專利名稱：用于檢測(cè)接地故障的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如在AC電力線中連接的發(fā)電機(jī)、電抗器或電動(dòng)機(jī)等電子設(shè)備保護(hù)的領(lǐng)域。其涉及用于檢測(cè)接地故障的裝置和方法。其具體涉及檢測(cè)可能靠近電機(jī)的中性點(diǎn)發(fā)生的接地故障。
背景技術(shù)：
被連接到電網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)中的接地故障可能對(duì)電機(jī)的正確操作帶來相當(dāng)大的危險(xiǎn)。例如，定子接地故障是發(fā)電機(jī)受到的最常見的故障類型。它是對(duì)于發(fā)電機(jī)的定子繞組的損壞的最頻繁的起因，并且它可以是隨后的相間的故障的直接起因。經(jīng)由接地系統(tǒng)(如阻抗)將電機(jī)接地，以限制電機(jī)中的機(jī)械應(yīng)力和故障損壞，以限制故障期間的暫態(tài)電壓，并且以提供用于檢測(cè)電機(jī)中的接地故障的裝置。雖然第一接地故障電路可以被忽略并且將不導(dǎo)致立即的損害，但是兩個(gè)相繼的接地故障可能導(dǎo)致不能被接地系統(tǒng)限制的短路電流，該短路電流可能隨后導(dǎo)致對(duì)電機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞并且該損壞可能是非常高成本的。例如，對(duì)于三相發(fā)電機(jī)，通過測(cè)量在發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)處的零序電壓實(shí)現(xiàn)定子接地保護(hù)，這可以提供來自發(fā)電機(jī)的端子的定子繞組的95%的保護(hù)，而靠近中性點(diǎn)的5%的定子繞組不能受到該方案保護(hù)。最終用戶通常需要針對(duì)接地故障的100%的定子繞組保護(hù)，這意味著必須保護(hù)最后5%的定子繞組。在用于發(fā)電機(jī)接地保護(hù)的IEEE指導(dǎo)(IEEE Guide for Generator GroundProtection)和IEEE標(biāo)準(zhǔn)C37. 101中描述了兩個(gè)方案，這兩個(gè)方案都提供100%的定子繞組保護(hù)。第一方案基于處于操作中的發(fā)電機(jī)可能產(chǎn)生三次諧波并且三次諧波可以在發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)處看起來是零序數(shù)量的原理。通過測(cè)量中性點(diǎn)和端子處的三次諧波并且比較測(cè)量值，可以確定接地故障是否已經(jīng)發(fā)生以及接地故障的位置，即接地故障是否發(fā)生在中性點(diǎn)或在端子處。然而，當(dāng)機(jī)器停止時(shí)該方案將不工作并且另一個(gè)缺點(diǎn)在于該方案依賴于機(jī)器的三次諧波的產(chǎn)生，并且事實(shí)上不是每個(gè)發(fā)電機(jī)在中性點(diǎn)都產(chǎn)生三次諧波。第二方案的操作基于注入在與電機(jī)在其上操作的基礎(chǔ)系統(tǒng)頻率不同的頻率上的信號(hào)。在其中一個(gè)子諧波上注入信號(hào)。相對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)頻率50Hz或60Hz，典型的值例如可以是
12.5Hz或20Hz。通過測(cè)量由注入信號(hào)引起的子諧波電量的改變，可以檢測(cè)接地故障。然而，該方案具有對(duì)電機(jī)的接地系統(tǒng)的依賴，這意味著，該方案的組件和裝置相應(yīng)地改變，例如一個(gè)人可以在機(jī)器的中性點(diǎn)或端子注入信號(hào)。通常電流和電壓都必須被測(cè)量，這導(dǎo)致高成本的解決方案。除了接地故障之外，電機(jī)還受到其他類型的故障，例如過壓、不平衡電流、過熱、匝間故障、相間故障等。為了針對(duì)各種各樣的故障保護(hù)電機(jī)，提供大量裝配有大量測(cè)量設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)。例如，通常在電機(jī)的中性點(diǎn)提供具有初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的互感器(instrumenttransformer)，用于測(cè)量電壓?；谠摐y(cè)量，保護(hù)繼電器可以相應(yīng)地啟動(dòng)保護(hù)方案。另一個(gè)典型的布置是將單元變壓器/升壓變壓器連接到電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于檢測(cè)接地故障的簡(jiǎn)化設(shè)備，其克服了現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。