Устройство для защиты синхронного генератора от замыкания на землю (корпус) в одной точке цепи возбуждения

 

(72) Автор изобретения

С. А. Евдокимов ьВсесоюзный научно-исследовательский институт-. электроэнергетики (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАШИТЫ СИНХРОННОГО

ГЕНЕРАТОРА ОТ ЗАМЫКАНИЯ HA ЗЕМЛЮ (КОРПУС) В ОДНОЙ ТОЧКЕ ЦЕПИ

ВОЗБУЖДЕНИЯ

Изобретение относится к электротех- ° нике, в частности к релейной защите электрооборудования, и может быть ис. пользовано для контроля состояния изоляции цепей оперативного постоянного тока и зашиты синхронных генераторов от за5 мыкания на землю цепей возбуждения.

Известны устройства зашиты синхронных генераторов от замыкания на землю (корпус) в одной точке цепи возбуждения... основанный на наложении на защищаемую цепь напряжения переменного тока от воспомогательного источника (1 )- f5) .

Однако чувствительность известных уст-. ройств зашиты зависит от колебаний напряжении и частоты вспомогательного источника и от величины емкости цепи возбуждения, а чувствительность устройств(31и (4) оказывается недостаточной, так как требуется отстройка от составляющих высших частот в выпрямленном напряжении цепи возбуждения, Чувствительность устройства, описанного в f51 зависит от ко лебания напряжения вспомогательного источника.

Наиболее близким к предлагаемому по достигаемым результатам является устройство зашиты синхронных генераторов от замысания на землю (корпус) в одной точке цепи возбуждения, основанный на наложении на защищаемую цепь постоянного напряжения, и заключающийся в сравнении тока с заданной величиной, причем по величине тока судят о величине переходного сопротивления изоляции, и когда ток в цепи превысит заданную величину, устройство зашиты срабатывает. Постоянное напряжение, накладываемое на залцпцаемую цепь, получают либо при помощи выпрямления гармонических составляющих наприжении цепи возбуждения, либо от вспомогательного источника(6) .

Однако известное устройство защиты имеет зависимость чувствительности от величины напряжения возбуждении и от

3 М расположения места замыкания. Это связано со следующим, Чувствительность защиты, характеризуемая значением переходного сопротивления,, на которое она реагирует, определяется выражением

0ист 0, и р Pi

16 где Д - ток срабатывания реле тока;

- напряжение вспомогательного источника;

0 - напряжение между точкой замыкания и точкой присоединения1 вспомогательного источника, „ — сопротивление обмотки реле тока»

Первое из слагаемых числителя - напряжение вспомогателйного источникапрактически изменяется незначительно (+10-15%). Второе слагаемое — напряжение в месте повреждения - величина переменная и меняется от 0 до минимального напряжения возбуждения и не может 2 быть непосредственно измерена. Для мощных генераторов номинальное напряжение возбуждения превышает напряжение вспомогательного источника в 3-6 раз (например, при напряжении вспомогательного источника )Ист 100 В}. Дез учета сопротивления обмотки реле тока имеем }и т+0 . 0 уст 6-: ) Оист и=

\ ep - с ср

Так как защита срабатывает при одйом и том же значении тока, то первое слагаемое есть величина постоянная, а второе слагаемое — величина переменная и может превышать постоянную величину в 6 раз. Следовательно, величина пере40 ходного сопротивления, при котором работает защита, может отличаться от истинного в 7 раз. При замыкании на землю в любом месте обмотки возбуждения невозбужденного генератора, зашита имеет минимальную чувствительность к переходным сопротивдениям

Цель изобретения — повышение точности работы зашиты за счет исключения зависимости чувствительности от места замыкания и величины напряжения цепи возбуждения синхронных генераторов.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство для зашиты синхронного генератора от замыкания на землю в одной точке цепи возбужде-. ния, содержащее реле времени, вход которого связан с выходом компа затора, один

