CN106133535B - 用于检测、定位和量化在三相ac电路中的过量电压降的系统和方法 - Google Patents

用于检测、定位和量化在三相ac电路中的过量电压降的系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了用于检测和定位在三相AC电路的单相或多相中的过量电压降的系统和方法。提供了一种配电电路，其包括：可连接到AC源的输入；可连接到电机端子的输出，所述输出被配置成向电机提供三相电压和三相电流；以及诊断系统，其被配置成检测在配电电路中的过量电压降(EVD)。诊断系统包括处理器，所述处理器被编程成：接收提供给电机的三相电压和三相电流的测量；从三相电压和三相电流计算负序电压；部分地基于三相电压和三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相位角；以及基于负序电压和定位参考相位角来计算在配电电路中的EVD。

Description

用于检测、定位和量化在三相AC电路中的过量电压降的系统 和方法
技术领域
本发明一般涉及三相交流电(AC)电路，并且更特别地涉及用于检测和定位在三相AC电路的单相或多相中的过量电压降的系统和方法。
背景技术
在工业设施中，诸如发电机、AC电动机和/或变压器的电机在各种应用中使用。作为一个示例，感应电动机用于像泵送、冷却、材料运输的应用，以及其中需要具有成本效益和稳健的电动机的其它应用。配电系统结合这种应用中的电机使用，其中配电系统包括保护和控制部件，诸如断路器、接触器、起动器等。
在提供配电系统内和电机处的连接上，应认识到，保护和/或控制部件的不当连接可导致过热接触，其可导致火灾、设备损坏和过程停工及效率损失。也就是说，当电连接变得松动或具有更少导线结合力时，在分配电路中可发生过量电压降。虽然即使是好的接头/连接具有某些可接受的电压降水平(例如，在3-10mV的范围中)，但是坏的接头/连接具有在范围100-300mV中或更高的过量电压降。这种电压降可导致在连接处的异常功耗并且相应导致连接中的过热接触或热点，其可引起火灾和设备损坏。甚至在早期阶段，电压降导致能量损失直线下降，实际上例如减少电机效率和电动机寿命。
通常，不当电连接的问题通过执行像每年重新拧紧连接的预防性维护，或通过当分配电路脱机时所有电连接的定期检查，来一定程度地解决。关于电连接的检查，这种检查通常经由独立的专用感测装置执行，该专用感测装置使用声学或温度感测来检查配电系统。例如，红外(IR)扫描仪通常用于执行配电系统的周期性热检查。虽然有效，但是借助于这种IR扫描仪的配电系统的检查是可以是相当昂贵的密集(intensive)的过程。此外，借助于IR扫描仪的配电系统的检查不提供电连接的在线监视，并且被限制为视线监视。
因此，期望提供以有效和成本经济的方式来检测在分配电路中的过量电压降的系统和方法，以便识别电路中的不当电连接。同样将期望的是，这种系统和方法是非侵入性的，以使得当电路在线时可执行在分配电路中的过量电压降的检测。仍然进一步期望这种系统和方法将检测到的过量电压降定位到分配电路的一个特定相位或多个特定相位，并且量化该过量下降。
发明内容
本发明提供了用于检测在三相AC电路中的过量电压降的系统和方法。
根据本发明的一个方面，配电电路包括：可连接到AC源的输入；可连接到电机端子的输出，所述输出被配置成向电机提供三相电压和三相电流；以及诊断系统，其被配置成检测在配电电路中的过量电压降(EVD)。诊断系统包括处理器，该处理器被编程成：接收提供给电机的三相电压和三相电流的测量；从三相电压和三相电流计算负序电压；部分地基于三相电压和三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相位角；以及基于负序电压和定位参考相位角来计算在配电电路中的EVD。
根据本发明的另一方面，一种用于检测在配电电路中的过量电压降(EVD)的方法包括：借助于电压和电流传感器测量提供给在配电电路中的电机的三相电压和三相电流；并且基于测量的三相电压和三相电流，使诊断系统计算故障严重度指数(FSI)，其中使诊断系统计算FSI进一步包括：接收提供给电机的端子的所测量的三相电压和三相电流；从三相电压计算正序电压、负序电压和零序电压以及正序电流、负序电流和零序电流；从负序电压分量确定补偿的负序电压；部分地基于三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相位角；以及基于补偿的负序电压和定位参考相位角，计算在配电电路中的故障严重度指数(FSI)。
根据本发明的再一方面，提供了被配置成检测在配电电路中的过量电压降(EVD)故障的诊断系统。诊断系统包括处理器，其被编程成：接收提供给连接到配电电路的电机端子的三相电压和三相电流；从三相电压和三相电流计算正序电压、负序电压和零序电压以及正序电流、负序电流和零序电流；从负序电压分量确定补偿的负序电压；部分地基于三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相量；基于补偿的负序电压，识别在配电电路中的EVD故障；以及基于在补偿的负序电压的相位角和定位参考相量之间的差来将EVD故障定位到在三相输出中的一个或多个相位。
本发明的各种其它特征和优点从下面的详细描述和附图中显而易见。
附图说明
附图示出目前预期用于实现本发明的优选实施例。
在附图中：
图1是用于与本发明的实施例一起使用的三相配电电路的示意图。
图2是根据本发明的实施例的三角形连接电动机和在其中的EVD故障的示意图。
图3是根据本发明的实施例的星形连接电动机和在其中的EVD故障的示意图。
