CN105738784B - 适于卧式电机定子绝缘故障放电点的定位系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适于卧式电机定子绝缘故障放电点的定位系统及检测方法，包括与卧式电机定子任两相绕组连接或者一端与卧式电机定子绕组连接、另一端与卧式电机外壳连接的电源模块，均安装在卧式电机定子内的智能小车和可调式天线装置，以及安装在可调式天线装置上的数据采集模块。本发明设计的电机绝缘故障检测装置性能优异，通过调整天线装置中可伸缩支架的长度能够适用于不同型号的大型卧式电机定子绝缘的故障放电点定位，测试过程中天线全方位扫描捕捉局部放电信号，无盲点漏点，故障点定位精确，具有可控性强，抗干扰能力强，操作简单，适用范围广，测量结果准确等特点。

Description

适于卧式电机定子绝缘故障放电点的定位系统及检测方法

技术领域

本发明涉及电机绝缘检测系统，尤其涉及适于卧式电机定子绝缘故障放电点的定位系统及检测方法。

背景技术

基于脉宽调制(PWM)驱动技术的交流变频电机具有易启动、调速性能好、节能等突出优点，得到了广泛的使用，正在逐渐取代传统正弦电压驱动的交流电机，在各个领域扮演着日渐重要的角色。然而实际使用显示，很多投入运行的变频电机寿命只有一到两年甚至更短，使性能优异的变频电机可靠性大大降低，而造成这种现象的原因是绝缘过早失效。

研究发现，局部放电是导致变频电机绝缘失效的主要原因，局部放电发生时，产生的带电粒子撞击绝缘，加速高分子裂解，同时放电能量的一部分转化成热能，不易散出使结缘内部温度升高引起热裂解，再加上局部放电区离子的强烈复合产生高能辐射线引起材料分解，此外，放电还可能产生臭氧和硝酸对绝缘材料造成严重的氧化和腐蚀等化学破坏，多种因素同时作用导致绝缘最终崩溃失效。

电机分为低压散绕电机(I型)和高压成型电机(II型)，II型电机运行时允许有局部放电的发生，而I型电机运行时不允许发生局部放电，一旦发生绝缘寿命便会大大缩短。国际电工委员会规定，在投入使用前必须对电机测试其局部放电起始放电电压(PDIV)和耐电晕性能，以确保I型电机不会因为发生局部放电而快速失效，II型电机在发生局部放电时绝缘寿命满足运行要求。

局部放电实验中通常利用高频电流传感器和超高频天线来采集放电信号：高频电流传感器只能检测局部放电电流的大小无法判断局部放电信号的来源，不能用于故障放电点的定位；超高频天线的信噪比高，通常用于测试体积小，结构简单的电磁线。电磁线试样放电点较少，且很集中，天线的放置地点由于不易受到试样结构的限制，具有较大的灵活性，可准确完整地采集到局部放电激发的电磁波信号。

四川大学的专利号为201520279769.1的应用于工频下的变频电机PDIV自动测试系统，用固定的天线可准确完整地采集到局放激发的电磁波信号，能够对体积小、结构简单的电机的绝缘PDIV进行自动测试。然而，大型卧式电机定子，体积庞大、长度过长，由于天线与放电点之间的距离和电磁波信号成高次反比关系，信号衰减极快，用固定在某处的天线无法完整采集到定子内所有局部放电所激发的电磁波信号，且没有计算信号发生点与天线之间距离的依据，因此单一的超高频天线也无法用于定子绝缘故障放电点的定位。

发明内容

本发明提供了一种适于卧式电机定子绝缘故障放电点的定位系统的检测方法，能够准确找出故障放电点的位置，提高了电机检修和维护的工作效率，避免资源的浪费及事故的发生。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

