CN110231553A - 一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，属于电机槽绝缘安全评估技术领域，解决现有技术中不能提前评估强电场对电机槽绝缘冲击造成的危害等问题。本发明基于场路分析建立电机槽绝缘电场冲击评估模型；基于获取的试验样本进行场路分析获得电机槽绝缘故障识别样本；基于建立的电机槽绝缘电场冲击评估模型对电机槽绝缘电场冲击进行评估，根据评估结果进行电机槽绝缘安全预警。本发明采集模块、A/D转换器、单片机和用于构造与存储电机槽绝缘电场冲击评估模型，接收单片机上传的实时数据进行场路分析计算，对电机槽绝缘电场冲击进行评估的微型计算机，以及报警模块：根据评估结果进行电机槽绝缘安全预警。

Description

一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置

技术领域

本发明涉及电机槽绝缘安全评估技术领域，尤其是涉及一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置。

背景技术

目前，越来越多的大电机投入电网运行。随着电网电压等级的提高，过电压的危害性越显 突出。电机在过电压形成的电场冲击下容易造成其内部槽绝缘损伤，诱发绝缘事故，直接影 响工业生产与交通运输安全。

国内外研究在过电压作用下的电机绝缘安全问题，采用电机绕组的波阻抗与波速近似模拟过电压过程，从而计算分析电机绕组上的过电压分布，但这种方法只能计算电 机绕组上的过电压，无法对电机槽绝缘安全进行准确的评估。评估强电场对电机槽绝缘 冲击造成的危害程度，诊断电机槽绝缘故障的隐患点，对提高大电机的安全运行水平 和预知性维护能力都十分必要。因此，寻求一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估 装置是以待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，通过电机试验与数值计算，构建电机槽绝缘电场冲击评估模型与评估装置，基于电场计算和模糊 识别实现对电机槽绝缘电场冲击评估，减少电机绝缘事故，提高电机的安全运行水平 和预知性维护能力。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的。

一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，包括以下内容：

(1)建立电机槽绝缘电场冲击评估模型：包括冲击电场特征量、槽绝缘电场冲击合成特征量、槽绝缘状态综合特征矢量、槽绝缘电场冲击评估模糊识别模式。

冲击电场特征量由冲击电场幅值特征量和冲击电场时间特征量组成，按以下步骤构造：

(a)冲击电场幅值特征量：冲击电场幅值特征量表征绝缘介质内部电场强度与该绝缘介电强度之间相对性关系，

E_imax(t)为在t时刻电机定子槽内第i个有限单元内绝缘介质中的最大冲击电场强度值；E_εi为第i个有限单元内绝缘介质的介电强度；α_ti反映t时刻槽截面最大冲击 电场强度与绝缘介质击穿场强E_εi的幅值关系。

(b)冲击电场时间特征量：冲击电场时间特征量表征冲击电场的冲击过程对绝缘介质击穿的激化效应，

E_imax(t_k)和E_imax(t_k-1)分别是在冲击过程t_k和t_k-1瞬时，第i个有限单元内绝缘介质中最大冲击电场强度值；β_ti反映绝缘介质中最大场强的冲击变化，表征电场的冲 击时间特征。

槽绝缘电场冲击合成特征量，是表征冲击电场对槽绝缘的综合效应。槽绝缘电场冲击合成特征量由冲击电场特征量与槽绝缘局部放电量q_t构成：

γ_ti＝q_t/(k_aiα_ti+k_biβ_ti) (3)

γ_ti为定子槽内第i个单元的槽绝缘电场冲击合成特征量；k_ai，k_bi为第i个单元的电场冲击因子集合，k_ai，k_bi冲击因子由试验与仿真计算获取后，预存在计算机内存 中。

槽绝缘电场冲击评估模糊识别模式：在定子槽截面p(x，y)的M个绝缘介质单元上，对槽绝缘电场冲击合成特征量进行比较，求取定子槽截面上最大的电场冲击合成特征 量

δ_mtp＝max{γ_t1，γ_t2，γ_t3，…，γ_ti，…，γ_tM} (4)

对第z号槽体进行N次平面剖分，求该定子槽内最大的电场冲击合成特征量

δ_mtz＝max{δ_mt1，δ_mt2，δ_mt3，...δ_mtj，...δ_mtN} (5)

