CN101025434A

CN101025434A - 异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法及装置

Info

Publication number: CN101025434A
Application number: CN 200710061635
Authority: CN
Inventors: 许伯强; 孙丽玲
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2007-08-29

Abstract

一种异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法，属检测技术领域。用于解决定子绕组匝间短路的检测问题。其技术方案是：它通过采集三相定子电压、电流瞬时信号，计算出定子负序电压、负序电流、正序电压、正序电流，再利用正常电机样本参考文件估计出的定子负序视在阻抗滤波值计算定子负序电流故障分量，然后由根据整定的定子负序电流故障分量检测阈值得出故障指数，最后根据该故障指数判断电动机是否存在定子绕组匝间短路故障。本发明还给出了相应的检测装置。不仅能够高灵敏度、高可靠性地在线检测异步电动机定子绕组匝间短路的初发早期故障，而且可以判断短路相，因而可有效保障异步电动机的安全运行。

Description

异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种能够在线检测异步电动机定子绕组匝间初发、早期短路故障并确定短路相的方法及装置，属检测技术领域。

背景技术

作为传动机械，异步电动机广泛应用于工业生产与国防领域，其安全运行至关重要。异步电动机故障在线检测(特别是初发故障在线检测)是保障异步电动机安全运行的关键措施之一。定子绕组匝间短路是异步电动机的常见故障之一，发生概率约为30％。这种故障源于匝间绝缘老化、破损，其持续发展将导致相间短路等严重故障，属于渐进性故障，因而可以在定子绕组匝间短路故障发生初期即实施检测。这对于合理安排、组织预知维修，避免事故停机，无疑具有重要意义。

初发故障的故障特征是细微的，提取该故障特征并据此实现初发故障在线检测必须保证高灵敏度。在工程实际中，电机固有不对称、定子电压不对称及其波动、负载波动等因素将导致电机体现某些“虚假”特征，这可能混淆电机初发故障特征，造成误判。因此，在保证初发故障检测高灵敏度的同时必须保证其高可靠性，二者在一定程度上是相互对立的。如何兼顾高灵敏度与高可靠性，实现异步电动机初发故障在线检测已经成为当前亟待解决的关键问题、难点问题。

目前，较为合理的技术方案是以定子负序视在阻抗作为故障特征检测异步电动机定子绕组匝间短路故障，该方法利用“异步电动机发生定子绕组匝间短路故障之后，其定子负序视在阻抗数值减小”这一规律，首先采集三相定子电压、三相定子电流瞬时信号，然后依次计算定子负序电压U₂、定子负序电流I₂、定子负序视在阻抗

Z_{2 eff} = \frac{U_{2}}{I_{2}},

最后根据定子负序视在阻抗Z_2eff的当前数值、正常电机的定子负序视在阻抗数值(样本数据)判断匝间短路故障发生与否。然而，对一台实际电机而言，定子电压、定子电流必然含有谐波分量，它们将对基波分量形成调制，从而导致定子负序视在阻抗数值随时间波动，这将对定子绕组匝间短路故障检测造成不利影响，这是此方法的不足之处。另外，该方法不能判定故障发生相，即三相定子绕组中的哪一相发生匝间短路故障。

也有人根据正常电机的定子负序视在阻抗数值Z₂(样本数据，由电机堵转实验结果估计并假设其值恒定)，计算定子负序电压U₂所导致的定子负序电流

I_{2 VOLTAGE} = \frac{U_{2}}{Z_{2}},

然后计算定子负序电流故障分量I_2FAULT＝I₂-I_2VOLTAGE，根据其数值判断匝间短路故障发生与否。就本质而言，这种方法与上一种方法是一致的。同样存在着易受定子电压、定子电流谐波分量影响、无法判定故障发生相的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够高灵敏度、高可靠性地在线检测异步电动机定子绕组匝间短路的初发、早期故障及短路相的异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法及装置。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法，它由采集的三相定子电压、三相定子电流瞬时信号，计算出定子负序电压U₂、定子负序电流I₂、定子正序电压U₁以及定子正序电流I₁，再利用样本参考文件估计出正常电机的定子负序视在阻抗滤波值Z_2Estimate，进而计算定子负序电流故障分量