图4是示出根据本发明的实施例用于检测三相AC电路的过量电压降的技术的流程图。
图5是示出根据本发明的实施例的定位参考相位角相量的相量图。
图6是示出根据本发明的实施例用于定位EVD到三相AC电路中的一个或多个相位的图4中的步骤66的子步骤的流程图。
图7-9是分别示出三相AC电路的相位A、B和C中的EVD的相量图。
图10是示出在三相AC电路的一个以上相位中的EVD的相量图。
具体实施方式
在此阐述的本发明的实施例涉及用于检测和定位在三相AC电路的单相或多相中的过量电压降的系统和方法。
参考图1，根据本发明的实施例示出了三相配电电路10(或“电动机电路”)。配电电路10连接在三相AC输入12a至12c与诸如AC电机的负载14之间，以提供对电机的保护，并且调节来自三相AC输入12a至12c用于递送到电机的功率。根据本发明的一个实施例，电机14是以感应电动机14的形式，并因此在图1中此后称为感应电动机14。然而，应当认识到，电机14同样可以是例如发电机或变压器，或者可能由三相电力驱动并且用于工业设置的任何其它负载。
配电电路10包括输入16，其可连接至三相AC输入12a至12c以从其中接收电力。配电电路10同样包括三相输出18，其可连接到感应电动机的电动机端子20，以向感应电动机14提供三相电压和三相电流。根据一个实施例，例如，输出18可以连接到在配电电路10的接线盒22处的电动机端子20。
如在图1中进一步示出，多个电路部件被包括在位于输入16和输出18之间的配电电路10中，其中电路部件提供免受电压和电流的保护，并且对电压和电流进行控制，所述电压和电流从三相AC输入12a-12c提供，用于递送到感应电动机14。多个这种保护和控制部件在图1中示出，但应当认识到，其它部件同样/替代地包括在根据本发明的实施例的配电电路10中。在图1中所示的配电电路10的实施例中，将电动机控制中心(MCC)24示为包括在电路中。电动机控制中心24可以包括具有共同的电力总线并包含多个电动机控制单元(诸如多个电动机起动器)的一个或多个封闭部分的组件。电动机控制中心24同样可以包括变频驱动器、可编程控制器以及计量仪(metering)。与电动机控制中心24的操作相关联的是保护电动机14、提供短路保护和/或隔离电动机电路的多个保护部件/装置。例如，熔断器26和接触器28设置在配电电路10中，诸如在本地电气面板30中，以提供对感应电动机14的短路保护和控制。断路器32和断开开关34同样设置为提供配电电路10的短路保护和隔离。
应认识到，在图1中所示的配电电路10只是说明可以与本发明的实施例相关联的电动机配电电路，并且根据本发明的实施例可代替地提供各种配置和布置的三相AC电路。
关于图1中所示的配电电路10，通常引用为36的多个电连接在电路中将在其中的部件24、26、28、32、34彼此连接并且连接到感应电动机14。在进行这种连接上，应当认识到保护和/或控制部件的不当连接可导致过热接触，其可导致火灾、设备损坏和过程停工以及效率损失。也就是说，当电气连接36变得松动或具有较少的电线结合力时，过量电压降(EVD)可在电动机电路中发生，其中这种电压降导致在连接处的异常功耗，并且相应地导致在连接中的过热接触或热点，其可引起火灾和设备损坏，能量损失直线下降，电动机效率损耗，以及电动机寿命降低。
相应地，根据本发明的实施例，诊断系统40被包括在配电电路10中以检测在配电电路10中的EVD故障。诊断系统40接收关于提供给感应电动机14的三相电压和三相电流的输入。根据示例性实施例，诊断系统40接收从集成到在MCC 24中的电动机起动器中的电压和电流传感器获取的电压和电流测量；然而，应认识到，单独的专用电压和电流传感器可以包括在配电电路10中以获取电压和电流数据，并将其提供给诊断系统40。如在图1中所示，在诊断系统40中的处理器42接收测量的三相电压和三相电流，并且被编程成分析数据以识别在配电电路10中的EVD故障。在识别配电电路10中的EVD故障上，处理器42计算故障严重程度指数(FSI)，该故障严重程度指数具有作为在坏接头处的EVD的量的指示的幅度，以及指示具有坏接头和在其中的EVD的相位的角度。
虽然诊断系统40在图1中示为以独立的产品/装置的形式，但是应认识到，这种系统可以并入包括在配电电路10中的保护和控制部件中。也就是说，具有能够检测在配电电路10中的EVD故障的在其上的程序/算法的处理器42可驻留在现有起动器、继电器、驱动器、断路器、电动机控制中心和/或在配电电路10中的其它电动机控制或保护产品中。诊断系统40可以由此从分配电路的位置或远离分配电路的位置处提供配电电路10的在线监视。
此外，虽然下面关于被编程成执行识别在配电电路10中的EVD故障的技术的诊断系统40的处理器42在此描述本发明的实施例，但是应认识到，术语如在此使用的“处理器”不必是可编程装置。也就是说，要理解的是，如下面所描述的处理器42(和由此所执行的步骤)同样涵盖了执行相同任务的等效的硬件和计算装置。
在使用电源电压和电流来检测在三相电动机电路中的EVD的存在上，应认识到，EVD导致在电动机端子处的电压不平衡或不对称，这反过来导致在电路中的电流不平衡或不对称电流的流动。作为经验法则，在电源上的1％的电压不平衡可导致电动机电流上的6-10％的不平衡，以使得即使在100-300mV范围中的小电压降可导致引起其检测的明显的电流不平衡。这种电流不平衡的放大是由于电动机电路的负序阻抗的低值，并且应当认识到，随着电动机的大小增加，并且随着负序阻抗降低，该放大变得更强。