适于卧式电机定子绝缘故障放电点的定位系统，包括与卧式电机定子任两相绕组连接或者一端与卧式电机定子绕组连接、另一端与卧式电机外壳连接的电源模块，均安装在卧式电机定子内的智能小车和可调式天线装置，以及安装在可调式天线装置上的数据采集模块；所述可调式天线装置包括一端固定在智能小车上的第一可伸缩支架，固定在该第一可伸缩支架另一端的小型电机，一端与该小型电机转子固定连接的第二可伸缩支架，以及连接在该第二可伸缩支架另一端、用于采集卧式电机定子内部绝缘放电信号的天线；所述数据采集模块包括与天线连接的FPGA模块，与FPGA模块连接的DSP模块，以及与DSP 模块连接的数据存储器。

进一步地，所述数据采集模块固定在第二可伸缩支架上。

进一步地，所述FPGA模块通过AD接口与天线连接，DSP模块通过EMIFA 接口与FPGA模块连接。

再进一步地，所述第一可伸缩支架垂直固定在所述智能小车的重心轴上。

优选地，所述第二可伸缩支架与小型电机的转子呈90°垂直。

优选地，所述天线采用超高频平面螺旋天线。

优选地，所述小型电机采用直流无刷伺服电机。

本发明还提供了该定位系统的检测方法，包括以下步骤：

(1)调整第一可伸缩支架至小型电机中心轴线与卧式电机定子中心轴线重合，调整第二可伸缩支架至天线与卧式电机定子槽之间留有很小的空隙，记录天线的起始点坐标A(x₀，θ₀)位置，其中x₀是天线中心与电机定子最近一个端口的水平距离，θ₀是天线中心所处的圆心角，接通电源模块，随后启动伺服电机和智能小车并接通数据采集模块的电源；

(2)小型电机带动天线从最低点开始做圆周运动，捕捉局部放电信号，智能小车带动可调式天线装置在电机定子内部水平移动，直至天线完成对整个电机定子内部的“扫描”；

(3)取出数据采集模块上的扩展存储器，将数据导入计算机，如果存在连续多个点的数据值大于局部放电判定阈值，说明这些数据采集处有局部放电信号发生，即发现故障点B，则进行步骤(4)；否则，说明卧式电机定子内部正常；

(4)计算故障点坐标，其计算方法如下：

(4.1)将连续多个超阈值数据中最先被采集的超阈值数据作为故障点B 的采集数据，利用公式计算出故障点B与天线起始运动点A之间的水平距离S，其中M为故障点B之前FPGA模块采集的数据总数，f为FPGA模块的采样率，v为智能小车的固定移动速度；

(4.2)利用公式计算出从起始位置开始到故障放电点天线所转过的角度，其中ω为伺服电机的固定角速度，对任一θ，存在2π(n-1)≤θ＜2πn，n为正整数，利用公式θ₁＝θ-2π(n-1)得到故障点B与起始点的相对圆周角；

(4.3)根据(4.1)和(4.2)得到的水平距离S和相对角度θ₁，得到卧式电机定子内部故障点B的精确坐标(x，θ)，其中x＝x₀+S，θ＝θ₀+θ₁。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过可伸缩支架将天线安装在智能小车上，测试过程中，伺服电机和智能小车带动天线以稍小于定子内径的半径做圆周运动的同时缓慢在定子内水平移动，全方位扫描式捕捉局放信号，无盲点漏点，计算机通过对储存器内的采集数据进行分析，能够精确定位出故障放电点的位置，提高了电机的检修和维护的工作效率，避免资源的浪费及事故的发生。，

(2)本发明中第一可伸缩支架用于将伺服电机转子的中心轴与电机定子的中心轴线重合，确保了伺服电机转动的稳定性；通过调整第二可伸缩支架使天线与定子槽之间的孔隙尽量小，提高天线采集信号的准确性；第一可伸缩支架和第二可伸缩支架的配合，本发明的定位系统能够适用于不同型号大型卧式电机定子绝缘的局部放电信号的测量。

(3)本发明中数据采集模块安装在第二可伸缩支架上，FPGA通过AD端口采集天线的输出信号，并通过EMIFA接口打包传送给DSP，实现局部放电信号的高速采集，避免了信号传输过程中的失真。

