CN106133538A - 用于检测、定位和量化在ac电动机中的定子绕组故障的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于检测、定位和量化在AC电机中的定子绕组故障的系统和方法。被配置成检测在AC电机中的定子绕组故障的诊断系统包括处理器，该处理器被编程为：从与配电电路相关联的电压和电流传感器接收提供给AC电机的三相电压和电流的测量，从三相电压和电流计算电压和电流的正序、负序和零序分量，以及基于电压和电流的正序、负序和零序分量的至少一部分来计算故障严重度指数(FSI)；其中计算FSI进一步包括：识别由于定子绕组故障导致的AC电机的一个或多个相位中的电压增益，以及将定子绕组故障定位到AC电机中的一个或多个相位。

Description

用于检测、定位和量化在AC电动机中的定子绕组故障的系统 和方法

技术领域

本发明一般涉及三相交流(AC)电机或电动机，并且更特别地涉及用于检测、定位和量化在此类电机中的定子绕组故障的系统和方法。

背景技术

在工业设施中，诸如发电机、AC电动机和/或变压器的电机被用于各种应用中。作为一个示例，感应电动机被用于像泵浦、冷却、材料运动的应用，以及其中需要成本有效且鲁棒的电动机的其它应用。配电系统与此类应用中的电机结合使用，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。

在具有配电系统和AC电机的三相系统中，公认的是各种因素可导致系统中的三相电压不对称/不平衡。也就是说，高阻连接和(多种)定子绕组故障二者改变系统中的电阻，从而导致三相电压不对称/不平衡。

关于系统中的高阻连接，保护和/或控制部件的不当连接(例如当电连接变得松动或具有小的线结合力时)可使得在电路中形成高阻连接，并且因此使得在分配电路中发生过量电压降(EVD)。这些EVD可导致连接处的异常电力消耗，并且相应地导致连接中的过度加热的触点或热点，其可引发火灾和设备损坏。甚至在早期阶段，电压降导致伴随线降的能量损失，在事实上例如降低电动机效率和电动机寿命。

关于系统中的定子绕组故障，由于机电力引起的振动、高的dv/dt电压浪涌、热过载和/或污染的组合而导致的绕组绝缘的逐渐恶化可能引发这些故障。如果定子绕组故障发生并且定子的绕组短路，则在短路匝中感应到大的循环故障电流，导致局部热过载。如果该局部热过载未被检测到，则最终可由于短时段内的接地故障/相间绝缘或开路故障而产生电动机故障。

针对上述情况，期望以有效且成本经济的方式检测高阻连接和定子绕组故障，以便识别电路中的不当电连接和在定子绕组中的故障。然而，认识到的是因为故障发生在相位中的一个相位中，所以用于检测高阻连接和定子绕组故障二者的一些现有无传感器技术依赖于监测三相系统的不对称中的“变化”的影响的主要方式/概念。因此，这些无传感器技术基于诸如负序电流、相位间的相对角等的类似指标，以使得可能难以在这类故障之间进行区分。然而，因为取决于故障和应用的类型和严重度可确定行动方案，所以这种在两个故障之间的区分是可期望的，因为其允许以更灵活且有效的方式来执行维护。

因此，期望提供一种能够检测三相电压中的不平衡并且能够在由高阻连接或定子绕组故障导致的这种不平衡之间进行区分的系统和方法。同样将期望这种系统和方法将检测到的高阻连接/定子绕组定位到分配电路的一个特定相位或多个特定相位，并且量化与故障相关联的电压降或电压增益。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种诊断系统，其与配电电路可操作地通信并且被配置成检测在包括多个定子绕组的AC电机中的定子绕组故障，其中该诊断系统包括处理器，该处理器被编程为：从与配电电路相关联的电压和电流传感器接收提供给AC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电压和电流的正序、负序和零序分量；以及基于电压和电流的正序、负序和零序分量中的至少一部分，计算故障严重度指数(FSI)，其中计算FSI进一步包括：识别由于定子绕组故障导致的AC电机的一个或多个相位中的电压增益；以及将定子绕组故障定位到AC电机中的一个或多个相位。

根据本发明的另一个方面，配电电路包括：可连接到AC源的输入，以及可连接到为该配电电路提供三相电力的电机的端子的输出，该电机包括多个定子绕组。配电电路同样包括被配置成识别在电机的定子绕组中的定子故障的诊断系统，诊断系统包括处理器，该处理器被编程为：从连接到在输入和输出之间的配电电路的电压和电流传感器接收提供给电机的三相电源电压和三相电源电流的测量；计算电源电压和电流的正序、负序和零序分量；从负序电压分量确定定子故障负序电压；部分地基于三相电流的基本分量，确定每一个相位的定位参考相位角；以及基于定子故障负序电压和定位参考相位角，识别并且定位在配电电路中的定子故障。

