устройство и способ для определения электрических параметров

Формула изобретения

1. Устройство для определения, по меньшей мере, одного электрического параметра электрического устройства (1), содержащее модуль (8) инжекции сигналов, выполненный с возможностью инжекции первого тестового сигнала (t₁) с первой основной частотой (f₁) в первый электрический контур (10) и с возможностью инжекции второго тестового сигнала (t₂) со второй основной частотой (f₂) в первый электрический контур (10) или во второй электрический контур (30); модуль (7) преобразования сигналов, выполненный с возможностью измерения первой и второй электрических величин, возникающих в первом электрическом контуре под воздействием первого тестового сигнала (t₁), и с возможностью измерения первой и второй электрических величин, возникающих в первом электрическом контуре (10) или во втором электрическом контуре (30) под воздействием второго тестового сигнала (t₂); и обрабатывающий модуль, содержащий, по меньшей мере, два аналоговых канала (16, 17) ввода, выполненный с возможностью приема указанных измеренных электрических величин и определения указанного электрического параметра на основании измеренных электрических величин, отличающееся тем, что содержит смеситель (13), выполненный с возможностью сложения измеренных значений (U₁, U₂) первой электрической величины, возникающей под воздействием первого и второго тестовых сигналов, и формирования на их основе первого смешанного сигнала, с возможностью сложения измеренных значений (I₁, I ₂) второй электрической величины, возникающей под воздействием первого и второго тестовых сигналов, и формирования на их основе второго смешанного сигнала, и с возможностью подачи первого смешанного сигнала на первый канал ввода обрабатывающего модуля и подачи второго смешанного сигнала на второй канал ввода обрабатывающего модуля, причем обрабатывающий модуль выполнен с возможностью разложения смешанных сигналов для получения измеренных значений первой и второй электрических величин.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный электрический параметр представляет собой импеданс или передаточную функцию.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанная первая электрическая величина представляет собой напряжение или ток, и указанная вторая электрическая величина представляет собой напряжение или ток.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что модуль (8) инжекции выполнен с возможностью инжекции в первый электрический контур (10), по меньшей мере, третьего тестового сигнала с третьей основной частотой, модуль (7) преобразования сигналов выполнен с возможностью измерения первой и второй электрических величин, возникающих в первом электрическом контуре (10) под воздействием третьего тестового сигнала (t₃), а смеситель (13) выполнен с возможностью сложения измеренных значений первой электрической величины, полученных с использованием первого, второго и третьего тестовых сигналов, и формирования на их основе указанного первого смешанного сигнала и сложения измеренных значений второй электрической величины, полученных с использованием первого, второго и третьего тестовых сигналов, и формирования на их основе второго смешанного сигнала.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что указанный модуль (7) преобразования сигналов выполнен с возможностью измерения первого напряжения (U₁(f₁)) и первого тока (I₁(f₁)) в первом электрическом контуре, причем первое напряжение (U₁(f₁ )) и первый ток (I₁(f₁)) возникают под воздействием первого тестового сигнала (t₁), и с возможностью измерения второго напряжения (U₂(f₂)) и второго тока (I₁(f₂)) в первом электрическом контуре (10) или втором электрическом контуре (30), причем второе напряжение (U₂(f₂)) и второй ток (I ₂(f₂)) возникают под воздействием второго тестового сигнала (t₂), а указанный обрабатывающий модуль выполнен с возможностью определения первого импеданса (Z₁) первого электрического устройства (2) по первому напряжению (U ₁(f₁)) и первому току (I₁(f₁ )), и второго импеданса (Z₂) первого электрического устройства (2) или второго электрического устройства (28) по второму напряжению (U₂(f₂)) и второму току (I₂(f₂)).

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что смеситель (13) содержит первый усилитель (14) для усиления сигнала первого измеренного напряжения (U₁) и второй усилитель (15) для усиления сигнала второго измеренного напряжения (U₂), причем первый усилитель (14) и второй усилитель (15) соединены последовательно, а выход их последовательно соединенного контура соединен с первым аналоговым каналом (16) ввода.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что смеситель (13) содержит третий усилитель (36) для усиления сигнала первого измеренного тока (I₁) и четвертый усилитель (37) для усиления сигнала второго измеренного тока (I₂), причем третий усилитель (36) и четвертый усилитель (37) соединены последовательно, а вывод их последовательно соединенного контура соединен со вторым аналоговым каналом (17) ввода.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что смеситель (13) содержит первый трансформатор (34) напряжения, на входы которого подается первое измеренное напряжение (U ₁) и второе измеренное напряжение (U₂), а выход которого соединен с первым аналоговым каналом (16) ввода.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что смеситель (13) содержит второй трансформатор (35) напряжения, на входы которого подается первый измеренный ток (I₁) и второй измеренный ток (I₂), а выход которого соединен со вторым аналоговым каналом (17) ввода.

10. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первое электрическое устройство (2) и/или второе электрическое устройство (28) представляют собой устройства переменного тока, причем первая основная частота (f₁) и вторая основная частота (f₂) отличаются от номинальных частот первого электрического устройства (2) и/или второго электрического устройства (28).

11. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что содержит средства измерения температуры для определения рабочей температуры, по меньшей мере, одной части первого электрического контура (10) и/или второго электрического контура (30), причем обрабатывающий модуль использует значения рабочей температуры соответствующего контура для корректировки значений первого напряжения и тока (U₁(f₁), I₁(f₁ )) и/или второго напряжения и тока (U₂(f₂ ), I₂(f₂)).

12. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства измерения температуры для определения рабочей температуры первого электрического устройства (2) и/или второго электрического устройства (28), причем обрабатывающий модуль использует значения рабочей температуры соответствующего устройства для корректировки значений первой электрической величины (U₁(f₁), I₁(f₁)) и/или второй электрической величины (U₂(f₂), I₂(f₂)).

13. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что модуль (8) инжекции инжектирует первый тестовый сигнал (t₁ ) и/или второй тестовый сигнал (t₂) в первое электрическое устройство (2) или во второе электрическое устройство через трансформатор напряжения.

14. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что модуль (8) инжекции инжектирует первый тестовый сигнал (t ₁) и/или второй тестовый сигнал (t₂) в первое электрическое устройство или во второе электрическое устройство через трансформатор по схеме открытого дельта-соединения.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что первое или второе электрическое устройство представляет собой силовой агрегат, а модуль (8) инжекции инжектирует первый тестовый сигнал (t ₁) и/или второй тестовый сигнал (t₂) в, по меньшей мере, одну из фаз силового агрегата.

16. Устройство по п.5, отличающееся тем, что первое электрическое устройство (2) представляет собой обмотки статора трехфазной электрической машины, а второе электрическое устройство (28) представляет собой обмотки ротора этой машины, причем обрабатывающий модуль (18) сравнивает значение первого импеданса (Z₁) с первым заданным значением для обнаружения неисправности обмоток статора и сравнивает значение второго импеданса (Z₂) со вторым заданным значением для обнаружения неисправности обмоток ротора.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что обмотки статора соединены по схеме «звезда» с заземленной нейтралью, причем модуль (8) инжекции инжектирует первый тестовый сигнал (t₁) между нейтралью и землей.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что модуль (8) инжекции инжектирует второй тестовый сигнал (t₂) через конденсатор (31) в контур возбуждения обмоток ротора.

19. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что содержит, для обеспечения дублирования, дополнительный модуль (44) инжекции сигналов, который инжектирует третий тестовый сигнал (t₃) с третьей основной частотой (f₃) в третий электрический контур (47), соединенный с обмотками статора; дополнительный модуль (45) преобразования сигналов, который измеряет третье напряжение (U₃(f₃)) и третий ток (I₃(f ₃)), возникающие под воздействием третьего тестового сигнала (t₃); дополнительный обрабатывающий модуль (43), который определяет третий импеданс (Z₃) по третьему напряжению (U₃(f₃)) и третьему току I₃(f ₃).

20. Способ определения электрического параметра электрического устройства, в котором:

- инжектируют первый тестовый сигнал (t₁) с первой основной частотой (f ₁) в первый электрический контур (10),

- инжектируют второй тестовый сигнал (t₂) со второй основной частотой (f₂) в первый электрический контур (10) или второй электрический контур (30),

- измеряют первую и вторую электрические величины, возникающие в первом электрическом контуре под воздействием первого тестового сигнала (t₁),

- измеряют первую и вторую электрические величины, возникающие в первом электрическом контуре (10) или втором электрическом контуре (30) под воздействием второго тестового сигнала (t ₂),

- складывают измеренные значения (U₁ , U₂) первой электрической величины, возникающей под воздействием первого и второго тестовых сигналов, и формируют на их основе первый смешанный сигнал,

- складывают измеренные значения (I₁, I₂) второй электрической величины, возникающей под воздействием первого и второго тестовых сигналов, и формируют на их основе второй смешанный сигнал,

- подают первый смешанный сигнал на первый аналоговый канал ввода обрабатывающего модуля,

- подают второй смешанный сигнал на второй аналоговый канал ввода обрабатывающего модуля,

- принимают указанные измеренные электрические величины через два указанных аналоговых канала (16, 17) ввода,

- раскладывают смешанные сигналы для получения измеренных значений первой и второй электрических величин, и

- определяют указанный электрический параметр на основе измеренных электрических величин.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что включает в себя измерение первого напряжения (U₁(f₁ )) и первого тока (I₁(f₁)) в первом электрическом контуре, причем первое напряжение (U₁(f₁ )) и первый ток (I₁(f₁)) возникают под воздействием первого тестового сигнала (t₁); измерение второго напряжения (U₂(f₂)) и второго тока (I₂(f₂)) в первом электрическом контуре (10) или втором электрическом контуре (30), причем второе напряжение (U₂(f₂)) и второй ток (I₂(f ₂)) возникают под воздействием второго тестового сигнала (t₂); сложение первого измеренного напряжения (U ₁) и второго измеренного напряжения (U₂); сложение первого измеренного тока (I₁) и второго измеренного тока (I₂); получение первого напряжения (U₁ (f₁)) и второго напряжения (U₂(f₂ )) из смешанного сигнала (S₁) нa первом аналоговом канале (16) ввода и получение первого тока (I₁(f ₁)) и второго тока (I₂(f₂)) из смешанного сигнала (S₂) на втором аналоговом канале (17) ввода; определение первого импеданса (Z₁) первого электрического устройства (2) по первому напряжению (U₁(f₁ )) и первому току (I₁(f₁)) и определение второго импеданса (Z₂) первого электрического устройства (2) или второго электрического устройства (28) по второму напряжению (U₂(f₂)) и второму току (I₂(f ₂)).

