CN105186931B - 异步电机启动过程故障电流的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异步电机启动过程故障电流的识别方法，其包括以下步骤：步骤一，对异步电机的电压和电流进行高速数字采样，形成表征电压电流变化过程的采样数据序列；步骤二，通过对异步电机的电压和电流数据的组合应用，重构出异步电机定子、转子间铁心及气隙的等效BH曲线，并计算等效BH曲线的椭圆长轴方向斜率；步骤三，根据该等效BH曲线的椭圆长轴方向斜率的变化识别启动期间的启动电流和故障电流。本发明可以有效识别启动过程中的启动电流和故障电流，提高启动过程故障识别的灵敏度，缩短动作时间。

Description

异步电机启动过程故障电流的识别方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种异步电机启动过程故障电流的识别方法。

背景技术

大于2000kW的高压电机通常配置差动保护，在启动过程中出现故障差动可以灵敏可靠的动作，保障电机的运行，但对于小于2000kW的高压异步电机，其短路保护通常只设置电流速断保护，速断保护定值按躲过电机启动电流来整定，并作用于跳闸。部分工矿企业的高压异步电机设置了反时限过流保护功能并作用于跳闸，但由于电机启动特性与工艺性质的不同，在异步电机启动过程中或自启动过程中，反时限过流保护经常发生误动作而形响了生产运行，在异步电机启动时需退出电机的反时限过流保护功能才能满足电机启动，甚至长期停用反时限过流保护功能，故而造成该反时限过流保护不能可靠投运。

由于电机的启动电流较大，可达额定电流的6~9倍，保护装置为了避免在电机启动期间的误动，多采用时间延时方式投入过流保护，以多开启动过程的大电流对保护装置的干扰，如果在启动期间出现故障，则只有在达到速断保护定值时速断保护动作或者在延时到达后过流保护动作。由于启动电流和故障电流都很大，如何有效识别电机启动期间的启动电流和故障电流是个技术难题，需要探讨全新的识别方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种异步电机启动过程故障电流的识别方法，其可以有效识别启动过程中的启动电流和故障电流，提高启动过程故障识别的灵敏度，缩短动作时间。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种异步电机启动过程故障电流的识别方法，其特征在于，所述异步电机启动过程故障电流的识别方法包括以下步骤：

步骤一，对异步电机的电压和电流进行高速数字采样，形成表征电压电流变化过程的采样数据序列；

步骤二，通过对异步电机的电压和电流数据的组合应用，重构出异步电机定子、转子间铁心及气隙的等效BH曲线，并计算等效BH曲线的椭圆长轴方向斜率；

步骤三，根据该等效BH曲线的椭圆长轴方向斜率的变化识别启动期间的启动电流和故障电流。

优选地，所述步骤二中计算等效BH曲线的椭圆长轴方向斜率的过程如下：根据数据的采样率，从采样数据序列中截取一个完整周波的电压电流采样数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，电流数据作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组数据序列构造出BH曲线椭圆；然后分别找出本BH曲线椭圆的B、H轴方向的极大值、极小值， BH曲线的椭圆长轴方向外围切线所构成的矩形对角线A、C两点的坐标分别为A(H_max，B_max)、C(H_min，B_min)，本周波对应的BH曲线的椭圆长轴方向工程近似斜率为K_BH=(B_max - B_min) / (H_max - H_min)。

优选地，所述异步电机启动过程故障电流的识别方法通过电流的变化自动识别电机当前是否启动过程中，如仍在启动过程中，通过等效BH曲线的椭圆长轴方向工程近似斜率K_BH的变化来识别是否出现故障电流，如果K_BH增大，则为正常的启动过程，继续监测；如果K_BH变小，则出现了故障电流。

优选地，所述异步电机为一个含有铁芯和气隙的感性元件。

本发明的积极进步效果在于：本发明通过对电压、电流变化关系以及电机内部磁场的深入分析，结合大量实际电机启动录波的分析，通过使用电压电流瞬时数据，重构出电机定子、转子间铁芯及气隙的等效BH曲线，用于识别电机启动过程中的启动电流和故障电流，提高启动过程故障识别的灵敏度，可以缩短跳闸时间，避免故障的扩大化，降低经济损失。本发明完善现有电机保护功能，保护电机的可靠运行，同时简化了原电机过流、速断保护的整定调试工作，提高了保护设备动作的正确性。

附图说明

图1为电机启动过程重构的BH曲线的变化图。

图2为电机的启动过程中电流的变化图。

图3为电机正常启动和故障时斜率的变化图。

图4为重构BH曲线的椭圆长轴方向斜率工程近似计算方法的效果图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

