專利名稱：異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠在線檢測異步電動機定子繞組匝間初發(fā)、早期短路故障并確定短路相的方法及裝置，屬檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為傳動機械，異步電動機廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與國防領(lǐng)域，其安全運行至關(guān)重要。異步電動機故障在線檢測(特別是初發(fā)故障在線檢測)是保障異步電動機安全運行的關(guān)鍵措施之一。定子繞組匝間短路是異步電動機的常見故障之一，發(fā)生概率約為30％。這種故障源于匝間絕緣老化、破損，其持續(xù)發(fā)展將導(dǎo)致相間短路等嚴(yán)重故障，屬于漸進性故障，因而可以在定子繞組匝間短路故障發(fā)生初期即實施檢測。這對于合理安排、組織預(yù)知維修，避免事故停機，無疑具有重要意義。
初發(fā)故障的故障特征是細(xì)微的，提取該故障特征并據(jù)此實現(xiàn)初發(fā)故障在線檢測必須保證高靈敏度。在工程實際中，電機固有不對稱、定子電壓不對稱及其波動、負(fù)載波動等因素將導(dǎo)致電機體現(xiàn)某些“虛假”特征，這可能混淆電機初發(fā)故障特征，造成誤判。因此，在保證初發(fā)故障檢測高靈敏度的同時必須保證其高可靠性，二者在一定程度上是相互對立的。如何兼顧高靈敏度與高可靠性，實現(xiàn)異步電動機初發(fā)故障在線檢測已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題、難點問題。
目前，較為合理的技術(shù)方案是以定子負(fù)序視在阻抗作為故障特征檢測異步電動機定子繞組匝間短路故障，該方法利用“異步電動機發(fā)生定子繞組匝間短路故障之后，其定子負(fù)序視在阻抗數(shù)值減小”這一規(guī)律，首先采集三相定子電壓、三相定子電流瞬時信號，然后依次計算定子負(fù)序電壓U2、定子負(fù)序電流I2、定子負(fù)序視在阻抗Z2eff=U2I2,]]>最后根據(jù)定子負(fù)序視在阻抗Z2eff的當(dāng)前數(shù)值、正常電機的定子負(fù)序視在阻抗數(shù)值(樣本數(shù)據(jù))判斷匝間短路故障發(fā)生與否。然而，對一臺實際電機而言，定子電壓、定子電流必然含有諧波分量，它們將對基波分量形成調(diào)制，從而導(dǎo)致定子負(fù)序視在阻抗數(shù)值隨時間波動，這將對定子繞組匝間短路故障檢測造成不利影響，這是此方法的不足之處。另外，該方法不能判定故障發(fā)生相，即三相定子繞組中的哪一相發(fā)生匝間短路故障。
也有人根據(jù)正常電機的定子負(fù)序視在阻抗數(shù)值Z2(樣本數(shù)據(jù)，由電機堵轉(zhuǎn)實驗結(jié)果估計并假設(shè)其值恒定)，計算定子負(fù)序電壓U2所導(dǎo)致的定子負(fù)序電流I2VOLTAGE=U2Z2,]]>然后計算定子負(fù)序電流故障分量I2FAULT＝I2-I2VOLTAGE，根據(jù)其數(shù)值判斷匝間短路故障發(fā)生與否。就本質(zhì)而言，這種方法與上一種方法是一致的。同樣存在著易受定子電壓、定子電流諧波分量影響、無法判定故障發(fā)生相的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠高靈敏度、高可靠性地在線檢測異步電動機定子繞組匝間短路的初發(fā)、早期故障及短路相的異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法及裝置。
本發(fā)明所稱問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的一種異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法，它由采集的三相定子電壓、三相定子電流瞬時信號，計算出定子負(fù)序電壓U2、定子負(fù)序電流I2、定子正序電壓U1以及定子正序電流I1，再利用樣本參考文件估計出正常電機的定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2Estimate，進而計算定子負(fù)序電流故障分量I2Fault=I2-U2/Z2Estimate,]]>然后由根據(jù)正常電機樣本參考文件整定的定子負(fù)序電流故障分量檢測閾值I2Fault Threshold得出故障指數(shù)I2Fault/I2Fault Treshold，并根據(jù)該故障指數(shù)判斷電動機是否存在定子繞組匝間短路故障。如果存在定子繞組匝間短路故障，則進一步判斷匝間短路故障發(fā)生相找出視在阻抗角數(shù)值(增量)最大相，其緊鄰超前相即為匝間短路故障發(fā)生相。