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что первый импеданс (Z₁) и второй импеданс (Z₂) определяют до подачи питания на первое электрическое устройство (2) или второе электрическое устройство (28).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству и способу для определения электрических параметров, таких как импеданс или передаточная функция электрического устройства. Устройство содержит модуль инжекции сигналов, выполненный с возможностью инжекции в первый электрический контур первого тестового сигнала с первой основной частотой и инжекции в первый электрический контур или второй электрический контур второго тестового сигнала со второй основной частотой, модуль преобразования сигналов, выполненный с возможностью измерения значений первой и второй электрических величин, таких как сила тока и напряжение, возникающих в первом электрическом контуре под воздействием первого тестового сигнала, и измерения значений первой и второй электрических величин, возникающих в первом или втором электрическом контуре под воздействием второго тестового сигнала, и обрабатывающий модуль, содержащий, по меньшей мере, два аналоговых канала ввода, выполненный с возможностью приема результатов измерений электрических величин и определения электрических параметров на основании измеренных электрических величин.

Первое электрическое устройство представляет собой устройство, рабочее напряжение и/или сила тока которого достаточно высоки для того, чтобы электрическая неисправность устройства представляла опасность для оператора или могла вызвать повреждение окружающего оборудования. Следовательно, необходимо обеспечить тщательный контроль электрических параметров первого электрического устройства, чтобы при возникновении неисправности можно было достаточно быстро принять необходимые меры. В большинстве случаев при обнаружении неисправности сразу отключают подачу электропитания.

Уровень техники

В области производства, передачи и распределения электроэнергии в контроле работы и состояния соответствующих электрических устройств, таких как генераторы, трансформаторы и линии электропередачи, важно обеспечить надежность и устойчивость силовой сети. В статье «Dielectric Spectroscopy in Time and Frequency Domain for HV Power Equipment, Part I: Theoretical Considerations», Zaengl W.S., IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 19, issue 5, стр.5-19, для диагностики состояния электроизолирующих материалов, используемых в электроэнергетике, был предложен метод диэлектрической спектроскопии. Метод диэлектрической спектроскопии, который также можно назвать методом импедансной спектроскопии, основан на определении реакции материала на прикладываемое к нему электромагнитное поле определенной частоты. В наиболее общем смысле реакцию материала на прикладываемое к нему переменное электромагнитное поле определяют путем одновременного измерения комплексного значения напряжения и комплексного значения тока через материал и вычисления импеданса материала на конкретной частоте. Технология диэлектрической спектроскопии, также называемая технологией измерения диэлектрической проницаемости, описана также в работе «Straight Dielectric Response Measurements with High Precision» авторов J. Hedberg и Т. Bengtsson, опубликованной в материалах конференции Nord-IS 2005, Paper 27.

В европейской патентной заявке 06445061.2 метод диэлектрической спектроскопии используют для повышения точности методики обнаружения замыканий на землю обмотки статора многофазного генератора. Замыкание обмотки статора на землю, представляющее собой внутренний дефект, который может быть вызван физическими повреждениями или старением изолирующего материала обмотки, обычно предшествует любым другим неисправностям генератора, таким как межфазное короткое замыкание обмотки статора. Соответственно, обнаружение замыканий обмотки на землю важно для предотвращения возникновения более серьезных неисправностей генератора. Статор генератора и его точка нейтрали соединены с землей через импеданс. Для осуществления измерений по методу диэлектрической спектроскопии между точкой нейтрали и землей подают тестовый сигнал переменного напряжения и измеряют реакцию обмотки статора на такой сигнал переменного напряжения. По результатам измерений выявляют наличие импеданса замыкания на землю, причем импеданс замыкания моделируют в виде сопротивления замыкания, подключенного параллельно емкости обмотки.

Патентный документ WO 9605516 описывает систему для контроля состояния незаземленной системы двойного питания. Система контроля выполнена с возможностью обнаружения импеданса короткого замыкания путем инжекции тестового тока через клемму заземления для генерации измеряемого напряжения, соответствующего импедансу короткого замыкания. Импеданс вычисляют по измеренному значению напряжения и силы тока. Для определения импеданса обеих фаз в системе двойного питания инжектируют два тестовых тока с различными частотами для генерации двух измеряемых напряжений. Частоты токов являются кратными частоте системы. Тестовые токи и измеренные значения напряжений подают в модуль микроконтроллера, выполненный с возможностью вычисления импеданса обеих фаз. Каждый из измеренных токов и напряжений подают на аналоговый канал ввода микроконтроллера. Таким образом, число требуемых каналов зависит от числа измерений. В данном случае требуется четыре канала. Однако число каналов ввода является ограниченным. Например, число каналов ввода в блоке реле ограничено двенадцатью или двадцатью четырьмя. Большую часть данных каналов ввода используют для других целей. Увеличение количества каналов требует дополнительных затрат.