电机的正常启动过程中，启动电流一直居高不下，直到启动过程快结束时才降低，目前有采用电压电流相位算法，通过识别启动期间电压电流关系，为保护装置提供动作判据，但根据大量电机的实际录波发现，在启动期间，电压电流的相位差是波动变化的，变化无明显特征。根据电机的原理，在启动过程中，随着转差率s的逐步变小，转子上由于转差存在而生成的感应电势以及对应的感应电流的去磁效应逐步减弱，电机对外等效的电感量逐步降低，阻抗逐步增大，电机不论是空载还是满载启动的时候电流都是一样大的，只是空载时电流降低的快，直到降低为空载电流，满载的时候电流降的比较慢，最后降低为额定电流。

在现场实际应用中，由于不同的工艺系统有不同的机械负载特性，同样规格电机在不同工艺系统有不同的启动特性。因此，现场应用的反时限过流保护经常发生误动作，不能躲过电机的正常启动，造成电机的反时限过流保护不能正常投人跳闸。因反时限过流保护不能可靠躲过电机的正常启动而退出了该保护，造成了电机启动过程中堵转烧毁报废现象屡见不鲜。因此，反时限过流保护在现场应用时，其曲线整定应与电流速断保护、定时限过流保护的定值相配合，并应结合电机实际启动特性来校核，以确保反时限过流躲过正常启动而不误动，通常在新电机首次投运时，将该电机的反时限过流保护投于信号，待测出其启动特性后校核反时限过流保护。

电机启动时刻的堵转检测功能，其实质就是一种延时投入的过流保护，通常电流按额定电流的2~4倍整定，动作时间整定稍大于电机实际启动时间，在合闸后，如电机的启动电流在超过的设定堵转时间仍然大于堵转定值则跳闸，电机启动时段内通常只能投入热模型、过流、负序、接地等保护，堵转在启动时有一段盲区，不能及时反映于故障而跳闸，热模型保护动作时间长，考虑到启动过程中大电流对CT特性的影响，负序和接地保护通常延时到启动结束后投入。

本发明异步电机启动过程故障电流的识别方法包括以下步骤：

步骤一，对异步电机的电压和电流进行高速数字采样，形成表征电压电流变化过程的采样数据序列；

步骤二，通过对异步电机的电压和电流数据的组合应用，重构出异步电机定子、转子间铁心及气隙的等效BH曲线，并计算等效BH曲线的椭圆长轴方向斜率；计算等效BH曲线的椭圆长轴方向斜率的过程如下：根据数据的采样率，从采样数据序列中截取一个完整周波的电压电流采样数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，电流数据作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组数据序列构造出BH曲线椭圆。然后分别找出本BH曲线椭圆的B、H轴方向的极大值、极小值， BH曲线的椭圆长轴方向外围切线所构成的矩形对角线A、C两点的坐标分别为A(H_max，B_max)、C(H_min，B_min)，本周波对应的BH曲线的椭圆长轴方向工程近似斜率为K_BH=(B_max - B_min) / (H_max - H_min)。重复上述步骤，对电压电流的采样数据序列依次进行上述处理形成斜率序列后，即可绘出斜率变化曲线。采用计算BH曲线外部切线矩形对角线斜率的工程近似方式来求取椭圆长轴斜率为本发明中BH曲线的椭圆长轴方向斜率的一种计算方法，具体计算方法包括但不限于本计算方法。等效BH曲线的形状可以是椭圆形或其他形状。

步骤三，根据该等效BH曲线的椭圆长轴方向斜率的变化识别启动期间的启动电流和故障电流。

本发明通过保护装置自动识别电机当前是否启动过程中，如仍在启动过程中，通过等效BH曲线的椭圆长轴方向工程近似斜率K_BH的变化来识别是否出现故障电流，如果K_BH增大，则为正常的启动过程，继续监测即可；如果K_BH变小，则出现了故障电流。

在异步电机启动完成后，由于负载的波动变化，等效BH曲线的椭圆长轴方向工程近似斜率K_BH将发生增大或变小，不再适合作为故障判据使用，将自动退出。

异步电机为一个含有铁芯和气隙的感性元件，在启动期间，随着转差率的变化内部磁场也相应发生变化。为了能够快速识别电机启动过程中的故障电流，避免正常启动电流的干扰影响，缩短故障时的动作时间，本发明通过对异步电机的三相电压和三相电流进行高速数字采样，形成瞬时采样数据序列后，通过电压和电流数据的组合应用，重构出如图1所示的电机内部各相不同状态下的等效BH曲线，其中数字标记1为启动开始时刻BH曲线，数字标记2为启动中间时刻BH曲线，数字标记3为启动结束时刻的BH曲线，即当无故障时，按照启动时间1、2、3曲线顺序出现。通过对大量电机启动过程实际录波重构的BH曲线图形特征以及变化趋势特征的分析总结，发现重构后的BH曲线呈现椭圆形状，并且随着启动时间的增大，BH曲线的椭圆长轴方向斜率不断变大，直至启动成功。在启动过程中如出现负载波动、匝间短路、接地故障等，BH椭圆长轴方向的斜率将变小，可以使用此特征进行启动过程中的故障识别。