I_{2 Fault} = I_{2} - U_{2} / Z_{2 Estimate},

然后由根据正常电机样本参考文件整定的定子负序电流故障分量检测阈值I_{2Fault Threshold}得出故障指数I_2Fault/I_{2Fault Treshold}，并根据该故障指数判断电动机是否存在定子绕组匝间短路故障。如果存在定子绕组匝间短路故障，则进一步判断匝间短路故障发生相：找出视在阻抗角数值(增量)最大相，其紧邻超前相即为匝间短路故障发生相。

上述异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法，故障指数按如下步骤计算：

(a)建立正常电机样本参考文件：

在电机健康前提下(新电机投运之初或旧电机经检修投运之初)，在线测取电机定子电压、定子电流信号，计算健康电机在不同运行状态下的定子正序电压U₁、定子正序电流I₁，并采用曲线拟合技术确定定子负序视在阻抗滤波值Z₂；

(b)测取三相定子电压、三相定子电流瞬时信号：

对于Y接电机，也可以只测取两相定子电流瞬时信号，第三相定子电流瞬时信号根据“三相定子电流瞬时值之和恒为0”计算确定；

(c)计算定子负序电压U₂、定子负序电流I₂、定子正序电压U₁、定子正序电流I₁：

采用单工频周期滑动窗快速傅立叶变换方法计算上述各量，获得其有效值与初相角，分别记作：_A、_B、_C、

按照下式计算U₂、U₁、I₂及I₁：

\{\begin{matrix} U_{2} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{U}}_{A} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{B} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{C}) \\ U_{1} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{U}}_{A} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{B} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{C}) \end{matrix}

\{\begin{matrix} I_{2} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{I}}_{A} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{B} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{C}) \\ I_{1} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{I}}_{A} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{B} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{C}) \end{matrix}

(d)计算故障指数：

利用正常电机样本参考文件，根据定子正序电压U₁、定子正序电流I₁采用曲线拟合技术估计正常电机在该运行状态下所体现的定子负序视在阻抗滤波值Z_2Estimate，并计算定子负序电流故障分量I_2Fault＝I₂-U₂/Z_2Estimate，继而根据正常电机样本参考文件整定定子负序电流故障分量检测阈值I_{2Fault Threshold}(根据正常电机样本参考文件、定子一相绕组串联匝数、额定电流等确定)，故障指数为I_2 Fault/I_{2Fault Threshold}；

(e)判断故障存在与否：

故障指数数值＜1，表示电机处于健康状态，且其数值愈小，健康状态愈明确；故障指数数值＞1，表示电机处于故障状态，且其数值愈大，故障状态愈严重。

上述异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法，以定子(等效)视在阻抗角作为定子绕组匝间短路故障特征，进一步判断匝间短路故障发生相：

找出视在阻抗角数值(增量)最大相，其紧邻超前相即为匝间短路故障发生相。

一种异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测装置，由电流互感器、电压互感器、信号采集卡以及计算机组成，所述电流互感器设置三个，分别是第一电流互感器CT1、第二电流互感器CT2和第三电流互感器CT3，它们分别接于异步电动机定子绕组的三个相线上，它们的输出端分别接信号采集卡的模拟信号输入通道5(5、17端)、6(6、17端)、7(7、17端)，所述电压互感器设置三个，分别是第一电压互感器PT1、第二电压互感器PT2和第三电压互感器PT3，它们分别接于异步电动机定子绕组的三个相线上，它们的输出端分别接信号采集卡的的模拟信号输入通道1(1、17端)、2(2、17端)、3(3、17端)，所述信号采集卡的输出接口(为4针端子排JP)接计算机的USB接口。

本发明利用定子负序视在阻抗滤波值作为故障特征，导出故障指数，并以此判断电机是否存在匝间短路故障，有效避免了定子电压、定子电流谐波分量对故障检测的不利影响，大大提高了故障检测的灵敏度和可靠性。以定子(等效)视在阻抗角作为故障特征，可准确判断电机匝间短路故障发生相。本发明不仅能够高灵敏度、高可靠性地在线检测异步电动机定子绕组匝间短路的初发、早期故障，而且可以准确、方便地判断短路相，因而可有效保障异步电动机的安全运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明的电原理图；