根据本发明的实施例，为了检测在三相电动机电路中的EVD的存在的目的，随着它由于故障或已经不均衡而变得不平衡，将对称分量的方法用来简化电动机电路的分析。非对称/非平衡相量(电压和电流)表示为三对称组的平衡相量，第一组具有与所研究的系统相同的相位序列(正序，例如，ABC)，第二组具有相反的相位序列(负序，例如，ACB)，以及在第三组中，相量A、B和C彼此同相(零序)。从本质上讲，该方法将三个不平衡相位转换成三个独立源，这使得不对称故障分析更容易处理。使用电压和电流的序列相量，计算故障严重度指数(FSI)，其幅度是在坏接头处的EVD的量的指示，并且其角度指示其具有坏接头的一个相位或多个相位。
本发明的实施例提供用于检测在三角形连接的电动机电路或星形连接的电动机电路的三相电动机电路中的EVD的存在。在图2中提供了三角形连接的电动机电路44的说明。在图2中，供电线路电压Va、Vb、Vc被示为在电动机处存在的电动机端子VaM、VbM、VcM处的相位电压，其中存在的电动机端子电压部分地由在一个或多个相位上的电动机电路44中存在的任何电压降(EVD)确定，其被指示为VEVDa、VEVDb、VEVDc。在图3中，提供了星形连接的电动机电路46的说明。在图3中，供电电压Va、Vb、Vc被示为在电动机处存在的电动机端子VaM、VbM、VcM处的相位电压，其中存在的电动机端子电压部分地由在一个或多个相位上的电动机电路46中存在的任何过量电压降(EVD)确定，其被指示为VEVDa、VEVDb、VEVDc。
现在参考图4，并继续参考图1-3，根据本发明的实施例示出了技术50，其由诊断系统40的处理器42实施，以识别在三角形或星形连接的配电(电动机)电路10中的EVD故障的存在。首先技术50(和包括在其中的步骤)的执行在下面关于如在图2中的三角形连接的电动机来描述，并且稍后将关于如在图3中的星形连接的电动机来描述。
在技术50的第一步骤中，在步骤52处，由处理器42接收三相电流和电压测量。根据示例性实施例，例如，处理器42接收如在MCC中测量的三相电力数据(电流和电压数据)，其中来自MCC 24的电压和电流随后提供给电机14(诸如感应电动机)的端子20。在接收到三相电流和电压测量时，处理器42然后根据已知的技术/方法，在步骤54处提取三相电力的基波分量(电流和电压的基波分量)。步骤54以虚线(phantom)在图4中示出，因为它认识到基波分量的确定对于执行技术50是可选的，因为检测、定位和量化在配电电路10中的EVD故障可以在没有基波分量的情况下执行。然而，应认识到，如下面在此描述的，EVD故障的最准确分析经由基波分量的确定和使用来实现。
如在图4中所示，在步骤56处，技术50继续基本电源电压和电流的序分量的计算，其中电压的序分量被识别为V1,2,0并且电流的序分量被识别为I1,2,0，其中正序、负序和零序分量分别由1、2和0识别。关于确定电压序分量，应认识到，基尔霍夫电压定律(KVL)可以应用于连接的电动机电路，以根据如下的方程形式描述在电源线路电压、在电动机端子处的相电压以及EVD之间的关系，方程如下：
其中，VaM、VbM、VcM是电动机端子处的相位电压，Va、Vb、Vc是电源线路电压，并且如VEVDa、VEVDb、VEVDc是分别表示EVD的相位A、B、C中的电压降。
可通过将变换T施加到方程1来获得正序分量电压、负序分量电压和零序分量电压。根据一个实施例，序列变换T用于产生：
根据一个实施例，变换T根据如下来定义：
其中，(即，在120度的角度处的单位向量)。
考虑在每一个相位中的线路电压降是相等的(即没有电动机/电动机端子看到附加的不平衡)，则方程2可重写为：
其中由于电源不平衡，V0M、V1M和V2M是在电动机端子处的零序电压、正序电压和负序电压，并且V0、V1和V2是零序电压、正序电压和负序电压。
方程3然后可根据如下重写：
重新排列负序方程以隔离在电动机端子处的负序电压V2M，产生：
重新排列方程5，产生：
(1-a)*VEVDa+(a2-1)*VEVDb+(a-a2)*VEVDc＝3*(V2-V2M) [方程6]
使用在配电电路10中的阻抗值，连同负序电流和正序电流，可估计在电动机端子处的负序电压V2M。更具体地，
V2M＝Z21*I1+Z22*I2 [方程7]
其中Z22是电动机的负序阻抗，Z21是在负序电压和正序电流之间的耦合阻抗，I1是正序电流，并且I2是负序电流。
因此，为了估计在电动机端子处的负序电压V2M，在步骤58处，技术50接下来估计负序阻抗Z22以及在负序电压和正序电流之间的耦合阻抗Z21。在估计阻抗Z22和Z21中，假设当在配电电路10中的所有连接都正确时(即，不存在由于不当连接导致的EVD故障)，电机在健康的条件下操作。假设最初，不存在在下游路径中的EVD故障，并且从感测点到电动机端子的线路电压降对于每一个相位是类似的，则负序电压等于在电动机端子处的负序电压(即，V2＝V2M)。因此，在初始化期间，假设电动机下游路径上不存在EVD故障，使用非线性递归拟合可估计阻抗参数Z21和Z22。
在估计阻抗参数Z21和Z22时，可以实施方程7以确定在电动机端子处的负序电压V2M。在确定电动机端子的负序电压V2M时，技术50在步骤60处继续确定仅由于EVD导致的负序电压V2EVD，即“补偿的负序电压”。补偿的负序电压V2EVD可以根据如下确定：
V2EVD＝V2-V2M [方程8]
通过将方程8代入成方程6，方程6可以根据如下重写：
(1-a)*VEVDa+(a2-1)*VEVDb+(a-a2)*VEVDc)＝3*V2EVD [方程9]
其中
并且
上述的EVD特征方程(方程9)可用于导出量化和定位在三角形连接的电动机的单相或多相中的EVD故障的条件和关系。
