CN114690095A - 一种降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统及方法，包括供电单元、开关控制单元、电流测量单元、电压测量单元、多功能功率测量单元、励磁线圈单元、测量线圈单元及待测铁心单元；励磁线圈单元及测量线圈单元缠绕于待测铁心单元上，供电单元经开关控制单元与励磁线圈单元相连接，励磁线圈单元经电流测量单元与多功能功率测量单元相连接，测量线圈单元经电压测量单元与多功能功率测量单元相连接，该系统及方法能够在节省试验成本、降低工作量以及缩短试验准备时间的同时，有效降低开关闭合时的冲击电流，大幅提高铁损试验的经济性及安全性。

Description

一种降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统及方法

技术领域

本发明属于电机定子铁心损耗检测技术领域，涉及一种降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统及方法。

背景技术

发电机作为电力系统中的电力源头，以及其在各个发电厂中的核心地位，使其在整个电力系统及国民生活中都起着至关重要的作用。多年来，发电机故障导致的事故频频出现，这都是由于未对发电机故障的早期征兆给予足够的重视而导致的。现阶段，各个电厂也都引入了各类预防性试验对发电机进行定期检测，以期能够在发电机故障初期就将问题消灭在源头，从而提高电力系统的安全稳定性。发电机定子铁心是由硅钢片叠合组装而成，在正常运行时，铁心会受到机械力、热应力及电磁力的综合作用，所以随着日积月累的过程，铁心也会出现不同的故障，例如硅钢片叠片间存在绝缘缺陷时，在强磁通的环境中会使得铁心产生涡流从而导致局部温度升高，在长期作用下将会导致绕组绝缘损坏甚至铁心烧损等不可逆的损伤。因此，在铁心叠装完成或拆卸槽楔后必须进行铁损试验。

现阶段，常规的铁损试验均采用的是一条300米左右长度，截面积120mm²的无屏蔽层电缆，将其在整个铁心圆周上均匀排绕布置，发电机定子铁心作为磁通回路，励磁绕组和测量线圈分别作为原边和副边。在电源断路器直接闭合通入交流电后，使得铁心内部产生接近饱和状态的交变磁通，从而在铁心中产生涡流和磁滞损耗，使铁心发热，根据铁心的温升程度来检测发电机铁心的故障，从而使铁损试验起到预防的作用。在这种试验操作下，一整条电缆的排布极大的增加了人力物力的消耗，拉长了试验准备时间；其次，在实际试验过程中一般是从6kV电压下进行合闸操作，发电机定子铁心的运行工况属于满压空载运行，直接闭合断路器使得在闭合瞬间极易产生5-7倍额定电流的冲击电流，不但容易引发电源线路侧继电保护装置误动作，还造成上级线路电压的骤升骤降，影响其他电气设备正常工作，严重情况下会损坏试验设备。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统及方法，该系统及方法能够在节省试验成本、降低工作量以及缩短试验准备时间的同时，有效降低开关闭合时的冲击电流，大幅提高铁损试验的经济性及安全性。

为达到上述目的，本发明所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统包括供电单元、开关控制单元、电流测量单元、电压测量单元、多功能功率测量单元、励磁线圈单元、测量线圈单元及待测铁心单元；

励磁线圈单元及测量线圈单元缠绕于待测铁心单元上，供电单元经开关控制单元与励磁线圈单元相连接，励磁线圈单元经电流测量单元与多功能功率测量单元相连接，测量线圈单元经电压测量单元与多功能功率测量单元相连接。

还包括用于实时监测待测铁心单元的温度以及环境温度的红外监测单元。

开关控制单元包括计算机、逻辑回路控制器、高压断路器及相位参考模块，其中，供电单元经相位参考模块及高压断路器与励磁线圈单元相连接，其中，计算机经逻辑回路控制器与高压断路器及相位参考模块相连接。

