CN109239518B - 变频调速系统故障漏电流检测方法 - Google Patents

变频调速系统故障漏电流检测方法 Download PDF

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    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections

Abstract

本发明公开了一种变频调速系统故障漏电流检测方法，该方法包括如下步骤：步骤一，对线路中潜在故障点的漏电流进行移窗FFT计算；步骤二，得到特征频率点的幅值，并与上一窗口FFT计算结果对比；步骤三，当某一特征频率点的幅值变化量超过设定阈值时，则认为线路中存在漏电故障，反之则重复实施上述步骤。本发明的有益效果是，检测效果好。

Description

变频调速系统故障漏电流检测方法
技术领域
本发明涉及领域，特别是一种变频调速系统故障漏电流检测方法。
背景技术
现代工业中所应用的变频调速系统多数由采用脉宽调制技术(PWM)的变频器驱动，图1为变频调速系统结构示意图。
由于PWM脉宽调制控制方式的原因，变频器中逆变部分的开关器件工作在高频开关状态，所输出的电压波形不连续，根据共模电压ucom定义
Figure BDA0001845951990000011
uao、ubo、uco分别为逆变器输出端(电机输入端)三相对地电压，线路中会存在幅值较大的高频共模电压。同时，变频调速系统中的输电线缆对地、电机定子绕组对外壳(外壳)、转子对轴(接地)之间存在大量寄生电容，高频共模电压会对寄生电容进行充放电形成高幅值、高频率的共模电流(正常漏电流)。系统中的共模电流有多条流通路径，如图2所示。
变频调速系统需要安装漏电保护装置对人身触电以及矿井下瓦斯爆炸等漏电故障进行保护，但是由于系统正常运行时存在高幅值的正常漏电流，导致漏电保护装置认为系统存在漏电故障而频繁发生误动作。实际应用中普遍采取的应对措施是人为提高漏电保护装置的动作阈值和动作时间，或者直接去除漏电保护装置，导致无法有效保护漏电故障；即使漏电保护装置不发生误动作，当存在漏电故障时，故障漏电流和系统固有的正常漏电流混杂在一起形成混合漏电流，现有的漏电检测和保护理论不能区分正常漏电流和故障漏电流，进而无法实现对漏电故障的有效保护，导致变频调速系统存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种变频调速系统故障漏电流检测方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种变频调速系统故障漏电流检测方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，对线路中潜在故障点的漏电流进行移窗FFT计算；
步骤二，得到特征频率点的幅值，并与上一窗口FFT计算结果对比；
步骤三，当某一特征频率点的幅值变化量超过设定阈值时，则认为线路中存在漏电故障，反之则重复实施上述步骤。
所述步骤1中的潜在的故障点包括变频器输入侧、变频器直流侧和变频器输出侧。
所述移窗FFT计算的计算方法是对电机三相输入电流矢量和进行测量，为了便于测量不同频率段信号，采用三个不同时间长度采样窗口进行数据采集，采样周期优选值为25/50/100微秒，即采样频率为40/20/10kHz，FFT窗口时长为100毫秒(10Hz)，即每个窗口包括4/2/1k个采样点，对窗口内的数据点进行FFT分析，可得到基频为10Hz，从10Hz到40/20/10kHz的频谱幅值，采样窗口数据点数恒定，按一定的步长滑动更新。例如滑动步长为1，即每测得一个新的采样数据，便剔除掉窗口内最旧的一个采样数据，由此保持FFT窗口所包含采样点数的恒定。每更新一个采样数据，对窗口内采样数据进行一次FFT计算，此检测算法可通过DSP或FPGA实现。