由如權(quán)利要求1前序部分中所定義的接地檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)該目的，其特征在于，信號(hào)注入單元被配置為將信號(hào)注入到電壓互感器(voltage transformer)的次級(jí)繞組,互感器被配置為測(cè)量在它的次級(jí)繞組上的結(jié)果注入信號(hào)，并且接地故障保護(hù)單元被配置為基于測(cè)量的信號(hào)檢測(cè)接地故障。本發(fā)明的操作原理基于如果在中性點(diǎn)或靠近中性點(diǎn)發(fā)生接地故障，則測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)將在中性點(diǎn)處減小或者消失，而在正常操作中該注入信號(hào)將在中性點(diǎn)處出現(xiàn)。通過測(cè)量并且檢查在中性點(diǎn)處的注入信號(hào)，可以檢測(cè)在中性點(diǎn)上或靠近中性點(diǎn)發(fā)生的接地故障。這對(duì)于定子接地故障的檢測(cè)特別重要，因?yàn)楫?dāng)與已經(jīng)提及了 95%的定子接地故障保護(hù)繼電器一起使用時(shí)其允許100%的定子接地故障保護(hù)。與現(xiàn)有技術(shù)的第一方案相比，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明甚至可以在即時(shí)機(jī)器停止也能檢測(cè)接地故障，因?yàn)楸景l(fā)明基于注入信號(hào)而不是電機(jī)的三次諧波的生成。在出于其他保護(hù)目的而在電路中已經(jīng)存在互感器和電壓互感器中的兩個(gè)或任意一個(gè)的情況中，它們可以分別被配置為注入信號(hào)和測(cè)量注入信號(hào)。在該情況中，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的第二方案相比具有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楸景l(fā)明使得除了那些現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器之外不需要額外儀器。這允許物有所值的解決方案，特別是例如當(dāng)受保護(hù)機(jī)器是小型發(fā)電機(jī)時(shí)。這意味著，重新使用已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)量導(dǎo)致對(duì)于客戶成本有效的解決方案。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該接地故障檢測(cè)單元還被配置為將所測(cè)量的信號(hào)與指定閾值進(jìn)行比較，并且如果所測(cè)量的信號(hào)低于該閾值，則檢測(cè)到靠近中性點(diǎn)的接地故障。該接地故障檢測(cè)單元還可以啟動(dòng)到保護(hù)單元的信號(hào)，該保護(hù)單元可以進(jìn)一步基于檢測(cè)的接地故障的嚴(yán)重性啟動(dòng)跳閘信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，該電壓互感器被配置為測(cè)量在它的次級(jí)繞組處的注入信號(hào)。該接地故障保護(hù)單元被配置為基于來自電壓互感器的測(cè)量信號(hào)和來自互感器的測(cè)量信號(hào)，檢測(cè)接地故障。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該電機(jī)的該中性點(diǎn)阻抗接地或者不接地。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該電機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)或者電抗器中的任意一個(gè)并且它的定子繞組Y形連接。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，連接到該中性點(diǎn)的該互感器可以是電壓互感器或者配電變壓器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該注入信號(hào)是電壓信號(hào)或電流信號(hào)。隨時(shí)間變化量注入信號(hào)，這意味著注入的信號(hào)具有AC波形，例如正弦波、方波。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，其中，在電機(jī)操作在基礎(chǔ)系統(tǒng)頻率上的情況中，該注入信號(hào)具有與該基礎(chǔ)系統(tǒng)頻率不同的頻率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，其中，在該注入信號(hào)是電壓信號(hào)的情況中，該注入信號(hào)具有小于2V的電壓幅度。