В известных обрабатывающих модулях, используемых в области электроэнергетики, результаты измерений подают на обрабатывающий модуль через каналы ввода в виде аналоговых сигналов, после чего обрабатывающий модуль преобразует их в цифровые данные. Обрабатывающий модуль обычно выполняет несколько функций. Такими задачами зачастую являются управление, защита и контроль не только данного электрического устройства, но и всей установки. Вследствие этого стоимость такого обрабатывающего модуля может быть значительной. Поскольку результаты измерений поступают в обрабатывающий модуль в виде аналоговых сигналов, число входных сигналов ограничено. Соответственно чем большее количество измерений необходимо обработать, тем большее число аналоговых каналов ввода требуется, что приводит к необходимости дорогостоящего расширения оборудования. Помимо этого, возрастает длительность и трудоемкость электрического монтажа и процесса установки.

В современных электроустановках существует необходимость в нахождении баланса аспектов, с одной стороны, повышения производительности, надежности и безопасности и, с другой стороны, повышения эффективности и сокращения затрат.

Раскрытие изобретения

Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в снижении стоимости измерительной системы при условии сохранения ее производительности и надежности.

Для достижения указанной цели в соответствии с изобретением предлагаются устройство по п.1 и способ по п.20 формулы изобретения.

Предлагаемое устройство отличается тем, что содержит смеситель, выполненный с возможностью сложения измеренного значения первой электрической величины, возникающей под воздействием первого тестового сигнала, и измеренного значения первой электрической величины, возникающей под воздействием второго тестового сигнала, и формирования на их основе первого смешанного сигнала; сложения измеренного значения второй электрической величины, возникающей под воздействием первого тестового сигнала, и измеренного значения второй электрической величины, возникающей под воздействием второго тестового сигнала, и формирования на их основе второго смешанного сигнала; подачи первого смешанного сигнала на первый канал ввода обрабатывающего модуля и подачи второго смешанного сигнала на второй канал ввода обрабатывающего модуля. Обрабатывающий модуль выполнен с возможностью разложения смешанных сигналов для получения измеренных значений первой и второй электрических величин.

Для достижения цели в соответствии с изобретением предусмотрен смеситель, обеспечивающий сложение первого измеренного значения первой величины со вторым измеренным значением первой величины и подачу смешанного сигнала на первый канал ввода обрабатывающего модуля. Например, первая величина представляет собой напряжение. Под сложением понимается суммирование аналоговых сигналов результатов измерений. Смеситель также обеспечивает сложение первого измеренного значения второй величины со вторым измеренным значением второй величины и подачу смешанного сигнала на второй канал ввода обрабатывающего модуля. Например, вторая величина представляет собой ток. Затем обрабатывающий модуль получает измеренные значения первой и второй электрических величин путем разложения смешанных сигналов и определяет по ним электрические параметры. Электрические параметры могут представлять собой, например, импеданс или передаточную функцию. Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что независимо от числа измерений требуется всего два канала ввода, что приводит к уменьшению стоимости оборудования. Другое преимущество настоящего изобретения заключается в том, что частота тестовых сигналов не зависит от частоты системы, называемой также собственной частотой.

Данное решение требует добавления к оборудованию лишь сравнительно небольшого модуля смесителя, который может быть гибко приспособлен к конкретным требованиям. Для реализации в обрабатывающем модуле дополнительной функции получения раздельных значений напряжения и силы тока из смешанных сигналов требуется только обновление рабочего программного обеспечения обрабатывающего модуля.

Первое и второе электрические устройства предпочтительно представляют собой устройства, используемые в производстве, передаче и распределении электроэнергии, такие как генераторы, трансформаторы, электродвигатели или линии электропередачи. Инжектируемые тестовые сигналы могут представлять собой сигналы напряжения или сигналы тока. Термин «основная частота» указывает на то, что первый и второй тестовые сигналы изменяются во времени, причем их частотные спектры содержат одну явно доминирующую частоту. В простейшем случае тестовый сигнал представляет собой синусоидальный тестовый сигнал. Однако может быть использована также комбинация различных частот при условии возможности выделения одной основной частоты. Для получения из смешанных сигналов значений напряжений и токов обрабатывающий модуль предпочтительно использует алгоритм на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ), обеспечивающий разделение первой и второй основных частот друг от друга и определение комплексных значений напряжения и тока.

Первая и вторая основные частоты должны преимущественно отличаться от номинальной частоты соответствующего устройства, т.е. иметь значения, хорошо отличимые от других гармоник, присутствующих в первом и втором электрических устройствах соответственно. Это особенно важно в случаях, когда первое или второе электрическое устройство представляет собой устройство переменного тока или когда к вспомогательным системам электрического устройства добавляют модули, которые могут служит источником сигналов переменного тока, такие как, например, датчики скорости.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения первая электрическая величина может представлять собой первое напряжение, а вторая электрическая величина может представлять собой второе напряжение. В соответствии другим вариантом осуществления изобретения первая электрическая величина может представлять собой первый ток, а вторая электрическая величина может представлять собой второй ток.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения для электрического устройства определяют два или более электрических параметров. Электрический параметр может служить возможным индикатором наличия неисправности. Определение более чем одного электрического параметра для одной и той же части первого электрического устройства позволяет ввести избыточность, повышающую возможность обнаружения неисправностей. Контроль состояния разных источников неисправностей путем определения электрических величин различных электрических устройств в рамках одной установки позволяет предупредить нежелательное взаимодействие исправного устройства с неисправным, что повышает общую надежность установки.

