CN101644739B - 旋转二极管故障检测方法 - Google Patents

Abstract

旋转二极管故障判断方法，其特征是：通过检测励磁机励磁绕组电流的1、2、3、4、5、6次谐波的有效值和22次谐波的有效值比值来判断旋转二极管是否发生故障：当1、2、3、4、5和6次谐波的有效值之和与22次谐波的有效值的比值小于0.1时判为正常运行状态，比值大于0.1时，判断为故障；当1、3、5次谐波有效值之和与22次谐波有效值的比值大于50时判为一臂短路故障；当2、4次谐波有效值分别与22次谐波有效值相除，所得两个比值相乘，结果小于1时判为一臂断路，小于10而大于1时判为一相开路，大于10时判为多相开路。为发电机在旋转二极管故障时提供准确而合适的控制策略，保证励磁系统及发电机正常安全运行。

Description

旋转二极管故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种旋转二极管故障检测判断方法及使用该方法的装置。

背景技术

无刷励磁发电机中旋转二极管故障的正确判断，对发电机及旋转二极管的安全运行来说非常重要。目前，判断旋转二极管故障的常规方法主要有两种：突变量方法检测^[1，2]和脉冲计数方法^[3，4]。突变量方法通常采用检测故障旋转二极管电流的突变量对电机铁芯磁通的影响，检测出铁芯磁通的突变量，从而判断旋转二极管故障，这种方法适用范围很小，对于多相整流旋转二极管，由于相数较多，当某一相故障时，对电机铁芯磁通影响较小，通常无法区分故障工况引起的磁通变化与励磁电流正常调节引起的磁通变化，从而无法正确判断旋转二极管故障；脉冲计数方法采用在电机底座上安装感应器，旋转二极管支路有电流流过且旋转经过感应器时，在感应器中感生脉冲波形，对感应器的脉冲进行计数，从而判断旋转二极管故障后没有电流流过的情况，因为感应器稳定性差，包括感应器受碰撞移位，导致测量不准确，或感应器(霍尔器件等)本身受油污、灰尘污染而造成信号失真等等，因而该方法误动率或拒动率较高。

参考文献：[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2002.

[2]黄耀群，李兴源.同步电机现代励磁系统及其控制[M].成都：成都科技大学出版社，1994.

[3]王索宇，王爱剑.励磁机旋转二极管故障检测装置输出逻辑的改进[J].浙江电力，2003(4)：34-35.

[4]陈宇锋.无刷励磁机旋转二极管非导通检测系统分析[J].江西电力，2004，29(4)：34-36.

发明内容

本发明的目的是：提供一种旋转二极管故障判断方法，可以解决突变量方法在多相旋转二极管整流故障的准确性难题。通过对励磁机励磁电流进行全面谐波的有效值分析，并与励磁机励磁电流调节因数、发电机工况因数相结合，正确判断旋转二极管整流系统中一只或多只旋转二极管断路及短路故障，保障发电机运行安全。

本发明的实施方案是：旋转二极管故障判断方法，本发明设置一种主判据和两种辅助判据，第一种判据称为主判据，根据该判据可以判断旋转二极管是否发生故障；第二种判据用于防止误判；第三种判据用于判断旋转二极管故障严重程度的，结合以上三种判据即可判断旋转二极管故障：第二、三种判据为辅助判据；

第一种判据：检测励磁机励磁电流谐波成份的有效值，旋转二极管故障后，旋转励磁机电枢电流出现缺相，不对称电枢电流产生的磁场出现负序及谐波分量，从而在励磁机励磁绕组中产生相应频次的谐波电流，本发明采用检测励磁机励磁绕组电流的1、2、3、4、5、6次谐波有效值和22次谐波有效值，从而判断故障的发生。

表1多相无刷励磁系统运行状态识别阀值的整定

运行状态	判据描述
		正常运行  一臂短路  一臂断路   一相开路   多相开路	1、2、3、4、5、6次谐波有效值之和与22次谐波有效值比值小于0.11、3、5次谐波有效值之和与22次谐波有效值比值大于502、4次谐波有效值分别与22次谐波有效值相除，所得两个比值相乘之后的值小于12、4次谐波有效值分别与22次谐波有效值相除，所得两个比值相乘之后的值小于10大于12、4次谐波有效值分别与22次谐波有效值相除，所得两个比值相乘积之后的值大于10

第二种判据为电流突变量智能闭锁条件。励磁机磁场绕组电流由励磁装置控制，当励磁装置输出电流变化，励磁机磁场电流相应出现变化，此时在励磁磁场电流也可能出现谐波有效值分量，为防止故障检测误动作，本发明中加入励磁装置电流突变量智能闭锁条件，解决故障检测误动作问题。当励磁电流变化率满足 $\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{fl}}}{\mathrm{dt}}<c$ (其中C为整定门槛值)判断故障检测没有误动作，开放故障输出，当大于C时，判断故障检测误动作，闭锁故障输出。C的整定值要小于励磁暂态调节过程中励磁绕组电流的最小突变量，并且要小于一般增减磁过程中励磁电流的突变量，考虑不同机组容量励磁机励磁电流差异，整定范围10A/s~100A/s。

