CN112098838A - 多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法及装置，该故障检测方法包括：采集所述多相角形无刷励磁系统中的两相转子电枢电流；将所采集到的后一相转子电枢电流延时特定时间，且所述特定时间与两相转子电枢的间隔相数、所述多相角形无刷励磁系统的极对数及额定频率相关；将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值；根据所述电流差值判断所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管出现一相开路。实施本发明的技术方案，可实现多相角形无刷励磁机的二极管一相开路故障的在线监测与保护，而且，该技术方案不但简单、有效，而且可靠性高。

Description

多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法及装置。

背景技术

励磁系统是大型发电机的重要组成部分，性能优良、可靠性高的励磁系统是保证发电机安全及电力系统稳定运行的基础。相比于静止励磁，无刷励磁系统取消了发电机的碳刷和滑环，显著提高了励磁系统的可靠性，是大容量核电机组的首选励磁方式。无刷励磁机的磁极部分保持静止，电枢随发电机以同步转速旋转，电枢绕组切割静止的磁场并感应电动势，将电枢绕组通过旋转整流桥连接发电机的励磁绕组，即可为发电机提供励磁电流。与静止励磁方式相比，无刷励磁方式具有噪音小、故障率低等优点，而多相无刷励磁系统不仅可以降低大功率励磁系统对单个二极管容量的要求，还能提高整流电压的质量、改善系统的容错性。但是，由于旋转整流桥上的二极管处于高速的状态，且仅在每个桥臂出口处装有一只熔断器，在实际运行中由于二极管损坏导致的一相开路故障时有发生。在开路故障初期励磁机仍能给主发电机提供正常电流，但如果任由故障继续恶化将严重影响主发电机的正常运行，造成严重后果。

对于旋转整流器故障，目前现场运行的无刷励磁系统普遍采用旋转整流器出厂时标配的DNC系统(DNC:Diode Non-conduction Detection System，二极管非导通检测系统)进行监测，其误动和拒动在现场也是频繁发生，特别是运行时间较长的机组。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的无法准确检测出因二极管损坏导致的一相开路故障的缺陷，提供一种多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法，包括：

采集步骤：采集所述多相角形无刷励磁系统中的两相转子电枢电流；

延时步骤：将所采集到的后一相转子电枢电流延时特定时间，且所述特定时间与两相转子电枢的间隔相数、所述多相角形无刷励磁系统的极对数及额定频率相关；

相减步骤：将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值；

判断步骤：根据所述电流差值判断所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管是否出现一相开路。

优选地，所述判断步骤包括：

计算所述电流差值的有效值，并判断所述有效值是否大于阈值；

若大于所述阈值，则确定所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管出现一相开路。

优选地，所述采集步骤包括：采集所述多相角形无刷励磁系统中相距最远的两相转子电枢电流。

优选地，所述采集步骤包括：采集所述多相角形无刷励磁系统中第1相转子电枢电流及第k相转子电枢电流；

所述延时步骤包括：将所采集到的第k相转子电枢电流延时D时间，且，D＝P(k-1)/(mf₀)，其中，P为所述极对数；f₀为所述额定频率，m为所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢的总相数，且1<k<m。

优选地，在所述计算所述电流差值的有效值中，根据以下公式计算所述电流差值的有效值：

T＝P/f₀；

其中，I_D为有效值，i_d为电流差值，T为电流的周期；P为所述极对数；f₀为所述额定频率。

本发明还构造一种多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测装置，包括：

采集模块，用于采集所述多相角形无刷励磁系统中的两相转子电枢电流；

延时模块，用于将所采集到的后一相转子电枢电流延时特定时间，且所述特定时间与两相转子电枢的间隔相数、所述多相角形无刷励磁系统的极对数、额定频率相关；

减法模块，用于将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值；

判断模块，用于根据所述电流差值判断所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管是否出现一相开路。

优选地，所述判断模块包括：

计算单元，用于计算所述电流差值的有效值；

判断单元，用于判断所述有效值是否大于阈值；

确定单元，用于在所述有效值大于阈值时，确定所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管出现一相开路。

优选地，所述采集模块，用于采集所述多相角形无刷励磁系统中相距最远的两相转子电枢电流。

优选地，所述采集模块，用于采集所述多相角形无刷励磁系统中第1相转子电枢电流及第k相转子电枢电流；

所述延时模块，用于将所采集到的第k相转子电枢电流延时D时间，且，D＝P(k-1)/(mf₀)，其中，P为所述极对数；f₀为所述额定频率，m为所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢的总相数，且1<k<m。