Для обеспечения возможности контроля более чем одного электрического параметра и решения поставленной в соответствии с изобретением задачи модуль инжекции частоты инжектирует второй тестовый сигнал со второй основной частотой в первый электрический контур или во второй электрический контур, причем второй электрический контур соединен с первым электрическим устройством, а модуль преобразования сигналов измеряет первую электрическую величину и вторую электрическую величину, возникающую в первом или втором электрическом контуре под воздействием второго тестового сигнала. Обрабатывающий модуль определяет второй электрический параметр первого или второго электрического устройства по значениям второго напряжения и тока.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения модуль инжекции частоты выполнен с возможностью инжекции в первый электрический контур, по меньшей мере, третьего тестового сигнала с третьей основной частотой, модуль преобразования сигналов выполнен с возможностью измерения первой и второй электрических величин, возникающих в первом электрическом контуре под воздействием третьего тестового сигнала, а смеситель выполнен с возможностью сложения измеренных значений первой электрической величины, полученных с использованием первого, второго и третьего тестовых сигналов, и формирования на их основе указанного первого смешанного сигнала, а также сложения измеренных значений второй электрической величины, полученных с использованием первого, второго и третьего тестовых сигналов, и формирования на их основе второго смешанного сигнала. Несмотря на то что в обрабатывающий модуль поступает информация о шести независимых измерениях, требуется всего два канала ввода. Такое решение может быть использовано, например, для измерения трех значений электрических импедансов на землю для трех фаз трехфазной линии передачи или распределения электроэнергии. Данный вариант осуществления изобретения обеспечивает возможность дальнейшего уменьшения стоимости оборудования.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения модуль преобразования сигналов выполнен с возможностью измерения первого напряжения и первого тока в первом электрическом контуре, причем первое напряжение и первый ток возникают под воздействием первого тестового сигнала, а также измерения второго напряжения и второго тока в первом электрическом контуре или втором электрическом контуре, причем второе напряжение и второй ток возникают под воздействием второго тестового сигнала, а обрабатывающий модуль выполнен с возможностью определения первого импеданса первого электрического устройства по первому напряжению и первому току и второго импеданса первого электрического устройства или второго электрического устройства по второму напряжению и второму току. В данном варианте осуществления изобретения импеданс первого электрического устройства определяют на основе измерений напряжения и тока.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения смеситель содержит первый усилитель для усиления сигнала первого измеренного напряжения и второй усилитель для усиления сигнала второго измеренного напряжения, причем первый усилитель и второй усилитель соединены последовательно, а выход их последовательно соединенного контура соединен с первым аналоговым каналом ввода. Схема из последовательно соединенных усилителей может быть использована для сложения измеренных значений тока.

Последовательно соединенные усилители не только обеспечивают сложение аналоговых сигналов, но и служат в качестве средства для регулирования амплитуды выходных сигналов для ее согласования с входным диапазоном обрабатывающего модуля, поскольку максимально возможная величина выходного сигнала усилителей может быть определена напряжением их питания. Изменение регулировки и тонкая настройка усилителей может быть преимущественно предусмотрена для каждого нового применения, что обеспечивает высокую гибкость работы смесителя. Кроме того, усилители развязывают модули инжекции сигналов и преобразования сигналов с обрабатывающим модулем, что позволяет минимизировать их взаимное влияние.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения в смесителе вместо усилителей могут быть использованы трансформаторы. Сигналы измерений соответственно напряжения или тока подают на две соответствующие входные обмотки трансформатора, выходная обмотка которого соединена с соответствующим первым или вторым каналом ввода. Трансформаторы могут быть одновременно использованы для регулировки амплитуды выходного напряжения в соответствии с входным диапазоном обрабатывающего модуля путем выбора соответствующего коэффициента трансформации.

Устройство и способ для измерения электрического параметра по изобретению могут быть использованы для обнаружения неисправностей первого или второго электрического устройства путем сравнения измеренной электрической величины с определенным значением или определенным диапазоном значений электрических величин. Чрезмерное отклонение электрической величины от определенного значения или выход за пределы установленного диапазона свидетельствует о наличии неисправности. Обнаружение неисправностей может быть использовано в различных приложениях. Одно из таких приложений связано с обнаружением замыканий на землю в первом или втором электрическом устройстве, при котором необходимо определение импеданса на землю соответствующего устройства. Падение вещественной части импеданса на землю ниже заданного значения свидетельствует о наличии замыкания на землю.

Другое возможное применение связано с обнаружением неисправностей первого или второго электрического устройства в том числе до подачи на него напряжения питания путем инжекции первого и второго тестовых сигналов в устройство, отключенное от источника питания. Это позволяет уменьшить риск серьезных повреждений, которые могут возникнуть в результате подключения дефектного оборудования к источнику питания.