根据本发明的另一方面，一种用于识别在配电电路中基于电阻的故障的方法包括：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端子的三相电压和三相电流，电机包括多个定子绕组。该方法同样包括使诊断系统识别在配电电路与在电机的定子绕组中的基于电阻的故障，其中使诊断系统识别基于电阻的故障包括：接收提供给电机的端子的所测量的三相电压和三相电流；从所测量的三相电压和三相电流计算正序、负序和零序电压，以及正序、负序和零序电流；使用电压和电流的正序、负序和零序分量，检测在配电电路的一个或多个相位中的电压增益或电压降；以及基于所检测的电压增益或电压降，识别在配电电路的一个或多个相位中的基于电阻的故障，其中识别基于电阻的故障包括：如果检测到电压降，则将基于电阻的故障分类为在配电电路的输入和输出之间的高阻故障；以及如果检测到电压增益，则将基于电阻的故障分类为在定子绕组中的定子故障。

以下详细描述和附图将使本发明的各种其它特征和优点显而易见。

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具有在其中存在的高阻连接故障和/或定子绕组故障的电动机电路的示意图。

图3是根据本发明的实施例的用于检测在三相AC电路中的过量电压降的技术的流程图。

图4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5是示出根据本发明的实施例的用于定位EVD到三相AC电路中的一个或多个相位的图3中的步骤64的子步骤的流程图。

图6-8是分别示出三相AC电路的相位A、B和C中的定子绕组故障导致的负序电压的相量图。

图9是示出在三相AC电路的一个以上相位中的定子绕组故障导致的负序电压的相量图。

图10是示出根据本发明的实施例的用于在三相AC电路的定子绕组故障和高阻连接故障之间进行区分的技术的流程图。

具体实施方式

在此阐述的本发明的实施例涉及用于检测、定位和量化在三相AC电机中的定子绕组故障的系统和方法。该系统和方法同样能够在定子绕组故障和高阻连接之间进行区分，以便以灵活有效的方式提供要在电机上执行的适当维护。

参考图1，根据本发明的实施例示出了三相配电电路10。配电电路10在三相AC输入12a至12c与诸如AC电机的负载14之间连接，以提供对电机的保护，并且调节来自三相AC输入12a至12c的用于递送到电机的电力。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，该输入16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，该输出18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的端子箱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，其中电路部件提供对电压和电流的保护，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。在图1中示出多个这种保护和控制部件，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示为被包括在电路中。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。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同样设置为提供对配电电路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仅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，期望能够检测到可能改变其电阻的电路中可发生的各种类型的故障。基于电阻的故障的一种示例是高阻连接。高阻连接是可在源和电动机之间连接的任何装置的接头/连接处(诸如在将在其中的部件24、26、28、32、34彼此连接以及连接到感应电动机14的电路中进行的电连接处)发生的共同问题，在图1中这些电连接通常被称为36。这些高阻连接可能由于不良做工、连接松动(由于热循环和振动)、接触表面的损坏(点蚀、腐蚀或污染)等的组合而产生。应当认识到，保护和/或控制部件的高阻连接可导致在电动机电路中的过量电压降(EVD)，其中这种电压降导致在连接处的异常功率消耗，并且相应地导致在连接中的过度加热的触点或热点，其可引起火灾和设备损坏，随线降的能量损耗，电动机效率损耗，以及电动机寿命降低。

可在配电电路10中发生的基于电阻的故障的另一个示例是定子绕组故障。通过由于机电力引起的振动、高的dv/dt电压浪涌、热过载和/或污染的组合而导致的定子绕组绝缘的逐渐恶化可引发定子绕组故障。如果定子绕组故障发生并且定子绕组短路，则在短路匝中感应到大的循环故障电流，导致局部热过载。如果局部热过载未被检测到，则其最终可由于短时段内的接地故障/相间绝缘(phase-to-phase-insulation)或开路故障而产生电动机故障。

为了提供对这种高阻故障和定子绕组故障的检测，根据本发明的实施例，在配电电路10中包括诊断系统40。诊断系统40接收关于提供给感应电动机14的三相电压和电流的输入。根据示例性实施例，诊断系统40接收从电压和电流传感器(通常指示为41)获取的电压和电流测量，该电压和电流传感器被集成到在MCC 24中的电动机起动器中；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中以获取来自在输入16和输出18之间的位置处的电压和电流数据，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接收所测量的三相电压和三相电流，并且该处理器42被编程为分析数据以识别在配电电路10中的基于电阻的故障。在识别配电电路10中的基于电阻的故障上，诊断系统40能够在导致分配电路中的EVD的高阻连接故障(例如由于松动连接)与导致在分配电路10中的一个或多个相位中的电压上的增加(电压增益)的定子绕组故障(例如由于劣化的绕组绝缘)之间进行区分。诊断系统40计算故障严重度指数(FSI)，该故障严重度指数具有作为在配电系统中存在的电阻故障类型的指标的幅度，以及指示具有电阻故障的相位的角度。