74 ф. из входов.компаратора связан с отрицате.уьным выводом выпрямителя и исполнительный орган, дополнительно содержит нуль-индикатор, цифроаналоговый преобразователь, генератор прямоугольных импульсов, первый, второй и третий ключи, бпок вычитания, счетчик импульсов, дешифратор и блок уставок, при этом выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами цифроаналогового преобразователя, первого и второго ключей, входы управления последних и вход останова цифроаналогового преобразователя подсоединены к выходу компаратора, к которому подключен также пусковой вход блока уставок, выход первого ключа соединен с входом реле времени, выход второго ключа через третий ключ сое. динен с основным входом блока вычитания, выход которого соединен с основным входом счетчика импульсов, основной выход которого через дешифратор подключен к первому .входу блока у<ставок, второй вход которого и управляющий вход третьего ключа соединены с выходом нуль-индикатора, подключенного одним выводом к заземлению,, а вторым — к компаратору, положительный вывод выпрямителя соединен с положительным выводом обмотки возбуждения, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом выпрямителя, выход блока усаавок подключен к входу исполнительного органа, выход реле времени, входы установка на "нуль блока уставок, счеч чика импульсов, блока вычитания и цифроаналогового преобразователя объединены. между собой и с выходами переполнения цифроаналогового преобразователя и счетчика импульсов.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - напряжение на выходе преобразователя.

Источник возбуждения 1 подключен к обмотке возбуждения 2 синхронного генера тора. Обмотка и источшж возбуждения синхронного генератора имеют относительно земли (корпуса) переходное сопротивление изоляции 3 и распределительную емкость, представленную на блок-схеме сосредоточенной емкостью 4. Положительный вывод выпрямителя 5 соединен с положительным выводом обмотки возбуждения синхронного генератора и источника возбуждения, а отрицательный выход через компаратор 6 и нуль-индикатор 7 соединен с контуром заземления. В компараторе

1троисходит сравнение тока, протекающего

5 . 0838 по контуру: сопротивление изоляции обмот-. ка возбуждения, выпрямитель, компаратор нуль-индикатор, контур заземления с заданным значением тока. В нуль-индикато-. ре сравнивается ток, протекающий по опи- S санному выше контуру, с заданным значением тока. Он срабатывает при изменении отрицательной полярности тока на положительную, Вход выпрямителя соединен с выходом цифроаналогового преобразователя (БАП) 8 и UAII 8 служит для преобразования входных импульсов в ступенчатое напряжение на выходе . Основной вход UAII подключен к генератору прямоуг нных «е 9. < oW " су, поступающему.на этот вход, соответ- сч,вует определенная ступень aU в выходном напряжении. Вход останова соединен с выходом компаратора и служит для прекращения нарастания выходного напряжени.2О при поступлении очередных импульсов на основной вход. Вход установки на нуль и выход переполнения UAII соединены вместе и обьединяются с выходом реле 10 времени, выходом переполнения счетчика

ll, входами установки в нулевое состояние счетчика импульсов, блока 12 вычи- тания и блока 13 уставок. Вход установки на нуль ИАП служит для установки на вы-, ходе нулевого потенциала,а на выходе 30 переполнения появится импульс в том слу чае, когда напряжение на выходе UAII достигло максимума, а на основной вход нрохсц ит последующий импульс. Основные входы электронных ключей 14 и 15 пЮ- з ключены к выходу генератора 9 примоугольных импульсов, входы управления ключами подключены к выходу компаратора 6. Выход ключа 15 соединен с входом ключа 16, а вход управления ключа щ

16 соединен с выходом нуль-индикатора

8. Реле 10 времени своим входом соединено с выходом ключа 14. Блок 12 вьгп тания предназначен для вычитания из общего числа импульсов, поступивших на.