优选地，所述计算单元，用于根据以下公式计算所述电流差值的有效值：

T＝P/f₀；

其中，I_D为有效值，i_d为电流差值，T为电流的周期；P为所述极对数；f₀为所述额定频率。

本发明所提供的技术方案，通过采集多相角形无刷励磁系统的两相转子电枢电流，然后将所采集到的两相转子电枢中后一相转子电枢的电流进行相应时间的延时，再将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值，并根据该电流差值判断是否存在故障特征，从而实现多相角形无刷励磁机的二极管一相开路故障的在线监测与保护，而且，该技术方案简单、有效、可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是二极管一相开路故障的转子电枢电势和电枢电流波形图；

图2是二极管一相开路故障后转子电枢Δi₁,Δi₂的波形图；

图3是本发明多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法实施例一的流程图；

图4是本发明多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测装置实施例一的逻辑结构图；

图5A为11相角形无刷励磁机在正常运行时第1相和第6相的转子电枢电流波形图；

图5B为11相角形无刷励磁机在故障运行时第1相和第6相的转子电枢电流波形图；

图6A为39相角形无刷励磁机在正常运行时第1相和第19相的转子电枢电流波形图；

图6B为39相角形无刷励磁机在故障运行时第1相和第19相的转子电枢电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于转子电枢电流谐波特征来判断多相角形无刷励磁系统二极管一相开路故障的技术方案，下面首先说明该技术方案的技术原理：

一般情况下，假设第2相桥臂发生一相开路故障，首先只会影响第1相和第2相的转子电枢电势，电枢绕组的第1相电势与第2相电势串联共同作用于第1桥臂使其导通，从而故障后第1相和第2相电枢绕组始终流过相同电流。

正常运行情况下，各相电枢电势和电流依次相差2nπ/m(n＝1,2,3,…)电角度，m为多相角形无刷励磁系统中转子电枢的总相数，可以写出第1相转子电枢电势e₁、第2相转子电枢电势e₂、第1相转子电枢电流i₁、第2相转子电枢电流i₂的表达式分别为：

故障后，各相转子电枢感应电压不变，第1相和第2相合成电势为：

如图1所示，故障后第1相转子电枢电流相比正常时滞后nπ/m，第2相转子电枢电流相比正常时超前nπ/m，故障后第1相和第2相转子电枢电流的表达式为：

将第2相桥臂发生开路故障后1相的转子电枢电流i₁′、2相的转子电枢电流i₂′分别看成正常运行时1相转子电枢电流i₁、2相转子电枢电流i₂与Δi₁,Δi₂的叠加，即

故障运行时1、2相的转子电枢反应磁动势是正常运行时1、2相电流产生的电枢反应磁动势与Δi₁,Δi₂产生的磁动势的叠加。由于只有1、2两相的电枢电流有变化，因此只需考虑Δi₁,Δi₂产生的合成磁动势即可完成第2相桥臂开路故障下电枢反应磁动势的分析，如图2所示，Δi₁,Δi₂可以表示为：

对Δi₁进行Fourier分析，可得：

Δi₁＝c₀+∑(a_kcoskωt+b_ksinkωt)k＝1,2,3,... (7)

其中：

对Δi₂进行Fourier分析，可得：

Δi₂＝c₀+∑(a_kcoskωt+b_ksinkωt)k＝1,2,3,... (9)

其中：

当励磁机处于正常运行时，转子电枢电流中仅含有基波及奇数次谐波；根据上面的分析可以看出电流Δi₁,Δi₂中不含直流分量和偶数次谐波分量，也是只存在基波和奇数次谐波分量，每相转子电枢电流的基波以及奇数次谐波分量不同。

因此，可利用每相转子电枢电流的基波以及奇数次谐波分量不同进行故障分析。

图3是本发明多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法实施例一的流程图，该实施例的故障检测方法包括：

采集步骤S10：采集所述多相角形无刷励磁系统中的两相转子电枢电流；

延时步骤S20：将所采集到的后一相转子电枢电流延时特定时间，且所述特定时间与两相转子电枢的间隔相数、所述多相角形无刷励磁系统的极对数及额定频率相关；

相减步骤S30：将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值；

判断步骤S40：根据所述电流差值判断所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管是否出现一相开路。

该实施例的技术方案，通过采集多相角形无刷励磁系统的两相转子电枢电流，然后将所采集到的两相转子电枢中后一相转子电枢的电流进行相应时间的延时，再将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值，并根据该电流差值判断是否存在故障特征，从而实现多相角形无刷励磁机的二极管一相开路故障的在线监测与保护，因此，该技术方案不但简单、有效，而且可靠性高。

进一步地，在一个可选实施例中，判断步骤S40包括：

计算所述电流差值的有效值，并判断所述有效值是否大于阈值；

若大于所述阈值，则确定所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管出现一相开路。

在该实施例中，通过先计算电流差值的有效值，再将该有效值与阈值进行比较的方式来提取故障特征，这样可保证二极管一相开路故障特征的最大程度有效提取，提高故障检测的准确率。

