CN109142963B - 一种匝间短路故障定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匝间短路故障定位系统及方法，包括脉冲发生单元、数据采集单元、保护单元、故障判断及定位单元、数据存储单元和显示单元，脉冲发生单元的输出端与转子线圈的两端相连接，数据采集单元的输入端通过保护单元与转子线圈的两端相连接，数据采集单元的输出端与故障判断及定位单元的输入端相连接，数据存储单元、显示单元分别与故障判断及定位单元相连接。本发明结构简单、可靠、体积小、重量轻，并且通过保护单元对数据采集单元进行保护，能够防止过压或过流对系统造成损坏；以及通过相似度计算实现被测线圈故障判断和故障定位，提高了线圈故障定位效率，同时也使得诊断结果更加可靠。

Description

一种匝间短路故障定位系统及方法

技术领域

本发明属于线圈匝间短路故障诊断技术领域，涉及一种匝间短路故障定位系统及方法。

背景技术

作为电力系统最核心的动力部件，负责主要的电力生产任务，它的运行可靠性直接影响电网的安全运行。伴随电力工业的飞速发展和发电厂单机装机容量的不断增大，对运行时的可靠性要求越来越高。一旦发生故障特别是恶性故障，则会影响整个电力系统的正常运转，给国民经济带来巨大损失。有调查研究表明：在已运行的大型组中，线圈匝间短路是的典型故障之一，且在故障总数中占有较大比例。因此，尽早发现线圈绕组的匝间绝缘问题对于保证的安全运行非常重要，准确诊断与定位线圈匝间短路故障位置具有重要意义。

重复脉冲法是一种简单有效的匝间短路无损检测方法，其检测原理是分析注入线圈绕组的脉冲信号的反射波和折射波的响应特征曲线，根据特征曲线的特征判断匝间短路故障位置。

专利号为CN105277835A公开了发电机转子匝间短路故障的定位方法和装置，该发明采用重复脉冲法获取转子绕组特征波形，通过在预先设置的特征波形数据库中查找与之相匹配的特征波形，获取该特征波形对应的故障位置信息来定位转子匝间短路故障位置。该发明着重描述了如何利用与检测获取的响应差值波形相匹配的特征波形的数据库记录信息来确定转子的匝间短路故障位置，由于数据采集端需要与线圈连接，但是其中没有提及对数据采集单元采取相应的保护措施，并且对于如何进行测试获取的响应差值波形和数据库中特征波形的相匹配判断并未给出明确的方法，而判断测试相应差值波形与特征波形的相似度是该定位方法的关键。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种能够防止过压或过流对系统造成损坏，提高线圈故障定位效率，诊断结果更加可靠的匝间短路故障定位系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种匝间短路故障定位系统，包括脉冲发生单元、数据采集单元、保护单元、故障判断及定位单元、数据存储单元和显示单元；所述脉冲发生单元的输出端与转子线圈的两端相连接；所述数据采集单元的输入端通过保护单元与转子线圈的两端相连接；所述数据采集单元的输出端与故障判断及定位单元的输入端相连接；所述的数据存储单元、显示单元分别与所述的故障判断及定位单元相连接。

作为进一步的技术改进，所述的脉冲发生单元包括壳体Ⅰ、以及设置在壳体Ⅰ内的脉冲信号发生电路和微型变压器Ⅰ；所述的壳体Ⅰ上设有脉冲输出端口和开关Ⅰ；所述的脉冲输出端口和开关Ⅰ分别集成在脉冲信号发生电路上；所述的脉冲输出端口上连接设有脉冲输出线，脉冲输出线的另一端上安装有连接插头Ⅰ；所述的连接插头Ⅰ安装在转子线圈上；所述的微型变压器Ⅰ上连接设有电源线Ⅰ；所述的脉冲信号发生电路与微型变压器Ⅰ电相连。

作为进一步的技术改进，所述的数据采集单元包括壳体Ⅱ、以及安装在壳体Ⅱ内的脉冲信号采集卡和微型变压器Ⅱ；所述的壳体Ⅱ上设有脉冲输入端口、开关Ⅱ和数据输出端口；所述的脉冲输入端口、开关Ⅱ和数据输出端口分别集成在脉冲信号采集卡上；所述的脉冲输入端口上连接设有脉冲输入线，脉冲输入线的另一端上安装有连接插头Ⅱ；所述的数据输出端口上连接设有数据输出线，数据输出线的另一端上安装有连接插头Ⅲ；所述的微型变压器Ⅱ上连接设有电源线Ⅱ；所述的脉冲信号采集卡与微型变压器Ⅱ电相连。

