CN103403564B - 用于接地故障检测适配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于针对电机状态的改变来适配接地故障检测的方法，其中电机包括绕组。电机在第一机器状态中，针对电气量的测量值定义第一参考值。接地故障检测包括连续测量绕组中的电气量，并且基于电气量的测量值和第一参考值检测接地故障。该方法包括：接收信号(101，102)，基于接收的信号检测机器状态改变(120)，并且在检测到机器状态改变时改变成用于电气量的测量值的第二参考值(100)，第二参考值不同于第一参考值。

Description

用于接地故障检测适配的方法

技术领域

本发明涉及电机中的接地故障检测领域。具体而言，本发明涉及针对机器工作状态改变进行的接地故障检测方法的适配。

背景技术

连接到电网络的电机中的接地故障可能给机器的连续工作带来明显危险。尽管接近中性点的单个接地故障可能未对机器引起任何立即危险，但是下一接地故障的出现将生成能够产生严重损坏的大循环电流。为了限制在端子附近的单个接地故障的接地电流，机器经常经由阻抗装置接地以限制机械和热应力，从而降低给机器带来的损坏。这样的接地系统经常用来提供用于检测机器内的接地故障的装置。

在原理上，用于检测电机中的接地故障的现有系统基于电气量的测量，例如测量的电流和/或电压值。针对电气量的测量值预定义参考值。基于测量值和预定义的参考值检测接地故障。可替换地，基于测量值能够估计其它电气值，并且基于估计的值和对应的预定义的参考值进行接地故障的检测。在检测到接地故障时可以启动报警或者跳闸信号。

US 4,851,766公开这样的系统，其中基于测量的电流和电压计算阻抗值，并且通过比较阻抗值与预定义的参考值来检测接地故障。

然而，测量值可能在不同机器状态/状况之下明显不同。这意味着这样的方法仅可以在机器在特定状况中时应用于检测接地故障或者它可能由于不准确检测而作出错误报警或者跳闸信号。因此基于这一发明，系统的敏感度得以降低。

US 6,172,509公开一种用于检测多相交流电机中的匝间和其它 绕组故障的系统，其中归一化测量的电流值。测量的电流的归一化考虑固有机器不平衡和变化的负载。通过识别电流流量改变来确定故障检测，然而这要求同时测量若干独立电路。

US5508620(D1)描述用于确定电机中的接地故障的方法。其在图1a和1b中描述了两个分别用于检测电机的定子和转子的不同的接地故障的电路。针对不同的电路，故障电阻是不同的(第4栏第5-10行，以及第4栏第31-33行)。取决于所使用的是何种故障电路和故障方法，故障与不同的故障电阻有关。

发明内容

本发明的目的是实现电机中的准确接地故障检测，其中电机的机器状态可以从一个机器状态向另一机器状态转变。

这一目的由根据一种方法实现。接地故障检测在电机的绕组上进行，其中电机处于第一机器状态。针对电气量的测量值定义第一参考值。接地故障检测包括连续测量绕组中的电气量并且基于电气量的测量值和第一参考值检测接地故障。该方法包括：接收信号，基于接收的信号检测机器状态的改变，并且在检测到机器状态改变时，改变成针对电气量的测量值的第二参考值，该第二参考值不同于第一参考值。

通过基于接收的信号检测机器状态改变并且切换成与该特定机器状态对应的参考值，本发明能够针对机器状态改变来适配接地故障检测，并且实现更准确的接地故障检测。

在电机投入工作时，它可能经历不同机器状态。例如旋转电机可以从静止开始、加速、然后至全速、同步并且进一步经历全负载并且以减速至停止而告终。同时，接地故障检测旨在于在各种机器工作状态/状况期间工作，包括当机器静止时。为了获得准确检测，出于多种原因而必须考虑机器状态的改变。

原因之一是机器可以由单元变压器和电路断路器连接到电力系统。根据电路断路器状况，接地故障检测然后感测不同数量的设备。在断路器断开时，仅针对接地故障感测机器，而在断路器闭合时，感测整个断路器和单元变压器加上可能的附加设备。

原因中的另一原因是电机绝缘系统具有一定的电压依赖性，该电压依赖性可能引起10％级的电容改变。这主要归因于存在通常由非线性导电材料制成的定子绕组的端电晕保护。因此，当向定子施加电压时，定子有效地变得更大，被视为电容。

为了获得测量值，在测量电路中布置变压器。然而变压器可能受到施加其上的电压影响。这因而影响从变压器接收的测量值。例如，对于基于信号注入的接地故障检测，当机器处于静止时，供应至变压器的电压仅来自注入信号。而当机器处于全负载时，注入的信号叠加在系统电压上，这可能对测量值具有明显的影响。因此，与静止机器相对应的预定义的参考值不够准确以用于机器处于全负载时。