還由如權(quán)利要求10中所定義的方法實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。該方法包括步驟將信號(hào)注入到單元變壓器的次級(jí)繞組，測(cè)量在互感器的次級(jí)繞組上的結(jié)果注入信號(hào)，以及基于測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)檢測(cè)是否已經(jīng)發(fā)生靠近中性點(diǎn)的接地故障。該方法還包括步驟將該測(cè)量的信號(hào)與指定閾值進(jìn)行比較并且基于該比較結(jié)果確定是否存在接地故障。此外，該方法可以包括步驟測(cè)量在該電壓互感器的次級(jí)繞組處的該注入信號(hào)，并且基于來自該電壓互感器的測(cè)量的注入信號(hào)和來自該互感器的測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)，確定接地故障的位置。


現(xiàn)在將通過本發(fā)明的不同實(shí)施方式的描述并且參考附圖更嚴(yán)密地解釋本發(fā)明。圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)的定子繞組的接地故障的裝置的示意圖。圖2顯示了了用于檢測(cè)電機(jī)的接地故障的本發(fā)明方法的流程圖。圖3示出了本發(fā)明的另一個(gè)裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式在下文的示例中，本發(fā)明用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)的定子接地故障，并且電壓信號(hào)被注入電壓互感器的次級(jí)繞組。然而，本發(fā)明不限于注入電壓信號(hào)，并且電機(jī)可以是例如電抗器。圖1顯示了包括三相發(fā)電機(jī)10和單元變壓器(unit transformer) 20的電路I。該發(fā)電機(jī)還包括定子繞組12，定子繞組12具有中性點(diǎn)14和被連接到單元變壓器的初級(jí)繞組的端子13。在該示例中，單元變壓器的初級(jí)繞組被三角形連接到發(fā)電機(jī)的端子以便將發(fā)電機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的外部故障隔離。然而，也能夠?qū)卧儔浩鞯某跫?jí)繞組星形連接。裝置2被配置為檢測(cè)定子繞組的接地故障并且包括信號(hào)注入單元20、電壓互感器30、互感器40和故障檢測(cè)單元50。電壓互感器30和互感器40在次級(jí)側(cè)具有100-120V的額定值。將電壓互感器30通過它的初級(jí)繞組31連接到定子繞組的端子13，而它的次級(jí)繞組32是開口三角形連接，并且電阻器35被跨接到次級(jí)繞組32的兩端。信號(hào)注入單元被連接到電壓互感器30的次級(jí)繞組32并且被配置為生成這樣一種信號(hào)，其中繼而經(jīng)過連接通道34將該信號(hào)注入互感器30的次級(jí)繞組32。將定子繞組的中性點(diǎn)14被連接到互感器40的初級(jí)繞組48并且經(jīng)由電阻器42被阻抗接地，該電器器42跨互感器的次級(jí)繞組49連接以將定子繞組的中性點(diǎn)接地，這是ANSI調(diào)節(jié)系統(tǒng)中最普通的配置。該電阻器被適配為將接地故障值限制為在定子中發(fā)生接地故障的情況中對(duì)于發(fā)電機(jī)定子絕緣安全的值。該限制典型地在3-25A的范圍中。雖然在該方案中，基于阻抗接地系統(tǒng)將機(jī)器接地，但是本發(fā)明不限于該接地系統(tǒng)。其還適用于在不存在接地系統(tǒng)或者當(dāng)使用主接地系統(tǒng)時(shí)的情況中。這意味著，本發(fā)明可應(yīng)用于電機(jī)而不管它的接地系統(tǒng)是什么，并且總是如所推薦的從電機(jī)的端子側(cè)注入信號(hào)并且在中性點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這與現(xiàn)有技術(shù)的第二方案相反。更精確地說，電壓互感器45用于將定子中性點(diǎn)中的電壓向下變換到可測(cè)量的值。出于同樣的目的，可以改為使用配電變壓器來代替電壓互感器。在該情況中，配電變壓器在次級(jí)側(cè)具有高達(dá)240V的額定值。此外，通過連接44，在互感器45的次級(jí)繞組處測(cè)量注入信號(hào)的響應(yīng)，并且將該響應(yīng)進(jìn)一步傳送到接地故障檢測(cè)單元，該接地故障檢測(cè)單元被配置為將測(cè)量信號(hào)與指定閾值比較并且確定靠近該定子繞組的中性點(diǎn)是否已經(jīng)發(fā)生接地故障。在全部正常操作條件期間，將存在中性點(diǎn)中的注入信號(hào)。