相位参考模块包括依次相连接的同步变压单元、低通滤波单元、高通滤波单元、方波转换单元以及滞回比较单元。

励磁线圈单元中的励磁线圈均匀排布于待测铁心单元上。

测量线圈单元布置于发电机的堂内中心位置。

励磁线圈单元通过电流测量钳与多功能功率测量单元连接。

本发明所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验方法包括以下步骤：

1)拆除发电机出线与封闭母线间的联接线，拆除定子三相绕组在中性点的连接线，将测量发电机的各类CT二次侧、发电机出线、封闭母线侧以及各个测温元件短接接地；

2)计算机发出试验开始指令，相位参考模块对电源侧的电压信号进行处理，同步变压单元将电源电压进行变压并保持输出信号与电源电压同相位及同频率，其中，通过低通滤波单元及高通滤波单元滤除信号中的高次谐波及低次谐波，通过方波转换单元将电压信号转换成方波信号，最后通过滞回比较单元剔除方波信号中的毛刺，随后输入至逻辑回路控制器中，通过逻辑回路控制器对方波信号进行逻辑处理并发出高压断路器的闭合指令，其中，逻辑回路控制器接收到试验开始指令后，每40μs计时一次，并读取一次数据，读取电压信号并判断其相位是否为0+kπ(k＝0,1,2,...,n)，若否，则继续读取数据，若是，则延时T＝nt₁-t₂(T≥0,n＝1,3,5,...,n)后输出高压断路器的闭合指令，高压断路器接收到高压断路器的闭合指令后进行闭合动作。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统及方法在具体操作时，通过逻辑回路控制器对方波信号进行逻辑处理并发出高压断路器的闭合指令，其中，逻辑回路控制器接收到试验开始指令后，每40μs计时一次，并读取一次数据，读取电压信号并判断其相位是否为0+kπ(k＝0,1,2,...,n)，若否，则继续读取数据，若是，则延时T＝nt₁-t₂(T≥0,n＝1,3,5,...,n)后输出高压断路器的闭合指令，以实现对开关控制单元的优化，在节省试验成本并缩短试验准备时间的同时，有效降低开关闭合时的冲击电流，大大提高铁损试验的经济性和安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为开关控制单元的示意图；

图3为逻辑回路控制器的示意图；

图4为本发明的原理图；

图5为励磁线圈的分布图；

图6为本发明的流程图。

其中，1为待测铁心单元、2为励磁线圈单元、3为开关控制单元、4为供电单元、5为测量线圈单元、6为电压测量单元、7为电流测量单元、8为多功能功率测量单元、9为红外监测单元、10为电流测量钳、31为高压断路器、32为相位参考模块、33为逻辑回路控制器、34为计算机、321为同步变压单元、322为低通滤波单元、323为高通滤波单元、324为方波转换单元、325为滞回比较单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1，本发明所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统包括供电单元4、开关控制单元3、电流测量单元7、电压测量单元6、多功能功率测量单元8、励磁线圈单元2、测量线圈单元5、红外监测单元9及待测铁心单元1。

供电单元4经开关控制单元3与各用电设备相连接，为整个铁损试验提供交流电源，励磁线圈单元2及测量线圈单元5缠绕于待测铁心单元1上。

参考图2，所述开关控制单元3包括计算机34、逻辑回路控制器33、高压断路器31及相位参考模块32，其中，供电单元4经相位参考模块32及高压断路器31与励磁线圈单元2相连接，其中，计算机34经逻辑回路控制器33与高压断路器31及相位参考模块32相连接，所述相位参考模块32包括依次相连接的同步变压单元321、低通滤波单元322、高通滤波单元323、方波转换单元324以及滞回比较单元325，对线路电压信号进行滤波、方波转换及滞回比较，得到处理后的电压信号，再将处理后的电压信号输入至逻辑回路控制器33，逻辑回路控制器33与计算机34相连用于接收用户发出开关闭合信息，并向用户反馈可视化信息，另一方面与高压断路器31相连，将对回传信号进行逻辑处理及输出断路器闭合指令，控制高压断路器31合闸于电压幅值最大或最小值处，以降低冲击电流。

设合闸时交流电压为：

其中，α为空载合闸时电压u的初相位，磁通φ为：

φ＝-φmcos(ωt+α)+φmcosα

由上式可知，空载合闸时磁通大小与电源电压的初相角有关α，并且有两个分量，第一个为稳态分量，其中，稳态分量随着时间的推移而减少；第二个为暂态分量，由于内阻的存在，暂态分量随着时间的推移而逐渐衰减至0，由于暂态分量的存在，致使合闸瞬间容易产生极大的冲击电流。