仍参考图4，在步骤61处，技术50继续确定补偿的负序电压V2EVD的幅度是否大于阈值电压电平，以便能够确定补偿的负序电压是否构成指示在配电10中的高电阻连接故障的EVD。应当认识到，可取决于引发警报的严重度来设定阈值电压电平，并且因此，阈值可以是在程序中的预定义值，或可以从用户设置或使用用户输入来确定。根据示例性实施例，电压阈值设定在100mV处，以使得大于100mV的电压降归类为EVD，然而应认识到，阈值可以是更高或更低的值。如果如在62处所示，在步骤61处确定补偿的负序电压V2EVD小于阈值电压，则如在步骤63处所指示，确定系统中不存在EVD。该技术然后返回到步骤52，由处理器42接收附加的三相电流和电压测量，以使得继续监视EVD。
相反，如在64处所指示，如果在步骤61处确定补偿的负序电压V2EVD的幅度大于阈值电压，则在步骤65处该技术继续计算用于每一个相位的定位参考相位角。根据示例性实施例，无论是在线路中或在相位中，通过使用流过每一个相应相位的基波电流的相位角，部分地导出在步骤65处计算的定位参考相位角。因此，对于A相位，定位参考相位角可根据下面任一项来描述：
其中和是分别流过在线路和相位中的相位A的电流的基波分量的角。
对于相位B，定位参考相位角可根据下面任一项描述：
其中和是分别流过在线路和相位中的相位B的电流的基波分量的角。
对于相位C，定位参考相位角可根据下面任一项描述：
其中和是分别流过在线路和相位中的相位C的电流的基波分量的角。
在图5中提供了在步骤65处计算的定位参考相位角的示图。如在其中可看到的，每一个定位参考相位角是故障参考电流相量63。故障参考电流相量63间隔开120度，其中每一个相量的精确角度取决于是否测量出/确定了在线路或相位中流动的电流。
在步骤65处确定定位参考相位角时，EVD的定位和量化接下来在步骤66处执行。根据本发明的实施例，在步骤66处的定位和量化可以经由FSI的计算和分析来执行，其中FSI是如下相量，该相量具有是EVD的量的指示的幅度以及指示EVD存在于其上的一个相位或多个相位的角。关于FSI相量的幅度，如在方程8中所描述，EVD的量从补偿的负序电压V2EVD导出，其中如在方程9中所描述，补偿的负序电压由相位分解。关于FSI相量的角，通过将补偿的负序电压的相位角与用于每一个相位的定位参考相位角比较，确定EVD归属到(即EVD的定位)的一个相位或多个相位。
现在参考图6，在步骤66处执行的将EVD定位到配电电路中的一个或多个相位进一步以一系列子步骤示出。在第一步骤中，将补偿的负序电压的相位角与用于配电电路的每一个相位的定位参考相位角比较，如在步骤67处所示。在步骤68处，然后确定补偿的负序电压的相位角是否处于定位参考相位角中的任何一个定位参考相位角的预定角度范围内。根据示例性实施例，在步骤68处确定关于补偿的负序电压的角是否处于任何定位参考相位角的15度内，即从每一个定位参考相位角正或负15度的角度范围。应认识到，在补偿的负序电压的相位角与定位参考相位角之间的预定差不必处于15度内，因为可以替代地选择不同的角度范围。
如在70处所指示的，如果在步骤68处确定补偿的负序电压的相位角处于定位参考相位角中的任何一个定位参考相位角的预定的角度范围内，则技术在步骤72处继续将EVD故障定位到与定位参考相位角对应的特定相位，补偿的负序电压到该特定相位的角度处于预定角度范围内。在相位A、B和C中的每一个相位上发生的EVD故障的示例以及借助于方程9的其描述下面在此阐述，用于说明的目的。
在其中EVD存在于相位A中的事件中，即则在相位B和C中的EVD被赋值为VEVDb＝0和VEVDc＝0，以使得方程9变为：
(1-a)*VEVDa＝3*|V2EVD| [方程10]
因为正在求解EVD故障的幅度，所以项(1-a)可从方程10去除，以使得在相位A中的EVD故障根据如下计算：
在图7中提供了FSI相量74的说明，其具有指示EVD的量的幅度和指示EVD在相位A中的角。如在其中所示，FSI相量74具有如下角度，该角度处于用于相位A的定位参考相位角的+/-15度的预定范围内。
在其中EVD存在于相位B中的事件中，即则在相位A和C中的EVD被赋值为VEVDa＝0和VEVDc＝0，以使得方程9变为：
((a2-1)*VEVDb)＝3*V2EVD [方程11]
因为正在求解EVD故障的幅度，所以项(a2-1)可从方程11去除，以使得在相位B中的EVD故障根据如下计算：
在图8中提供了FSI相量76的说明，其具有指示EVD的量的幅度和指示EVD在相位B中的角。如在其中所示，FSI相量76具有如下角度，该角度处于用于相位B的定位参考相位角的+/-15度的预定范围内。
在其中EVD存在于相位C中的事件中，即则在相位A和B中的EVD被赋值为VEVDa＝0和VEVDb＝0，以使得方程9变为：
((a-a2)*VEVDc)＝3*V2EVD [方程12]
因为正在求解EVD故障的幅度，所以项(a-a2)可从方程12去除，以使得在相位C中的EVD故障根据如下计算：
在图9中提供了FSI相量78的说明，其具有指示EVD的量的幅度和指示EVD在相位C中的角。如在其中所示，FSI相量78具有如下角度，该角度处于用于相位C的定位参考相位角的+/-15度的预定范围内。
现在再次参考图6，如在80处所示，如果替代地在步骤68处确定补偿的负序电压的相位角不处于定位参考相位角中的任何一个定位参考相位角的预定角度范围内，则该技术在步骤82处继续将FSI(和EVD)定位到配电系统10的一个以上的相位。在将EVD定位到一个以上的相位上，FSI沿着多个轴分解，以量化EVD已经被定位到的相位中的每一个相位中的EVD的量。也就是说，FSI的幅度被分配到在两个或更多个相位之间，以确定相位中的每一个相位中的EVD的量。在相位A、B和C的不同组合中发生的EVD故障的示例以及借助于方程9的其描述下面在此阐述，用于说明的目的。
在其中EVD存在于相位A和B中的事件中，即则在相位C中的EVD被赋值为VEVDc＝0，以使得方程9变为：