随着微机保护的发展，在电机保护中已经可以自动记录合闸启动时间Tstar，如图2所示，在启动电流达到10％In电流开始计时，经过峰值下降到120％ In时停止计时，In为额定工作电流，在电流下降到120％In前，无故障时，等效BH曲线椭圆中长轴方向的斜率变化如图3中的曲线4，是不断增大的过程，如果在启动期间发生接地、匝间短路、相间短路等故障，则其斜率立刻降低，变化如图3中的曲线5所示，利用此特征可以识别启动期间的启动电流和故障电流。

图4为重构后的BH曲线的效果示意图，为了求出椭圆长轴方向的斜率，本发明采用计算BH曲线外部切线矩形对角线斜率的工程近似方式来求取椭圆长轴斜率，计算原理如图4所示，具体步骤如下：

根据数据的采样率，从采样数据序列中截取本时刻之前一个完整周波的电压电流采样数据序列，当电网频率为50HZ时，也就是20ms的采样数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，电流数据作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组数据序列构造出图4所示的BH曲线椭圆。max函数可以找出指定数据序列中的最大值，min函数可以找出指定数据序列中的最小值，使用max、min分别找出本周波BH曲线的B、H轴方向的极大值、极小值，具体程序处理如下：

BH曲线椭圆的H轴方向极大值点H_max = max(H_one_wave)；

BH曲线椭圆的H轴方向极小值点H_min = min(H_one_wave)；

BH曲线椭圆的B轴方向极大值点B_max = max(B_one_wave)；

BH曲线椭圆的B轴方向极小值点B_min = min(B_one_wave)。

基于上述数据，图4中等效BH曲线的椭圆长轴方向外围切线所构成的矩形对角线A、C两点的坐标分别为A(H_max，B_max)、C(H_min，B_min)，本周波对应的BH曲线的椭圆长轴方向工程近似斜率为K_BH=(B_max - B_min) / (H_max - H_min)，重复上述步骤，对电压电流的采样数据序列逐点依次进行上述处理形成斜率序列后，即可绘出图3所示的曲线。

上述为三相电机中某一相的电流识别计算过程，对于其他两相，重复上述计算过程即可。

由于计算方法的多样性，上述为本发明中BH曲线的椭圆长轴方向斜率的一种计算方法，具体计算方法包括但不限于上述计算方法。

根据图2的电机启动时间Tstar自动识别方法，保护装置自动识别电机当前是否启动过程中，如仍在启动过程中，则通过如图3所示的BH椭圆长轴方向的各相斜率K_BH的变化来识别是否出现故障电流，如果K_BH增大，则为正常的启动过程，继续监测即可，如果K_BH变小，则出现了故障电流，自动启动故障处理程序，进行故障电流的计算及定值比较，当延时满足条件时动作跳闸。在启动完成后，由于负载的波动变化，BH椭圆长轴方向的斜率K_BH将发生增大或变小，已不再适合作为故障判据使用，将自动退出，此时通常由常规的过流、堵转、负序、热模型等保护功能提供电机的运行保护。

本发明提供了电机启动过程中故障电流识别的一个方法，不仅可以有效提高启动过程故障识别的灵敏度，并有效缩短动作时间，保护电机设备的安全可靠运行，降低经济损失，同时简化了原电机过流、速断保护的整定调试工作，提高了保护设备动作的正确性。

本说明书的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种异步电机启动过程故障电流的识别方法，其特征在于，所述异步电机启动过程故障电流的识别方法包括以下步骤：

步骤一，对异步电机的电压和电流进行高速数字采样，形成表征电压电流变化过程的采样数据序列；

步骤二，根据数据的采样率，从采样数据序列中截取一个完整周波的电压电流采样数据序列，对电压数据序列进行积分处理后得到的B_one_wave序列，将其作为磁感应强度B的变化，电流数据作为H_one_wave序列表现磁场强度H的变化，在二维平面上，将H_one_wave序列作为水平方向的磁场强度H轴的坐标数据，B_one_wave序列作为垂直方向的磁感应强度B轴的坐标数据，使用上述两组数据序列构造出BH曲线椭圆；然后分别找出本BH曲线椭圆的B、H轴方向的极大值A(H_max，B_max)、极小值C(H_min，B_min)，本周波对应的BH曲线椭圆长轴方向工程近似斜率K_BH=(B_max - B_min) / (H_max - H_min)；

步骤三，根据BH曲线椭圆长轴方向工程近似斜率K_BH的变化识别启动期间的故障电流。