虽然诊断系统40在图1中被示为以独立的产品/装置的形式，但是应认识到，可以将这种系统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中的高阻故障和定子绕组故障的程序/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的在线监测。

此外，虽然下面关于被编程为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在此描述了本发明的实施例，但是应认识到，如在此使用的术语“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。

根据本发明的实施例，为了检测在三相电动机电路中的电压降或电压增益的存在的目的，采用对称分量的方法来简化当它变得不平衡时的电动机电路的分析。不对称/不平衡相量(电压和电流)表示为三个对称组的平衡相量，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彼此处于相位中(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)，其中的幅度是在电路中的电压增益或电压降的量的指标，并且其中的角度指示其具有电压增益/电压降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中包括的AC电机中的基于电阻的故障的存在。在图2中提供了通用感应电动机电路44的说明。在图2中，示出了电源线路电压V_a、V_b、V_c，如为在电动机处存在的电动机端子V_aM、V_bM、V_cM处的相位电压。存在的电动机端子电压部分地由在(一个或多个相位上)的电机的定子绕组46中存在的任何定子绕组故障确定，其被指示为V_SFa、V_SFb、V_SFc；和/或由在一个或多个相位上的电动机电路46中存在的任何EVD确定，其被指示为V_EVDa、V_EVDb、V_EVDc。

现在参考图3，并继续参考图1和图2，根据本发明的实施例示出由诊断系统40的处理器42实施的技术50，以识别、定位和量化在三角形或星形连接的配电(电动机)电路10中的(多个)定子绕组故障。应认识到，对于三角形连接的电动机和星形连接的电动机，用于识别、定位和量化定子绕组故障的技术50(和包括在其中的步骤)相同。

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，处理器42接收如在MCC中测量的三相电流和电压数据，其中来自MCC 24的电压和电流随后被提供给电机14(诸如例如感应电动机)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处提取三相电流和电压的基本分量。步骤54以虚线在图3中示出，如所认识到的，基本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中的定子绕组故障可以在没有基本分量的情况下执行。然而，应认识到，如下面在此描述的，定子绕组故障的更准确分析经由基本分量的确定和使用来实现。

如在图3中所示，在步骤56处，技术50继续计算基本电源电压和电流的序分量，其中电压的序分量被识别为V_1,2,0并且电流的序分量被识别为I_1,2,0，其中正序、负序和零序分量分别由1、2和0识别。关于确定电压的序分量，应认识到，基尔霍夫电压定律(KVL)可以应用于连接的分配电路，以根据如下的等式形式描述在电源线路电压、在电动机端子处的相电压以及定子故障之间的关系，等式如下：

其中，V_aM、V_bM、V_cM是横跨电动机绕组的三相电压，V_a、V_b、V_c是三相线路电压(如在感测位置处测量的)，并且V_SFa、V_SFb、V_SFc是分别由于相位A、B、C中的定子故障引起的电压增益。

可通过将变换T施加到等式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，利用如下定义的序列变换T：

$T=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right],$

其中，(即，在120度的角度处的单位向量)。

将变换T施加到等式1产生：

考虑在每一个相位中的线降是相等的(即没有看到由定子绕组产生的额外不平衡)，则等式2可重写为：

其中V_0M、V_1M和V_2M是在电动机端子处的零序电压分量、正序电压分量和负序电压分量。

重新排列负序等式以隔离在电动机端子处的负序电压V_2M，产生：

等式4然后重写为：

其中V₂是在电源侧上的感测位置处观察到的负序电压，并且V_SFa、V_SFb、V_SFc是当在相位A、B、C中存在定子故障时分别观察到的电压增益。

重新布置等式5产生：

V_SFa+a²V_SFb+aV_SFc＝-3(V₂-V_2M) [等式6]

根据一个实施例，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V_2M。更具体地，

V_2M＝Z₂₁*I₁+Z₂₂*I₂ [等式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V_2M，在步骤58处，技术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，假设电机在健康的条件下操作(即，在电动机绕组中不存在定子绕组故障)。首先假设不存在定子绕组故障，则(在输入16和输出18之间的感测位置处)负序电压等于在电动机端子处的负序电压(即，V₂＝V_2M)。因此，在初始化期间，假设不存在定子绕组故障，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，可以将等式7实施为确定在电动机端子处的负序电压V_2M。在确定电动机端子处的负序电压V_2M时，技术50在步骤60处继续确定仅由于定子绕组故障导致的负序电压V_2SF，即“定子故障负序电压”。定子故障负序电压V_2SF可以根据如下确定：

V_2SF＝V₂-V_2M [等式8]