((1-a)*VEVDa+(a2-1)*VEVDb)＝3*V2EVD [方程13]
在方程13中，重写在复数域中的VEVDa和VEVDb给出：
并且将这些值代入到方程13中导致：
比较方程14的实数和虚数部分产生：
当求解其的时候提供：
方程15因此使FSI能够沿着多轴(相位A和B)分解，以量化EVD已经被定位到的相位中的每一个相位中的EVD的量。
在其中EVD存在于相位B和C中的事件中，即则在相位A中的EVD被赋值为VEVDa＝0，以使得方程9变为：
((a2-1)*VEVDb+(a-a)*VEVDc)＝3*V2EVD [方程16]
与上述类似，VEVDb和VEVDc可在复数域中重写并且代回到方程16中，其中实数和虚数部分被比较和求解以提供：
方程17因此使FSI能够沿着多轴(相位B和C)分解，以量化EVD已经被定位到的相位中的每一个相位中的EVD的量。
在其中EVD存在于相位A和C中的事件中，即则在相位B中的EVD被赋值为VEVDb＝0，以使得方程9变为：
((1-a)*VEVDa+(a-a2)*VEVDc)＝3*V2EVD [方程18]
与上述类似，VEVDa和VEVDc可在复数域中重写并且代回到方程18中，其中实数和虚数部分被比较和求解以提供：
方程19因此使FSI能够沿着多轴(相位C和A)分解，以量化EVD已经被定位到的相位中的每一个相位中的EVD的量。
在图10中提供了存在于配电系统10的一个以上的相位上的FSI相量的示例，所示的示例示出存在于配电电路的相位A和B上的FSI相量84。FSI相量84的幅度指示EVD的量，其中FSI相量84的特定角被分解以量化在相位A和B中的每一个相位中的EVD的量。
如前面所指示的，在图4中示出的技术50可以对于如在图3中的星形连接的电动机电路46执行。因此，现在此特别关于FSI的确定以及在星形连接的电动机中的伴随EVD故障，再次描述图4的技术50。技术50通过在步骤52处接收三相电流和电压测量并且在步骤54处提取三相电流和电压的基波分量来开始。技术50在步骤56处继续计算基本电源电压和电流的序分量，电压的序分量被识别为V1,2,0，并且电流的序分量被识别为I1,2,0，其中正序、负序和零序分量分别由1，2和0识别。关于确定电压序分量，应认识到，基尔霍夫电压定律(KVL)可以应用于连接的电动机电路，以根据如下的方程形式描述在电源线路电压、在电动机端子处的相电压以及EVD之间的关系，方程如下：
其中，VaM、VbM、VcM是电动机端子处的相位电压，Va、Vb、Vc是电源线路电压，并且如VEVDa、VEVDb、VEVDc是分别表示EVD的相位A、B、C中的电压降。方程20与方程1(对于三角形连接的电动机)不同，因为分析相位电压而不是线路电压。
可通过将变换T施加到方程20来获得正序分量电压、负序分量电压和零序分量电压。根据一个实施例，序列变换T用于产生：
根据一个实施例，变换T根据如下定义：
其中(即，在120度的角度处的单位向量)。
考虑到在每一个相位中的线路电压降是相等的(即，没有电动机/电动机端子看到附加的不平衡)，则等式21可以重写为：
其中由于电源不平衡，V0M、V1M和V2M是在电动机端子处的零序电压、正序电压和负序电压，并且V0、V1和V2是零序电压、正序电压和负序电压。
方程22然后可根据如下重写：
重新排列负序方程以隔离在电动机端子处的负序电压V2M，产生：
重新排列方程24，产生：
VEVDa+a2VEVDb+aVEVDc＝3*(V2-V2M) [方程25]
如前面所述，使用在配电电路10中的阻抗值，可估计在电动机端子处的负序电压V2M。因此，在步骤58处，估计负序阻抗Z22以及在负序电压和正序电流之间的耦合阻抗Z21，并且在估计阻抗参数Z21和Z22时，确定在电动机端子处的负序电压V2M。
在确定电动机端子处的负序电压V2M时，技术50在步骤60处继续确定补偿的负序电压(即仅由于EVD导致的负序电压)V2EVD。补偿的负序电压V2EVD可以代入方程25以产生：
VEVDa+a2VEVDb+aVEVDc＝3*V2EVD [方程26]
上述的EVD特征方程(方程26)可用于导出量化和定位在星形连接的电动机的单相或多相中的EVD故障的条件和关系。
仍参考图4，在步骤65处，技术50继续计算用于每一个相位的定位参考相位角。根据示例性实施例，通过使用流过每一个相应相位的线路电流的基波分量的角，部分地导出在步骤65处计算的定位参考相位角。因此，对于相位A，定位参考相位角可根据如下描述：
其中是流过相位A的线路电流的基波分量的角。
对于相位B，定位参考相位角可根据如下描述：
其中是流过相位B的线路电流的基波分量的角。
对于相位C，定位参考相位角可根据如下描述：
其中是流过相位C的线路电流的基波分量的角。
在图5中提供了在步骤65处计算的相应定位参考相位角的示图。如在其中可看到的，每一个定位参考相位角是故障参考电流相量63，其中相量间隔开120度。
在步骤65处确定定位参考相位角时，接下来在步骤66处执行EVD的计算。在步骤66处的EVD的计算可替代地描述为FSI的计算，其中FSI是如下相量，该相量具有是EVD的量的指示的幅度以及指示EVD存在于其上的一个相位或多个相位的角。如在方程8中所描述，关于FSI相量的幅度，EVD的量从补偿的负序电压V2EVD导出，其中如在方程26中所描述，补偿的负序电压由相位分解。关于FSI相量的角，通过将补偿的负序电压的相位角与用于每一个相位的定位参考相位角比较，确定EVD归属到(即EVD的定位)的一个相位或多个相位。