его вход, числа импульсов, соответствующего уставке блока и пропорционального суммарному. внутреннему сопротивлению выпрямителя, компаратора и нуль-индикатора (1 @ у. р ) i По Вхо установки, В ну 50 левое состояние осуществляется сброс записанного (уставки) числа импульсов перед каждым новым циклом работы уст ройства. Вход блока 12 вычитания соединен с выходом ключа 16. Счетчик 11 импульсов подсчитывает количество импульсов, пропорциональное переходному сопротивлению изоляции. Вход установки в нулевое состояние и выход переполне74 6 ния блока 11 объединены и соединены с выходом реле 10 времени, выходом переполнения ЦАП 8, входами установки в нулевое состояние UAII, блока вычитания и блока уставок. Импульс перепол нения появится на укаэанном выходе блока ll после прихода на вход очередного импульса, и счетчик возвратится в исходное состояние (нулевое). Вход дешифратора 17 соединен с основным выходом . счетчика 11. В блоке 13 уставки осуще ствляется сравнение величины переходного сопротивления изоляции с уставкой защиты. Первый вход блока уставок соединен с вь1ходом дешифратора 17, второй вход» с выходом нульицдикатора 7, пусковой вход - с вькодом компаратора 6. Èñïîþ нительный орган 18 запоминает импульс, проходящий с выхода блока 13 уставок.

Работа устройства рассматривается в следующих четырех случаях: переходное сопротивление изоляции цени возбуждения приближается к бесконечности; переходное сопротивление изоляции меньше порога .чувствительности устройства, но больше предельного измеряемого сопротивления переходное сопротивление изоляции больше .-сопротивления уставок, но меньше предельа ного измеряемого сопротивления; перехсц ное сопротивление изоляции меньше со противления уставки.

Переходное сопротивление изоляции цепи возбуждения приближается к беско - . нечности.

Импульсы от генератора прямоугольных импульсов 9, работающего неирерыв, но, поступают на вход 1УЛ 8, на вход разомкнутого ключа 14 и на вход ключа

16 через замкнутый ключ 15.. Выходное прямоугольное напряжение, промодулированное ступенчатым напряжением (фиг. 2) преобразователя 8 поступает на вход saпрямителя 5. Выпрямленное ступенчатое напряжение прикладывается к обмотке цепи возбуждения. Гак как напряжение имеет ступенчатую форму, то с появлением новой ступени начинает протекать зарядный ток по контуру: выпрямитель, компаратор, нуль-индикатор, заземление и емкость цепи возбуждения. Время между двумя импульсами генератора, и, сле довательно, длительность одной ступени, выбрано так, что за это время емкость цепи возбуждения полностью зарядится.

Компаратор и нуль-индикатор выполнены так, что они могут срабатывать только перед началом новой ступени и, следовательно, не реагирует на зарядный ток.

7 98М

Импульсы, приходящие на вход преобразователя 8, вызывают повышение напря-. жения на его выходе, а, следовательно, и на выходе. выпрямителя 5. Однако величина максимального выходного напря- S жения выпрямителя вследствие высокого сопротивления изоляции недостаточна для получения в цепи нуль-индикатора и компа ратора тока, необходимого для их срабатывания, и сигнал на их выходе отсутст вует. После прихода р -го импульса на вход преобразователя, напряжение на вы ходе достигает максимального значения, . а после прихода (И+ 4 }-го импульса на выходе переполнения появляется сигнал, который устанавливает в нулевое состояние блок-уставок, счетчик импульсов, и блок вычитания. Так как на входы этих блоков никакой информации эа время цикла работы не поступало, то этот сигнал 20 не изменит состояние блоков. Однако если на вход какого-нибудь блока поступила помеха, то сигнал установки в нулевое состояние установит блок в нулевое состоя ние. Таким образом, повышается помехо- 25 защищенность устройства защиты. С приходом последующего импульса описанный процесс начинается сначала. На выходе исполнительного органа сигнала нет и устройство защиты не срабатывает. 30

Максимальное напряжение на выходе выпрямителя

И ИВ мокс мокс I y где - максимальное число ступеней N преобразователя, равное числу импульсов на его входе,, Д(3 - напряжение одной ступени.

Переходное сопротивление изоляции меньше порога чувствительности устрой40 ства, но больше предельного иэмеряемого сопротивления.