当在α＝π/2+kπ(k＝0,1,2,...,n)时合闸，则有：

φ＝φmsinωt

此时在合闸后直接进入稳态过程，不存在暂态过程，即励磁电流为正常运行情况下的空载电流。

当α＝0+kπ(k＝0,1,2,...,n)时合闸，则有：

φ＝-φm cosωt+φm

此时磁通便有两个分量，即-φm cosωt与φm，由于磁通和电流的关系不是线性关系，因此在最极端情况下即磁通为2φm时，铁心深度饱和，励磁电流急剧增大，在α＝0+kπ(k＝0,1,2,...,n)的情况下合闸，冲击电流会达到稳定运行时的空载电流的几十甚至上百倍，为额定电流的5-7倍。故此经以上分析，电压的初始相位越靠近α＝π/2+kπ(k＝0,1,2,...,n)，则冲击电流越接近空载电流。

逻辑回路控制器33收到的信号为电压正弦波转为的方波信号，因此容易判断出电压信号正负转换时的过零点信号，即此时刻电压相位α＝0+kπ(k＝0,1,2,...,n)，由于电压和电流的相位差为90°，在电压过零点时刻的1/4周期后为电压最大或最小值，同时也是电流的过零点时刻，设

其中，t₁为实际电压频率下的1/4周期时长。

高压断路器31在发出合闸指令后到实际主触头闭合时具有合闸脉冲的导前时间，主要原因在于：合闸指令需经中间继电器，驱动高压断路器31的合闸线圈，高压断路器31的动静触头开始运动，最后主触头完全闭合。导前时间包含中间所有元件的动作时间之和，由于高压断路器31的合闸时间由其自身决定，所以导前时间并不会随着频率、电压的变化而变化，即恒定导前时间t₂。

基于上述原因，在采集到电压过零点信号后，采用逻辑回路控制器33对高压断路器31的合闸进行延时操作，延长时间为T＝nt₁-t₂(T≥0,n＝1,3,5,...,n)，通过开关控制单元3可以实现电压值最大或最小点闭合高压断路器31，有效降低闭合瞬间的冲击电流；另一方面，考虑导前时间，通过开关控制单元3可以控制高压断路器31中主触头的实际闭合时间，保障试验方法的成功率。

电流测量单元7通过电流测量钳10连接于线路上，电流测量单元7与多功能功率测量单元8相连接，用于测量励磁线圈单元2的电流及功率。

电压测量单元6中电压互感器的一次侧与测量线圈单元5连接，并通过电压测量单元6中电压互感器的二次侧与多功能功率测量单元8连接，用于记录测量线圈的端电压。

励磁线圈单元2及测量线圈单元5均与待测铁心单元1连接，其中，励磁线圈单元2的为长度为15米、截面积为120mm²的20条电缆，分别在待测铁心单元1的内外均匀布置10条，然后将分段电缆依次按规定序号连接并均匀排绕方式布置在待测铁心单元1上。

红外监测单元9利用红外线热成像仪实时监测待测铁心单元1的温度以及环境温度。

本发明所述的基于降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验方法包括以下步骤：

1)拆除发电机出线与封闭母线间的联接线，拆除定子三相绕组在中性点的连接线，将测量发电机的各类CT二次侧、发电机出线、封闭母线侧以及各个测温元件短接接地；

供电单元4从电厂内进行引线，经过开关控制单元3中的高压断路器31与励磁线圈单元2连接，为整个铁损试验提供交流电源；

励磁线圈单元中的励磁线圈均匀排布于发电机的定子铁心上。如图5所示，将绝缘杆均匀铺设于发电机堂内，每支绝缘杆间隔为1米，绝缘杆长度为1.5米，将1号电缆布置于发电机堂内最右侧，2号至10号电缆依次均匀布置于1号电缆左侧；并将11号电缆布置于发电机堂外最右侧，12号至20号电缆依次均匀布置于11号电缆左侧，最后将电缆按照顺序依次连接，即将1号电缆端子2与11号电缆端子3可靠连接，将11号电缆端子4与2号电缆端子5可靠连接，按照图5方式以此类推，便形成励磁线圈。

将测量线圈单元布置于发电机的堂内中心位置，并与电压测量单元6中电压互感器的一次侧连接，电压互感器的二次侧与多功能功率测量单元8连接，另一方面，将电流测量钳10连接于励磁线圈单元2的线路中，并与多功能功率测量单元8连接，用于测量励磁线圈单元2的电流及功率。