В случае если первое электрическое устройство представляет собой трехфазный электрический генератор, измерение электрических величин также может быть использовано для выявления дефектного резистора нейтрали в точке заземления генератора; данный дефект не вызывает немедленного повреждения оборудования, но может стать причиной поражения током для персонала и чрезмерного градиента электрического напряжения на оборудовании в случае возникновения неисправности. В системе может быть предусмотрена логическая схема отключения, реагирующая на значение электрической величины, при этом данная реакция должна быть разной в зависимости от рабочего состояния генератора, например его нахождения в состоянии останова, запитанном состоянии или состоянии синхронизации.

Для повышения точности обнаружения неисправностей на основе измерений электрических величин в соответствии с особым вариантом осуществления изобретения предусмотрено введение температурной компенсации. В определенных режимах работы электрооборудования могут возникать значительные перепады температуры, которые существенно влияют на результаты измерений электрических величин. По этой причине в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения для обеспечения возможности компенсации перепадов температуры предлагается использование одного или нескольких средств измерения температуры для определения рабочей температуры, по меньшей мере, одной части первого и/или второго электрического контура, причем обрабатывающий модуль использует значения рабочей температуры соответствующего контура для корректировки значений первого и/или второго напряжения и тока. Также предлагается измерять непосредственным образом температуру первого и/или второго электрического устройства.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения для повышения безопасности работы трехфазной электрической машины предусмотрен контроль неисправности обмоток ее статора и ротора. Как указано выше, неисправность обмоток трехфазного электродвигателя или генератора может возникать вследствие старения или механических повреждений изоляции обмоток. Это может привести к возникновению внутреннего пробоя, который может привести к серьезным межфазным замыканиям или межвитковым коротким замыканиям из-за двух одновременных замыканий на землю. Поскольку такие замыкания не только опасны, но и связаны с дорогостоящим последующим ремонтом оборудования, выявление внутренних пробоев обмотки на ранней стадии является крайне важным. В соответствии с этим измеряют первую электрическую величину на обмотке статора и измеряют вторую электрическую величину на обмотке ротора. Обрабатывающий модуль сравнивает первую электрическую величину с первым заданным значением для выявления пробоев в обмотке статора и сравнивает вторую электрическую величину со вторым заданным значением для выявления пробоев в обмотке ротора.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения для повышения безопасности работы трехфазного электрического генератора предусмотрена дополнительная защита статора. В одном из возможных вариантов реализации электрическую величину статора определяют путем инжекции двух тестовых сигналов с двумя разными частотами от одного и того же модуля инжекции сигналов, а также путем измерения и обработки ответных сигналов с использованием разных частей модуля преобразования сигналов и смесителя, а также разных каналов ввода и разных входов обрабатывающего модуля.

Для обеспечения полного дублирования защиты статора предусмотрено дублирование всего устройства измерения электрических величин, причем дополнительное устройство измерения электрических величин инжектирует, по меньшей мере, один тестовый сигнал, частота которого отличается от частот, инжектируемых первым устройством. В этом случае первое устройство может быть одновременно использовано для обеспечения защиты статора и ротора. Данный вариант осуществления изобретения может быть дополнительно расширен, если дополнительное устройство измерения электрических величин также измеряет электрические величины статора и ротора с тем, чтобы обеспечить дублирование измерения электрических величин как для статора, так и для ротора.

Одна из форм защиты статора заключается в защите статора от коротких замыканий на землю. Как известно из уровня техники, защита статора от коротких замыканий на землю применима в случае соединения статора трехфазной электрической машины по схеме «звезда» с заземленной нейтралью. Для определения двух электрических величин статора необходима инжекция между нейтралью и землей двух тестовых сигналов с разными частотами.

Помимо измерения импеданса и обнаружения пробоев по его значению, обнаружение пробоев может быть усовершенствовано или расширено путем контроля самих измерений напряжения и силы тока. Например, нулевое значение тока свидетельствует о наличии разомкнутого контура, а нулевое значение напряжения может свидетельствовать о неисправности модуля инжекции, требующей выдачи соответствующих предупреждающих сигналов.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится описание вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

на фиг.1 представлена схема устройства для определения значений электрических параметров обмоток статора и ротора трехфазного генератора относительно земли;

на фиг.2 представлена блок-схема способа определения значений двух электрических величин;

на фиг.3 представлено устройство по фиг.1, имеющее дублирующее устройство для измерения дополнительных электрических величин статора и ротора;

на фиг.4 представлено устройство по фиг.1, в котором вместо усилителей предусмотрены трансформаторы напряжения.

Осуществление изобретения

В нижеприведенных примерах определяют импеданс по результатам измерений напряжения и тока. Однако настоящее изобретение не ограничено задачей определения импеданса. Оно также позволяет определять передаточную функцию по результатам двух измерений напряжения или двух измерений тока.