Как и в первом случае выпрямленное напряжение накладывается на цепь возбуждения и ступенчато возрастает. С рос- 5 том ступенчатого напряжения наступит момент, когда ток в нуль-индикаторе изменит направление, и в момент его перехода через нуль на выходе нуль-индикато-. ра появится сигнал, вызывающий замыка« 0 ние электронного ключа 16. Прямоугольные импульсы поступают на вход блока

12 вычитания. На выходе блока вычитания импульсы появятся в том случае, когда число импульсов превысит уставку этого блока 7, С выхода блока вычитания импульсы поступают на вход счетчика 11 импульсов, через дешифратор 17 на

74 8 блок 13 уставок. При превышении числа импульсов, поступивших на счетчик, его емкости, на выходе переполнения появляется сигнал, который устанавливает в ну-, левое состояние блока 13 уставок, UAII 8 и блок 12 вычитания. C приходом последующего импульса описанный процесс на» чинается сначала. Так как величина сопротивления изоляции превышала величину уставки, то на выходе блока уставок и исполнительного органа сигналов не было и устройство защиты не срабатываете

Переходное сопротивление изоляции больше сопротивления уставки, но меньше предельного измеряемого сопротивления.

7 цикл работы устройства начинается как и в предыдущем случае. Однако ког да ток в цепи нуль-индикатора, компаратора, выпрямителя и переходного сопротив ления изоляции станет равным заданному значению 3j,, на выходе омпаратора появится сигнал, при этом клЬч 14 замыкается, а ключ 15 размыкается, и на выходе преобразователя 8 напряжение перестанет расти. Импульсы не будут по ступать на счетчик 11 импульсов, так как ключ 15 разомкнут. Через замкнутый ключ 14 прямоугольные импульсы постутыют на реле 10 времени и при дости жении заданной уставки формируется сигнал установки в нулевое состояние, блока уставок, счетчика импульсов, блока вычитания и UAII. С приходом последующего импульса описанный процесс начинается сначала. Так как величина сопротивления изоляции больше величины уставок, то на выходе блока уставок и исполнительного органа сигналов не было, устройство защиты не срабатывает.

Покажем, что количество импульсов пропорционально величине сопротивления изоляции.

Выходное напряжение выпрямителя в момент срабатывания компаратора 6

%!х где О - выходное напряжение выпря ИХ мителя;

И - число импульсов, поступивших на вход UAII;

Ь0 - напряжение одной ступени.

Напряжение на выходе выцрямитеця в момент срабатывания нуль-индикатора..

1 ЬЫХ где И - число импульсов, поступивших на вход UAII, с начала цикла до момента срабатывания нульиндикатора, .9838 и ьнчтр (д yK

I =40(8->-ЛАЯ

9 . .Разность этих напряжений

0= 0 -ц

sblx -Вь х -50(g è > .

У

Ранее было показано, что сопротивление изоляции пропорционально напряжению (, поэтому

- 40 где Г-, — величина переходного сопротив И ления изоляции;

à — суммарное эквивалентное сопротивление выпрямителя, компаратора и нуль-индикатора; к - коэффициент пропррциональнос- 45 ти.

Г„К(g IJ И вЂ” bÎl) „„.,, го

Уставка блока 12 настраивается так, чтобы соблюдалось условие ви Р . БЬ

I где И - уставка блока питания.

Тогда

Выше было показано, что счетчик 1 1 зо импульсов фиксирует количество импульсов от генератора прямоугольных импульсов за вычетом количества импульсов от генератора 9 прямоугольных импульсов до момента срабатывания нульиндикатора 7 и количества импульсов, записанных в блоке 12 вычитания, т.е.

И . Следовательно, счетчик импульсов иксирует количество импульсов, пропорциональное сопротивлению изоляции

Д е

Принимая коэффициент К-Ь0 = 0,1 кОм получим "р=01 Исд Скрип ) где д — число импульсов, фиксируемое 45

СИ

CBGT KOM 1 1 HM JIBCOB.

Проведенный анализ показывает, что для данного устройства не требуется генератор прямоугольных импульсов со стабильной частотой, так как величина переход- so ного сопротивления изоляции пропорциональна количеству импульсов, а не их частоте следования.

