專利名稱：直流電機(jī)電樞繞組絕緣檢測和接地保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流電機(jī)予防性檢測、保護(hù)方法。
直流電機(jī)的繞組元件接地故障是直流電機(jī)的主要故障之一，必須設(shè)置檢測、保護(hù)，傳統(tǒng)的方法是在接地故障發(fā)生之后，檢測接地電流實(shí)施保護(hù)的，停機(jī)后再進(jìn)行細(xì)致的檢查。常用的有測量換向片間的壓降，測量換向片和軸間的壓降以及試燈檢查這三種方法。檢查時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)場條件和故障情況選用，也可依次輪用。
1．測量換向片間的壓降將低壓直流電源接到換向片和軸上，測量相鄰換向片間的壓降。鄰近接地點(diǎn)的片間壓降方向?qū)⑾喾?，但在與電源相接的換向片上壓降反向不屬此例。
2．測量換向片和軸間的壓降將低壓直流電源接到相隔近一個(gè)極距的兩換向片上，測量換向片與軸間的壓降，接地點(diǎn)的壓降值將為零或甚微。
3．試燈檢查用220伏交流試燈接在換向片和軸上，用小功率的試燈為宜，以防止接地點(diǎn)燒壞，根據(jù)試驗(yàn)時(shí)觀察到的火花，煙霧，響聲來判斷接地點(diǎn)位置。
上述這些直流電機(jī)電樞繞組接地故障的保護(hù)、檢查方法，都是在故障發(fā)生后實(shí)施保護(hù)，然后再對故障點(diǎn)進(jìn)行檢查的，檢查方法繁瑣，需要停機(jī)進(jìn)行，而且事故已經(jīng)發(fā)生，已經(jīng)造成經(jīng)濟(jì)損失。
對電機(jī)電樞繞組絕緣的預(yù)防性檢查是用做交流耐壓試驗(yàn)或用兆歐表來測量絕緣電阻值的方法檢查，判斷其絕緣情況，同樣只有在停機(jī)之后才能進(jìn)行，而且受氣候環(huán)境變化的影響很大，耐壓試驗(yàn)，還有可能造成對繞組的損傷。
直流電機(jī)電樞繞組各單元電勢通過繞組的絕緣電阻對機(jī)軸泄漏，在電機(jī)輸出端和機(jī)軸間便產(chǎn)生了一個(gè)電壓，又由于″機(jī)軸——軸承座——大地″通常被認(rèn)為在電性能上是連接在一起的，我們的方法是通過電刷把機(jī)軸和大地可靠的連接在一起，所以我們稱它為接地電壓。
通過分析、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，接地電壓對絕緣良好的運(yùn)行中電機(jī)來說是一個(gè)恒定的直流量，一旦某一繞組絕緣下降或破壞，接地電壓就有一個(gè)交變的電壓疊加在這個(gè)恒定的直流量之上，絕緣下降越多，交變電壓的峰峰值就越大，當(dāng)某一繞組直接接地時(shí)，交變電壓的峰峰值將和電機(jī)的輸出電壓一樣大。檢測這一電壓的變化就可以判斷電樞繞組的絕緣情況，從而提供預(yù)防性保護(hù)，以便人們在繞組絕緣尚未完全破壞之前就有計(jì)劃的安排檢修，這對保證電機(jī)的安全運(yùn)行是很有好處的。
本發(fā)明的目的就是提供一種直流電機(jī)電樞繞組絕緣檢測和接地保護(hù)的方法。


圖1．模型機(jī)示意圖2．接地電壓計(jì)算波形；圖3．試驗(yàn)接線圖；圖4．接地電壓試驗(yàn)波形圖4(a)正常；圖4(b)某一繞組絕緣下降圖4(c)某一繞組絕緣嚴(yán)重?fù)p壞；圖4(d)某一繞組接地；圖5．保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)線路原理示意圖。
下面詳細(xì)敘述本發(fā)明。
接地電壓的計(jì)算模型不管直流電機(jī)電樞繞組的具體繞制方式如何，總可以把它看成若干條并聯(lián)支路，而每個(gè)繞組可看作是一個(gè)獨(dú)立的電勢元，屬于每一條支路的電勢元依次串接，各電勢元相加即為發(fā)電機(jī)的輸出電壓。