通过将等式8替换成等式6，等式6可以根据如下重写：

V_SFa+a²V_SFb+aV_SFc＝-3V_2SF [等式9]

等式9可用于导出用以量化和定位由于在三角形连接的电动机的单相或多相中的定子绕组故障产生的电压增益的条件和关系。

仍参考图3，在步骤61处，技术50继续，其中确定定子故障负序电压V_2SF的幅度是否大于阈值电压电平，以便能够确定定子故障负序电压是否指示在分配电路10中的定子故障。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，或是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的电压降归类为定子故障，尽管应认识到，阈值可以是更高或更低的值。如果如在62处所示，在步骤61处确定定子故障负序电压V_2SF小于阈值电压，则如在步骤63处所指示，确定系统中不存在定子故障。该技术然后返回到步骤52，由处理器42接收附加三相电流和电压测量，以使得继续监测定子故障。

相反，如果在步骤61处确定定子故障负序电压V_2SF的幅度大于阈值电压，如在64处所指示，则在步骤65处该技术50继续计算在分配电路10/电机14中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基本电流的相位角，部分地导出在步骤65处计算的定位参考相位角。因此，对于相位A，定位参考相位角可根据如下来描述：

其中是流过相位A的相位电流的基本分量的角。

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的相位电流的基本分量的角。

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的相位电流的基本分量的角。

在图4中提供了在步骤65处计算的定位参考相位角的图。如在其中可看到的，每一个定位参考相位角是以故障参考电流相量的形式。故障参考电流相量间隔开120度。

在步骤65处确定定位参考相位角时，接下来在步骤66处执行归因于定子绕组故障的电压增益的计算。在步骤66处归因于定子绕组故障的电压增益的计算可替代地描述为FSI的计算，其中FSI是如下相量：幅度为由定子绕组故障导致的电压增益的量的指标，以及角度指示存在由于定子绕组故障导致的电压增益的一个相位或多个相位。关于FSI相量的幅度，电压增益的量从定子故障负序电压V_2SF导出，如在等式8中所描述的，其中定子故障负序电压由相位划分，如在等式9中所描述的。关于FSI相量的角，通过将定子故障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，确定定子绕组故障(以及伴随的电压增益)所归因于的一个相位或多个相位的角(即定子绕组故障的定位)。

现在参考图5，进一步将在步骤66处执行的将定子绕组故障定位到一个或多个相位示出为一系列子步骤。在第一步骤中，定子故障负序电压的相位角与用于分配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。然后在步骤68处判定定子故障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处判定关于定子故障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，由于可以替代地选择不同的角度范围，所有不要求在定子故障负序电压V_2SF的相位角与定位参考相位角之间的预定差在15度内。

如在70处所指示的，如果在步骤68处确定定子故障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处继续通过将定子绕组故障定位到与定位参考相位角对应的特定相位，定子故障负序电压的角处于预定角度范围的。在相位A、B和C中的每一个相位上发生的定子绕组故障的示例以及借助于等式9的其描述下面在此阐述，用于说明的目的。

在其中定子绕组故障存在于相位A中的事件中，即则由于在相位B和C中的定子绕组故障导致的电压增益由V_SFb＝0和V_SFc＝0描述，以使得等式9变为：

V_SFa＝3*V_2SF [等式10]

因为正在求解电压增益的幅度，所以项(1-a)可从等式10去除，以使得由于在相位A中的定子绕组故障导致的电压增益根据如下计算：

|V_SFa|＝3*|V_2SF|.

在图6中提供了FSI相量74的说明，其具有指示电压增益的量的幅度和指示定子绕组故障在相位A中的角。如在其中所示，FSI相量具有如下角度，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。

在其中定子故障存在于相位B中的事件中，即则由于在相位A和C中的定子绕组故障导致的电压增益由V_SFa＝0和V_SFc＝0描述，以使得等式9变为：

a²*V_SFb＝3*V_SF [等式11]

因为正在求解EVD故障的幅度，所以项a²可从等式11去除，以使得由于在相位B中的定子绕组故障导致的电压增益根据如下计算：

|V_SFb|＝3*|V_2SF|.

在图7中提供了FSI相量76的说明，其具有指示电压增益的量的幅度和指示定子绕组故障在相位B中的角。如在其中所示，FSI相量具有如下角度，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。

在其中定子绕组故障存在于相位C中的事件中，即则由于在相位A和B中的定子绕组故障导致的电压增益由V_SFa＝0和V_SFb＝0描述，以使得等式9变为：

a*V_SFc＝3*V_2EVDF [等式12]

因为正在求解电压增益的幅度，所以项(a-a²)可从等式12去除，以使得由于在相位C中的定子绕组故障导致的电压增益根据如下计算：

|V_SFc|＝3*|V_2SF|.