上述異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法，故障指數(shù)按如下步驟計算(a)建立正常電機樣本參考文件在電機健康前提下(新電機投運之初或舊電機經(jīng)檢修投運之初)，在線測取電機定子電壓、定子電流信號，計算健康電機在不同運行狀態(tài)下的定子正序電壓U1、定子正序電流I1，并采用曲線擬合技術(shù)確定定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2；(b)測取三相定子電壓、三相定子電流瞬時信號
對于Y接電機，也可以只測取兩相定子電流瞬時信號，第三相定子電流瞬時信號根據(jù)“三相定子電流瞬時值之和恒為0”計算確定；(c)計算定子負(fù)序電壓U2、定子負(fù)序電流I2、定子正序電壓U1、定子正序電流I1采用單工頻周期滑動窗快速傅立葉變換方法計算上述各量，獲得其有效值與初相角，分別記作A、B、C、 按照下式計算U2、U1、I2及I1U2=13(U·A+ej4π3U·B+ej2π3U·C)U1=13(U·A+ej2π3U·B+ej4π3U·C)]]>I2=13(I·A+ej4π3I·B+ej2π3I·C)I1=13(I·A+ej2π3I·B+ej4π3I·C)]]>(d)計算故障指數(shù)利用正常電機樣本參考文件，根據(jù)定子正序電壓U1、定子正序電流I1采用曲線擬合技術(shù)估計正常電機在該運行狀態(tài)下所體現(xiàn)的定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2Estimate，并計算定子負(fù)序電流故障分量I2Fault＝I2-U2/Z2Estimate，繼而根據(jù)正常電機樣本參考文件整定定子負(fù)序電流故障分量檢測閾值I2Fault Threshold(根據(jù)正常電機樣本參考文件、定子一相繞組串聯(lián)匝數(shù)、額定電流等確定)，故障指數(shù)為I2 Fault/I2Fault Threshold；(e)判斷故障存在與否故障指數(shù)數(shù)值＜1，表示電機處于健康狀態(tài)，且其數(shù)值愈小，健康狀態(tài)愈明確；故障指數(shù)數(shù)值＞1，表示電機處于故障狀態(tài)，且其數(shù)值愈大，故障狀態(tài)愈嚴(yán)重。
上述異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法，以定子(等效)視在阻抗角作為定子繞組匝間短路故障特征，進一步判斷匝間短路故障發(fā)生相找出視在阻抗角數(shù)值(增量)最大相，其緊鄰超前相即為匝間短路故障發(fā)生相。
一種異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測裝置，由電流互感器、電壓互感器、信號采集卡以及計算機組成，所述電流互感器設(shè)置三個，分別是第一電流互感器CT1、第二電流互感器CT2和第三電流互感器CT3，它們分別接于異步電動機定子繞組的三個相線上，它們的輸出端分別接信號采集卡的模擬信號輸入通道5(5、17端)、6(6、17端)、7(7、17端)，所述電壓互感器設(shè)置三個，分別是第一電壓互感器PT1、第二電壓互感器PT2和第三電壓互感器PT3，它們分別接于異步電動機定子繞組的三個相線上，它們的輸出端分別接信號采集卡的的模擬信號輸入通道1(1、17端)、2(2、17端)、3(3、17端)，所述信號采集卡的輸出接口(為4針端子排JP)接計算機的USB接口。
本發(fā)明利用定子負(fù)序視在阻抗濾波值作為故障特征，導(dǎo)出故障指數(shù)，并以此判斷電機是否存在匝間短路故障，有效避免了定子電壓、定子電流諧波分量對故障檢測的不利影響，大大提高了故障檢測的靈敏度和可靠性。以定子(等效)視在阻抗角作為故障特征，可準(zhǔn)確判斷電機匝間短路故障發(fā)生相。本發(fā)明不僅能夠高靈敏度、高可靠性地在線檢測異步電動機定子繞組匝間短路的初發(fā)、早期故障，而且可以準(zhǔn)確、方便地判斷短路相，因而可有效保障異步電動機的安全運行。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。
