生和检测单元(16)，以便将信号注入所述中性点(NP)并且接收响应，
其中所述第二变压器(TR2)的阻抗在所述电机(10)的阻抗的0.25倍至4倍的范围内。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括所述信号发生和检测单元(16)，所述信号发生和检测单元(16)连接到所述第二变压器(TR2)的所述次级绕组，并且被配置为：注入所述信号、检测所述响应、以及确定所述中性点(NP)处的对地阻抗。
3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括电气量检测单元(18)，所述电气量检测单元(18)连接到所述第一变压器的所述至少一个次级绕组，以用于检测所述测量点的电压和/或电流。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第二变压器(TR2)是控制电力变压器。
5.根据权利要求1或2所述的装置，还包括接地阻抗(RN1)，所述接地阻抗(RN1)连接到所述第一变压器(TR1)，所述接地阻抗用于测量所述测量点的电压和/或电流。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述接地阻抗(RN1)是接地电阻。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述接地阻抗(RN1)连接到所述第一变压器(TR1)的至少一个次级绕组。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述测量点是所述中性点(NP)，所述第一变压器(TR1)的一个初级绕组连接在所述中性点(NP)与所述接地电势之间、并且与所述第二变压器(TR2)的所述初级绕组并联连接。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一变压器(TR1A，TR1B，TR1C)包括多个初级绕组，每个初级绕组连接到对应的定子绕组(12A，12B，12C)，所述接地阻抗(RN1)与所述第一变压器(TR1A，TR1B，TR1C)的对应数目的次级绕组一起连接在闭合路径中，并且所述测量点是通过所述第一变压器的连接而形成的虚拟中性点。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一变压器(TR1)是配电变压器。
11.根据权利要求5所述的装置，其中所述测量点是所述中性点(NP)，所述接地阻抗(RN1)连接在所述中性点(NP)与所述接地电势之间，并且所述第一变压器(TR1)的所述初级绕组与所述接地阻抗并联连接。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述第二变压器(TR2)的所述初级绕组与所述接地阻抗(RN1)并联连接。
13.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一变压器(TR1；TR1A，TR1B，TR1C)的所述初级绕组根据多个连接方案中的一个连接方案而被连接到所述定子绕组(12A，12B，12C)，所述多个连接方案包括：
第一连接方案，其中所述测量点是所述中性点(NP)，接地阻抗(RN1)连接在所述中性点(NP)与所述接地电势之间，所述第一变压器(TR1)包括一个初级绕组和一个次级绕组，其中所述第一变压器(TR1)的所述初级绕组与所述接地阻抗(RN1)并联连接、并且与所述第二变压器(TR2)的所述初级绕组并联连接；
第二连接方案，其中所述测量点是所述中性点(NP)，所述第一变压器(TR1)包括一个初级绕组和一个次级绕组，所述初级绕组在所述中性点(NP)与所述接地电势之间与所述第二变压器(TR2)的所述初级绕组并联连接，并且所述第一变压器的所述次级绕组连接到接地阻抗(RN1)；
第三连接方案，其中所述第一变压器(TR1A，TR1B，TR1C)包括：多个初级绕组，每个初级绕组连接到对应的定子绕组(12A，12B，12C)；以及对应数目的次级绕组，所述对应数目的次级绕组与接地阻抗(RN1)一起连接在闭合路径中，并且所述测量点是通过所述第一变压器的连接而形成的虚拟中性点；以及
第四连接方案，其中所述测量点是所述中性点(NP)，所述第一变压器(TR1)包括一个初级绕组和次级绕组，所述初级绕组仅在所述中性点(NP)与所述接地电势之间与所述第二变压器(TR2)的所述初级绕组并联连接，所述第一变压器的所述次级绕组以这样的方式连接到电气量检测单元(18)，使得所述第一变压器的所述初级绕组在所述中性点(NP)与所述接地电势之间插入与所述电气量检测单元(18)的阻抗成比例的阻抗，从而使所述中性点浮动。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述信号发生和检测单元(16)连接到所述第二变压器(TR2)的所述次级绕组并且被配置为：以与所使用的所述连接方案无关的相同方式，注入所述信号、检测所述响应、以及确定所述中性点处的阻抗。
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