作为进一步的技术改进，所述的保护单元安装在壳体Ⅱ内，保护单元与微型变压器Ⅱ电相连；所述的保护单元主要由两组保护电路组成；所述的保护电路包括熔丝M、电容C、电压跟随器N、二极管D1和齐纳二极管D2；所述的熔丝M的一端与转子线圈的一端连接，熔丝M的另一端与电容C的一端连接，电容C的另一端与电压跟随器N的第一引脚相连，电压跟随器N的第三引脚与齐纳二极管D2的一端、直流电源负极连接，齐纳二极管D2的另一端与电压跟随器N、直流电源正极连接，电压跟随器N的第四引脚与二极管D1的一端连接，二极管D1的另一端与电压跟随器N的第二引脚、连接插头Ⅱ连接。

作为进一步的技术改进，所述的故障判断及定位单元包括脉冲信号处理装置；所述的显示单元包括显示器；所述的数据存储单元为存储器；所述的脉冲信号处理装置包括壳体Ⅲ、以及安装在壳体内的脉冲信号处理电路和微型变压器Ⅲ；所述的壳体Ⅲ上设有数据输入端口和开关Ⅲ；所述的数据输入端口、开关Ⅲ和存储器均集成在脉冲信号处理电路上；所述的显示器、脉冲信号处理电路分别与微型变压器Ⅲ电相连；所述的微型变压器Ⅲ上连接设有电源线Ⅲ；所述的显示器与脉冲信号处理电路相连；所述的连接插头Ⅲ与连接插头Ⅲ相连接。

作为进一步的技术改进，所述的脉冲信号处理电路主要由ZYNQ7020扩展平台组成，ZYNQ7020扩展平台上集成有ARM处理器。

一种匝间短路故障定位方法，包括以下步骤：

步骤一，脉冲发生单元输出两路完全相同的重复脉冲特征波至转子线圈两端；

步骤二，数据采集单元在采集转子线圈两侧重复脉冲特征波的反射波和折射波过程中，保护单元可以防止转子线圈中瞬时的过压或过流对数据采集单元造成损坏；

步骤三，数据采集单元将重复脉冲特征波波形通过通信总线发送给故障判断及定位单元；

步骤四，故障判断及定位单元根据内置的相似性算法对测试获取的重复脉冲特征波波形与数据存储单元内的故障特征波形进行相似度计算，根据相似值筛选相似度较高的特征波形，判断被测线圈是否发生故障，并根据该波形的匝间短路故障信息获取故障匝间位置。

作为进一步的技术改进，在步骤四中相似性算法相似度计算的步骤具体为：

步骤一：利用相关系数法对实时测试的转子线圈差值响应波形和无故障数据库中的特征波形进行相似性分析，其相似值计算方式为：

；

其中N是相位窗个数，x是相位窗内正半轴放电量均值，y是相位窗内负半轴放电量均值。

步骤二，判断实时测试的差值响应波形与无故障特征波形是否相匹配；

步骤三，若测试差值响应波形与数据库无故障特征波形不匹配，则利用故障数据库中特征波形对测试差值响应波形进行相似度分析，得到测试差值响应波形与故障特征波形的相似值ρ_xy；

步骤四，根据计算的相似值寻找与测试差值响应波形匹配度较高的故障特征波形，相似值ρ_xy越接近1，其相似度越高。

作为进一步的技术改进，在步骤二中判断实时测试的差值响应波形与无故障特征波形是否相匹配的判断方法具体为：

若ρ_xy>0.5：测试差值响应波形与无故障数据库中特征波形相匹配；

若ρ_xy<0.5：测试差值响应波形与无故障数据库中特征波形不匹配。

作为进一步的技术改进，在步骤四中相似值寻找方法具体为：

0.8<ρ_xy≤1：高度相似；

0.5≤ρ_xy≤0.8：显著相似；

ρ_xy<0.5：不相关。

数据采集单元采样率为100Ms/s。

数据存储单元：选用eMMC存储器，存储容量为4G，用于存储转子线圈匝间重复脉冲法特征波形；包括无故障状态单元和故障状态单元，分别用于存储转子线圈无故障下和存在匝间短路故障时的重复脉冲法特征波形。