如在图6中所示，将EVD定位到在配电电路中的一个或多个相位开始于将补偿的负序电压的相位角与用于配电电路的每一个相位的定位参考相位角比较，如在步骤67处所示。在步骤68处，然后确定补偿的负序电压的相位角是否处于定位参考相位角中的任何一个定位参考相位角的预定角度范围内(例如定位参考相位角中的任何定位参考相位角的+/-15度)。
如在70处所指示的，如果在步骤68处确定补偿的负序电压的相位角处于定位参考相位角中的任何一个定位参考相位角的预定的角度范围内，则技术在步骤72处继续将EVD故障定位到与定位参考相位角对应的特定相位，补偿的负序电压到该特定相位的角度处于预定角度范围内。在相位A、B和C中的每一个相位上发生的EVD故障的示例以及借助于方程26的其描述下面在此阐述，用于说明的目的。
在其中EVD存在于相位A中的事件中，即则在相位B和C中的EVD被赋值为VEVDb＝0和VEVDc＝0，以使得方程26变为：
VEVDa＝3*V2EVD [方程27]
因为正在求解EVD故障的幅度，所以在相位C中的EVD故障根据如下计算：
|VEVDa|＝3*|V2EVD|
在其中EVD存在于相位B中的事件中，即则在相位A和C中的EVD被赋值为VEVDa＝0和VEVDc＝0，以使得方程26变为：
a2VEVDb＝3*V2EVD [方程28]
因为正在求解EVD故障的幅度，所以项a2可从方程28去除，以使得在相位B中的EVD故障根据如下计算：
|VEVDb|＝3*|V2EVD|
在其中EVD存在于相位C中的事件中，即则在相位A和B中的EVD被赋值为VEVDa＝0和VEVDb＝0，以使得方程26变为：
aVEVDc＝3*V2EVD [方程29]
因为正在求解EVD故障的幅度，所以项a可从方程29去除，以使得在相位C中的EVD故障根据如下计算：
|VEVDc|＝3*|V2EVD|
在图7-9中提供了FSI相量的说明，其指示EVD在相位A、B或C中。如在其中所示，FSI相量74、76、78中的每一个相量具有如下角度，该角度处于用于相位A、B或C中的相应一个相位的定位参考相位角的+/-15度的预定范围内。
现在再次参考图6，如在80处所示，如果替代地在步骤68处确定补偿的负序电压的相位角不处于定位参考相位角中的任何一个定位参考相位角的预定角度范围内，则该技术在步骤82处继续将FSI(和EVD)定位到配电系统10的一个以上的相位。在将EVD定位到一个以上的相位上，FSI沿着多个轴分解，以量化EVD已经被定位到的相位中的每一个相位中的EVD的量。也就是说，FSI的幅度在被分配到两个或更多个相位之间，以确定相位中的每一个相位中的EVD的量。在相位A、B和C的不同组合中发生的EVD故障的示例以及借助于方程26的其描述下面在此阐述，用于说明的目的。
在其中EVD存在于相位A和B中的事件中，即则在相位C中的EVD被赋值为VEVDc＝0，以使得方程26变为：
VEVDa+a2VEVDb＝3*V2EVD [方程30]
在复数域中重写方程30，并且对于实数和虚数部分求解产生：
方程31因此使FSI能够沿着多轴(相位A和B)分解，以量化EVD已经被定位到的相位中的每一个相位中的EVD的量。
在其中EVD存在于相位B和C中的事件中，即则在相位A中的EVD被赋值为VEVDa＝0，以使得方程26变为：
a2VEVDb+aVEVDc＝3*V2EVD [方程32]
在复数域中重写方程32，并且对于实数和虚数部分求解产生：
方程33因此使FSI能够沿着多轴(相位B和C)分解，以量化EVD已经被定位到的相位中的每一个相位中的EVD的量。
在其中EVD存在于相位A和C中的事件中，即则在相位B中的EVD被赋值为VEVDb＝0，以使得方程26变为：
VEVDa+aVEVDc＝3*V2EVD [方程34]
在复数域中重写方程34，并且对于实数和虚数部分求解产生：
方程35因此使FSI能够沿着多轴(相位C和A)分解，以量化EVD已经被定位到的相位中的每一个相位中的EVD的量。
在图10中提供了存在于配电系统10的一个以上的相位上的FSI相量的示例，所示的示例示出存在于配电电路的相位A和B上的FSI相量84。FSI相量的幅度指示EVD的量，其中FSI相量84的特定角被分解以量化在相位A和B中的每一个相位中的EVD的量。
虽然阐述了其中EVD被定位到一个或两个相位的示例，但是应认识到，EVD可被定位到分配电路的所有三个相位。在其中三个相位中的每一个相位中的EVD严重变化的情况下，方程9(用于三角形连接的电动机)和方程26(用于星形连接的电动机)可用于量化在每一个相位中的EVD，即可分析负序电压。在其中所有三个相位中存在完全相等(或大致相等)的EVD的情况下，通过使用根据如下的分别对于三角形和星形连接的电动机的正序方程可定位和量化在每一个相位中的EVD：
(1-a2)*VEVDa+(a-1)*VEVDb+(a2-a)*VEVDc)＝3*(V1-VLM) [方程36]
以及
VEVDa+aVEVDb+a2VEVDc＝3*(V1-V1M) [方程37]
在每一种情况下，在电动机端子处的正序电压V1M可根据如下确定：
V1M＝Z11*I1+Z12*I2 [方程38]
其中Z11是电动机的正序阻抗，Z12是在正序电压和负序电流之间的耦合阻抗，I1是正序电流，并且I2是负序电流。
有利地，本发明的实施例因此提供了用于通过使用电动机的三相电压和三相电流来检测、定位并量化在三相AC电动机电路中的EVD故障的系统和方法。由于在三相电动机电路中的EVD导致在电动机端子处的电压不平衡以及随之而来的电流不平衡，所以可经由测量的三相电压和三相电流的分析和处理来检测EVD故障。作为经验法则，在电源上1％的电压不平衡可导致电动机电流上6-10％的不平衡，并且因此在40-300mV的范围中的甚至很小的电压降可导致引起电压降的检测的明显的电流不平衡，伴随导致像电源不平衡、电动机故障和电动机固有不平衡的噪声因素的效果，以使得可准确诊断EVD故障。根据本发明的实施例，在单相、两相或所有三相中可定位和量化检测到的EVD故障。EVD故障的这种检测和配电电路的在线监视一般可从分配电路处的位置或在远离分配电路的位置处执行。