為便于分析，把每個(gè)繞組的絕緣電阻記作R1，集中標(biāo)注在繞組串聯(lián)連接圖相應(yīng)的一端，將各并聯(lián)支路等電位點(diǎn)連接，簡化為單支路的模型機(jī)。隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，模型機(jī)繞組在移動(dòng)，繞組中感應(yīng)電勢在變化，相應(yīng)絕緣電阻亦向前移動(dòng)，但模型機(jī)電勢排列順序E1、E2、E3……不變，所以可以用往復(fù)直線移動(dòng)電阻的方法模擬電樞繞組的旋轉(zhuǎn)，模型機(jī)示意圖如圖1所示。
通過分析、計(jì)算，可以得到下面幾個(gè)表達(dá)式1．絕緣電阻完全相同的電樞繞組接地電壓表達(dá)式可表示為Ud=1/2Ef(1)式中Ua——電樞繞組接地電壓Ef——直流電機(jī)輸出電壓式(1)表明絕緣電阻相同的電樞繞組接地電壓是一個(gè)恒定的直流量，在數(shù)值上為直流電機(jī)輸出端電壓的一半，與繞組的絕緣電阻大小無關(guān)。
2．單繞組絕緣電阻下降時(shí)，接地電壓的一般表達(dá)式設(shè)第n個(gè)繞組的絕緣電阻下降為Rn，則Udn=Ef(1/2)+Ri-RnmRn+Ri[Σi=0nEi-(1/2)Ef](0≤n≤m)---(2)]]>式中Udn——電樞繞組接地電壓Ei——單元繞組電勢Ef——直流電機(jī)輸出電壓Rf——正常繞組對地絕緣電阻Rn——絕緣下降繞組對地絕緣電阻m——模型機(jī)有效繞組數(shù)為便于分析，我們設(shè)Rn=(1/q)Ri(q≥1)，則(2)式可以改寫為Udn=(1/2)Ef+q-1m+q[Σi=0nEi-(1/2)Ef](0≤n≤m---(a)]]>式(3)告訴我們，電樞某一繞組絕緣下降時(shí)，電樞繞組接地電壓已經(jīng)不再是一個(gè)單一的直流量，隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，絕緣下降繞組的位置在變化，于是，接地電壓也隨之變化，這個(gè)變化的電壓疊加在直流量上，成為一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓。交變成份的峰峰值隨著單一繞組絕緣下降的程度而改變。
3．單繞組絕緣下降時(shí)，接地電壓的最大值表達(dá)式由式(3)可知，接地電壓的最大值出現(xiàn)在Σi=0nEi=Ef]]>時(shí)，此時(shí)接地電壓的表達(dá)式可直接列寫出來。Udnmax=Ef(1/2)•·m+2q-1m+q---(4)]]>
顯然，當(dāng)繞組絕緣完全破壞直接接地時(shí)，即(4)式中q為無窮大時(shí)，接地電壓的最大值就是直流電機(jī)的正、負(fù)極輸出電壓，而有Udnmax=Ef(5)4．單繞組絕緣下降時(shí)，接地電壓的最小值由(3)式可知，接地電壓的最小值出現(xiàn)在表達(dá)式Σi=0nEi=0]]>時(shí)，此時(shí)接地電壓的表達(dá)式可直接列寫為Udnmin=Ef(1/2)·m+lm+q---(6)]]>顯然，單繞組絕緣完全破壞直接接地時(shí)，接地電壓的最小值為0，即有Udnmin=0(7)5．單繞組接地電壓的平均值由于接地電壓的波形是交變的，對稱的，因此Udnpj=Udnmax+Udnmin2=Ef(1/2)---(8)]]>觀察(8)式，我們可以看到，接地電壓的平均值只與直流電機(jī)正、負(fù)極輸出端電壓有關(guān)，與電樞各繞組絕緣電阻無關(guān)。根據(jù)上述表達(dá)式，我們可以很容易地繪制出直流電機(jī)電樞繞組接地電壓的波形圖，為繪圖方便，我們假定Ei是處處相等的。
直流電機(jī)電樞繞組接地電壓計(jì)算波形如圖2所示。
從圖上我們可以直觀的看出，電樞繞組接地電壓是一個(gè)以(1/2)Ef為基線疊加有一個(gè)交變電壓的直流脈動(dòng)電壓。
實(shí)測結(jié)果與上述波形相吻合。
依據(jù)以上算式，參見附圖5