Переходное сопротивление изоляции меньше сопротивления уставок. 55

Устройство работает как и в преды, дущем случае. Однако если в случае трех следующих один за другим циклов работы

74 10 устройства величина переходного сопрсьтивления изоляции остается меньше или равной уставке, то на выходе блока уста вок появится сигнал и на выходе испол кительного органа 8 сформируется импульс. Это необходимо для того, чтобы отстроиться от переходных процессов в системе возбуждения. Если за время трех циклов работы устройства защиты величина переходного сопротивления изо,ляции окажется больше сопротивления уставок, то на выходе блока уставок сиг нала не будет. Во время следующего цикла работы устройства сигнал с нульиндикатора сотрет информацию, запомненную ранее в блоке уставок в течение тех циклов работы устройства, когда величина переходного сопротивления изоляции была равна или меньше уставки защиты.

После появления сигнала на выходе исполнительного органа повторяется очередной цикл работы устройства защиты.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для защиты синхронных генераторов от замыканий на землю (корпус) в одной точке цепи возбуждения не имеет зависимости чувствительности m места и величины напряжения цепи возбуждения.

Применение: в эксплуатации данного устройства позволяет значительно увеличить чувствительность защиты по сравнению с применяемым в настоящее время для этой цели устройством типа КЗР-З.

Предлагаемое устройство может легко быть связано с управляющими микропроцессорами, и использование устройства совместно с блоком индикации позволит осуществить непрерывный контроль изоляции цепи возбуждения.

Формула изобретения

Устройство для зашиты синхронного генератора от замыкания на землю (корпус) в одной точке цепи возбуждения, содержащее реле времени, вход которого связан с выходом компаратора, один из входов компаратора связан с отрицательным выходом выпрямителя и исполнительный орган, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности путем исключения зависимости чувствительности от места замыкания и величьмны напряжения цепи возбуждения, оно дополнительно содержит нуль-индикатор, цифроаналоговый преобразователь,. гене ратор прямоугольных импульсов, первый, 11 983 второй и третий ключи, блок вычитания, счетчик импульсов, дешифратор и блок уставок, при этом выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами цифроаналогового преобразователя, первого и второго ключей, входы управлен ния последних и вход останова цифроаналогового преобразователя подсоединены к выходу компаратора, к которому подключен также пусковой вход блока уста- fO вок; выход первого ключа соединен с входом реле времени, выход второго zmoча через третий юпоч соединен с основным входом блока вычитания, выход которого соединен с основным входом счетчика И импульсов, основной выход которого через дешифратор подключен к первому входу блока уставок, второй вход которого и управляющий вход третьего ключа соединены с выходом нуль-индикатора, 20 подключенного одним выводом к заземлению, а вторым - к компаратору, положительный вывод выпрямителя соединен с положительным выводом обмотки воз, буждения, выход цифроаналогового преоб- и

: разователя соединен с входом выпрямители, выход блока уставок подключен к входу исполнительного органа выход реле времени, входы установки на нуль блока уставок, счетчика импульсов, блока вычитания и пифроаналогового преобразователя объединены между собой и с выходами переполнения цифроаналогового преобразователя и счетчика импульсов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

¹ 189594, кл. Н 02 7Ф06, 1966.

2. Авторское свидетельство СССР № 612338, кл. Н 02 Н 7/06, 1978.

3. Гуганов Д. В. Чувствительная защита цепей возбуждения генераторов и синхронных компенсаторов от замыкания на землю в одной точке. Опыт эксплуатации релейной защиты, автоматики и телемеханики s системе "Днепроэнерго», БТИ ОРГРЭС, 1964, с. 92-96.

4. Патент ФРГ ¹ 2545325, кл. С 01% 27/18j 1979.

5. Авторское свидетельство СССР № 402114, кл., Н 02 Н 7/06, 1973.

6. Руководящие указания по релейной защите, вып. 5, 1963, с. 39.

983874

Составитель Т. Шеголькова

Редактор А. Шандор Техред Т.Мат очка Корректор Н. Король .Заказ 9944/67 Тираж 669 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4