CN113759248B - 一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法，属于故障诊断技术领域，该方法主要包括对同步调相机定子绕组中性点电压进行采样，得到中性点电压，然后利用中性点电压和电网三相电压得到零序电压，再利用频率跟踪算法提取零序电压中基频幅值，将零序电压中基频分量的幅值与阈值作比较以检测定子绕组是否发生故障等步骤；本发明诊断方法通过在检测出故障后，调节励磁电流大小以减小三相定子电流大小，不仅可以精确辨别出故障类型，还可以减小故障对电机系统的危害。

Description

一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法
技术领域
本发明涉及故障诊断技术领域，具体涉及一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法。
背景技术
我国能源资源与电力负荷呈逆向分布，特高压直流输电系统得到了快速发展和广泛应用。为了解决特高压直流送受端动态无功供给不足和电压支撑能力较弱等突出问题，新型大容量同步调相机得以应用。大电机可靠性报告指出，同步电机超过40％的故障为定子绕组故障，定子绕组早期故障可分为匝间短路故障和电阻不平衡故障。匝间短路故障的发生是由于绕组匝与匝之间的绝缘受到了破坏导致的。电阻不平衡故障是指某相电阻增大，电感不变的故障，该故障和绕组间焊点的损坏有关。
针对定子绕组匝间短路和定子绕组电阻不平衡故障的故障诊断研究已有很多，但大部分故障诊断方法都需要已知故障类型。而实际应用中，无法提前知晓故障类型，所以针对对故障电机开展故障辨别研究意义重大。目前，对于定子绕组匝间短路和定子绕组电阻不平衡故障辨别的研究甚少，并且这些方法多集中于永磁同步电机，而同步调相机运行方式与永磁同步电机大不相同，故需要针对同步调相机定子绕组匝间短路和定子绕组电阻不平衡故障开展故障辨别研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法，通过监测零序电压基频分量幅值的大小，检测同步调相机定子绕组是否发生故障，当检测出同步调相机定子绕组发生故障后，通过调节励磁电流以减小定子三相电流的大小，并得到此时零序电压基频分量幅值，通过将两次得到的零序电压基频分量幅值作商得到故障辨别指标，最后利用故障辨别指标判断同步调相机是发生了定子绕组匝间短路故障还是定子绕组电阻不平衡故障。该方法能够实现快速故障检测以及精确故障辨别，方便快捷。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法，所述方法主要包括以下步骤：
S1：对同步调相机定子绕组中性点电压进行采样，得到中性点电压V0；
S2：利用中性点电压和电网三相电压得到零序电压V0m；
S3：利用频率跟踪算法提取零序电压中基频幅值V0m1；
S4：比较基频幅值V0m1与其阈值V0m1th的大小，若基频幅值大于其阈值，则检测出定子绕组发生故障，并记录此时的基频幅值为V0m1,1；
S5：调节同步调相机励磁电流以减小三相定子电流，利用频率跟踪算法提取此时的零序电压基频幅值V0m1,2；
S6：将两次提取得到的零序电压基频幅值作商得到故障辨别指标DI；
S7：比较故障辨别指标DI与其阈值DIth的大小，若故障辨别指标大于其阈值，则故障为定子绕组电阻不平衡故障，否则为定子绕组匝间短路故障。
本发明的有益效果：
1、本发明通过监测零序电压基频分量幅值的大小，检测同步调相机定子绕组是否发生故障，当检测出同步调相机定子绕组发生故障后，通过调节励磁电流以减小定子三相电流的大小，并得到此时零序电压基频分量幅值，通过将两次得到的零序电压基频分量幅值作商得到故障辨别指标，最后利用故障辨别指标判断同步调相机是发生了定子绕组匝间短路故障还是定子绕组电阻不平衡故障，该方法能够实现快速故障检测以及精确故障辨别。
2、本发明通过在检测出故障后，调节励磁电流大小以减小三相定子电流大小，不仅可以精确辨别出故障类型，还可以减小故障对电机系统的危害。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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。
图1是本发明同步调相机定子绕组匝间短路故障(故障发生在A相)等效模型图；
图2是本发明同步调相机定子绕组电阻不平衡故障(故障发生在A相)等效模型图；
图3是本发明故障检测与辨别流程图；
图4是本发明同步调相机定子绕组匝间短路故障下零序电压基频分量幅值的变化情况；
图5是本发明同步调相机定子绕组电阻不平衡故障下零序电压基频分量幅值的变化情况。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例针对的对象为同步调相机，图1、2分别为同步调相机发生匝间短路(故障发生在A相)和电阻不平衡故障(故障发生在A相)时的等效模型图。设定匝间短路故障和电阻不平衡故障发生在1s，励磁电流在1.5s时由4.1A调节至4.2A。
一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法，如图3所示，其方法主要包括以下步骤：
S1：对同步调相机定子绕组中性点电压进行采样，得到中性点电压V0；
S2：利用中性点电压和电网三相电压得到零序电压V0m；零序电压V0m的计算公式如下：
Figure BDA0003310770990000041
其中，V0为中性点电压，Va、Vb、Vc分别为定子绕组三相电压。
S3：利用频率跟踪算法提取零序电压中基频幅值V0m1；零序电压基频幅值V0m1的计算步骤如下：
1)，将零序电压V0m转化到旋转坐标系：
Figure BDA0003310770990000042
其中，ωe为同步调相机电角速度，t'为故障检测和辨别算法运行时间，θe为转子电角度，β为ωet'与θe的角度之差。
2)，利用低通滤波器得到旋转坐标系下V'd和V'q的直流分量V'd1和V'q1，其表达式分别如下所示：
Figure BDA0003310770990000043
其中，α为零序电压基频分量初相角。
3)，计算出零序电压基频幅值V0m1：
Figure BDA0003310770990000051
S4：比较基频幅值V0m1与其阈值V0m1th的大小，若基频幅值大于其阈值，则检测出定子绕组发生故障，并记录此时的基频幅值为V0m1,1；
S5：调节同步调相机励磁电流以减小三相定子电流，利用频率跟踪算法提取此时的零序电压基频幅值V0m1,2；
S6：将两次提取得到的零序电压基频幅值作商得到故障辨别指标DI；故障辨别指标DI的计算公式如下：
Figure BDA0003310770990000052
S7：比较故障辨别指标DI与其阈值DIth的大小，若故障辨别指标大于其阈值，则故障为定子绕组电阻不平衡故障，否则为定子绕组匝间短路故障；故障辨别指标DI的阈值设置如下：
Figure BDA0003310770990000053
其中，Ia1,1为调节励磁电流之前A相电流基频分量幅值，Ia1,2为调节励磁电流之后A相电流基频分量幅值，其余照此类推。
图4是本发明同步调相机定子绕组匝间短路故障下零序电压基频分量幅值的变化情况，从图中可以看出，匝间短路故障发生后，零序电压基频分量幅值V0m1由0增大至0.312，大于其阈值V0m1th，即可判断出此时电机定子绕组发生了故障，随后调节励磁电流，零序电压基频分量幅值未发生变化，故障辨别指标DI为1，此时由公式计算得到的故障辨别指标阈值DIth为1.184，故障辨别指标DI小于其阈值，可辨别出故障为定子绕组匝间短路故障。
图5是本发明同步调相机定子绕组电阻不平衡故障下零序电压基频分量幅值的变化情况，从图中可以看出，电阻不平衡故障发生后，零序电压基频分量幅值V0m1由0增大至0.283，大于其阈值V0m1th，即可判断出此时电机定子绕组发生了故障，随后调节励磁电流，零序电压基频分量幅值变为0.228，故障辨别指标DI为1.241，此时由公式计算得到的故障辨别指标阈值DIth为1.185，故障辨别指标DI大于其阈值，可辨别出故障为定子绕组电阻不平衡故障。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (3)