在图8中提供了FSI相量78的说明，其具有指示电压增益量的幅度和指示定子绕组故障在相位C中的角。如在其中所示，FSI相量具有如下角度，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5，如在80处所示，如果在步骤68处判定定子故障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处继续通过将FSI(和定子绕组故障)定位到配电系统10的一个以上的相位。在将FSI定位到一个以上的相位上，FSI是沿着多个轴求解，以量化定子绕组故障已经被定位到的相位中的每一个相位中的电压增益的量。也就是说，FSI的幅度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电压增益的量。在相位A、B和C的不同组合中发生的定子绕组故障的示例以及借助于等式9的其描述下面在此阐述，用于说明的目的。

在其中定子绕组故障和伴随电压增益存在于相位A和B中的事件中，即则由于在相位C中的定子绕组故障导致的电压增益由V_SFc＝0描述，以使得等式9变为：

V_SFa+a²V_SFb＝-3*V_2SF [等式13]

在等式13中，重写在复数域中的V_SFa和V_SFb给出：

并且将这些值替换到等式13中，导致：

比较等式14的实数和虚数部分产生：

当求解时提供：

等式15因此使FSI能够沿着多轴(相位A和B)分解，以量化定子绕组故障已经被定位到的相位中的每一个相位中的电压增益的量。

在其中定子绕组故障和伴随的电压增益存在于相位B和C中的事件中，即则由于在相位A中的定子绕组故障导致的电压增益由V_SFa＝0描述，以使得等式9变为：

a²V_SFb+aV_SFc＝-3*V_2SF [等式16]

与上述类似，V_SFb和V_SFc可在复数域中重写并且代回到等式16中，其中实数和虚数部分被比较和求解以提供：

等式17因此使FSI能够沿着多轴(相位B和C)分解，以量化定子绕组故障已经被定位到的相位中的每一个相位中的电压增益的量。

在其中定子绕组故障和伴随的电压增益存在于相位A和C中的事件中，即则由于在相位B中的定子绕组故障导致的电压增益由V_SFb＝0描述，以使得等式9变为：

V_SFa+aV_SFc＝-3V_2SF [等式18]

与上述类似，V_SFa和V_SFc可在复数域中重写并且代回到等式18中，其中实数和虚数部分被比较和求解以提供：

等式19因此使FSI能够沿着多轴(相位C和A)分解，以量化定子绕组故障已经被定位到的相位中的每一个相位中的电压增益的量。

在图9中提供了存在于电机的一个以上的相位绕组上的FSI相量的示例，所示的示例示出存在于电机的相位A和B上的FSI相量84。FSI相量84的幅度指示电压增益的量，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电压增益的量。

现在返回参考图3，在步骤64处量化和定位归因于定子绕组故障的电压增益时，在步骤86处执行针对定子匝故障的条件检查。在执行检查上，将仅由于定子故障导致的横跨相位A、B、C中的每一个相位的电动机端子的电压相应地描述为：

V_aSF＝V₁+V_2SF

V_bSF＝a²*V₁+a*V_2SF

V_cSF＝a*V₁+a²*V_2SF

其中V₁是在电源侧上的感测位置处的观察到的正序电压，并且V_2SF是定子故障负序电压。

然后在步骤86处，对于识别为具有在其上的定子绕组故障的相位，仅由于横跨用于该相位的相应电动机端子的定子故障识别的电压的幅度大于仅由于定子故障导致的横跨其它电动机端子的电压。

对于在相位A中的定子绕组故障：

|V_aSF|＞|V_bSF|，|V_cSF|

对于在相位B中的定子绕组故障：

|V_bSF|＞|V_aSF|，|V_cSF|

对于在相位C中的定子绕组故障：

|V_cSF|＞|V_aSF|，|V_bSF|.

可执行在步骤86处执行的该条件检查，以验证对特定相位的定子绕组故障的存在。

虽然技术50在图3中示出并且描述为具体识别、定位和量化在配电电路中的定子绕组故障，但是应认识到，在更高的等级上本发明的实施例可识别在电路中的“基于电阻的故障”(包括定子绕组故障和高阻连接故障二者)，并且基于归因于识别的故障的一个相位/多个相位中的电压增益或电压降，将任何识别的基于电阻的故障分类为定子绕组故障或高阻连接故障中的任一个。

现在参考图10，根据本发明的实施例示出用于将基于电阻的故障分类为定子绕组故障或高阻连接故障的技术88。在技术50的第一步骤中，在步骤90处计算仅由于基于电阻的故障导致的负序电压。通过利用对称分量的方法并且执行随后的处理和计算步骤以隔离并识别仅由于基于电阻的故障导致的负序电压，如上面关于图4的技术50的步骤52-60详细描述的，执行仅由于基于电阻的故障导致的负序电压的计算。