圖1是本發(fā)明的電原理圖；圖2是信號采集電路的電原理圖；圖3是利用圖1電原理圖所采集的定子A相電壓信號；圖4是利用圖1電原理圖所采集的定子A相電流信號；圖5是定子負(fù)序視在阻抗；圖6是定子負(fù)序視在阻抗濾波值；圖7是表示無正常電機樣本參考文件情況下的定子繞組匝間短路故障檢測結(jié)果；圖8是表示已經(jīng)建立正常電機樣本參考文件情況下的定子繞組匝間短路故障檢測結(jié)果；圖9是測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中各標(biāo)號為R1、R2、電阻；CT、CT1、CT2、CT3、電流互感器；PT、PT1、PT2、PT3、電壓互感器；1、信號采集卡；2、計算機；3、鼠標(biāo)；4、電壓測試夾；5、電流測試鉗。
文中所用各符號的意義U2、定子負(fù)序電壓，I2、定子負(fù)序電流，U1、定子正序電壓，I1、定子正序電流，Z2Estimate、定子負(fù)序視在阻抗濾波值估計值，I2Fault、定子負(fù)序電流故障分量，I2Fault Threshold、定子負(fù)序電流故障分量檢測閾值，Z2、定子負(fù)序視在阻抗濾波值，A、A相電壓向量，B、B相電壓向量，C、C相電壓向量， A相電流向量， B相電流向量， C相電流向量，Z2eff、定子負(fù)序視在阻抗。
具體實施例方式
本發(fā)明實際上是采用定子負(fù)序視在阻抗濾波值及定子視在阻抗角作為故障特征，結(jié)合樣本學(xué)習(xí)與檢測閾值自整定技術(shù)，高靈敏度/高可靠性地在線檢測異步電動機初發(fā)性定子繞組匝間短路故障。研究表明，定子負(fù)序視在阻抗是兼具良好靈敏度與可靠性的異步電動機定子繞組匝間短路故障特征，但由于電機定子電壓、電流諧波分量的調(diào)制效應(yīng)，其數(shù)值隨時間而波動，這不利于定子繞組匝間短路故障檢測，為此應(yīng)做數(shù)字低通濾波處理，以定子負(fù)序視在阻抗濾波值作為故障特征實現(xiàn)故障檢測之目的。定子(等效)視在阻抗角亦可作為定子繞組匝間短路故障特征，并且匝間短路故障發(fā)生相之緊鄰滯后相視在阻抗角數(shù)值(增量)恒為最大。以上兩種方法互補，可以進一步保證異步電動機定子繞組匝間短路故障檢測之靈敏度與可靠性，并定位故障發(fā)生相，這對于維修工作頗具意義。
長期以來，現(xiàn)場習(xí)慣采用定子負(fù)序電流作為故障特征實現(xiàn)電機逆相、缺相以及相間短路保護。本發(fā)明所述異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測裝置將定子負(fù)序視在阻抗濾波值這一故障特征等效轉(zhuǎn)化為定子負(fù)序電流以進行匝間短路故障檢測，目的是與現(xiàn)場習(xí)慣吻合。
圖1中，信號采集卡采用瑞博華RBH8321型信號采集卡，計算機的型號是DELL M1210，信號采集卡集成了低通濾波器、信號采集保持、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等電路。三相定子電壓、三相(或兩相，Y接)定子電流瞬時信號送至信號采集卡，信號采集卡通過USB接口連接于便攜式計算機。便攜式計算機控制信號采集卡以適當(dāng)頻率采樣定子電壓、定子電流瞬時信號，并存儲于硬盤。
測取三相定子電壓、三相(或兩相，Y接)定子電流瞬時信號時，對于高壓電機，可采用3只海豚夾在電壓互感器PT二次側(cè)測取三相定子電壓瞬時信號，采用3只電流鉬在電流互感器CT二次側(cè)測取三相定子電流瞬時信號；對于低壓電機，采用3只海豚夾直接在電機接線端子處測取三相定子電壓瞬時信號，采用3只電流鉗直接在電機接線端子處測取三相定子電流瞬時信號；對于Y接電機，可以只采用2只電流鉗測取兩相定子電流瞬時信號，第三相定子電流瞬時信號根據(jù)“三相定子電流瞬時值之和恒為0”計算確定。
計算機采用單工頻周期滑動窗快速傅立葉變換方法計算定子負(fù)序電壓U2、定子負(fù)序電流I2、定子正序電壓U1、定子正序電流I1，具體計算方法如下(以定子A相電壓為例進行說明)假設(shè)工頻為50赫茲，則工頻周期為0.02秒；若定子A相電壓瞬時信號采集頻率為1000赫茲(即每秒采集1000點、采樣間隔0.001秒)，則每一工頻周期采集定子A相電壓瞬時信號20點。在上述條件下，首先選取定子A相電壓采集信號中的連續(xù)的20點(單工頻周期)進行一次快速傅立葉變換以獲得 之后，保留其中的后19點，并順序遞補定子A相電壓采集信號中的后面1點，從而獲得定子A相電壓采集信號中的連續(xù)的20點(單工頻周期)，并再進行一次快速傅立葉變換以再次獲得 以此類推。