CN112986817B - 无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置及方法 - Google Patents

无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法，通过检测无刷励磁机励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ；计算IΣ与IDC的比值KΣ；当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，经延时报励磁绕组匝间短路故障信号。本发明还公开了一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置。此装置及方法用于实现无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测。

Description

无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置及方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，特别涉及一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置及方法。
背景技术
无刷励磁机做为发电机组的重要辅助设备，当定子励磁绕组匝间故障时会严重危害发电机组安全运行，需对该类故障及时报警或跳闸。在现有技术中仅配置了简易的定子励磁过流保护，而未针对定子励磁绕组匝间短路故障配置专门保护。此外，由于保护原理不完善，GB/T14285-2006、DL/T684-2012等相关规范标准也未对无刷励磁机励磁绕组内部故障保护提出明确要求，因此现有的无刷励磁机励磁绕组内部故障保护一直处于“弱保护”状态。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置及方法，实现无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测。
为达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置，包括：
采集单元，用于采集励磁机励磁绕组电流；
计算单元，用于从采集单元获得励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ，计算IΣ与IDC的比值KΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数；
判断单元，当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
进一步地，上述在线检测装置还包括：
动作单元，用于当判断单元判定为励磁绕组匝间短路故障时经预设延时告警或者动作于跳闸。
进一步地，上述在线检测装置中所述特定的分数次谐波总量IΣ计算公式为：
IΣ＝F(Ij)；
其中，Ij为励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数，F(Ij)为与Ij相关的运算函数。
进一步地，上述在线检测装置中，所述运算函数采用求和函数、求总有效值函数、或求平均值函数。
进一步地，上述在线检测装置中，所述励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值采用傅里叶算法函数、瞬时采样运算函数、半波积分运算函数、或全波积分运算函数计算。
本发明相应提出了一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法，包括如下步骤：
步骤(1)采集励磁机励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数；
步骤(2)计算IΣ与IDC的比值KΣ；
步骤(3)当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
进一步地，上述在线检测方法还包括：
步骤(4)：当步骤(3)中判定为励磁绕组匝间短路故障时经预设延时告警或者动作于跳闸。
进一步地，上述在线检测方法中，所述特定的分数次谐波总量IΣ计算公式为：
IΣ＝F(Ij)；
其中，Ij为励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数，F(Ij)为与Ij相关的运算函数。
进一步地，上述在线检测方法中，所述运算函数采用求和函数、或求总有效值函数、或求平均值函数。
进一步地，上述在线检测方法中，所述励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值采用傅里叶算法函数、或瞬时采样运算函数、或半波积分运算函数、或全波积分运算函数计算。
本发明的有益效果是：
根据理论分析及动模试验仿真，无刷励磁机励磁绕组匝间故障时会在励磁绕组电流中出现j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数。而且在故障情况下，m/P次谐波分量随着励磁绕组直流分量增大而增大，成一定比例关系，本发明采用m/P次谐波电流分量与直流分量比值方式构成识别判据。采用上述方案后，可有效实现无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测，由于本发明采用谐波电流分量与直流分量比值方式构成识别判据，具有不易受机组工况影响、灵敏度高等优点。
附图说明
图1是本发明的无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置示意图。
图2是本发明的又一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置示意图。
图3是本发明的无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置实施例一如图1所示包括：采集单元、计算单元和判断单元。其中：
采集单元，用于采集励磁机励磁绕组电流。