在電機(jī)軸上裝電刷，引出機(jī)軸電位D點(diǎn)；C、B兩點(diǎn)跨在直流發(fā)電機(jī)輸出電壓兩端；在直流電機(jī)的輸出端，通過分壓電阻取中間電位A點(diǎn)；當(dāng)UCB=Ef，分壓電阻R1=R2時(shí)，UA=(1/2)Ef,A點(diǎn)電位是恒定不變的；以B點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，UB=0，接地電壓UD的表達(dá)式為式(2)，UD=Ef(1/2)+Ri-RnmRn+Ri[Σi=0nEi-(1/2)Ef]]]>當(dāng)電機(jī)繞組正常時(shí)，UD=(1/2)Ef，但當(dāng)某一繞組絕緣破壞時(shí)，UD=(1/2)Ef加交變電壓，交變電壓幅值大小和繞組絕緣下降程度有關(guān)，據(jù)此可以判斷絕緣情況。
為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的正確性，做了直流電機(jī)電樞繞組接地電壓試驗(yàn)和保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)。
一．直流電機(jī)電樞繞組接地電壓試驗(yàn)試驗(yàn)是在Z-H-29.5直流發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行的。為模擬電樞繞組絕緣下降，在換向器的一個(gè)換向片上焊接了一個(gè)電阻Rn，電阻的另一端與機(jī)軸相連接，機(jī)軸通過電刷可靠接地。
在不同的電阻值下測得的接地電壓波形如圖4所示。
1．Rn=∞時(shí)，測得的波形如圖4(a)；2．Rn=15M時(shí)，測得的波形如圖4(b)；3．Rn=150M時(shí)，測得的波形如圖4(c)；4，Rn=0時(shí)，測得的波形如圖4(d)。
二．保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)原理示意圖如圖5所示。
為實(shí)際檢測時(shí)的方便和不致影響直流電機(jī)正、負(fù)極輸出端對地絕緣，我們使用電阻R1、R2，分壓以獲得較穩(wěn)定的(1/2)Ef電壓參考點(diǎn)，同時(shí)R3、R4的取值都較大，所以對電機(jī)正、負(fù)極輸出端的對地絕緣基本上沒有什么影響，檢測得到的電壓波形也較符合計(jì)算分析，不過此時(shí)計(jì)算表達(dá)式中應(yīng)減去(1/2)Ef才行。
保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)中Rn設(shè)置和阻值選取與接地電壓試驗(yàn)相同。保護(hù)電路工作原理簡述如下在電樞繞組絕緣正常的情況下，由表達(dá)式(1)可知D點(diǎn)電位為(1/2)Ef，在R1、R2作用下，A點(diǎn)的電位也穩(wěn)定在(1/2)Ef，于是A點(diǎn)和D點(diǎn)同電位，R8、R4上無信號(hào)電壓，放大器輸出為零，保護(hù)器不會(huì)動(dòng)作，當(dāng)某一繞組絕緣下降時(shí)，D點(diǎn)電位變化，R3和R4上就有一個(gè)交變的信號(hào)電壓，拾取R8上的交變電壓信號(hào)，經(jīng)放大后接電壓表(改成電阻刻度)指示電樞繞組絕緣情況，當(dāng)信號(hào)足夠大時(shí)，推動(dòng)繼電器BJ實(shí)施保護(hù)，并發(fā)出電樞繞組接地故障信號(hào)。
本試驗(yàn)做了Rn為1.5M和150K的保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)，均獲得了成功，實(shí)現(xiàn)了預(yù)防性保護(hù)。