采用上述方法分別獲得A、B、C、 之后按照下式計算U2、U1、I2及I1U2=13(U·A+ej4π3U·B+ej2π3U·C)U1=13(U·A+ej2π3U·B+ej4π3U·C)]]>I2=13(I·A+ej4π3I·B+ej2π3I·C)I1=13(I·A+ej2π3I·B+ej4π3I·C)]]>本檢測裝置計算故障指數(shù)時，有兩種方法如果尚未建立正常電機樣本參考文件，則根據(jù)常規(guī)設(shè)置定子負(fù)序電流檢測閾值I2Threshold＝1.15*Kst*I1*U2/U1，Kst為啟動電流倍數(shù)，故障指數(shù)為I2/I2Threshold；如果已經(jīng)建立正常電機樣本參考文件，則根據(jù)定子正序電壓U1、定子正序電流I1采用曲線擬合技術(shù)估計正常電機在該運行狀態(tài)下所體現(xiàn)的定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2Estimate，并計算定子負(fù)序電流故障分量I2Fault＝I2-U2/Z2Estimate，繼而自整定定子負(fù)序電流故障分量檢測閾值I2 Fault Threshold，故障指數(shù)即為I2 Fault/I2Fault Threshold。
電機樣本參考文件實際上是健康電機在不同運行狀態(tài)下的定子正序電壓U1、定子正序電流I1以及定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2的數(shù)據(jù)記錄。對應(yīng)于健康電機每一個確定的運行狀態(tài)，均對應(yīng)一組確定的定子正序電壓U1、定子正序電流I1以及定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2。因此，可以將定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2看作定子正序電壓U1、定子正序電流I1的函數(shù)，并可以根據(jù)電機樣本參考文件采用曲線擬合技術(shù)給予確定。在進行電機故障檢測時，根據(jù)實測的定子正序電壓U1、定子正序電流I1以及上述函數(shù)關(guān)系即可估計正常電機在該運行狀態(tài)下所體現(xiàn)的定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2Estimate。在電機健康這一前提下(新電機投運之初或舊電機經(jīng)檢修投運之初)，采用本檢測裝置測取電機定子電壓、定子電流信號并運行故障檢測程序，本檢測裝置自動提示、引導(dǎo)使用者簡單、方便地建立電機樣本參考文件。一旦建立電機樣本參考文件，異步電動機初發(fā)故障在線檢測儀可以更加靈敏、可靠地進行故障檢測。
定子負(fù)序視在阻抗Z2定義為定子負(fù)序電壓U2與定子負(fù)序電流I2之比，即Z2=U2I2;]]>定子負(fù)序視在阻抗濾波值即為對Z2做低通濾波所得之結(jié)果。
圖3～圖8表示Y100L-2型異步電動機滿載且A相繞組3匝經(jīng)過渡電阻短路情況下的實驗結(jié)果(沒有畫出其它兩相)，匝間短路環(huán)電流約為5A，具體數(shù)據(jù)示于表1。圖3表示定子A相電壓，圖4表示定子A相電流，圖5表示定子負(fù)序視在阻抗，圖6表示定子負(fù)序視在阻抗濾波值，圖7表示無正常電機樣本參考文件情況下的定子繞組匝間短路故障檢測結(jié)果(此時僅可檢測相對嚴(yán)重故障)，故障指數(shù)0.37＜1，說明并不存在相對嚴(yán)重的匝間短路故障。圖8表示已經(jīng)建立正常電機樣本參考文件情況下的定子繞組匝間短路故障檢測結(jié)果(此時可以檢測輕微故障)，故障指數(shù)(故障)2.39＞1，說明存在輕微的匝間短路故障。正常電機樣本參考文件根據(jù)電機實際運行數(shù)據(jù)建立。另外，根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，定子B相繞組等效阻抗角具有最大增量，可以判斷定子A相繞組發(fā)生匝間短路故障，從而實現(xiàn)匝間短路故障定位。
表1電機滿載A相繞組3匝經(jīng)過渡電阻短路情況下的實驗數(shù)據(jù)

權(quán)利要求