计算单元，用于从采集单元获得励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ，计算IΣ与IDC的比值KΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数。
判断单元，当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置实施例二包括：采集单元、计算单元和判断单元。其中：
采集单元，用于采集励磁机励磁绕组电流。
计算单元，用于从采集单元获得励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ，计算IΣ与IDC的比值KΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数。
其中，在线检测装置中所述特定的分数次谐波总量IΣ计算公式为：
IΣ＝F(Ij)；
其中，Ij为励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数，F(Ij)为与Ij相关的运算函数。运算函数可以采用求和函数、求总有效值函数、或求平均值函数。励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值采用傅里叶算法函数、瞬时采样运算函数、半波积分运算函数、或全波积分运算函数计算。
判断单元，当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置实施例三如图2所示包括：采集单元、计算单元、判断单元和动作单元。其中：
采集单元，用于采集励磁机励磁绕组电流。
计算单元，用于从采集单元获得励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ，计算IΣ与IDC的比值KΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数。
其中，在线检测装置中所述特定的分数次谐波总量IΣ计算公式为：
IΣ＝F(Ij)；
其中，Ij为励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数，F(Ij)为与Ij相关的运算函数。运算函数可以采用求和函数、求总有效值函数、或求平均值函数。励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值采用傅里叶算法函数、瞬时采样运算函数、半波积分运算函数、或全波积分运算函数计算。
判断单元，当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
动作单元，用于当判断单元判定为励磁绕组匝间短路故障时经预设延时告警或者动作于跳闸。
基于上述装置，本发明还提供一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法实施例一，包括如下步骤：
S110：采集励磁机励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数。
S120：计算IΣ与IDC的比值KΣ。
S130：当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
本发明的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法实施例二，包括如下步骤：
S210：采集励磁机励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数。其中，特定的分数次谐波总量IΣ计算公式为：
IΣ＝F(Ij)；
其中，Ij为励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数，F(Ij)为与Ij相关的运算函数。运算函数可以采用求和函数、求总有效值函数、或求平均值函数。励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值采用傅里叶算法函数、瞬时采样运算函数、半波积分运算函数、或全波积分运算函数计算。
S220：计算IΣ与IDC的比值KΣ。
S230：当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
本发明的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法实施例三如图3所示，包括如下步骤：
S310：采集励磁机励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数。其中，特定的分数次谐波总量IΣ计算公式为：
IΣ＝F(Ij)；
其中，Ij为励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数，F(Ij)为与Ij相关的运算函数。运算函数可以采用求和函数、求总有效值函数、或求平均值函数。励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值采用傅里叶算法函数、瞬时采样运算函数、半波积分运算函数、或全波积分运算函数计算。
S320：计算IΣ与IDC的比值KΣ。
S330：当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
S340：当步骤S330中判定为励磁绕组匝间短路故障时经预设延时告警或者动作于跳闸。
以某22.3kVA励磁机动模样机为例，电枢绕组相数为11，转子极对数为5，其额定频率为80Hz，m/P次谐波频率为80×11/5＝176Hz，2×m/P次谐波频率为2×80×11/5＝352Hz。模拟励磁机励磁绕组匝间短路故障，进行具体实施说明。
首先整定装置定值：IDC的门槛定值Set_IDC＝0.5A，KΣ的门槛定值Set_KΣ＝1.00％，延时t＝0.5s。
(1)试验1：模拟励磁绕组第3相与5相匝间短路。
步骤1：实时采集励磁机励磁绕组电流，计算直流分量IDC＝4.123A；
计算j×m/P次励磁机励磁绕组电流中谐波分量有效值，优选采用全周傅里叶算法，j取1和2，得到：
I1＝0.103A，I2＝0.025A，其中，I1为m/P次谐波分量，对应176Hz；I2为2m/P次谐波分量，对应352Hz；