最后，可能有在接地故障检测系统的敏感区域内连接的辅助设备。如果这些设备的接地阻抗改变，这将影响接地故障检测系统。

接收的信号可以是内部信号。内部信号意味着在接地故障检测的测量中使用的信号。通过分析接收到的内部信号，基于分析的信号能够检测机器状态的改变。

可替换地，接收的信号可以是在接地故障检测外部的信号。该方法进一步包括基于外部信号检测机器状态的改变。外部信号可以是断路器状况、机器负载或者励磁。另外，外部信号可以是模拟或者数字形式。在模拟外部信号的情况下，该方法进一步包括分析模拟外部信号，并且基于分析的外部信号检测机器状态的改变。

使用内部信号以检测机器状态的改变是有利的，因为这样的内部信号专用于接地故障检测，因此总是可获得的。利用内部信号，无需为了检测机器状态的改变而具有连接的附加信号。

根据本发明的一个实施例，通过分析的信号的性质来检测机器状态的改变。例如，表示为RMS的均方根幅度、主导频率或者主导幅度可以用于这一目的。分析的信号可以是模拟外部信号或者内部 信号。

根据本发明的一个实施例，机器状态是静止、加速、减速、全速或者满负载中的任何一项。该方法包括机器在机器状态之一时测量电气量，并且基于电气量的测量值确定／定义与这一特定机器状态相对应的参考值。可以在保护设备的调试之下执行这一过程。保护设备包括用于检测接地故障的功能和本发明方法。因此，在调试之下确定的参考值将在电机连接到实际电力系统时反映机器状态。此后，当机器和保护设备在系统中工作时有选择地使用参考值。

根据本发明的一个实施例，接地故障检测包括以预定义的频率向电机的绕组注入测试信号，并且该方法包括接收电气量的测量值，其中在注入测试信号的点测量测量值。该方法进一步包括连续分析测量的信号，并且基于分析的信号检测机器状态的改变。测量的电气量为RMS。

使用RMS以确定机器状态改变是有利的，因为RMS在测量值与信号总幅度之间进行区分。前者仅包含预定义的频率，而后者包括所有其它频率，它们的幅度可以在变化的机器状态之下改变。

根据本发明的一个实施例，接地故障检测包括以预定义的频率向电机的绕组注入测试信号。该方法包括接收外部信号，并且基于接收的外部信号检测机器状态的改变。

附图说明

现在将通过本发明的不同实施例的描述并且参照附图更具体地说明本发明。

图1a示出根据本发明的一个实施例的基于内部信号针对机器状态的改变来适配接地故障保护的本发明方法的流程图。

图1b示出根据本发明的另一实施例的基于外部信号针对机器状态的改变来适配接地故障保护的本发明的方法的流程图。

图2图示接地故障检测系统的示意图，该接地故障检测系统包括接地故障检测功能和用于获得用于检测机器状态改变的信号的可 能位置。

图2a图示根据本发明的一个实施例的设备2的示意图。

图3a图示在图2中所示机器在赋能过程期间的测量的电压通道中的RMS水平的图。

图3b图示在机器的赋能期间的估计的接地阻抗的幅值的对应图。

具体实施方式

参照图1a和1b，结合接地故障检测功能图示本发明的方法1。这样的检测功能通常由保护设备提供，该保护设备连接到电机的导体／绕组，该电机进而连接到电力系统(未示出)。这样的电机可以例如发电机或者电动机。为了检测接地故障，接地故障检测包括测量一个或者若干个电气量，例如电流和／或电压信号。测量可以通过在测量电路中布置的一个或者若干个仪表变压器而获得。

为了检测接地故障，针对测量值预定义参考值。在测量值偏移预定义的参考值时，可以由接地故障检测启动报警或者跳闸。

可替换地，接地故障检测可以基于测量的电流和电压值计算／估计接地阻抗。基于这一估计的阻抗值和预定义的参考值检测接地故障。可以举例说明这一点如下。

由于接地故障可以视为与参考接地阻抗并联的接地连接，所以能够通过下式估计故障阻抗值Z_fault，

$\frac{1}{Z_{\mathrm{fault}}}=\frac{1}{Z_m}-\frac{1}{Z_{\mathrm{ref}}}---\left(1\right)$

其中Z_m是基于测量的电流和电压所计算的阻抗值，并且Z_ref是参考值。通过比较估计的故障阻抗Z_fault与预定义的值，能够在Z_fault小于预定义的值时确定接地故障。