在接地故障的情況中，注入信號(hào)的響應(yīng)將減小并且最終在中性點(diǎn)14處消失，并且因此還將減少并且在互感器45的次級(jí)繞組處消失。為了檢測(cè)該接地故障并且對(duì)于電機(jī)提供針對(duì)接地故障的保護(hù)，可以使用簡(jiǎn)單的欠壓保護(hù)功能，該欠壓保護(hù)功能可以位于與電壓互感器45相同的地方。定子繞組的其他部分中的故障將被檢測(cè)并且受到標(biāo)準(zhǔn)95%定子接地故障保護(hù)的保護(hù)，以提供例如對(duì)于發(fā)電機(jī)的定子繞組針對(duì)接地故障的100%的保護(hù)。圖3顯示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的示意圖，其中，電壓互感器30進(jìn)一步被配置為經(jīng)由連接36測(cè)量在它的次級(jí)繞組處的注入信號(hào)。分別在電壓互感器30和電壓互感器45處測(cè)量注入信號(hào)，并且將該注入信號(hào)傳送到故障檢測(cè)電路50。故障檢測(cè)電路50被配置為監(jiān)管并且比較測(cè)量信號(hào)。通過比較在端子和中性點(diǎn)處的測(cè)量信號(hào)，檢測(cè)單元可以通過確定故障的接地電阻確定是否存在接地故障。圖2是用于示出檢測(cè)電路中單元連接的電機(jī)的接地故障的創(chuàng)造性方法的流程圖。步驟100，該方法通過將信號(hào)注入電壓互感器的次級(jí)繞組開始。在最簡(jiǎn)單的情況中注入信號(hào)可以是正弦信號(hào)。但是注入信號(hào)也可以具有包括具有一個(gè)主導(dǎo)頻率的多個(gè)頻率的任意其他合適的形狀，例如矩形脈沖信號(hào)。在電機(jī)在基礎(chǔ)頻率上操作的情況中，將在不同的頻率上注入信號(hào)。該頻率可以被選擇為與電機(jī)中出現(xiàn)的任意其他諧波異步，因而當(dāng)分析該信號(hào)時(shí)該頻率可區(qū)分并且容易地從該信號(hào)的頻譜摘選該頻率。例如，所選擇的頻率可以在基礎(chǔ)頻率的1. 6-1. 9倍的范圍中。優(yōu)選地，注入信號(hào)將是電壓信號(hào)并且具有小于2V、優(yōu)選地在O. 5V到2. OV范圍內(nèi)的幅度。在下一個(gè)步驟110中，測(cè)量在被連接到中性點(diǎn)的互感器的次級(jí)繞組處的結(jié)果注入信號(hào)。此外，步驟120，測(cè)量在電壓互感器的次級(jí)繞組處的注入信號(hào)。步驟130，將在互感器的次級(jí)繞組處測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)與指定閾值進(jìn)行比較，或者可替換地步驟130’，與在被連接到電機(jī)的端子側(cè)的電壓互感器的次級(jí)繞組處的測(cè)量的注入信號(hào)進(jìn)行比較。步驟140如果該比較顯示測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)低于該閾值，或者可替換地測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)減小而在端子側(cè)測(cè)量的注入信號(hào)增加，則檢測(cè)到靠近中性點(diǎn)處的接地故障。在檢測(cè)到接地故障之后，可以啟動(dòng)跳閘信號(hào)，并且將由斷路器將電機(jī)與電路斷開。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)AC電路⑴中的接地故障的裝置(2)，所述AC電路⑴包括: -電機(jī)(10)，具有連接到中性點(diǎn)的中性點(diǎn)(14)和端子側(cè)(13)，以及 -被連接到所述電機(jī)的所述端子側(cè)的單元變壓器(16)， 其中，所述裝置包括:信號(hào)注入單元(20)，具有被連接到所述電機(jī)的所述端子側(cè)(13)的初級(jí)繞組(31)和開口三角形連接的次級(jí)繞組(32)的電壓互感器(30)，具有次級(jí)繞組(49)和被連接到所述電機(jī)的所述中性點(diǎn)(14)的初級(jí)繞組(48)的互感器(40、45)，以及接地故障檢測(cè)單元(50)，其特征在于: -所述信號(hào)注入單元(29)被配置為將信號(hào)注入到所述電壓互感器(30)的所述次級(jí)繞組(32)， -所述互感器(40、45)被配置為測(cè)量在它的次級(jí)繞組(49)處的結(jié)果注入信號(hào)，并且 -所述接地故障檢測(cè)單元(50)被配置為基于所測(cè)量的信號(hào)檢測(cè)接地故障。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，接地故障檢測(cè)單元還被配置為將所測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)與指定閾值進(jìn)行比較，并且如果所測(cè)量的所述注入信號(hào)的結(jié)果低于所述閾值，則檢測(cè)到靠近所述中性點(diǎn)的接地故 障。