用于所公开方法和设备的技术贡献在于，其提供了用于检测、定位和量化在三相AC电动机电路中的过量电压降的处理器实施的技术。
因此，根据本发明的一个实施例，配电电路包括：可连接到AC源的输入；可连接到电机端子的输出，所述输出被配置成向电机提供三相电压和三相电流；以及诊断系统，其被配置成检测在配电电路中的过量电压降(EVD)。诊断系统包括处理器，该处理器被编程成：接收提供给电机的三相电压和三相电流的测量；从三相电压和三相电流计算负序电压；部分地基于三相电压和三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相位角；以及基于负序电压和定位参考相位角来计算在配电电路中的EVD。
根据本发明的另一个实施例，一种用于检测在配电电路中的过量电压降(EVD)的方法包括：借助于电压和电流传感器测量提供给在配电电路中的电机的三相电压和三相电流；并且基于测量的三相电压和三相电流，使诊断系统计算故障严重度指数(FSI)，其中使诊断系统计算FSI进一步包括：接收提供给电机的端子的测量的三相电压和三相电流；从三相电压计算正序电压、负序电压和零序电压以及正序电流、负序电流和零序电流；从负序电压分量确定补偿的负序电压；部分地基于三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相位角；以及基于补偿的负序电压和定位参考相位角，计算在配电电路中的故障严重度指数(FSI)。
根据本发明的再一方面，提供了被配置成检测在配电电路中的过量电压降(EVD)故障的诊断系统。诊断系统包括处理器，其被编程成：接收提供给连接到配电电路的电机端子的三相电压和三相电流；从三相电压和三相电流计算正序电压、负序电压和零序电压以及正序电流、负序电流和零序电流；从负序电压分量确定补偿的负序电压；部分地基于三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相量；基于补偿的负序电压，识别在配电电路中的EVD故障；以及基于在补偿的负序电压的相位角和定位参考相量之间的差来将EVD故障定位到在三相输出中的一个或多个相位。
本发明已依照优选实施例进行了描述，并且应认识到，除了那些明确陈述之外，等价、替换和变型是可能的并且在所附权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种配电电路，所述配电电路包括：
输入，其可连接到AC源；
输出，其可连接到电机的端子，所述输出被配置成向所述电机提供三相电压和三相电流；以及
诊断系统，其被配置成检测在所述配电电路中的过量电压降EVD，所述诊断系统包括处理器，所述处理器被编程成：
接收提供给所述电机的所述三相电压和三相电流；
从所述三相电压和三相电流计算负序电压；
部分地基于所述三相电压和三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相位角；以及
基于所述负序电压和所述定位参考相位角来计算在所述配电电路中的EVD。
2.根据权利要求1所述的配电电路，其中所述EVD包括指示在所述配电电路中的EVD的量的幅度，以及指示在所述配电电路中存在所述EVD的一个相位或多个相位的角度。
3.根据权利要求1所述的配电电路，其中所述处理器进一步被编程成基于所述负序电压和电机端子负序电压来估计补偿的负序电压。
4.根据权利要求3所述的配电电路，其中所述处理器进一步被编程成：
将所述补偿的负序电压与电压阈值比较；以及
如果所述补偿的负序电压大于所述电压阈值，则将所述补偿的负序电压识别为所述配电电路中的EVD；
否则，确定在所述配电电路中不存在EVD。
5.根据权利要求3所述的配电电路，其中所述电机包括三角形连接的电机，以及其中所述处理器进一步被编程成根据如下来计算所述EVD：
((1-a)*VEVDa+(a2-1)*VEVDb+(a-a2)*VEVDc)＝3*V2EVD
其中，VEVDa、VEVDb、VEVDc是分别表示EVD的在相位A、B、C中的电压降，并且V2EVD是所述补偿的负序电压。
6.根据权利要求3所述的配电电路，其中所述电机包括星形连接的电机，以及其中所述处理器进一步被编程成根据如下来计算所述EVD：
VEVDa+a2VEVDb+aVEVDc＝3*V2EVD
其中VEVDa、VEVDb、VEVDc是分别表示EVD的在相位A、B、C中的电压降，并且V2EVD是所述补偿的负序电压。
7.根据权利要求3所述的配电电路，其中所述处理器进一步被编程成将所述EVD定位到在所述三相输出中的一个或多个相位，其中定位所述EVD包括：
确定所述补偿的负序电压的相位角；
将所述补偿的负序电压的所述相位角与用于每一个相位的所述定位参考相位角比较；以及
如果在所述补偿的负序电压的所述相位角与所述定位参考相位角中的一个定位参考相位角之间的差处于预定角度范围内，则将所述EVD故障定位到所述相位中的一个相位。
8.根据权利要求7所述的配电电路，其中如果在所述补偿的负序电压的所述相位角与所述定位参考相位角中的一个定位参考相位角之间的差没有处于预定角度范围内，则所述处理器进一步被编程成：
将所述EVD定位到一个以上的相位；以及
量化在所述EVD已经被定位到的所述一个以上的相位中的每一个相位中的EVD的量。
9.根据权利要求7所述的配电电路，其中所述预定角度范围是正或负15度。
10.根据权利要求1所述的配电电路，其中所述处理器进一步被编程成确定提供给所述电机的所述三相电压和三相电流的基波分量，以及其中所述负序电压和所述定位参考相位角从所述基波分量确定。