所述步骤三中的设定阈值是通过计算特征频率点幅值的变化量判断是否存在漏电故障。
特征频率点包括但不限于：直流、电网频率(50Hz)及其三倍频(150Hz)、电机旋转频率和逆变器调制频率。
计算各特征频率点的幅值在一定时间间隔(如10ms)内的变化量，当任一特征频率点的幅值变化量超过一定比较阈值时，即可判断存在漏电故障，各特征频率点比较阈值优选其既有幅值的一半。例如，漏电流中直流分量幅值长期稳定在1A左右，当其幅值在10ms内的变化量大于0.5A时，即其幅值在10ms内增大至1.5A以上或减小至0.5A以下，便可判断存在漏电故障。
所述步骤二中的特征频率点包括直流电机旋转频率、逆变器调制频率、电网频率及其三倍频。
所述采用上述方法检测漏电故障的检测电路包括漏电流互感器、磁调制电路、低通滤波电路和微处理器，电路连接关系如图8所示，漏电流互感器和磁调制电路配合使用，用于检测直/交流漏电流信号，磁调制电路输出信号输入低通滤波电路，滤除漏电流信号中的高频成分，只保留包含特征频率点的信号，微处理器运行检测算法，对滤波后的漏电流信号进行分析。
方法基本原理为：对线路中潜在故障点(变频器输入侧、变频器直流侧和变频器输出侧，如图3所示)的漏电流进行实时FFT分析，并观测频谱中特征频率点(如直流、电机旋转频率、逆变器调制频率、电网频率及其三倍频，即50Hz和150Hz，等)的幅值变化。当线路中不存在漏电故障时，特征频率点的幅值变化很小；当线路中发生漏电故障时，特征频率点的幅值首先会有较大的阶跃变化，然后保持稳定。通过检测线路漏电流特征频率点的幅值变化即可实现故障漏电流的检测和保护。
利用本发明的技术方案制作的变频调速系统故障漏电流检测方法，变频调速系统正常运行时存在高幅值的正常漏电流，当发生漏电故障时，故障漏电流和系统固有的正常漏电流混杂在一起形成混合漏电流，现有的漏电检测和保护理论不能区分正常漏电流和故障漏电流，无法实现对漏电故障的有效保护，导致变频调速系统存在安全隐患。本方法通过检测混合漏电流中特定频率点的幅值变化量来判断漏电故障，能够有效识别故障漏电流，对漏电故障进行保护，提高变频调速系统安全性和可靠性。
附图说明
图1是本发明所述变频调速系统故障漏电流检测方法的变频调速系统结构示意图；
图2是本发明所述变频调速系统故障漏电流检测方法的共模电流流通路径示意图；
图3是本发明所述变频调速系统故障漏电流检测方法的潜在故障点及相应漏电流波形示意图；
图4是本发明所述变频调速系统故障漏电流检测方法的实施流程图；
图5是本发明所述变频调速系统故障漏电流检测方法的f1点漏电流波形及其频谱分析；
图6是本发明所述变频调速系统故障漏电流检测方法的f2点漏电流波形及其频谱分析；
图7是本发明所述变频调速系统故障漏电流检测方法的f3点漏电流波形及其频谱分析；
图8是本发明所述检测漏电故障的检测电路的电路说明图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-7所示，一种变频调速系统故障漏电流检测方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，对线路中潜在故障点的漏电流进行移窗FFT计算；
步骤二，得到特征频率点的幅值，并与上一窗口FFT计算结果对比；
步骤三，当某一特征频率点的幅值变化量超过设定阈值时，则认为线路中存在漏电故障，反之则重复实施上述步骤。其中，所述步骤1中的潜在的故障点包括变频器输入侧、变频器直流侧和变频器输出侧；所述移窗FFT计算的计算方法是对电机三相输入电流矢量和进行测量，为了便于测量不同频率段信号，采用三个不同时间长度采样窗口进行数据采集，采样周期优选值为25/50/100微秒，即采样频率为