不難理解，調(diào)整放大倍數(shù)可在電樞單一繞組絕緣下降到某種程度時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)或動(dòng)作于保護(hù)。更可用記錄儀或微機(jī)繪制出接地電壓波形，供運(yùn)行、檢修人員參考。
1．本發(fā)明方法是在直流電機(jī)輸出端正、負(fù)極均不接地的情況下，檢測直流電機(jī)電樞繞組接地電壓實(shí)施保護(hù)的。因此，特別適用于水電站直流勵(lì)磁機(jī)的保護(hù)。
2．本發(fā)明方法，檢測電樞繞阻絕緣情況，不受氣候，環(huán)境條件變化的影響，只與繞組之間絕緣電阻值的差異有關(guān)。無論是在干燥情朗的天氣——電樞繞組絕緣電阻高達(dá)數(shù)百兆歐以上，還是在潮濕陰雨天氣——電樞繞組絕緣電阻只有幾百千歐，只要各繞組絕緣電阻一致，本發(fā)明保護(hù)方法都不會(huì)有輸出。
3．本發(fā)明方法接地電壓波形與絕緣下降繞組位置有很好的相位對應(yīng)關(guān)系，這給查找絕緣損環(huán)繞組提供了方便。
4．本發(fā)明方法是電機(jī)運(yùn)行中的在線檢測方法，無需停機(jī)檢查。
5．由于直流電機(jī)在運(yùn)行中，任何一個(gè)繞組絕緣惡化都可以檢出，沒有保護(hù)死區(qū)。本保護(hù)方法對于直流發(fā)電機(jī)繞組及其整個(gè)直流回路接地都有保護(hù)作用。
6．本發(fā)明方法，可以對電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以在電機(jī)繞組損壞之前，做預(yù)防性檢測保護(hù)。
總之，本發(fā)明方法簡單，在電機(jī)運(yùn)行中進(jìn)行在線，實(shí)時(shí)檢測、保護(hù)，檢查時(shí)不需停機(jī)，是一種，有效、準(zhǔn)確的好方法，可用于直流電機(jī)。
權(quán)利要求
1．一種直流電機(jī)電樞繞組絕緣檢測和接地保護(hù)方法，其特征在于在電機(jī)軸上裝電刷，引出機(jī)軸電位D點(diǎn)，C、B兩點(diǎn)跨接在直流發(fā)電機(jī)輸出電壓兩端；在直流電機(jī)的輸出端，通過分壓電阻取中間電位A點(diǎn)；以B點(diǎn)電位為參考點(diǎn)，這樣D點(diǎn)相對于B點(diǎn)的電位正常時(shí)為(1/2)Ef，A點(diǎn)電位恒為(1/2)Ef，當(dāng)電機(jī)繞組正常時(shí)，A點(diǎn)和D點(diǎn)之間無電位差；而當(dāng)某一繞組絕緣下降時(shí)，D點(diǎn)電位則發(fā)生變化，變成(1/2)Ef加上一個(gè)脈動(dòng)電壓，即交變電壓分量，交變電壓幅值大小和繞組絕緣下降的程度有關(guān)，由此判斷某一繞組絕緣情況，達(dá)到預(yù)防性檢測和保護(hù)的目的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直流電樞繞組絕緣檢測和接地保護(hù)的方法:接地電壓對絕緣良好的電機(jī)來說是一個(gè)恒定的直流量,當(dāng)某一繞組絕緣破壞,接地電壓就有一個(gè)交變n電壓疊加在這個(gè)恒定的直流量之上,當(dāng)某一繞組直接接地時(shí),交變電壓的峰峰值將和電機(jī)的輸出電壓一樣大,檢測這一電壓的變化就可以判斷電樞繞組的絕緣情況。從而提供預(yù)防性保護(hù)。本發(fā)明方法是電機(jī)運(yùn)行中的在線檢測保護(hù),檢測時(shí)不用停機(jī),是極實(shí)用的檢測保護(hù)方法。
文檔編號(hào)G01R31/06GK1210268SQ9811126
公開日1999年3月10日 申請日期1998年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月23日
發(fā)明者許成金, 馮士芬, 彭輝, 李自淳, 劉福國 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所