在确定仅由于基于电阻的故障导致的负序电压时，技术88在步骤92处继续判定仅由于基于电阻的故障导致的负序电压是否提供在配电电路的一个或多个相位中的电压增益(或相反地，电压降)。如果在步骤92处判定仅由于基于电阻的故障导致的负序电压提供在配电电路的一个或多个相位中的电压增益(即具有正值)，如在94处所指示，则技术在步骤96处继续将基于电阻的故障分类为定子绕组故障，并且因此将仅由于基于电阻的故障导致的负序电压分类为定子故障负序电压V_2SF。相反，如果在步骤92处判定仅由于基于电阻的故障导致的负序电压提供在配电电路的一个或多个相位中的电压降(即具有负值)，如在98处所指示，则技术在步骤100处继续将基于电阻的故障分类为高阻连接故障，并且因此将仅由于基于电阻的故障导致的负序电压分类为过量电压降(EVD)负序电压V_2EVD。

为了进一步解释仅由于基于电阻的故障导致的负序电压的识别，下面在此再次阐述了等式9。等式9表征定子绕组故障，其中该特征是基于由于基于电阻的故障导致的负序电压V_2SF，是如由附接到V_2SF的“-3”值所指示的负电压降(即电压增益)：

V_SFa+a²V_SFb+aV_SFc＝-3V_2SF [等式9]

相反，高阻连接故障可由如下描述：

V_EVDa+a²V_EVDb+aV_EVDc＝3V_2EVD [等式20]

其中“EVD”指示过量电压降。等式20表征高阻连接故障，其中该特征是基于由于基于电阻的故障导致的负序电压V_2EVD，是如由附接到V_2EVD的“3”值所指示的正电压降。

因此，在技术88中，如果检测到在一个或多个相位中的电压增益(归因于故障)，则在配电电路10中的一个或多个相位中检测的基于电阻的故障将被分类为在定子绕组中的定子故障，并且如果检测到在一个或多个相位中的电压降(归因于故障)，则将其分类为在配电电路10的输入16和输出18之间的高阻故障。

虽然上面阐述了其中将基于电阻的故障定位到一个或两个相位的示例，但是应认识到，基于电阻的故障可被定位到分配电路/电机的所有三个相位。在其中三个相位中的每一个相位中的电压增益或电压降在严重度上显著变化的情况下，等式9和等式20可用于量化在每一个相位中的电压增益或电压降，即可分析负序电压。在其中所有三个相位中存在完全相等(或近似相等)的电压增益或电压降的情况下，通过使用根据如下的正序等式，可定位并量化在每一个相位中的电压增益或电压降：

V_SFa+a*V_SFb+a²*V_SFc＝-3*(V₁-V_1M) [等式21]

其中V₁是在感测位置处观察到的正序电压，并且V_1M是电动机端子正序正序电压。

根据如下可确定在电动机端子处的正序电压V_1M：

V_1M＝Z₁₁*I₁+Z₁₂*I₂ [等式22]

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在电路中提供给电机(例如AC电动机)的三相电压和电流来检测在三相配电电路中的定子绕组故障的系统和方法，其中定子绕组故障的这种检测以及配电电路的在线监测从分配电路的位置以及远离分配电路的位置处执行。由于在三相电动机电路中的定子绕组故障导致在电动机端子处的电压不平衡(即一个或多个端子处的电压增益)以及随之而来的电流不平衡，所以经由测量的三相电压和电流的分析和处理可检测定子绕组故障。本发明的实施例还能够在导致在分配电路中的EVD的高阻连接故障(例如由于松动连接)与导致在分配电路10中的一个或多个相位中电压中的增加(电压增益)的定子绕组故障(例如由于劣化的绕组绝缘)之间进行区分。因为可取决于故障和应用的类型和严重度来确定行动过程，所以在两个故障之间的区分允许以更灵活和有效的方式执行在分配电路中的维护。

用于所公开方法和设备的技术贡献在于，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的方法和设备。

因此，根据本发明的一个实施例，提供了与配电电路可操作地通信并且被配置成检测在包括多个定子绕组的AC电机中的定子绕组故障的诊断系统，其中诊断系统包括处理器，该处理器被编程为：从与配电电路相关联的电压和电流传感器接收提供给AC电机的三相电压和电流的测量；从三相电压和电流计算电压和电流的正序、负序和零序分量；以及基于电压和电流的正序、负序和零序分量的至少一部分，计算故障严重度指数(FSI)，其中计算FSI进一步包括：识别由于定子绕组故障导致的AC电机的一个或多个相位中的电压增益，以及将定子绕组故障定位到在AC电机中的一个或多个相位。