计算励磁电流变化率采用数值微分三点公式即式1：

$\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{fl}}}{\mathrm{dt}}=\frac{I_{\mathrm{fl}(k+1)}-I_{\mathrm{fl}(k-1)}}{2\mathrm{\&Delta;T}}$ 式1

其中：

是励磁电流变化率；

I_fl(k+1)、I_fl(k-1)分别为计算时刻前后两次励磁电流采样值，由定时采样中断定时采样获得；

ΔT为连续两次采样的时间间隔，由实际微机保护的采样频率决定。。

第三种判据为根据发电机工况匹配系数判断故障程度。发电机正常稳定运行时，根据发电机定子电压、定子电流及发电机阻抗参数可以计算发电机磁场电流，即励磁机电枢电流及电枢电压，根据励磁机电枢电压和电枢电流，即可计算励磁机磁场电流，如果旋转二极管故障，励磁机实际励磁电流要大于计算励磁电流，两者相差越大，故障越严重，本发明采用发电机工况匹配系数解决旋转二极管故障严重程度的问题。

采用式2计算发电机磁场电流：

U^*＝1.0

$I^{*}=\frac{\sqrt{P^2+Q^2}}{S_N}$ $\mathrm{\&theta;}=\arctan \left(\frac{Q}{P}\right)$

式2

$E_q^{*}=\sqrt{{\left(U^{*}\right)}^2+{\left(I^{*}{X}_q\right)}^2-{2U}^{*}{I}^{*}{X}_q\cos (90+\mathrm{\&theta;})}$

$I_f=E_q^{*}\&times;\frac{I_{F0N}}{E_{\mathrm{qN}}}$

其中U*、I*、P、Q为发电机定子电压标么值、定子电流标么值、有功及无功；

E_q*、E_qn、I_FON、I_f为发电机励磁电势标么值、额定励磁电势、空载额定励磁电流及当前励磁电流值。

如果旋转二极管故障，励磁机实际励磁电流要大于计算励磁电流，两者相差越大，故障越严重。

鉴于励磁机励磁电流中不仅有反映故障信息的谐波分量，而且成分更大的是直流分量，为保证测量的有效性，采用两种不同原理的传感器对励磁绕组中的谐波电流进行检测，分别是：分流器测量和罗式线圈测量；两种测量数据互为参考。

本发明有益效果：本发明通过全面检测励磁机励磁电流谐波分量、励磁装置电流突变量和励磁机内电势，通过多种判据的综合判断，能够正确判断旋转二极管故障，并能正确区别旋转二极管故障严重程度，为发电机在旋转二极管故障时提供准确而合适的控制策略，保证励磁系统及发电机正常安全运行。

附图说明

为了对本发明作进一步说明，给出附图：

图1为本发明一种实施方式的逻辑图

具体实施方式

本发明的具体实施方法如图1所示：图中V_r1为谐波有效值特征测量1，V_r2为谐波有效值特征测量2，If_exc为励磁装置电流测量值，If_det为励磁机磁场绕组电流实际值，If_cal为励磁机磁场绕组电流计算值，T为延时时间，a，b，c，d，e，f为整定参数，根据励磁系统参数进行整定。

1、通过两路不同原理的传感器对励磁绕组中的谐波电流进行检测：直流分流器测量法和罗式线圈测量法。采集两路励磁机励磁绕组电流，分别经过FFT(FastFourierTransform，快速富里叶变换)分析计算，得出谐波有效值特征测量1(V_r1)(对一路励磁机励磁绕组电流的测量)和谐波有效值特征测量2(V_r2)(对另一路励磁机励磁绕组电流的测量)；

2、V_r1或V_r2满足故障测量定值b后，还要经过延时计时a；若谐波有效值特征测量V_r1或V_r2持续满足故障检测定值b，则在延时a计时结束时置故障标志；

3、励磁装置电流突变量智能闭锁条件：当励磁电流突变量Del(If_exc)大于设定的励磁电流突变量门限值c时，闭锁检测条件；只有当Del(If_exc)小于设定值c时，检测有效；

4、为防止装置在励磁机励磁电流过低时误判故障，只有当励磁机励磁绕组电流If_exc高于设定励磁电流门限值d时或发电机处于并网状态时，才能开放故障检测功能；

5、告警或跳闸出口选择判断：由上述第三种判据所述可计算励磁机磁场电流，如果旋转二极管故障，励磁机实际励磁电流要大于计算励磁电流，两者相差越大，故障越严重，从而用发电机工况匹配系数来解决旋转二极管故障严重程度。