图2是信号采集电路的电原理图；

图3是利用图1电原理图所采集的定子A相电压信号；

图4是利用图1电原理图所采集的定子A相电流信号；

图5是定子负序视在阻抗；

图6是定子负序视在阻抗滤波值；

图7是表示无正常电机样本参考文件情况下的定子绕组匝间短路故障检测结果；

图8是表示已经建立正常电机样本参考文件情况下的定子绕组匝间短路故障检测结果；

图9是测试装置结构示意图。

图中各标号为：R1、R2、电阻；CT、CT1、CT2、CT3、电流互感器；PT、PT1、PT2、PT3、电压互感器；1、信号采集卡；2、计算机；3、鼠标；4、电压测试夹；5、电流测试钳。

文中所用各符号的意义：U₂、定子负序电压，I₂、定子负序电流，U₁、定子正序电压，I₁、定子正序电流，Z_2Estimate、定子负序视在阻抗滤波值估计值，I_2Fault、定子负序电流故障分量，I_{2Fault Threshold}、定子负序电流故障分量检测阈值，Z₂、定子负序视在阻抗滤波值，_A、A相电压向量，_B、B相电压向量，_C、C相电压向量，

A相电流向量，

B相电流向量，

C相电流向量，Z_2eff、定子负序视在阻抗。

具体实施方式

本发明实际上是采用定子负序视在阻抗滤波值及定子视在阻抗角作为故障特征，结合样本学习与检测阈值自整定技术，高灵敏度/高可靠性地在线检测异步电动机初发性定子绕组匝间短路故障。研究表明，定子负序视在阻抗是兼具良好灵敏度与可靠性的异步电动机定子绕组匝间短路故障特征，但由于电机定子电压、电流谐波分量的调制效应，其数值随时间而波动，这不利于定子绕组匝间短路故障检测，为此应做数字低通滤波处理，以定子负序视在阻抗滤波值作为故障特征实现故障检测之目的。定子(等效)视在阻抗角亦可作为定子绕组匝间短路故障特征，并且匝间短路故障发生相之紧邻滞后相视在阻抗角数值(增量)恒为最大。以上两种方法互补，可以进一步保证异步电动机定子绕组匝间短路故障检测之灵敏度与可靠性，并定位故障发生相，这对于维修工作颇具意义。

长期以来，现场习惯采用定子负序电流作为故障特征实现电机逆相、缺相以及相间短路保护。本发明所述异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测装置将定子负序视在阻抗滤波值这一故障特征等效转化为定子负序电流以进行匝间短路故障检测，目的是与现场习惯吻合。

图1中，信号采集卡采用瑞博华RBH8321型信号采集卡，计算机的型号是DELL M1210，信号采集卡集成了低通滤波器、信号采集保持、模/数转换等电路。三相定子电压、三相(或两相，Y接)定子电流瞬时信号送至信号采集卡，信号采集卡通过USB接口连接于便携式计算机。便携式计算机控制信号采集卡以适当频率采样定子电压、定子电流瞬时信号，并存储于硬盘。

测取三相定子电压、三相(或两相，Y接)定子电流瞬时信号时，对于高压电机，可采用3只海豚夹在电压互感器PT二次侧测取三相定子电压瞬时信号，采用3只电流钼在电流互感器CT二次侧测取三相定子电流瞬时信号；对于低压电机，采用3只海豚夹直接在电机接线端子处测取三相定子电压瞬时信号，采用3只电流钳直接在电机接线端子处测取三相定子电流瞬时信号；对于Y接电机，可以只采用2只电流钳测取两相定子电流瞬时信号，第三相定子电流瞬时信号根据“三相定子电流瞬时值之和恒为0”计算确定。