根据本发明的另一个实施例，配电电路包括：可连接到AC源的输入；以及可连接到电机端子的输出，该输出向电机提供三相电力，该电机包括多个定子绕组。配电电路同样包括诊断系统，该诊断系统被配置成识别在电机的定子绕组中的定子故障，诊断系统包括处理器，该处理器被编程为：从连接到在输入和输出之间的配电电路的电压和电流传感器接收提供给电机的三相电源电压和电流的测量；计算用于电源电压和电流的正序、负序和零序分量；从负序电压分量确定定子故障负序电压；部分地基于三相电流的基本分量，确定用于每一个相位的定位参考相位角；以及基于定子故障负序电压和定位参考相位角，识别并且定位在配电电路中的定子故障。

根据本发明的另一个实施例，一种用于识别在配电电路中基于电阻的故障的方法包括：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端子的三相电压和电流，电机包括多个定子绕组。该方法同样包括使诊断系统识别在配电电路与在电机的定子绕组中的基于电阻的故障，其中使诊断系统识别基于电阻的故障包括：接收提供给电机的端子的测量的三相电压和电流；从测量的三相电压和电流计算正序、负序和零序电压和正序、负序和零序电流；使用电压和电流的正序、负序和零序分量，检测在配电电路的一个或多个相位中的电压增益或电压降；以及基于检测的电压增益或电压降，识别在配电电路的一个或多个相位中的基于电阻的故障，其中识别基于电阻的故障包括：如果检测到电压降，则将基于电阻的故障分类为在配电电路的输入和输出之间的高阻故障；以及如果检测到电压增益，则将基于电阻的故障分类为在定子绕组中的定子故障。

本发明已针对优选实施例进行了描述，并且应认识到，除了那些明确陈述，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)

1.一种诊断系统，其与配电电路可操作地通信并且被配置成检测在包括多个定子绕组的AC电机中的定子绕组故障，所述诊断系统包括：

处理器，其被编程为：

接收提供给所述AC电机的三相电压和三相电流的测量，所述测量从与所述配电电路相关联的电压和电流传感器接收；

从所述三相电压和三相电流计算电压的正序、负序和零序分量和电流的正序、负序和零序分量；以及

基于所述电压的正序、负序和零序分量和所述电流的正序、负序和零序分量的至少一部分，计算故障严重度指数(FSI)，其中计算所述FSI包括：

识别由于定子绕组故障导致的所述AC电机的一个或多个相位中的电压增益；以及

将所述定子绕组故障定位到所述AC电机中的一个或多个相位。

2.根据权利要求1所述的诊断系统，其中在计算所述FSI上，所述处理器进一步被编程为：

估计电动机端子负序电压；以及

基于所述负序电压并且基于所述电动机端子负序电压来估计定子故障负序电压。

3.根据权利要求2所述的诊断系统，其中所述处理器进一步被编程为：

将所述定子故障负序电压与电压阈值比较；以及

如果所述定子故障负序电压大于所述电压阈值，则将所述定子故障负序电压识别为在所述AC电机中的定子故障；

否则，判定在所述AC电机中不存在定子故障。

4.根据权利要求2所述的诊断系统，其中在计算所述FSI上，所述处理器进一步被编程为：

部分地基于三相电力的基本分量，确定每一个相位的定位参考相量；

基于所述定子故障负序电压的幅度，识别在所述AC电机中的定子绕组故障；以及

基于在所述定子故障负序电压的相位角和所述定位参考相量之间的差，将所述定子故障定位到所述AC电机的一个或多个相位。

5.根据权利要求4所述的诊断系统，其中在定位所述定子故障上，所述处理器进一步被编程为：

确定所述定子故障负序电压的所述相位角；

将所述定子故障负序电压的所述相位角与每一个相位的每一个定位参考相量的角比较；以及

如果在所述定子故障负序电压的所述相位角与所述定位参考相量中的一个定位参考相量之间的角度差小于预定量，则将所述定子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所述预定量，则将所述定子故障定位到一个以上的相位，其中单独地量化在所述定子故障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定子故障的量。

6.根据权利要求5所述的诊断系统，其中所述预定角度范围是正或负15度。

7.根据权利要求4所述的诊断系统，其中所述处理器进一步被编程为根据如下识别在所述AC电机中的所述定子绕组故障，并且将所述定子故障定位到所述AC电机中的一个或多个相位：

V_SFa+a²V_SFb+aV_SFc＝-3V_2SF，

其中V_SFa、V_SFb、V_SFc是指示定子故障的相位A、B、C中的电压增益，并且V_2SF是所述定子故障负序电压。

8.根据权利要求1所述的诊断系统，其中在计算所述FSI上，所述处理器进一步被编程为：

识别由于高阻连接导致的所述配电电路中的电压降；以及

将所述高阻连接定位到所述配电电路中的一个或多个相位。

9.根据权利要求8所述的诊断系统，其中所述处理器进一步被编程为基于在所述FSI中识别的所述电压降或电压增益，在定子故障和高阻连接之间进行区分。

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为确定提供给所述AC电机的所述三相电压和三相电流的基本分量，以及其中从所述基本分量确定所述电压的正序、负序和零序分量和所述电流的正序、负序和零序分量。