40/20/10kHz，FFT窗口时长为100毫秒(10Hz)，即每个窗口包括4/2/1k个采样点，对窗口内的数据点进行FFT分析，可得到基频为10Hz，从10Hz到40/20/10kHz的频谱幅值，采样窗口数据点数恒定，按一定的步长滑动更新。例如滑动步长为1，即每测得一个新的采样数据，便剔除掉窗口内最旧的一个采样数据，由此保持FFT窗口所包含采样点数的恒定。每更新一个采样数据，对窗口内采样数据进行一次FFT计算，此检测算法可通过DSP或FPGA实现；所述步骤三中的设定阈值是通过计算特征频率点幅值的变化量判断是否存在漏电故障。
特征频率点包括但不限于：直流、电网频率(50Hz)及其三倍频(150Hz)、电机旋转频率和逆变器调制频率。
计算各特征频率点的幅值在一定时间间隔(如10ms)内的变化量，当任一特征频率点的幅值变化量超过一定比较阈值时，即可判断存在漏电故障，各特征频率点比较阈值优选其既有幅值的一半。例如，漏电流中直流分量幅值长期稳定在1A左右，当其幅值在10ms内的变化量大于0.5A时，即其幅值在10ms内增大至1.5A以上或减小至0.5A以下，便可判断存在漏电故障；所述步骤二中的特征频率点包括直流电机旋转频率、逆变器调制频率、电网频率及其三倍频；所述采用上述方法检测漏电故障的检测电路包括漏电流互感器、磁调制电路、低通滤波电路和微处理器，电路连接关系如图8所示，漏电流互感器和磁调制电路配合使用，用于检测直/交流漏电流信号，磁调制电路输出信号输入低通滤波电路，滤除漏电流信号中的高频成分，只保留包含特征频率点的信号，微处理器运行检测算法，对滤波后的漏电流信号进行分析。
当逆变器调制频率为4kHz时，变频调速系统中各个潜在故障点的漏电流波形实测值及其频谱分析如图5-7所示。其中，f1点发生漏电故障时，漏电流中电网频率及其三倍频分量的幅值变化较明显；f2点发生漏电故障时，漏电流中直流分量的幅值变化较明显；f3点发生漏电故障时，漏电流中逆变器调制频率分量的幅值变化较明显。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变频调速系统故障漏电流检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，对线路中潜在故障点的漏电流进行移窗FFT计算；
步骤二，得到特征频率点的幅值，并与上一窗口FFT计算结果对比；
步骤三，当某一特征频率点的幅值变化量超过设定阈值时，则认为线路中存在漏电故障，反之则重复实施上述步骤；
所述移窗FFT计算的计算方法是对电机三相输入电流矢量和进行测量，为了便于测量不同频率段信号，采用三个不同时间长度采样窗口进行数据采集，采样周期值为25/50/100微秒，即采样频率为40/20/10kHz，FFT窗口时长为100毫秒，即每个窗口包括4/2/1k个采样点，对窗口内的数据点进行FFT分析，可得到基频为10Hz，从10Hz到40/20/10kHz的频谱幅值，采样窗口数据点数恒定，按一定的步长滑动更新，滑动步长取1，即每测得一个新的采样数据，便剔除掉窗口内最旧的一个采样数据，由此保持FFT窗口所包含采样点数的恒定，每更新一个采样数据，对窗口内采样数据进行一次FFT计算，计算方法通过DSP或FPGA实现。
2.根据权利要求1所述的变频调速系统故障漏电流检测方法，其特征在于，所述步骤一中的潜在的故障点包括变频器输入侧、变频器直流侧和变频器输出侧。
3.根据权利要求1所述的变频调速系统故障漏电流检测方法，其特征在于，所述步骤二中的特征频率点包括直流电机旋转频率、逆变器调制频率、电网频率及其三倍频。
4.根据权利要求1所述的变频调速系统故障漏电流检测方法，其特征在于，采用上述方法检测漏电故障的检测电路包括漏电流互感器、磁调制电路、低通滤波电路和微处理器。
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