1.一種異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法，其特征是，它利用采集的三相定子電壓、三相定子電流瞬時信號，計算出定子負(fù)序電壓U2、定子負(fù)序電流I2、定子正序電壓U1以及定子正序電流I1，再利用正常電機樣本參考文件估計出的定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2Estimate計算定子負(fù)序電流故障分量I2Fault＝I2-U2/Z2Estimate，然后由根據(jù)正常電機樣本參考文件整定的定子負(fù)序電流故障分量檢測閾值I2Fault Threshold得出故障指數(shù)I2Fault/I2Fault Threshold，最后根據(jù)該故障指數(shù)判斷電動機是否存在定子繞組匝間短路故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法，其特征是，故障指數(shù)按以下步驟計算(a)建立正常電機樣本參考文件在電機健康前提下，在線測取電機定子電壓、定子電流信號，計算健康電機在不同運行狀態(tài)下的定子正序電壓U1、定子正序電流I1，并采用曲線擬合技術(shù)確定定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2；(b)測取三相定子電壓、三相定子電流瞬時信號對于Y接電機，也可以只測取兩相定子電流瞬時信號，第三相定子電流瞬時信號根據(jù)“三相定子電流瞬時值之和恒為0”計算確定；(c)計算定子負(fù)序電壓U2、定子負(fù)序電流I2、定子正序電壓U1、定子正序電流I1采用單工頻周期滑動窗快速傅立葉變換方法計算定子三相電壓、電流相量，分別記作 按照下式計算U2、U1、I2及I1U2=13(U·A+ej4π3U·B+ej2π3U·C)U1=13(U·A+ej2π3U·B+ej4π3U·C)]]>I2=13(I·A+ej4π3I·B+ej2π3I·C)I1=13(I·A+ej2π3I·B+ej4π3I·C)]]>(d)計算故障指數(shù)利用正常電機樣本參考文件，根據(jù)定子正序電壓U1、定子正序電流I1采用曲線擬合技術(shù)估計正常電機在該運行狀態(tài)下所體現(xiàn)的定子負(fù)序視在阻抗濾波值Z2 Estimate，并計算定子負(fù)序電流故障分量I2Fault＝I2-U2/Z2 Estimate，繼而根據(jù)正常電機樣本參考文件整定定子負(fù)序電流故障分量檢測閾值I2 Fault Threshold，故障指數(shù)為I2 Fault/I2 Fault Threshold；(e)判斷故障故障指數(shù)數(shù)值＜1，表示電機處于健康狀態(tài)，且其數(shù)值愈小，健康狀態(tài)愈明確；故障指數(shù)數(shù)值＞1，表示電機處于故障狀態(tài)，且其數(shù)值愈大，故障狀態(tài)愈嚴(yán)重。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法，其特征是，以定子等效視在阻抗角作為定子繞組匝間短路故障特征，判斷匝間短路故障發(fā)生相找出視在阻抗角數(shù)值增量最大相，其緊鄰超前相即為匝間短路故障發(fā)生相。
4.一種異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測裝置，其特征是，它由電流互感器、電壓互感器、信號采集卡以及計算機組成，所述電流互感器設(shè)置三個，分別是第一電流互感器CT1、第二電流互感器CT2和第三電流互感器CT3，它們分別接于異步電動機定子繞組的三個相線上，它們的輸出端分別接信號采集卡的模擬信號輸入通道5端和17端、6端和17端、7端和17端，所述電壓互感器設(shè)置三個，分別是第一電壓互感器PT1、第二電壓互感器PT2和第三電壓互感器PT3，它們分別接于異步電動機定子繞組的三個相線上，它們的輸出端分別接信號采集卡的的模擬信號輸入通道1端和17端、2端和17端、3端和17端，所述信號采集卡的輸出接口接計算機的USB接口。
全文摘要
一種異步電動機定子繞組匝間短路故障在線檢測方法，屬檢測技術(shù)領(lǐng)域。用于解決定子繞組匝間短路的檢測問題。其技術(shù)方案是它通過采集三相定子電壓、電流瞬時信號，計算出定子負(fù)序電壓、負(fù)序電流、正序電壓、正序電流，再利用正常電機樣本參考文件估計出的定子負(fù)序視在阻抗濾波值計算定子負(fù)序電流故障分量，然后由根據(jù)整定的定子負(fù)序電流故障分量檢測閾值得出故障指數(shù)，最后根據(jù)該故障指數(shù)判斷電動機是否存在定子繞組匝間短路故障。本發(fā)明還給出了相應(yīng)的檢測裝置。不僅能夠高靈敏度、高可靠性地在線檢測異步電動機定子繞組匝間短路的初發(fā)早期故障，而且可以判斷短路相，因而可有效保障異步電動機的安全運行。
文檔編號G01R31/02GK101025434SQ20071006163
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者許伯強, 孫麗玲 申請人:華北電力大學(xué)