然而，测量的电流和电压可能在不同机器状态之下具有不同水平。使用一个单个参考值可能造成不准确的计算的故障阻抗值，因此影响接地故障检测的可靠性。通过针对不同机器状态使用不同值Z_ref，能够更准确地估计故障阻抗值Z_fault。

应当理解，这一原理也可以适用于其它接地故障估计方法。例如，测量值可以是电流值。如果测量的电流值大于预定义的值，则检测到接地故障。

该方法可以始于在步骤100处将当前参考值设置成与当前机器状态相对应的值，例如与在机器处于静止时相对应的值。随着机器接通，机器加速；因此机器状态改变为加速。在步骤102这一改变可以由在接地故障检测内部的信号所检测。这是因为接地故障检测旨在于始终被应用于机器，这意味着例如当机器处于静止和当机器处于工作，基于接地故障检测的接地故障保护工作。因此内部信号总是被测量。在步骤110这一内部信号进一步被分析，以在步骤120基于分析的信号的诸如均方根幅度、主导频率或者主导幅度的性质，确定机器状态是否已经改变。在检测到改变时，在步骤100选择与这一机器状态相对应的参考值作为当前参考值，例如与机器加速相对应的参考值。新选择的当前参考值进一步被传达至接地故障检测。随后，基于测量值和这一参考值检测接地故障。

另外，步骤101，有可能基于在接地故障检测外部的信号检测机器状态的改变。例如，断路器的状况能够由数字信号呈现为“通”或者“断”。在这一情况下，断路器被布置于电机与步进升压变压器之间并且用于将机器连接到步进升压变压器或者从步进升压变压器断开。断路器的状况因此也反映机器状态。在断路器断开时，测量是机器接地阻抗，而在断路器闭合时，测量可能受步进升压变压器的低压绕组影响。步进升压变压器可以具有相当大的接地电容，因此造成需要改变在接地故障检测中使用的参考值。在步骤120检测这样的改变。

可能的，外部信号也可以是模拟信号。在这样的情况下，步骤110，基于分析的信号的诸如RMS幅度、主导频率或者主导幅度的性质，测量信号需要首先进行处理和分析。然后，步骤120，分析的结果用来确定机器是否已经改变成另一机器状态。

图2图示包括接地故障检测设备2的电力系统的一部分的示意 图。该图也示出一些可能源，可以从这些源获得用于检测机器状态改变的信号。这样的源由带有符号“S”的箭头11、11’、11”所指示。

在这一示例中，设备2被布置用于检测三相发电机10的定子绕组中的接地故障。

虽然，在图2中举例说明发电机，但是应当理解，本发明也适用于其它类型的电机，例如电动机。

发电机10包括定子绕组，这些定子绕组具有中性点14和端子13，端子13经由断路器15、15’和15”连接到单元变压器16的初级绕组。单元变压器16的初级绕组18三角形连接到发电机的端子，用于将发电机从网络的外部故障隔离。在断路器15、15’和15”与单元变压器16之间，可以连接附加负载14。

中性点14经由配电变压器40的初级绕组48连接到配电变压器40。配电变压器40被布置用于为设备2提供测量。

发电机经由在配电变压器的次级绕组49的两端之间放置的中性点电阻器42在中性点14处进一步阻抗接地。设备通过连接点8和9连接到中性点电阻器42以获得设备2使用的各种测量。中性点电阻器42适于将接地故障电流限于如下值，该值在定子中出现接地故障的情况下限制发电机定子损坏。这种限制通常在3-25A的范围内。然而，中性点电阻器42也可以放置在其它位置。一个示例是由虚线指示为42’的示例。

图2a进一步图示根据本发明的一个实施例的接地故障检测设备2的示意图。在这一示例中，接地故障检测基于信号注入。设备2包括信号注入单元20、故障检测单元50和测量电路。信号单元20被布置用于生成以电流或者电压为形式的测试信号。生成的测试信号经由连接26和25通过连接点8和9向变压器40的次级绕组49注入。另外，以与系统频率不同的频率注入测试信号。利用测量电路，能够测量在22与23之间的电压差。另外，利用电阻器6作为在注入单元20的输出与9之间的电流分流器的布置，能够通过测量在电流分流器6之上的电压降或者在连接点24与23之间的电压差 来获得电流测量。利用测量的电流和电压值，能够估计阻抗值，因此能够基于等式(1)检测接地故障。

利用这一布置，在连接22与23、24之间的电压差将不仅受到来自单元20的注入信号的影响，而且受到存在于中性点14的其它电压的影响。在正常工作状态之下，在中性点的基频电压很小，但是三次谐波的电压可能达到标称端电压的百分之几。因此这一电压将被包括在电压和电流测量信号中。接地故障分析必须通过专注于注入的频率分量的幅度来忽略这一谐波和其它可能的谐波。