(4)本发明采用直流无刷伺服电机其体积小，重量轻，出力大，响应快，转动平滑，易于实现智能化，且电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射小，寿命长。

(5)本发明中采用的故障点坐标计算方法，以连续多个超阈值数据中最先被采集的超阈值数据为参考，确定采集此数据之前FPGA采集的数据总数，通过FPGA模块的数据总数、采样率、智能小车的固定速度、伺服电机的固定角速度，计算出从起始位置到故障放电点的水平距离以及天线所转过的角度，计算方法中只有FPGA模块的数据总数一个变量，误差率极低，有利于对故障放电点进行精确定位。

(6)本发明可控性强、抗干扰能力强、操作简单，具有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明的整体示意图。

图2为本发明中智能小车与可调式天线装置的正面示意图。

图3为本发明中天线与数据采集模块的连接示意图。

附图中的部分零部件名称为：

1-卧式电机定子，2-电源模块，3-智能小车，4-可调式天线装置，41-第一可伸缩支架，42-小型电机，43-第二可伸缩支架，44-天线，5-数据采集模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图3所示，适于卧式电机定子绝缘故障放电点的定位系统，包括与卧式电机定子1任两相绕组连接或者一端与卧式电机定子绕组连接、另一端与卧式电机外壳连接的电源模块2，均安装在卧式电机定子1内的智能小车3和可调式天线装置4，以及安装在可调式天线装置上的数据采集模块5；所述可调式天线装置包括第一可伸缩支架41、小型电机42、第二可伸缩支架43、以及天线44，第一可伸缩支架41的一端固定在智能小车3的中心轴上，第一可伸缩支架41的另一端水平安装小型电机42，第二可伸缩支架43固定连接在小型电机 42的转子上，与转子夹角为90°，天线44安装在第二可伸缩支架43的另一端；所述数据采集模块包括FPGA模块、DSP模块、以及DSP模块；所述FPGA模块通过AD接口高速采集天线的输出信号，并通过EMIFA接口打包传送给DSP 模块，DSP接收数据并存储于连接在DSP上的外部存储器中；数据采集模块5 固定在第二可伸缩支架43上，跟随天线一起做螺旋运动。

本实施例中的硬件选择为：

电源模块向电机定子的任两相绕组或定子与电机外壳间施加重复脉冲高压或经变压器升压的工频正弦电压以模拟电机在正常运行时所受电应力。

智能小车采用430或者51智能小车，通过编写单片机MSP430或MCS51 的程序控制小车在定子内缓慢做直线运动；

小型电机：采用伺服电机，体积小，重量轻，精度高，高速性能好，抗过载能力强，加减速动态响应时间短，发热和噪音低；

天线：采用频带宽，增益大，抗干扰能力强的非频变天线，如阿基米德螺旋天线或者平面等角螺旋天线。

本发明还提供了该定位系统的检测方法，包括以下步骤：

(1)将载有可调式天线装置的智能小车放置于定子内，调整第一可伸缩支架的长度使伺服电机转子的中心轴线刚好与卧式电机定子的中心轴线重合，然后调整第二可伸缩支架的长度使天线与电机定子槽间留有很小的空隙，记录天线的起始点坐标A(x₀，θ₀)位置，接通电源模块，随后启动伺服电机和智能小车并接通数据采集模块电源；

(2)小型电机带动天线从最低点开始做圆周运动，捕捉局部放电信号，智能小车带动可调式天线装置在电机定子内部水平移动，直至天线完成对整个电机定子内部的“扫描”；

(3)取出数据采集模块上的存储器，将数据导入计算机，如果存在连续多个点的数据值大于局部放电判定阈值，说明这些数据采集处有局部放电信号发生，即发现故障点B，则进行步骤(4)；否则，说明卧式电机定子内部正常；