显示单元：选用液晶显示屏，显示分辨率为800*480，用于显示被测转子线圈的特征波形及是否存在故障。

故障判断及定位单元：选用ZYNQ7020可扩展平台，将相似性分析程序写入ZYNQ7020中。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

1.本发明结构简单、可靠、体积小、重量轻，适合在各种应用场合下参与检测线圈匝间短路故障。

2.本发明调用数据存储单元中的特征波形和被测线圈波形对比，通过相似度计算实现被测线圈故障判断和故障定位，分析过程避免了对于无故障特征波形的定位分析，提高了线圈故障定位效率，同时也使得诊断结果更加可靠。

3.本发明通过保护单元对数据采集单元进行保护，能够防止数据采集过程因为过压或过流对系统造成损坏。

附图说明

图1为本发明的系统原理图。

图2为本发明中脉冲发生单元的结构示意图。

图3为本发明中数据采集单元的结构示意图。

图4为本发明中脉冲信号处理装置的结构示意图。

图5为本发明中保护电路的电路原理图。

图6为本发明中相似度算法流程图。

附图标记：1-连接插头Ⅰ，2-脉冲输出线，3-壳体Ⅰ，4-脉冲输出端口，5-电源线Ⅰ，6-开关Ⅰ，7-连接插头Ⅱ，8-脉冲输入线，9-壳体Ⅱ，10-脉冲输入端口，11-数据输出线，12-开关Ⅱ，13-电源线Ⅱ，14-数据输入端口，15-开关Ⅲ，16-壳体Ⅲ，17-显示器，18-电源线Ⅲ，19-连接插头Ⅲ，20-数据输出端口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

一种匝间短路故障定位系统，包括脉冲发生单元、数据采集单元、保护单元、故障判断及定位单元、数据存储单元和显示单元；所述脉冲发生单元的输出端与转子线圈的两端相连接；所述数据采集单元的输入端通过保护单元与转子线圈的两端相连接；所述数据采集单元的输出端与故障判断及定位单元的输入端相连接；所述的数据存储单元、显示单元分别与所述的故障判断及定位单元相连接。

所述的脉冲发生单元包括壳体Ⅰ3、以及设置在壳体Ⅰ3内的脉冲信号发生电路和微型变压器Ⅰ；所述的壳体Ⅰ3上设有脉冲输出端口4和开关Ⅰ6；所述的脉冲输出端口4和开关Ⅰ6分别集成在脉冲信号发生电路上；所述的脉冲输出端口4上连接设有脉冲输出线2，脉冲输出线2的另一端上安装有连接插头Ⅰ1；所述的连接插头Ⅰ1安装在转子线圈上；所述的微型变压器Ⅰ上连接设有电源线Ⅰ5；所述的脉冲信号发生电路与微型变压器Ⅰ电相连。

所述的数据采集单元包括壳体Ⅱ9、以及安装在壳体Ⅱ9内的脉冲信号采集卡和微型变压器Ⅱ；所述的壳体Ⅱ9上设有脉冲输入端口10、开关Ⅱ12和数据输出端口20；所述的脉冲输入端口10、开关Ⅱ12和数据输出端口20分别集成在脉冲信号采集卡上；所述的脉冲输入端口10上连接设有脉冲输入线8，脉冲输入线8的另一端上安装有连接插头Ⅱ7；所述的数据输出端口20上连接设有数据输出线11，数据输出线11的另一端上安装有连接插头Ⅲ19；所述的微型变压器Ⅱ上连接设有电源线Ⅱ13；所述的脉冲信号采集卡与微型变压器Ⅱ电相连。

所述的保护单元安装在壳体Ⅱ9内，保护单元与微型变压器Ⅱ电相连；所述的保护单元主要由两组保护电路组成；所述的保护电路包括熔丝M、电容C、电压跟随器N、二极管D1和齐纳二极管D2；所述的熔丝M的一端与转子线圈的一端连接，熔丝M的另一端与电容C的一端连接，电容C的另一端与电压跟随器N的第一引脚相连，电压跟随器N的第三引脚与齐纳二极管D2的一端、直流电源负极连接，齐纳二极管D2的另一端与电压跟随器N、直流电源正极连接，电压跟随器N的第四引脚与二极管D1的一端连接，二极管D1的另一端与电压跟随器N的第二引脚、连接插头Ⅱ7连接。