另外，在静止时除了注入信号之外没有附加信号存在。因此，由于三次谐波通常比注入的信号大得多，所以它将明显影响测量信号的总幅度，并且这可以如图3a中所示由信号的RMS值量化。在这一示例中，在约10：00：30的时间点向机器赋能。图3b示出在向机器赋能时，估计的接地阻抗的幅值的对应图。这示出估计的接地阻抗的量值水平已经在这一时间点明显改变。

图2a示出基于信号注入的接地故障检测，并且测量电路包括测量电流和电压。然而本发明本身可以应用于其它接地故障检测方案并且具有不同的测量布置。

参照图2，也能够从其它源获得用于检测机器状态改变的信号。例如，可以接收断路器15、15’和15”的状况。应当理解，其它可能源也可以适用。在这一示例中，本发明方法集成在接地故障检测功能中。然而，它可以实施为单独功能。另外，本发明方法和接地故障检测功能两者均能够集成在诸如智能电子设备(IED)的保护设备中，用于保护、控制以及监视连接到它的电机。

当这样的保护设备在电力系统中调试之下时能够确定不同参考值。

例如，关于模拟信号和公式(1)，参考值能够作为例如参数设置过程而实现。当待保护的机器处于静止时，可以基于估计的接地阻抗值确定第一参考值Z_ref1。然后，当机器处于工作时，可以基于测量的接地阻抗确定第二参考值Z_ref2。

另外，最大允许报警水平可以通过在静止-工作-静止循环中观测到的从有效参考值的偏离进行估计。通过估计和记录在不同机器状态期间的接地阻抗，故障阻抗能够够使用第一和第二参考值Z_ref1和Z_ref2进行评估。报警水平相应地能够得到调整。

因此，针对每个特定机器状态可以判断它是否需要针对这一机器状态的参考值。如果需要，则相应地确定参考值。

关于数字信号和公式(1)，对应于断路器的“通”和“断”的参考值能够分别用以下方式确定。当机器旋转并且被满励磁并且断路器断开时，这意味着将接收“断”信号，估计阻抗并且确定参考值Z_{ref_OFF}。然后，当断路器闭合，这意味着将接收“通”信号，估计阻抗。另外，判断是否需要参考变化，并且确定对应于断路器“通”状况的参考值Z_{ref_ON}。

Claims (9)

1.一种用于针对电机的工作状态的改变来适配接地故障检测的方法，所述方法由连接至所述电机的保护设备执行，其中所述电机包括绕组，所述电机在第一电机工作状态中，针对电气量的测量值定义第一参考值，所述接地故障检测包括连续测量所述绕组中的所述电气量，并且基于所述电气量的所述测量值和所述第一参考值检测接地故障，

其特征在于，所述方法包括：

-接收信号(101，102)，

-基于接收的信号检测所述电机的工作状态改变(120)，以及

-在检测到所述电机的所述工作状态改变时，改变成针对所述电气量的所述测量值的第二参考值，所述第二参考值不同于所述第一参考值(100)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收的信号是在所述接地故障检测中使用的内部信号，并且所述方法进一步包括分析接收的内部信号，并且基于分析的信号检测所述电机的所述工作状态改变(120)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收的信号是在所述接地故障的外部信号，并且所述方法进一步包括基于所述外部信号检测所述电机的所述工作状态改变(120)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述外部信号为断路器状况、电机负载或者励磁中的任何一项并且是模拟或者逻辑的形式。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述方法进一步包括分析模拟外部信号，并且基于分析的外部信号检测所述电机的所述工作状态改变(120)。

6.根据权利要求2或5所述的方法，其中所述电机的所述工作状态改变由所述分析的信号的以下性质中的任意一个性质检测：表示为RMS的均方根幅度、主导频率或者主导幅度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电机的工作状态是静止、加速、减速、全速或者满负载中的任何一项；并且所述方法包括在所述电机的工作状态之一中时测量所述电气量，并且基于所述电气量的所述测量值确定/定义与这一特定的电机工作状态相对应的参考值。

8.根据权利要求1-5,和7其中任一项所述的方法，其中所述接地故障检测包括以预定义的频率向所述电机的所述绕组注入测试信号，并且所述方法包括接收电气量的测量值，其中在所述测试信号的注入点测量所述测量值，并且所述方法进一步包括连续分析测量的信号，并且基于分析的信号检测所述电机的工作状态改变。

9.根据权利要求1-5,和7其中任一项所述的方法，其中所述接地故障检测包括以预定义的频率向所述电机的所述绕组注入测试信号，并且所述方法包括接收外部信号，并且基于接收的外部信号检测所述电机的所述工作状态改变。