计算j×m/P次谐波分量总量IΣ，优选采用求和函数，得到：
IΣ＝I1+I2＝0.103+0.025＝0.128A；
步骤2：
计算IΣ与IDC的比值KΣ：
KΣ＝IΣ/IDC＝0.128/4.12×100％＝3.107％>Set_KΣ＝1.00％；
步骤3：由于IDC>Set_IDC＝0.5A，且KΣ＝3.107％>Set_KΣ＝1.00％，满足励磁绕组匝间短路故障判据，经延时0.5s后发励磁绕组匝间短路故障信号或跳闸。
(2)试验2：降低励磁绕组电流，同样模拟与试验1相同的励磁绕组第3相与5相匝间短路故障。
步骤1：实时采集励磁机励磁绕组电流，计算直流分量IDC＝2.769A；
计算励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，优选采用全周傅里叶算法，j取1和2，得到：
I1＝0.064A，I2＝0.013A，其中，I1为m/P次谐波分量，对应176Hz；I2为2m/P次谐波分量，对应352Hz；
计算j×m/P次谐波分量总量IΣ，优选采用求和函数，得到：
IΣ＝I1+I2＝0.064+0.013＝0.077A；
注意：求IΣ也可采用求总有效值函数，如：
Figure BDA0002314011070000071
步骤2：
计算IΣ与IDC的比值KΣ：
KΣ＝IΣ/IDC＝0.077/2.769×100％＝2.780％>Set_KΣ＝1.00％；
步骤3：由于IDC>Set_IDC＝0.5A，且KΣ＝2.780％>Set_KΣ＝1.00％，满足励磁绕组匝间短路故障判据，经延时0.5s后发励磁绕组匝间短路故障信号或跳闸。
(3)结论
通过试验1和试验2可见，不同励磁绕组电流工况下，谐波分量随着励磁绕组直流分量增大而增大，成一定比例关系。
采用谐波电流与直流电流比值方式时，KΣ降低了(3.107-2.780)/3.107×100％＝10.5％；若采用判断有名值大小方式实现故障识别时，IΣ降低了(0.128-0.077)/0.128×100％＝39.8％，因此相比而言，采用谐波电流与直流电流比值方式时，动作数值降低较小，具有不易受工况影响、灵敏度高的优点。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置，其特征在于，包括：
采集单元，用于采集励磁机励磁绕组电流；
计算单元，用于从采集单元获得励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ，计算IΣ与IDC的比值KΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1，2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数；
判断单元，当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
2.如权利要求1所述的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置，其特征在于，还包括：
动作单元，用于当判断单元判定为励磁绕组匝间短路故障时经预设延时告警或者动作于跳闸。
3.如权利要求1所述的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置，其特征在于：所述特定的分数次谐波总量IΣ计算公式为：
IΣ＝F(Ij)；
其中，Ij为励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数，F(Ij)为与Ij相关的运算函数。
4.如权利要求3所述的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置，其特征在于：所述运算函数采用求和函数、求总有效值函数、或求平均值函数。
5.如权利要求3所述的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测装置，其特征在于：所述励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值采用傅里叶算法函数、瞬时采样运算函数、半波积分运算函数、或全波积分运算函数计算。
6.一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)采集励磁机励磁绕组电流，计算其直流分量IDC及特定的分数次谐波总量IΣ；所述特定的分数次谐波为：j×m/P次谐波分量，其中，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数；
步骤(2)计算IΣ与IDC的比值KΣ；
步骤(3)当IDC和KΣ同时大于各自的门槛值时，判定为励磁绕组匝间短路故障。
7.如权利要求6所述的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于，还包括：
步骤(4)：当步骤(3)中判定为励磁绕组匝间短路故障时经预设延时告警或者动作于跳闸。
8.如权利要求6所述的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于：所述特定的分数次谐波总量IΣ计算公式为：
IΣ＝F(Ij)；
其中，Ij为励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值，j＝1,2，…，N，N为自然数，m为励磁机电枢绕组相数，P为励磁机电枢侧转子极对数，F(Ij)为与Ij相关的运算函数。
9.如权利要求8所述的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于：所述运算函数采用求和函数、或求总有效值函数、或求平均值函数。
10.如权利要求8所述的一种无刷励磁机励磁绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于：所述励磁机励磁绕组电流中j×m/P次谐波分量有效值采用傅里叶算法函数、或瞬时采样运算函数、或半波积分运算函数、或全波积分运算函数计算。
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