计算机采用单工频周期滑动窗快速傅立叶变换方法计算定子负序电压U₂、定子负序电流I₂、定子正序电压U₁、定子正序电流I₁，具体计算方法如下(以定子A相电压为例进行说明)：假设工频为50赫兹，则工频周期为0.02秒；若定子A相电压瞬时信号采集频率为1000赫兹(即每秒采集1000点、采样间隔0.001秒)，则每一工频周期采集定子A相电压瞬时信号20点。在上述条件下，首先选取定子A相电压采集信号中的连续的20点(单工频周期)进行一次快速傅立叶变换以获得

之后，保留其中的后19点，并顺序递补定子A相电压采集信号中的后面1点，从而获得定子A相电压采集信号中的连续的20点(单工频周期)，并再进行一次快速傅立叶变换以再次获得

以此类推。采用上述方法分别获得_A、_B、_C、

之后按照下式计算U₂、U₁、I₂及I₁：

\{\begin{matrix} U_{2} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{U}}_{A} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{B} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{C}) \\ U_{1} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{U}}_{A} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{B} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{C}) \end{matrix}

\{\begin{matrix} I_{2} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{I}}_{A} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{B} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{C}) \\ I_{1} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{I}}_{A} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{B} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{C}) \end{matrix}

本检测装置计算故障指数时，有两种方法：如果尚未建立正常电机样本参考文件，则根据常规设置定子负序电流检测阈值I_2Threshold＝1.15*K_st*I₁*U₂/U₁，K_st为启动电流倍数，故障指数为I₂/I_2Threshold；如果已经建立正常电机样本参考文件，则根据定子正序电压U₁、定子正序电流I₁采用曲线拟合技术估计正常电机在该运行状态下所体现的定子负序视在阻抗滤波值Z_2Estimate，并计算定子负序电流故障分量I_2Fault＝I₂-U₂/Z_2Estimate，继而自整定定子负序电流故障分量检测阈值I_{2 Fault Threshold}，故障指数即为I_2 Fault/I_{2Fault Threshold}。

电机样本参考文件实际上是健康电机在不同运行状态下的定子正序电压U₁、定子正序电流I₁以及定子负序视在阻抗滤波值Z₂的数据记录。对应于健康电机每一个确定的运行状态，均对应一组确定的定子正序电压U₁、定子正序电流I₁以及定子负序视在阻抗滤波值Z₂。因此，可以将定子负序视在阻抗滤波值Z₂看作定子正序电压U₁、定子正序电流I₁的函数，并可以根据电机样本参考文件采用曲线拟合技术给予确定。在进行电机故障检测时，根据实测的定子正序电压U₁、定子正序电流I₁以及上述函数关系即可估计正常电机在该运行状态下所体现的定子负序视在阻抗滤波值Z_2Estimate。在电机健康这一前提下(新电机投运之初或旧电机经检修投运之初)，采用本检测装置测取电机定子电压、定子电流信号并运行故障检测程序，本检测装置自动提示、引导使用者简单、方便地建立电机样本参考文件。一旦建立电机样本参考文件，异步电动机初发故障在线检测仪可以更加灵敏、可靠地进行故障检测。

定子负序视在阻抗Z₂定义为定子负序电压U₂与定子负序电流I₂之比，即

Z_{2} = \frac{U_{2}}{I_{2}};

定子负序视在阻抗滤波值即为对Z₂做低通滤波所得之结果。

图3～图8表示Y100L-2型异步电动机满载且A相绕组3匝经过渡电阻短路情况下的实验结果(没有画出其它两相)，匝间短路环电流约为5A，具体数据示于表1。图3表示定子A相电压，图4表示定子A相电流，图5表示定子负序视在阻抗，图6表示定子负序视在阻抗滤波值，图7表示无正常电机样本参考文件情况下的定子绕组匝间短路故障检测结果(此时仅可检测相对严重故障)，故障指数0.37＜1，说明并不存在相对严重的匝间短路故障。图8表示已经建立正常电机样本参考文件情况下的定子绕组匝间短路故障检测结果(此时可以检测轻微故障)，故障指数(故障)2.39＞1，说明存在轻微的匝间短路故障。正常电机样本参考文件根据电机实际运行数据建立。另外，根据表1数据可知，定子B相绕组等效阻抗角具有最大增量，可以判断定子A相绕组发生匝间短路故障，从而实现匝间短路故障定位。