На фиг.1 представлен трехфазный генератор 1 с обмотками 2 статора и обмотками 28 ротора. Обмотки 2 статора соединены «звездой» с нейтралью 3, которая заземлена через модуль 4 заземления машины. Трансформатор 5 напряжения предусмотрен для понижения напряжений в схеме заземления статора до измерительного уровня. Вместо трансформатора 5 напряжения может быть использован трансформатор по схеме открытого дельта-соединения. Модуль 4 заземления машины в сочетании с трансформатором 5 напряжения в дальнейшем описании рассматривается как первый электрический контур 10, соединенный с обмотками 2 статора, причем обмотки 2 статора образуют первое электрическое устройство. Обмотки 28 ротора 27 генератора 1 соединены через два токосъемных кольца 29 с возбудителем 32. Обмотки 28 ротора образуют второе электрическое устройство. Второй электрический контур 30, образованный возбудителем 32 и разделительным конденсатором 31, соединен с обмотками 28 ротора.

Устройство 6 предназначено для измерения импеданса статора между нейтралью и землей с целью обнаружения внутреннего замыкания обмоток 2 статора на землю. Устройство 6 содержит модуль 7 преобразования сигналов (МПС), который в свою очередь содержит модуль 8 инжекции сигналов. Модуль 8 инжекции сигналов генерирует первый тестовый сигнал t₁ с первой основной частотой f₁ и второй тестовый сигнал t ₂ со второй основной частотой f₂. В простейшем случае данные сигналы представляют собой синусоидальные сигналы, т.е. соответствующая основная частота f₁ или f ₂ является единственной частотой, содержащейся в сигнале. Однако сигналы также могут иметь и другую форму и содержать несколько частот при условии наличия основной частоты f₁ или f₂, например форму прямоугольного импульсного сигнала. Основные частоты f₁ и f₂ выбирают так, чтобы они были асинхронны к любым другим гармоникам, присутствующим в генераторе 1, таким образом, чтобы основные частоты f₁ и f₂ могли быть распознаны и выделены из спектра сигналов, измеряемых на обмотках 2 статора.

Первый тестовый сигнал t₁ подается через соединение 9 в низковольтную часть первого электрического контура 10, в результате чего первый тестовый сигнал t₁ инжектируют в первый электрический контур 10. Второй тестовый сигнал t₂ инжектируют через соединение 33 во второй электрический контур 30, в результате чего он поступает на обмотки 28 ротора. Данные операции составляют начальный шаг 19 способа определения электрических величин обмоток 2 статора и обмоток 28 ротора, проиллюстрированного на фиг.2. Реакцию обмоток 2 статора на первый тестовый сигнал t₁ и реакцию обмоток 28 ротора на второй тестовый сигнал t ₂ измеряют при помощи модуля 7 преобразования сигналов, соединенного соединительными линиями 11 с первым электрическим контуром 10 и линией 33 со вторым электрическим контуром 30. Соответствующие аналоговые сигналы напряжения, представляющие собой измеренные значения напряжения и тока реакции, подаются на выход соответственно в виде первого измеренного напряжения U₁ и первого измеренного тока I₁ и второго измеренного напряжения U₂ и второго измеренного тока I₂. Соответствующий шаг 20 способа представлен на фиг.2.

Четыре измеренные величины подают на смеситель 13, который содержит последовательно соединенный контур из первого усилителя 14 и второго усилителя 15, а также другой последовательно соединенный контур из третьего усилителя 36 и четвертого усилителя 37. Первое измеренное напряжение U₁ подают на первый усилитель 14, а второе измеренное напряжение U₂ подают на второй усилитель 15. Поскольку выход последовательного контура первого и второго усилителей соединен с первым аналоговым каналом 16 ввода, производится суммирование первого выходного напряжения U₁ и второго выходного напряжения U₂, в результате которого получают первый результирующий сигнал S ₁. В представленной блок-схеме данной операции соответствует шаг 21 способа. Аналогичное суммирование первого измеренного тока I₁ и второго измеренного тока I₂ производится при помощи третьего усилителя 36 и четвертого усилителя 37. Данная операция соответствует шагу 22. Полученный сигнал S₂ подают на второй аналоговый канал 17 ввода.

Обрабатывающий модуль 18 соединен с первым и вторым аналоговыми каналами 16 и 17 ввода таким образом, чтобы обеспечить возможность приема смешанных сигналов S₁ и S₂. Обрабатывающий модуль 18 раскладывает первый смешанный сигнал S₁ для получения первого и второго измеренных напряжений U₁ и U₂, а также раскладывает второй смешанный сигнал S₂ для получения первого и второго измеренных токов I₁ и I₂. Разложение сигналов может быть осуществлено способом, приведенным, например, в работе «Straight Dielectric Response Measurements with High Precision» авторов J. Hedberg и Т. Bengtsson, Nord-IS 2005, paper 27.

Четыре сигнала токов и напряжений обрабатываются и анализируются затем обрабатывающим модулем 18 для выполнения описанных ниже операций. Из первых и вторых измеренных значений напряжения и тока выделяют значения первой и второй основной частоты f ₁ и f₂ и тем самым получают первые и вторые векторы напряжения и тока на соответствующих частотах: U ₁(f₁), U₂(f₂ ), I₁(f₁), I₂(f ₂). В блок-схеме на фиг.2 данной операции соответствуют шаги 23 и 24.