所述的故障判断及定位单元包括脉冲信号处理装置；所述的显示单元包括显示器17；所述的数据存储单元为存储器；所述的脉冲信号处理装置包括壳体Ⅲ16、以及安装在壳体内的脉冲信号处理电路和微型变压器Ⅲ；所述的壳体Ⅲ16上设有数据输入端口14和开关Ⅲ15；所述的数据输入端口14、开关Ⅲ15和存储器均集成在脉冲信号处理电路上；所述的显示器17、脉冲信号处理电路分别与微型变压器Ⅲ电相连；所述的微型变压器Ⅲ上连接设有电源线Ⅲ18；所述的显示器17与脉冲信号处理电路相连；所述的连接插头Ⅲ19与连接插头Ⅲ19相连接。

所述的脉冲信号处理电路主要由ZYNQ7020扩展平台组成，ZYNQ7020扩展平台上集成有ARM处理器。

一种匝间短路故障定位方法，包括以下步骤：

步骤一，脉冲发生单元输出两路完全相同的重复脉冲特征波至转子线圈两端；

步骤二，数据采集单元在采集转子线圈两侧重复脉冲特征波的反射波和折射波过程中，保护单元可以防止转子线圈中瞬时的过压或过流对数据采集单元造成损坏；

步骤三，数据采集单元将重复脉冲特征波波形通过通信总线发送给故障判断及定位单元；

步骤四，故障判断及定位单元根据内置的相似性算法对测试获取的重复脉冲特征波波形与数据存储单元内的故障特征波形进行相似度计算，根据相似值筛选相似度较高的特征波形，判断被测线圈是否发生故障，并根据该波形的匝间短路故障信息获取故障匝间位置。

在步骤四中相似性算法相似度计算的步骤具体为：

步骤一：利用相关系数法对实时测试的转子线圈差值响应波形和无故障数据库中的特征波形进行相似性分析，其相似值计算方式为：

；

步骤二，判断实时测试的差值响应波形与无故障特征波形是否相匹配；

步骤三，若测试差值响应波形与数据库无故障特征波形不匹配，则利用故障数据库中特征波形对测试差值响应波形进行相似度分析，得到测试差值响应波形与故障特征波形的相似值ρ_xy；

步骤四，根据计算的相似值寻找与测试差值响应波形匹配度较高的故障特征波形，相似值ρ_xy越接近1，其相似度越高。

在步骤二中判断实时测试的差值响应波形与无故障特征波形是否相匹配的判断方法具体为：

若ρ_xy>0.5：测试差值响应波形与无故障数据库中特征波形相匹配；

若ρ_xy<0.5：测试差值响应波形与无故障数据库中特征波形不匹配。

在步骤四中相似值寻找方法具体为：

0.8<ρ_xy≤1：高度相似；

0.5≤ρ_xy≤0.8：显著相似；

ρ_xy<0.5：不相关。

Claims (4)

1.一种匝间短路故障定位系统，其特征在于：包括脉冲发生单元、数据采集单元、保护单元、故障判断及定位单元、数据存储单元和显示单元；所述脉冲发生单元的输出端与转子线圈的两端相连接；所述数据采集单元的输入端通过保护单元与转子线圈的两端相连接；所述数据采集单元的输出端与故障判断及定位单元的输入端相连接；所述的数据存储单元、显示单元分别与所述的故障判断及定位单元相连接；

所述的脉冲发生单元包括壳体Ⅰ（3）、以及设置在壳体Ⅰ（3）内的脉冲信号发生电路和微型变压器Ⅰ；所述的壳体Ⅰ（3）上设有脉冲输出端口（4）和开关Ⅰ（6）；所述的脉冲输出端口（4）和开关Ⅰ（6）分别集成在脉冲信号发生电路上；所述的脉冲输出端口（4）上连接设有脉冲输出线（2），脉冲输出线（2）的另一端上安装有连接插头Ⅰ（1）；所述的连接插头Ⅰ（1）安装在转子线圈上；所述的微型变压器Ⅰ上连接设有电源线Ⅰ（5）；所述的脉冲信号发生电路与微型变压器Ⅰ电相连；