在一个具体实施例中，可根据以下公式计算有效值：

T＝P/f₀；

其中，I_D为有效值，i_d为电流差值，T为电流的周期；P为多相角形无刷励磁系统的极对数；f₀为多相角形无刷励磁系统的额定频率。

进一步地，在一个可选实施例中，采集步骤S10包括：采集所述多相角形无刷励磁系统中相距最远的两相转子电枢电流。例如，若无刷励磁系统为11相角形无刷励磁系统，则所采集的两相转子电枢电流分别为第1相转子电枢电流与第6相转子电枢电流；若无刷励磁系统为39相角形无刷励磁系统，则所采集的两相转子电枢电流分别为第1相转子电枢电流与第19相转子电枢电流。

进一步地，在一个可选实施例中，由于正常运行情况下，各相转子电枢电流依次相差2nπ/m(n＝1,2,3,…)电角度，所以，若采集步骤S10所采集的两相转子电枢电流分别为第1相转子电枢电流及第k相转子电枢电流，则延时步骤S20包括：将所采集到的第k相转子电枢电流延时D时间，且，D＝P(k-1)/(mf₀)，其中，P为多相角形无刷励磁系统的极对数；f₀为多相角形无刷励磁系统的额定频率，m为多相角形无刷励磁系统中转子电枢的总相数，且1<k<m。

图4是本发明多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测装置实施例一的逻辑结构图，该实施例的故障检测装置包括采集模块10、延时模块20、减法模块30和判断模块40，其中，采集模块10用于采集所述多相角形无刷励磁系统中的两相转子电枢电流；延时模块20用于将所采集到的后一相转子电枢电流延时特定时间，且所述特定时间与两相转子电枢的间隔相数、所述多相角形无刷励磁系统的极对数、额定频率相关；减法模块30用于将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值；判断模块40用于根据所述电流差值判断所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管出现一相开路。

进一步地，判断模块40包括：计算单元、判断单元和确定单元，其中，计算单元用于计算所述电流差值的有效值；判断单元用于判断所述有效值是否大于阈值；确定单元用于在所述有效值大于阈值时，确定所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管出现一相开路。

具体地，计算单元可根据以下公式来计算有效值：

T＝P/f₀；

其中，I_D为有效值，i_d为电流差值，T为电流的周期；P为所述极对数；f₀为所述额定频率。

进一步地，在一个可选实施例中，采集模块10用于采集所述多相角形无刷励磁系统中相距最远的两相转子电枢电流。

进一步地，在一个可选实施例中，采集模块10用于采集所述多相角形无刷励磁系统中第1相转子电枢电流及第k相转子电枢电流。而且，延时模块20用于将所采集到的第k相转子电枢电流延时D时间，且，D＝P(k-1)/(mf₀)，其中，P为所述极对数；f₀为所述额定频率，m为所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢的总相数，且1<k<m。

下面通过具体计算予以详细说明多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测过程。

以台州11相角形无刷励磁系统和红沿河39相角形无刷励磁系统为例，利用基于有限元模型的二极管开路故障分析技术对该无刷励磁系统正常运行时突然发生的二极管一相开路故障进行计算，图5A示出了台州11相角形无刷励磁机在正常运行时第1相和第6相的转子电枢电流波形，图5B示出了台州11相角形无刷励磁机在故障(二极管一相开路故障)运行时第1相和第6相的转子电枢电流波形，各个电流的傅里叶分析结果如表1所示。

表1

同样地，图6A示出了红沿河39相角形无刷励磁机在正常运行时第1相和第19相的转子电枢电流波形，图6B示出了红沿河39相角形无刷励磁机在故障(二极管一相开路故障)运行时第1相和第19相的转子电枢电流波形，各个电流的傅里叶分析结果如表2所示。

表2

从表1和表2可以看到，正常情况下转子电枢电流含有较大的基波以及奇数次谐波分量，且两相电枢电流的谐波分量几乎相等。无刷励磁系统在发生二极管一相开路故障后，转子电枢电流中含有较大基波以及奇数次谐波分量，而且两相电枢电流的谐波分量发生了很大的畸变。理论上，可以选用这些谐波进行故障监测与保护，但存在如下问题：

1.旋转整流器一相开路故障后转子电枢电流的基波以及奇数次谐波发生明显的畸变，但是在整流系统正常工作的情况下，转子电枢电流也含有较大的基波以及奇数次谐波分量，仅依靠某一相电枢电流难以对故障进行判别。