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電壓互感器(30)被配置為測(cè)量在它的次級(jí)繞組(32)處的所述注入信號(hào)，所述接地故障檢測(cè)單元(50)被配置為基于來自所述電壓互感器(30)的所測(cè)量的注入信號(hào)和來自所述互感器(40)的所測(cè)量的結(jié)果信號(hào)，檢測(cè)接地故障。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電機(jī)的所述中性點(diǎn)阻抗接地或者不接地。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電機(jī)是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)或者電抗器中的任意一個(gè)并且它的定子繞組Y形連接。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述互感器是電壓互感器或者配電變壓器。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述注入的信號(hào)是具有AC波形的電壓信號(hào)或電流信號(hào)。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，當(dāng)所述電機(jī)操作在基礎(chǔ)系統(tǒng)頻率上時(shí)，所述注入的信號(hào)具有與所述基礎(chǔ)系統(tǒng)頻率不同的頻率。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在所述注入的信號(hào)是電壓信號(hào)的情況中，所述注入的信號(hào)具有小于2V的電壓幅度。
10.一種用于檢測(cè)電路中的接地故障的方法，所述電路包括: -電機(jī)，具有連接到中性點(diǎn)的中性點(diǎn)側(cè)和端子側(cè)， -被連接到所述電機(jī)的所述端子側(cè)的單元變壓器， -電壓互感器，具有被連接到所述電機(jī)的所述端子側(cè)的初級(jí)繞組和開口三角形連接的次級(jí)繞組，以及 -互感器，具有次級(jí)繞組和被連接到所述中性點(diǎn)的初級(jí)繞組， 其特征在于，所述方法包括步驟: -將信號(hào)注入到所述電壓互感器的所述次級(jí)繞組(100)， -測(cè)量在所述互感器的所述次級(jí)繞組上的結(jié)果注入信號(hào)(110)，以及 -基于所測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)，確定在所述中性點(diǎn)處是否發(fā)生接地故障(140)。
11.如權(quán)利要求10到11中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括步驟:將所測(cè)量的信號(hào)與指定閾值進(jìn)行比較，并且基于所述比較的結(jié)果確定是否存在接地故障(130、140)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述方法還包括步驟:測(cè)量在所述電壓互感器的所述次級(jí)繞組處的所述注入信號(hào)(120)，并且基于來自所述電壓互感器的所測(cè)量的注入信號(hào)和來自所述互感器 的所測(cè)量的結(jié)果注入信號(hào)，確定接地故障的位置(130’、140)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)AC電路(1)中的接地故障的裝置，該AC電路包括具有連接到中性點(diǎn)中性點(diǎn)(14)和端子側(cè)(13)的電機(jī)(10)、以及被連接到電機(jī)的端子側(cè)的單元變壓器(16)，其中，該裝置包括信號(hào)注入單元(20)，具有被連接到電機(jī)的端子側(cè)(13)的初級(jí)繞組(31)和開口三角形連接的次級(jí)繞組(32)的電壓互感器(30)，具有次級(jí)繞組(49)和被連接到電機(jī)的中性點(diǎn)(14)的初級(jí)繞組(48)的互感器(40、45)，以及接地故障檢測(cè)單元(50)。信號(hào)注入單元(29)被配置為將信號(hào)注入到電壓互感器(30)的次級(jí)繞組(32)?；ジ衅?40、45)被配置為測(cè)量在它的次級(jí)繞組(49)處的結(jié)果注入信號(hào)，并且接地故障檢測(cè)單元(50)被配置為基于所測(cè)量的信號(hào)檢測(cè)接地故障。
文檔編號(hào)G01R31/02GK103080757SQ201080068943
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
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