1.一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：对同步调相机定子绕组中性点电压进行采样，得到中性点电压V0；
S2：利用中性点电压和电网三相电压得到零序电压V0m；
S3：利用频率跟踪算法提取零序电压中基频幅值V0m1；
S4：比较基频幅值V0m1与其阈值V0m1th的大小，若基频幅值大于其阈值，则检测出定子绕组发生故障，并记录此时的基频幅值为V0m1,1；
S5：调节同步调相机励磁电流以减小三相定子电流，利用频率跟踪算法提取此时的零序电压基频幅值V0m1,2；
S6：将两次提取得到的零序电压基频幅值作商得到故障辨别指标DI；
S7：比较故障辨别指标DI与其阈值DIth的大小，若故障辨别指标大于其阈值，则故障为定子绕组电阻不平衡故障，否则为定子绕组匝间短路故障；
所述S3中零序电压基频幅值V0m1的计算步骤如下：
1)，将零序电压V0m转化到旋转坐标系：
Figure FDA0003825185260000011
其中，ωe为同步调相机电角速度，t’为故障检测和辨别算法运行时间，θe为转子电角度，β为ωet’与θe的角度之差；
2)，利用低通滤波器得到旋转坐标系下V’d和V’q的直流分量V’d1和V’q1，其表达式分别如下所示：
Figure FDA0003825185260000012
其中，α为零序电压基频分量初相角；
3)，计算出零序电压基频幅值V0m1：
Figure FDA0003825185260000021
所述S7中故障辨别指标DI的阈值设置如下：
Figure FDA0003825185260000022
其中，Ia1,1为调节励磁电流之前A相电流基频分量幅值，Ia1,2为调节励磁电流之后A相电流基频分量幅值，Ib1,1为调节励磁电流之前B相电流基频分量幅值，Ib1,2为调节励磁电流之后B相电流基频分量幅值，Ic1,1为调节励磁电流之前C相电流基频分量幅值，Ic1,2为调节励磁电流之后C相电流基频分量幅值。
2.根据权利要求1所述的一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法，其特征在于，所述S2中零序电压V0m的计算公式如下：
Figure FDA0003825185260000023
其中，V0为中性点电压，Va、Vb、Vc分别为定子绕组三相电压。
3.根据权利要求1所述的一种同步调相机定子绕组故障检测和辨别的方法，其特征在于，所述S6中故障辨别指标DI的计算公式如下：
Figure FDA0003825185260000024
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