当实际励磁电流If_det大于计算励磁电流If_cal超过告警设定值e时，检测装置发故障告警信号；

若励磁机旋转二极管故障程度更严重，使得实际励磁电流If_det大于计算励磁电流If_cal超过跳闸设定值f时，检测装置发故障跳闸信号；

相关参数含义及整定范围：

a——故障检测延时定值，整定范围0.5~10s；

b——故障判别定值，当旋转二极管故障运行时除了正常运行时就有的22次谐波有效值电流外，还有1、2、3、4、5、6次等谐波有效值电流含量，这些谐波有效值电流含量与22次谐波有效值电流的比值随故障类型不同而异，一般整定范围0.1~50；

c——励磁电流突变量门限值，当励磁电流突变量Del(If_exc)大于该值时，闭锁检测条件；其整定值要小于励磁暂态调节过程中励磁绕组电流的最小突变量，并且要小于一般增减磁过程中励磁电流的突变量，考虑不同机组容量励磁机励磁电流差异，整定范围10A/s~100A/s；

d——开放检测励磁电流门限值，为防止装置在励磁机励磁电流过低时误判故障，只有当励磁机励磁绕组电流If_exc高于该设定值时，才能开放故障检测功能。整定范围60％~90％空载励磁电流；

e——告警设定值，当实际励磁电流If_det与计算励磁电流If_cal差值达到该设定值时，并且故障标志已置位，装置发出告警信号；根据现场动态试验确定整定值，一般整定范围5％~20％励磁机额定励磁电流Ifln；

f——跳闸设定值，当实际励磁电流If_det与计算励磁电流If_cal差值达到该设定值时，并且故障标志已置位，装置启动跳闸出口；根据现场动态试验确定整定值，一般整定范围20％~50％励磁机额定励磁电流Ifln。

Claims (7)

1.旋转二极管故障判断方法，其特征是：通过检测励磁机励磁绕组电流的1、2、3、4、5、6次谐波的有效值和22次谐波的有效值比值来判断旋转二极管是否发生故障：当1、2、3、4、5和6次谐波的有效值之和与22次谐波的有效值的比值小于0.1时判为正常运行状态，比值大于0.1时，判断为故障；当1、3、5次谐波有效值之和与22次谐波有效值的比值大于50时判为一臂短路故障；当2、4次谐波有效值分别与22次谐波有效值相除，所得两个比值相乘，结果小于1时判为一臂断路，小于10而大于1时判为一相开路，大于10时判为多相开路。

2.如权利要求1所述的旋转二极管故障判断方法，其特征是：增加电流突变量智能闭锁条件，即当励磁绕组电流变化率＜C时，判断故障检测没有误动作，开放故障输出；当大于C时，判断故障检测误动作，闭锁故障输出；其中C为整定门槛值。

3.如权利要求2所述的旋转二极管故障判断方法，其特征是：励磁绕组电流变化率的整定门槛值C要小于励磁暂态调节过程中励磁绕组电流的最小突变量，并且要小于一般励磁绕组增减磁过程中励磁绕组电流的突变量，并考虑不同机组容量励磁机励磁绕组电流差异，整定门槛值的整定范围10A/s～100A/s。

4.如权利要求2所述的旋转二极管故障判断方法，其特征是：采用数值微分三点公式即式1计算励磁绕组电流变化率：

$\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{fl}}}{\mathrm{dt}}=\frac{I_{\mathrm{fl}(k+1)}-I_{\mathrm{fl}(k-1)}}{2\mathrm{\&Delta;T}}$ 式1

其中：

是励磁绕组电流变化率；

I_fl(k+1)、I_fl(k-1)分别为计算时刻前后两次励磁绕组电流采样值，由定时采样中断定时采样获得；

ΔT为连续两次采样的时间间隔，由实际微机保护的采样频率决定。

5.如权利要求1所述的旋转二极管故障判断方法，其特征是：增加发电机工况匹配系数来判断旋转二极管故障严重程度，当励磁机实际励磁绕组电流大于计算所得到的励磁绕组电流，判为旋转二极管故障，两者相差越大则故障越严重。

6.如权利要求5所述的旋转二极管故障判断方法，其特征是：采用式2计算励磁机励磁绕组电流：

U^*＝1.0

$I^{*}=\frac{\sqrt{P^2+Q^2}}{S_N};$ $\mathrm{\&theta;}=\arctan \left(\frac{Q}{P}\right)$

式2

$E_q^{*}=\sqrt{{\left(U^{*}\right)}^2+{\left(I^{*}{X}_q\right)}^2-{2U}^{*}{I}^{*}{X}_q\cos (90+\mathrm{\&theta;})}$

$I_f=E_q^{*}\&times;\frac{I_{\mathrm{FON}}}{E_{\mathrm{qN}}}$

其中：

U*、I*、P、Q为发电机定子电压标么值、定子电流标么值、有功功率及无功功率；

Eq*、Eqn、IFON、If为发电机励磁电势标么值、额定励磁电势、空载额定励磁绕组电流及当前励磁绕组电流值。

7.如权利要求1所述的旋转二极管故障判断方法，其特征是：采用两种不同原理的传感器对励磁绕组中的谐波电流进行检测，分别是：分流器测量法和罗式线圈测量法；两种测量数据互为参考。

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