同时求槽内最大的电场冲击合成特征量之和

由于冲击电场造成定子槽局部放电，槽绝缘状态监测获得在过电压形成的电场冲击过程中槽局部放电量Q(t)，构成综合反映槽绝缘状态的槽绝缘状态综合特征矢量 W_tz，

w_tz＝[δ_Mtz，δ_mtz，Q(t)] (7)

电机定子具有n个定子槽，其槽绝缘状态综合特征矢量构成n个模糊集按模糊模式识别方法的择近原则，与槽绝缘故障识别样本进行贴近度计算，实现电机槽绝缘电场冲击评估：

以模糊模式识别的计算值，评估电机在过电压形成的电场冲击过程中对绝缘造成的 危害程度，最大的绝缘安全评估值W_Mgz定位受到电场冲击最大的定子槽号以及诊断绝缘故障区域。

电机槽绝缘电场冲击评估模型由计算机编程后以程序模块预存在计算机的硬盘中，形成电机槽绝缘状态识别与故障诊断程序。

(2)构建电机槽绝缘故障识别样本：槽绝缘故障识别样本集包括槽绝缘电场冲击合成特征量中引入的冲击因子k_ai，k_bi。

过电压对电机定子槽绝缘的冲击作用程度，受到定子槽内冲击电场的强度、陡度、分布以及槽内绝缘介质等因素影响，槽绝缘电场冲击合成特征量引入冲击因子 k_ai，k_bi。绝缘故障识别样本集(包括k_ai，k_bi)由现场试验和数值仿真相结合，按以下步 骤求取：

(a)冲击电压G(t)作用下，监测电机端口G(t)波形和定子槽局部放电量Q(t)，采集绝缘状态特征量试验样本。

(b)根据试验数据，在G(t)作用下，采用有限元方法计算电机槽内冲击电场及冲击因子k_ai，k_bi。考虑冲击电场的综合效应，对一系列冲击电压[G₁(t)，G₂(t)，…，G_n(t)]试验，采用大数据计算得

对数据用数理统计方法求冲击因子k_ai，同理求k_bi。

(c)对电机过电压冲击试验，获得绝缘状态的实测数据：

进行大数据的场路计算处理后，获得槽绝缘状态综合特征矢量样本集，

从槽绝缘状态综合特征矢量样本集中，获取电机槽绝缘故障识别样本，

(3)实时监测电机端口的过电压G(t)波形、定子槽局部放电量Q(t)。选用电容分压器、探测线圈元件作为采集冲击过电压、局部放电信号传感元件。为了保证采样率 的实时性，选用30MHz转换速率的模数转换A/D芯片(ADS931)，多路信号送入到模 数转换A/D芯片(ADS931)，由单片机的实时采样软件完成信号采样、存储和上传到 微型计算机的任务。

(4)槽绝缘电场冲击评估算法实现。整套软件系统由实时采样、场路分析计算、 电机槽绝缘电场冲击评估以及预警模块组成，并存储在微型计算机的硬盘里。整套软 件系统在Windows操作系统支持下，采用VC++编程、有限元计算程序和数据库技术实 现。

(5)其评估装置由硬件部分(电容分压器、探测线圈、模数转换电路、单片机电 路、信号传输电路、微型计算机)和软件部分(实时采样程序、场路分析计算程序、 电机槽绝缘电场冲击评估程序以及预警程序)组成。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例的流程示意图。

图2是本发明的一个具体实施例的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

附图1，为本发明公开的一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，包括以下步骤：

建立电机槽绝缘电场冲击评估模型：包括冲击电场特征量、槽绝缘电场冲击合成特征量、槽绝缘状态综合特征矢量、槽绝缘电场冲击评估模糊识别模式。

构建电机槽绝缘故障识别样本：槽绝缘故障识别样本集包括槽绝缘电场冲击合成特征量中引入的冲击因子k_ai，k_bi。

实时监测电机端口的过电压G(t)波形、定子槽局部放电量Q(t)。选用电容分压器、探测线圈元件作为采集冲击过电压、局部放电信号传感元件。为了保证采样率的 实时性，选用30MHz转换速率的模数转换A/D芯片(ADS931)，多路信号送入到A/D 芯片(ADS931)，由单片机的实时采样软件完成信号采样、存储和上传到微型计算机 的任务。