表1电机满载A相绕组3匝经过渡电阻短路情况下的实验数据

	故障前	故障后	增量
	故障前	故障后	增量	定子负序视在阻抗滤波值	9.62Ω	8.26Ω	-1.36Ω
定子A相绕组等效阻抗角	31.871°	32.543°	0.672°	定子负序视在阻抗滤波值	9.62Ω	8.26Ω	-1.36Ω
定子A相绕组等效阻抗角	31.871°	32.543°	0.672°	定子B相绕组等效阻抗角	29.149°	30.707°	1.558°
定子C相绕组等效阻抗角	32.735°	29.923°	-2.812°	定子B相绕组等效阻抗角	29.149°	30.707°	1.558°

Claims

1、一种异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征是，它利用采集的三相定子电压、三相定子电流瞬时信号，计算出定子负序电压U₂、定子负序电流I₂、定子正序电压U₁以及定子正序电流I₁，再利用正常电机样本参考文件估计出的定子负序视在阻抗滤波值Z_2Estimate计算定子负序电流故障分量I_2Fault＝I₂-U₂/Z_2Estimate，然后由根据正常电机样本参考文件整定的定子负序电流故障分量检测阈值I_{2Fault Threshold}得出故障指数I_2Fault/I_{2Fault Threshold}，最后根据该故障指数判断电动机是否存在定子绕组匝间短路故障。

2、根据权利要求1所述异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征是，故障指数按以下步骤计算：

(a)建立正常电机样本参考文件：

在电机健康前提下，在线测取电机定子电压、定子电流信号，计算健康电机在不同运行状态下的定子正序电压U₁、定子正序电流I₁，并采用曲线拟合技术确定定子负序视在阻抗滤波值Z₂；

(b)测取三相定子电压、三相定子电流瞬时信号：

采用单工频周期滑动窗快速傅立叶变换方法计算定子三相电压、电流相量，分别记作：

按照下式计算U₂、U₁、I₂及I₁：

\{\begin{matrix} U_{2} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{U}}_{A} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{B} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{C}) \\ U_{1} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{U}}_{A} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{B} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{U}}_{C}) \end{matrix}

\{\begin{matrix} I_{2} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{I}}_{A} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{B} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{C}) \\ I_{1} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{I}}_{A} + e^{j \frac{2 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{B} + e^{j \frac{4 π}{3}} {\overset{\cdot}{I}}_{C}) \end{matrix}

(d)计算故障指数：

利用正常电机样本参考文件，根据定子正序电压U₁、定子正序电流I₁采用曲线拟合技术估计正常电机在该运行状态下所体现的定子负序视在阻抗滤波值Z_2 Estimate，并计算定子负序电流故障分量I_2Fault＝I₂-U₂/Z_2 Estimate，继而根据正常电机样本参考文件整定定子负序电流故障分量检测阈值I_{2 Fault Threshold}，故障指数为I_2 Fault/I_{2 Fault Threshold}；

(e)判断故障：

3、根据权利要求1或2所述异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征是，以定子等效视在阻抗角作为定子绕组匝间短路故障特征，判断匝间短路故障发生相：

找出视在阻抗角数值增量最大相，其紧邻超前相即为匝间短路故障发生相。

4、一种异步电动机定子绕组匝间短路故障在线检测装置，其特征是，它由电流互感器、电压互感器、信号采集卡以及计算机组成，所述电流互感器设置三个，分别是第一电流互感器CT1、第二电流互感器CT2和第三电流互感器CT3，它们分别接于异步电动机定子绕组的三个相线上，它们的输出端分别接信号采集卡的模拟信号输入通道5端和17端、6端和17端、7端和17端，所述电压互感器设置三个，分别是第一电压互感器PT1、第二电压互感器PT2和第三电压互感器PT3，它们分别接于异步电动机定子绕组的三个相线上，它们的输出端分别接信号采集卡的的模拟信号输入通道1端和17端、2端和17端、3端和17端，所述信号采集卡的输出接口接计算机的USB接口。