(4)计算故障点坐标，其计算方法如下：

(4.1)将连续多个超阈值数据中最先被采集的超阈值数据作为故障点B的采集数据，利用公式计算出故障点B与天线起始运动点A之间的水平距离S，其中M为故障点B之前FPGA模块采集的数据总数，f为FPGA模块的采样率，v为智能小车的固定移动速度；

(4.2)利用公式计算出从起始位置开始到故障放电点天线所转过的角度，其中ω为伺服电机的固定角速度，对任一θ，存在2π(n-1)≤θ＜2πn，n 为正整数，利用公式θ₁＝θ-2π(n-1)得到故障点B与起始点的相对圆周角；

(4.3)根据(4.1)和(4.2)得到的水平距离S和相对角度θ₁，得到卧式电机定子内部故障点的精确坐标(x，θ)，其中x＝x₀+S，θ＝θ₀+θ₁。

本发明设计的局部放电起始电压测试装置性能优异，通过调整天线装置中可伸缩支架的长度能够适用于不同型号的大型卧式电机定子故障放电点的定位，测试过程中天线全方位扫描捕捉局部放电信号，无盲点漏点，故障点定位精确，具有可控性强，抗干扰能力强，操作简单，适用范围广，测量结果准确等特点。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.适于卧式电机定子绝缘故障放电点的定位系统的检测方法，其特征在于，所述定位系统包括与卧式电机定子(1)任两相绕组连接或者一端与卧式电机定子绕组连接、另一端与卧式电机外壳连接的电源模块(2)，均安装在卧式电机定子(1)内的智能小车(3)和可调式天线装置，以及安装在可调式天线装置上的数据采集模块(5)；所述可调式天线装置(4)包括一端固定在智能小车(3)上的第一可伸缩支架(41)，固定在该第一可伸缩支架(41)另一端的小型电机(42)，一端与该小型电机(42)转子固定连接的第二可伸缩支架(43)，以及连接在该第二可伸缩支架(43)另一端、用于采集卧式电机定子内部绝缘放电信号的天线(44)；所述数据采集模块(5)包括与天线(44)连接的FPGA模块，与FPGA模块连接的DSP模块，以及与DSP模块连接的扩展存储器；

所述检测方法包括以下步骤：

(1)调整第一可伸缩支架至小型电机中心轴线与卧式电机定子中心轴线重合，调整第二可伸缩支架至天线与卧式电机定子槽之间留有很小的空隙，记录天线的起始点坐标A(x₀，θ₀)位置，其中x₀是天线中心与卧式电机定子最近一个端口的水平距离，θ₀是天线中心所处的圆心角，接通电源模块，随后启动伺服电机和智能小车并接通数据采集模块的电源；

(2)小型电机带动天线从最低点开始做圆周运动，捕捉局部放电信号，智能小车带动可调式天线装置在电机定子内部水平移动，直至天线完成对整个电机定子内部的“扫描”；

(3)取出数据采集模块上的扩展存储器，将数据导入计算机，如果存在连续多个点的数据值大于局部放电判定阈值，说明这些数据采集处有局部放电信号发生，即发现故障点B，则进行步骤(4)；否则，说明卧式电机定子内部正常；

(4)计算故障点坐标，其计算方法如下：

(4.1)将连续多个超阈值数据中最先被采集的超阈值数据作为故障点B的采集数据，利用公式计算出故障点B与天线起始运动点A之间的水平距离S，其中M为故障点B之前FPGA模块采集的数据总数，f为FPGA模块的采样率，v为智能小车的固定移动速度；

(4.2)利用公式计算出从起始位置开始到故障放电点天线所转过的角度，其中ω为伺服电机的固定角速度，对任一θ，存在2π(n-1)≤θ＜2πn，n为正整数，利用公式θ₁＝θ-2π(n-1)得到故障点B与起始点的相对圆周角；

(4.3)根据(4.1)和(4.2)得到的水平距离S和相对角度θ₁，得到卧式电机定子内部故障点B的精确坐标(x，θ)，其中x＝x₀+S，θ＝θ₀+θ₁。