槽绝缘电场冲击评估算法实现。软件系统由实时采样、场路分析计算、电机槽绝缘电场冲击评估以及预警模块组成，并存储在微型计算机的硬盘里。整套软件系统在Windows操作系统支持下，采用VC++编程、有限元计算程序和数据库技术实现。

图2是本发明的一个具体实施例的电路图。图2中1为电网母线，2为电力变压 器，3为电机入口端母线，4为大型电机，5为定子槽口探测线圈，6为电容分压器， 7为A/D模数转换器，8为采集信号的单片机，10为微型计算机，9为计算机数据传 输线，11为图像数据的显示器，12为输出图像数据的打印机，13为报警器。电机槽 绝缘电场冲击评估过程：(1)建立电机槽绝缘电场冲击评估模型：根据电机的相关 技术数据，构建冲击电场特征量、槽绝缘电场冲击合成特征量、槽绝缘状态综合特征 矢量、槽绝缘电场冲击评估模糊识别模式，并转换成绝缘状态故障诊断模块存贮在微 型计算机中。构建电机槽绝缘故障识别样本：根据现场试验和数值仿真结果，通过大 数据处理，获得槽绝缘状态综合特征矢量样本集，确定电机槽绝缘故障识别样本及k_ai，k_bi，并以识别样本参数存贮在微型计算机中。(3)实时监测电机端口的过电压 G(t)波形、定子槽局部放电量Q(t)：从电网母线1传播的过电压波，通过电力变压器 2传递到大型电机4的端口3处，被电容分压器6的电容器C1、C2分压，电容器C2采集的电压信号进入A/D模数转换器7(型号ADS931)，由ADS931进行高速度的模数 转换，同时定子槽口探测线圈检测到的槽绝缘局部放电量信号进入A/D模数转换器7 (型号ADS931)，由ADS931进行高速度的模数转换，这些电信号经过A/D模数转换器 转换后的数据进入单片机8(型号AT89C51)，然后单片机8通过数据传输线9上传到 微型计算机10，进行实时数据存储与数据处理。(4)实现槽绝缘电场冲击评估算法， 评估过电压形成的冲击电场对槽绝缘的危害程度：微型计算机10运行预存在硬盘中 的场路分析计算程序和电机槽绝缘状态识别与故障诊断程序，对电机定子槽绝缘电场 冲击程度进行评估，根据评估分析的计算结果，微型计算机10诊断出电机定子槽绝 缘事故区域及故障隐患点，诊断结果输入到显示器11和打印机12，越限报警指令传 送到报警器13，完成电场冲击的越限报警任务。

Claims (6)

1.一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，其特征在于，如下步骤：

步骤1、建立电机槽绝缘电场冲击评估模型；

步骤2、构建电机槽绝缘故障识别样本；

步骤3、实时监测电机端口的过电压G(t)波形及定子槽局部放电量Q(t)，采用建立的电机槽绝缘电场冲击评估模型对电机槽绝缘电场冲击进行评估；

步骤4、根据评估结果进行电机槽绝缘安全预警。

2.根据权利要求1所述的一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1构造冲击电场特征量：

构造表征绝缘介质内部中的最大冲击电场强度值与该绝缘介质的介电强度之间相对性关系的冲击电场幅值特征量，公式为：

式中，α_ti为电机定子槽截面第i个绝缘介质单元在t时刻的冲击电场幅值特征量，E_imax(t)为在t时刻电机定子槽内第i个绝缘介质有限单元内绝缘介质中的最大冲击电场强度值；E_εi为第i个有限绝缘介质单元内绝缘介质的介电强度；α_ti反映t时刻槽截面最大冲击电场强度与绝缘介质击穿场强E_εi的幅值关系；

构造表征冲击电场的冲击过程对绝缘介质击穿的激化效应的冲击电场时间特征量：冲击电场时间特征量表征冲击电场的冲击过程对绝缘介质击穿的激化效应，公式为：

式中，β_ti为电机定子槽截面第i个绝缘介质单元在t时刻的冲击电场时间特征量，E_imax(t_k)和E_imax(t_k-1)分别是在冲击过程t_k和t_k-1瞬时第i个绝缘介质有限单元内绝缘介质中的最大冲击电场强度值；