2.应尽可能大程度的提取故障特征量，保证保护具有足够的灵敏性。

在二极管一相开路故障的情况下，转子电枢电流将会发生很大的畸变，两相电枢电流中基波以及奇数次谐波的差值会明显增大，将该差值的有效值作为故障保护判断的依据，可靠性很高，为二极管一相开路故障的监测与保护提供了一条有效的途径。

设两相转子电枢电流为：

其中，n为转子电枢电流谐波次数；I_1,n为第1相转子电枢电流的n次谐波的有效值；I_k,n为第k相转子电枢电流的n次谐波的有效值；

为第1相转子电枢电流的n次谐波的相角；

第k相转子电枢电流的n次谐波的相角；ω₀＝2πf₀为同步角速度，f₀为同步频率。

若将转子电枢电流i_k各次谐波在t轴方向向右平移P(k-1)/(mf₀)，这时：

将(11)(13)两式相减，得：

当发生二极管一相开路故障时，电流i_k各次谐波明显增大，可将其有效值的比值作为故障判断的依据，可靠性很高。表3为11相和39相无刷励磁系统正常运行和二极管一相开路故障时得到的i_d有效值。

	正常运行时的有效值(A)	故障运行时的有效值(A)
			11相无刷励磁系统	0.06	139.74
39相无刷励磁系统	0.89	44.50

表3

通过上面的计算与分析，说明了差值的有效值I_D能完全反应二极管一相开路故障带来的特征，并且能够区别于励磁机正常运行和二极管一相开路故障故障，说明了本发明提出的核电多相角形无刷励磁系统二极管开路故障判断方法能方法简单且有效，按本发明设计的核电多相角形无刷励磁系统二极管一相开路故障监测与保护装置具有极高的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测方法，其特征在于，包括：

采集步骤：采集所述多相角形无刷励磁系统中的两相转子电枢电流；

延时步骤：将所采集到的后一相转子电枢电流延时特定时间，且所述特定时间与两相转子电枢的间隔相数、所述多相角形无刷励磁系统的极对数及额定频率相关；

相减步骤：将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值；

判断步骤：根据所述电流差值判断所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管是否出现一相开路。

2.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，所述判断步骤包括：

计算所述电流差值的有效值，并判断所述有效值是否大于阈值；

若大于所述阈值，则确定所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管出现一相开路。

3.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，

所述采集步骤包括：采集所述多相角形无刷励磁系统中相距最远的两相转子电枢电流。

4.根据权利要求1所述的故障检测方法，其特征在于，

所述采集步骤包括：采集所述多相角形无刷励磁系统中第1相转子电枢电流及第k相转子电枢电流；

所述延时步骤包括：将所采集到的第k相转子电枢电流延时D时间，且，D＝P(k-1)/(mf₀)，其中，P为所述极对数；f₀为所述额定频率，m为所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢的总相数，且1<k<m。

5.根据权利要求2所述的故障检测方法，其特征在于，在所述计算所述电流差值的有效值中，根据以下公式计算所述电流差值的有效值：

T＝P/f₀；

其中，I_D为有效值，i_d为电流差值，T为电流的周期；P为所述极对数；f₀为所述额定频率。

6.一种多相角形无刷励磁系统二极管开路的故障检测装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集所述多相角形无刷励磁系统中的两相转子电枢电流；

延时模块，用于将所采集到的后一相转子电枢电流延时特定时间，且所述特定时间与两相转子电枢的间隔相数、所述多相角形无刷励磁系统的极对数、额定频率相关；

减法模块，用于将所采集到的前一相转子电枢电流及延时后的后一相转子电流相减，以获取电流差值；

判断模块，用于根据所述电流差值判断所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管是否出现一相开路。

7.根据权利要求6所述的故障检测装置，其特征在于，所述判断模块包括：

计算单元，用于计算所述电流差值的有效值；

判断单元，用于判断所述有效值是否大于阈值；

确定单元，用于在所述有效值大于阈值时，确定所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢所连接的二极管出现一相开路。

8.根据权利要求6所述的故障检测装置，其特征在于，

所述采集模块，用于采集所述多相角形无刷励磁系统中相距最远的两相转子电枢电流。

9.根据权利要求6所述的故障检测装置，其特征在于，

所述采集模块，用于采集所述多相角形无刷励磁系统中第1相转子电枢电流及第k相转子电枢电流；

所述延时模块，用于将所采集到的第k相转子电枢电流延时D时间，且，D＝P(k-1)/(mf₀)，其中，P为所述极对数；f₀为所述额定频率，m为所述多相角形无刷励磁系统中转子电枢的总相数，且1<k<m。

10.根据权利要求7所述的故障检测装置，其特征在于，

所述计算单元，用于根据以下公式计算所述电流差值的有效值：

T＝P/f₀；

其中，I_D为有效值，i_d为电流差值，T为电流的周期；P为所述极对数；f₀为所述额定频率。

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