11.一种配电电路，包括

输入，其可连接到AC源；

输出，其可连接到电机的端子以便为其提供三相电力，所述电机包括多个定子绕组；以及

诊断系统，其被配置成识别在所述电机的所述定子绕组中的定子故障，所述诊断系统包括处理器，所述处理器被编程为：

接收提供给所述电机的三相电源电压和三相电流的测量，所述三相电源电压和三相电流的测量从连接到在所述输入和所述输出之间的所述配电电路的电压和电流传感器提供；

计算所述三相电源电压的正序、负序和零序分量和所述三相电流的正序、负序和零序分量；

从所述负序电压分量确定定子故障负序电压；

部分地基于所述三相电流的基本分量，确定每一个相位的定位参考相位角；以及

基于所述定子故障负序电压和所述定位参考相位角，识别并且定位在所述配电电路中的定子故障。

12.根据权利要求11所述的配电电路，其中所述定子故障负序电压包括复值电压相量，所述复值电压相量具有指示在所述定子绕组中的电压增益的量的幅度以及指示其中存在所述电压增益的所述定子绕组中的所述一个相位或多个相位的角。

13.根据权利要求12所述的配电电路，其中所述处理器进一步被编程为基于所述定子故障负序电压的相位角与每一个相位的所述定位参考相位角的比较，将所述电压增益定位到一个或多个相位。

14.根据权利要求13所述的配电电路，其中在将所述电压增益定位到一个或多个相位上，所述处理器进一步被编程为：

如果在所述定子故障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，则将所述定子故障定位到所述相位中的一个相位；以及

如果在所述定子故障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，则将所述电压增益定位到一个以上的相位，其中量化在所述电压增益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电压增益的量。

15.根据权利要求13所述的配电电路，其中所述处理器进一步被编程为根据如下识别在所述AC电机中的所述定子故障，并且将所述定子故障定位到一个或多个相位：

V_SFa+a²V_SFb+aV_SFc＝-3V_2SF，

其中V_SFa、V_SFb、V_SFc是指示定子故障的相位A、B、C中的电压增益，并且V_2SF是所述定子故障负序电压。

16.根据权利要求12所述的配电电路，其中所述处理器进一步被编程为：

基于从所述负序电压和所述定位参考相位角确定的电压降，识别在所述配电电路的所述输入和输出之间的高阻连接；以及

基于在所述配电电路中的所识别的电压增益或电压降，在定子故障和高阻连接之间进行区分。

17.根据权利要求11所述的配电电路，其中所述处理器进一步被编程为：

基于所述电机的阻抗值与所述负序电流和正序电流，估计电动机端子负序电压；以及

基于所述负序电压并且基于所述电动机端子负序电压来估计所述定子故障负序电压。

18.一种方法，用于识别在配电电路中的基于电阻的故障，所述方法包括：

借助于电压和电流传感器，测量在所述配电电路中提供给电机的端子的三相电压和三相电流，所述电机包括多个定子绕组；

使诊断系统识别在所述配电电路与在所述电机的所述定子绕组中的基于电阻的故障，其中使所述诊断系统识别所述基于电阻的故障包括：

接收提供给所述电机的所述端子的所述测量的三相电压和三相电流；

从所述测量的三相电压和三相电流计算正序、负序和零序电压和正序、负序和零序电流；

使用所述电压的正序、负序和零序和所述电流的正序、负序和零序分量，检测在所述配电电路的一个或多个相位中的电压增益或电压降；以及

基于所述检测的电压增益或电压降，识别在所述配电电路的一个或多个相位中的基于电阻的故障，其中识别所述基于电阻的故障包括：

如果检测到电压降，则将所述基于电阻的故障分类为在所述配电电路的所述输入和输出之间的高阻故障；以及

如果检测到电压增益，则将所述基于电阻的故障分类为在所述定子绕组中的定子故障。

19.根据权利要求18所述的方法，其中识别所述基于电阻的故障包括计算故障严重度指数(FSI)，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电压增益或电压降的量的幅度以及指示其中存在所述电压增益或电压降的所述配电电路中的所述一个相位或多个相位的角。

20.根据权利要求19所述的方法，其中计算所述FSI进一步包括将所述FSI的所述电压相量定位到所述三相输出中的一个或多个相位，其中定位所述电压相量包括：

确定所述电压相量的相位角；

将所述电压相量的所述相位角与所述相位中的每一个相位的定位参考相位角比较；

确定在所述电压相量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是否处于预定角度范围内；以及

如果在所述电压相量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，则将所述电压相量定位到一个相位；

否则，如果在所述电压相量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所述预定角度范围内，则将所述电压相量定位到一个以上的相位，其中量化在所述一个以上的相位中的每一个相位中的电压增益或电压损耗的量。