所述的数据采集单元包括壳体Ⅱ（9）、以及安装在壳体Ⅱ（9）内的脉冲信号采集卡和微型变压器Ⅱ；所述的壳体Ⅱ（9）上设有脉冲输入端口（10）、开关Ⅱ（12）和数据输出端口（20）；所述的脉冲输入端口（10）、开关Ⅱ（12）和数据输出端口（20）分别集成在脉冲信号采集卡上；所述的脉冲输入端口（10）上连接设有脉冲输入线（8），脉冲输入线（8）的另一端上安装有连接插头Ⅱ（7）；所述的数据输出端口（20）上连接设有数据输出线（11），数据输出线（11）的另一端上安装有连接插头Ⅲ（19）；所述的微型变压器Ⅱ上连接设有电源线Ⅱ（13）；所述的脉冲信号采集卡与微型变压器Ⅱ电相连；

所述的保护单元安装在壳体Ⅱ（9）内，保护单元与微型变压器Ⅱ电相连；所述的保护单元主要由两组保护电路组成；所述的保护电路包括熔丝M、电容C、电压跟随器N、二极管D1和齐纳二极管D2；所述的熔丝M的一端与转子线圈的一端连接，熔丝M的另一端与电容C的一端连接，电容C的另一端与电压跟随器N的第一引脚相连，电压跟随器N的第三引脚与齐纳二极管D2的一端、直流电源负极连接，齐纳二极管D2的另一端与电压跟随器N、直流电源正极连接，电压跟随器N的第四引脚与二极管D1的一端连接，二极管D1的另一端与电压跟随器N的第二引脚、连接插头Ⅱ（7）连接。

2.根据权利要求1所述的一种匝间短路故障定位系统，其特征在于：所述的故障判断及定位单元包括脉冲信号处理装置；所述的显示单元包括显示器（17）；所述的数据存储单元为存储器；所述的脉冲信号处理装置包括壳体Ⅲ（16）、以及安装在壳体内的脉冲信号处理电路和微型变压器Ⅲ；所述的壳体Ⅲ（16）上设有数据输入端口（14）和开关Ⅲ（15）；所述的数据输入端口（14）、开关Ⅲ（15）和存储器均集成在脉冲信号处理电路上；所述的显示器（17）、脉冲信号处理电路分别与微型变压器Ⅲ电相连；所述的微型变压器Ⅲ上连接设有电源线Ⅲ（18）；所述的显示器（17）与脉冲信号处理电路相连；所述的连接插头Ⅲ（19）与连接插头Ⅲ（19）相连接。

3.根据权利要求2所述的一种匝间短路故障定位系统，其特征在于：所述的脉冲信号处理电路主要由ZYNQ7020扩展平台组成，ZYNQ7020扩展平台上集成有ARM处理器。

4.一种匝间短路故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，脉冲发生单元输出两路完全相同的重复脉冲特征波至转子线圈两端；

步骤二，数据采集单元在采集转子线圈两侧重复脉冲特征波的反射波和折射波过程中，保护单元可以防止转子线圈中瞬时的过压或过流对数据采集单元造成损坏；

步骤三，数据采集单元将重复脉冲特征波波形通过通信总线发送给故障判断及定位单元；

步骤四，故障判断及定位单元根据内置的相似性算法对测试获取的重复脉冲特征波波形与数据存储单元内的故障特征波形进行相似度计算，根据相似值筛选相似度较高的特征波形，判断被测线圈是否发生故障，并根据该波形的匝间短路故障信息获取故障匝间位置；

在步骤四中相似性算法相似度计算的步骤具体为：

步骤1）利用相关系数法对实时测试的转子线圈差值响应波形和无故障数据库中的特征波形进行相似性分析，其相似值计算方式为：

；

步骤2）判断实时测试的差值响应波形与无故障特征波形是否相匹配；具体为：

若ρ_xy>0.5：测试差值响应波形与无故障数据库中特征波形相匹配；

若ρ_xy<0.5：测试差值响应波形与无故障数据库中特征波形不匹配；

步骤3）若测试差值响应波形与数据库无故障特征波形不匹配，则利用故障数据库中特征波形对测试差值响应波形进行相似度分析，得到测试差值响应波形与故障特征波形的相似值ρ_xy；

步骤4）根据计算的相似值寻找与测试差值响应波形匹配度较高的故障特征波形，相似值ρ_xy越接近1，其相似度越高；

所述的相似值寻找方法具体为：

0.8<ρ_xy≤1：高度相似；

0.5≤ρ_xy≤0.8：显著相似；

ρ_xy<0.5：不相关。

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