11.根据权利要求1所述的配电电路，进一步包括被配置成控制到所述输出的所述三相电压和三相电流的位于所述输入和所述输出之间的一个或多个电路部件，其中所述一个或多个电路部件包括断路器、接触器、熔断器、断开开关、电机控制中心、软起动器或电机驱动器中的至少一个；以及
其中在所述诊断系统中的所述处理器接收由传感器获取的三相电压和三相电流数据，所述传感器集成到所述电机控制中心、所述软起动器、继电器、断路器或所述电机驱动器中的一个中。
12.一种用于检测在配电电路中的过量电压降EVD的方法，所述方法包括：
借助于电压传感器和电流传感器测量提供给在所述配电电路中的电机的三相电压和三相电流；
基于所述测量的三相电压和三相电流，使诊断系统计算故障严重度指数FSI，其中使所述诊断系统计算所述FSI包括：
接收提供给所述电机的端子的所述测量的三相电压和三相电流；
从所述三相电压和三相电流计算正序电压、负序电压和零序电压以及正序电流、负序电流和零序电流；
从所述负序电压分量确定补偿的负序电压；
部分地基于所述三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相位角；以及
基于所述补偿的负序电压和所述定位参考相位角，计算在所述配电电路中的所述故障严重度指数FSI。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述FSI包括电压相量，所述电压相量具有指示在所述配电电路中的EVD的量的幅度以及指示在所述配电电路中存在所述EVD的一个相位或多个相位的角度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中计算所述FSI进一步包括将所述EVD定位到在所述三相输出中的第一相位、第二相位和第三相位中的一个相位，或第一相位、第二相位和第三相位的组合，其中定位所述EVD包括：
确定所述补偿的负序电压的相位角；
将所述补偿的负序电压的所述相位角与用于所述第一相位、所述第二相位和所述第三相位中的每一个相位的所述定位参考相位角比较；
确定在所述补偿的负序电压的所述相位角与用于所述第一相位、所述第二相位和所述第三相位的所述定位参考相位角中的一个定位参考相位角之间的差是否处于预定角度范围内；以及
如果在所述补偿的负序电压的所述相位角与用于所述第一相位、所述第二相位和所述第三相位的所述定位参考相位角中的一个定位参考相位角之间的差处于所述预定角度范围内，则将所述EVD定位到所述第一相位、所述第二相位和所述第三相位中的一个相位。
15.根据权利要求14所述的方法，其中如果在所述补偿的负序电压的所述相位角与用于所述第一相位、所述第二相位和所述第三相位的所述定位参考相位角中的一个定位参考相位角之间的差没有处于所述预定角度范围内，则定位所述EVD进一步包括：
将所述EVD定位到所述第一相位、第二相位和第三相位中的一个以上的相位；以及
沿多轴分解所述EVD，以量化所述EVD已经被定位到的所述第一相位、第二相位和第三相位中的一个以上的相位中的每一个相位中的EVD的量。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定角度范围是正或负15度。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述电机包括三角形连接的电机，以及其中在所述配电电路中的EVD的所述量和角度由如下描述：
((1-a)*VEVDa+(a2-1)*VEVDb+(a-a2)*VEVDc)＝3*V2EVD
其中，即，在120度的角度处的单位向量，VEVDa、VEVDb、VEVDc是分别表示EVD的在相位A、B、C中的电压降，并且V2EVD是所述补偿的负序电压。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述电机包括星形连接的电机，以及其中在所述配电电路中的EVD的所述量和角度由如下描述：
VEVDa+a2VEVDb+aVEVDc＝3*V2EVD
其中即，在120度的角度处的单位向量，VEVDa、VEVDb、VEVDc是分别表示EVD的在相位A、B、C中的电压降，并且V2EVD是所述补偿的负序电压。
19.一种诊断系统，其被配置成检测在配电电路中的过量电压降EVD故障，所述诊断系统包括：
处理器，其被编程成：
接收提供给连接到所述配电电路的电机端子的三相电压和三相电流；
从所述三相电压和三相电流计算正序电压、负序电压和零序电压以及正序电流、负序电流和零序电流；
从所述负序电压分量确定补偿的负序电压；
部分地基于所述三相电流，确定用于每一个相位的定位参考相位角；
基于所述补偿的负序电压，识别在所述配电电路中的EVD故障；以及
基于在所述补偿的负序电压的相位角和所述定位参考相位角之间的差来将所述EVD故障定位到在所述三相输出中的一个或多个相位。
20.根据权利要求19所述的诊断系统，其中在定位所述EVD故障上，所述处理器进一步被编程成：
确定所述补偿的负序电压的所述相位角；
将所述补偿的负序电压的所述相位角与用于每一个相位的每一个定位参考相位角比较；以及
如果在所述补偿的负序电压的所述相位角与所述定位参考相位角中的一个定位参考相位角之间的角度差是15度或更小，则将所述EVD故障定位到所述相位中的一个相位；
否则，如果所述角度差大于15度，则将所述EVD定位到一个以上的相位，其中将所述EVD已经被定位到的一个以上的相位中的每一个相位中的EVD的量分别量化。
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