步骤1.2、基于构造的冲击电场特征量，构造槽绝缘电场冲击合成特征量：

构造由冲击电场特征量和槽绝缘局部放电量构成的槽绝缘电场冲击合成特征量，公式为：

γ_ti＝q_t/(k_aiα_ti+k_biβ_ti) (3)

式中，γ_ti为定子槽内第i个单元在t时刻的槽绝缘电场冲击合成特征量，k_ai，k_bi为第i个单元的电场冲击因子；

步骤1.3、基于构造的电场冲击合成特征量，构造槽绝缘状态综合特征矢量：

在定子槽截面p(x，y)的M个绝缘介质单元上，对槽绝缘电场冲击合成特征量进行比较，求取定子槽截面上最大的电场冲击合成特征量，公式如下：

δ_mtp＝max{γ_t1，γ_t2，γ_t3，...，γ_ti，...，γ_tM} (4)

对第z号定子槽槽体进行N次平面剖分，求该定子槽内N个截面的最大的电场冲击合成特征量，公式如下：

δ_mtz＝max{δ_mt1，δ_mt2，δ_mt3，...δ_mtj，...δ_mtN} (5)

同时求定子槽内N个截面的最大的电场冲击合成特征量之和，公式如下：

将采集的电场冲击过程中定子槽局部放电量Q(t)、定子槽内N个截面的最大的电场冲击合成特征量和定子槽内N个截面的最大的电场冲击合成特征量之和，构成综合反映槽绝缘状态的槽绝缘状态综合特征矢量W_tz，公式如下：

w_tz＝[δ_Mtz，δ_mtz，Q(t)] (7)；

步骤1.4、基于构造的槽绝缘状态综合特征矢量，构造槽绝缘电场冲击评估模糊识别模式：

电机定子具有n个定子槽，其槽绝缘状态综合特征矢量构成n个模糊集按基于模糊模式识别方法的择近原则，与构建的槽绝缘故障识别样本进行贴近度计算，具体评估公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、(a)在电机过电压G(t)作用下，监测电机端口G(t)波形和定子槽局部放电量Q(t)，作为试验样本；

步骤2.2、(b)根据试验数据，在G(t)作用下，采用有限元方法计算电机槽内冲击电场及冲击因子k_bi，k_bi，考虑冲击电场的综合效应，对一系列冲击电压[G₁(t)，G₂(t)，…，G_n(t)]试验，采用大数据计算得到：

对数据采用数理统计方法求得冲击因子k_ai，同理求k_bi；

步骤2.3、(c)对电机过电压冲击试验，获得与绝缘状态相关的实测数据：

基于获得的绝缘状态相关的的实测数据，进行大数据的场路计算处理后，获得槽绝缘状态综合特征矢量样本集，具体如下：

从槽绝缘状态综合特征矢量样本集中，获取电机槽绝缘故障识别样本，具体如下：

4.根据权利要求1所述的一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，其特征在于，所述步骤3的具体步骤为：

实时监测电机端口的过电压G(t)波形及定子槽局部放电量Q(t)，采用场路计算方法计算电机槽绝缘电场，求得槽绝缘状态综合特征矢量，对具有n个定子槽的电机，将n个槽绝缘状态综合特征矢量构成n个模糊集按基于模糊模式识别方法的择近原则，与构建的槽绝缘故障识别样本进行贴近度计算，实现电机槽绝缘电场冲击评估。

5.一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，其特征在于，包括：

采集模块：用于获取试验样本和实时监测的数据；

A/D转换器：用于将试验样本和实时监测的数据进行模数转换；

单片机：用于将A/D转换器转换的数据进行处理与上传；

微型计算机：用于构造与存储电机槽绝缘电场冲击评估模型，接收单片机上传的实时数据进行场路分析计算，对电机槽绝缘电场冲击进行评估；

报警模块：根据评估结果进行电机槽绝缘安全预警。

6.根据权利要求5所述的一种电机槽绝缘电场冲击评估方法及评估装置，其特征还在于，所述A/D转换器的型号为ADS931；

所述单片机的型号为AT89C51；

所述报警模块包括显示器、打印机和报警器。