По значениям первого вектора U₁(f₁) напряжения и первого вектора I₁(f₁) тока на шаге 25 вычисляют первый импеданс Z₁ который в случае, проиллюстрированном на фиг.1, соответствует импедансу обмотки 2 статора, а по значениям второго вектора U₂(f₂) напряжения и второго вектора I₂(f₂) тока на шаге 26 вычисляют второй импеданс Z₂, который соответствует импедансу обмотки 28 ротора. Затем две данные электрические величины используют для выявления неисправности путем их сравнения с заданными значениями. Если вещественная часть импеданса Z₁ или Z₂ оказывается меньше заданного значения, это означает наличие замыкания соответствующей обмотки на землю. В таком случае обрабатывающий модуль 18 может принять соответствующие меры, требуемые для предотвращения серьезного повреждения генератора 1, например выдать сигнал отключения оборудования. Как видно из вышеприведенного описания, преимущество настоящего изобретения в данном варианте осуществления заключается в том, что состояние обмоток статора и ротора может быть определено при использовании всего двух аналоговых каналов 16 и 17 ввода.

На фиг.3 представлены те же элементы, что и на фиг.1. Дополнительно обрабатывающий модуль 18 содержит еще один вход 42, что иллюстрирует тот факт, что обрабатывающий модуль 18 выполняет дополнительные операции помимо измерения электрических величин и обнаружения замыканий обмоток статора и ротора на землю. Такие дополнительные операции могут представлять собой выполнение различных функций по защите генератора и/или управлению им, известных из уровня техники. На фиг.3 представлены дополнительный обрабатывающий модуль 43 и дополнительный модуль 44 инжекции сигналов, встроенный в дополнительный модуль 45 преобразования сигналов, предусмотренные в устройстве 46 для дублирования функции обнаружения неисправностей обмоток статора и ротора. Для измерения третьего импеданса Z₃ обмоток 2 статора в обмотки 2 статора через электрический контур 47, содержащий трансформатор 48 напряжения, инжектируют третий сигнал t₃ с третьей основной частотой f₃. Дублирующий импеданс обмоток 28 ротора измеряют в виде четвертого импеданса Z₄, определяемого по реакции на четвертый тестовый сигнал t₄ с четвертой основной частотой f₄, который инжектируют в обмотки 28 ротора через четвертый электрический контур 49, содержащий разделительный конденсатор 50, соединенный с возбудителем 32. Третьи и четвертые измеренные значения напряжений и токов U ₃, U₄, I₃, I₄ подают в дополнительный смеситель 51 по аналогии со смесителем 13. Затем просуммированные измеренные значения напряжения подают в виде третьего смешанного сигнала S₃ на дополнительный обрабатывающий модуль 43 через третий аналоговый канал 52 ввода, а просуммированные измеренные значения тока передают в виде четвертого смешанного сигнала S₄ через четвертый аналоговый канал 53 ввода.

Дополнительный обрабатывающий модуль 43 выявляет наличие замыкания обмоток статора и/или ротора на землю по третьему и четвертому смешанным сигналам S₃ и S₄ аналогично тому, как данная операция производится обрабатывающим модулем 18 по первому и второму смешанным сигналам S₁ и S₂. Оба обрабатывающих модуля 18 и 43 вырабатывают соответственно сигналы 54 и 55 отключения, которые затем подают на логическую схему "ИЛИ" в логическом модуле 56, в результате чего получают выходной сигнал 57 отключения, который инициирует отключение генератора от его источника питания.

На фиг.4 представлена та же система для определения электрических величин обмоток 2 статора и обмоток 28 ротора, что и на фиг.1. Однако вместо двух усилителей 14 и 15 смеситель 13 содержит первый трансформатор 34 напряжения и второй трансформатор 35 напряжения. Кроме этого, модуль 7 преобразования сигналов и модуль 8 инжекции проиллюстрированы более подробно, чем на фиг.1 и 3.

Модуль 8 инжекции содержит первый осциллятор 38 для формирования первого тестового сигнала t₁ для обмоток 2 статора и второй осциллятор 39 для формирования второго тестового сигнала t₂ для обмоток 28 ротора. Оба тестовых сигнала имеют прямоугольную форму. Первое измеренное напряжение U₁ на обмотках 2 статора и второе измеренное напряжение U₂ на обмотках 28 ротора измеряют непосредственно на осцилляторах 38 и 39 соответственно. Для получения первого измеренного тока I₁ и второго измеренного тока I ₂ предусмотрены токовые шунты 40 и 41, установленные последовательно осцилляторам 38 и 39 соответственно.

Линии первого и второго измеренных напряжений U₁ и U₂ соединены с двумя входными обмотками первого трансформатора 34 напряжения, а первый канал 16 ввода соединен с его выходной обмоткой. Линии первого и второго измеренных токов I₁ и I₂ соединены с двумя входными обмотками второго трансформатора 35 напряжения, а второй канал 17 ввода соединен с его выходной обмоткой.

Обработка смешанных сигналов S₁ и S₂ осуществляется обрабатывающим модулем 18 таким же образом, как это было описано выше в отношении фиг.1.