采用红外线热成像仪记录发电机定子铁心的初始温度，并实时监测发电机定子铁心温度和环境温度的变化情况。

计算机34发出试验开始指令，相位参考模块32对电源侧电压信号进行处理，同步变压单元321将电源电压进行变压并保持输出信号与电源电压同相位位同频率，其中，通过低通滤波单元322及高通滤波单元323滤除信号中的高次谐波及低次谐波，通过方波转换单元324转换成方波信号，最后通过滞回比较单元325剔除方波信号中的毛刺，随后输入至逻辑回路控制器33中，通过逻辑回路控制器33对方波信号进行逻辑处理并发出高压断路器31的闭合指令，其逻辑处理以及高压断路器31的闭合指令输出流程如图6所示，其中，逻辑回路控制器33接收到用户的开始信息后，每40μs计时一次，并读取一次数据，读取电压信号并判断其相位是否为0+kπ(k＝0,1,2,...,n)，若否，则继续读取数据，若是，则进行延时操作，延时T＝nt₁-t₂(T≥0,n＝1,3,5,...,n)后输出高压断路器31的闭合指令，高压断路器31接收到高压断路器31的闭合指令后进行闭合动作，使得整个电路接通电源。

试验期间，至少每隔15分钟记录一次试验数据，包括频率、励磁线圈电流、功率、测量线圈端电压、定子铁心温度以及环境温度。

说明的是，以上仅用以说明本专利的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统，其特征在于，包括供电单元(4)、开关控制单元(3)、电流测量单元(7)、电压测量单元(6)、多功能功率测量单元(8)、励磁线圈单元(2)、测量线圈单元(5)及待测铁心单元(1)；

励磁线圈单元(2)及测量线圈单元(5)缠绕于待测铁心单元(1)上，供电单元(4)经开关控制单元(3)与励磁线圈单元(2)相连接，励磁线圈单元(2)经电流测量单元(7)与多功能功率测量单元(8)相连接，测量线圈单元(5)经电压测量单元(6)与多功能功率测量单元(8)相连接。

2.根据权利要求1所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统，其特征在于，还包括用于实时监测待测铁心单元(1)的温度以及环境温度的红外监测单元(9)。

3.根据权利要求1所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统，其特征在于，开关控制单元(3)包括计算机(34)、逻辑回路控制器(33)、高压断路器(31)及相位参考模块(32)，其中，供电单元(4)经相位参考模块(32)及高压断路器(31)与励磁线圈单元(2)相连接，其中，计算机(34)经逻辑回路控制器(33)与高压断路器(31)及相位参考模块(32)相连接。

4.根据权利要求3所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统，其特征在于，相位参考模块(32)包括依次相连接的同步变压单元(321)、低通滤波单元(322)、高通滤波单元(323)、方波转换单元(324)以及滞回比较单元(325)。

5.根据权利要求1所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统，其特征在于，励磁线圈单元(2)中的励磁线圈均匀排布于待测铁心单元(1)上。

6.根据权利要求1所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统，其特征在于，测量线圈单元(2)布置于发电机的堂内中心位置。

7.根据权利要求1所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统，其特征在于，励磁线圈单元(2)通过电流测量钳(10)与多功能功率测量单元(8)连接。

8.一种降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验方法，其特征在于，基于权利要求4所述的降低试验冲击电流的发电机铁心损耗试验系统，包括以下步骤：

1)拆除发电机出线与封闭母线间的联接线，拆除定子三相绕组在中性点的连接线，将测量发电机的各类CT二次侧、发电机出线、封闭母线侧以及各个测温元件短接接地；

2)计算机(34)发出试验开始指令，相位参考模块(32)对电源侧的电压信号进行处理，同步变压单元(321)将电源电压进行变压并保持输出信号与电源电压同相位及同频率，其中，通过低通滤波单元(322)及高通滤波单元(323)滤除信号中的高次谐波及低次谐波，通过方波转换单元(324)将电压信号转换成方波信号，最后通过滞回比较单元(325)剔除方波信号中的毛刺，随后输入至逻辑回路控制器(33)中，通过逻辑回路控制器(33)对方波信号进行逻辑处理并发出高压断路器(31)的闭合指令，其中，逻辑回路控制器(33)接收到试验开始指令后，每40μs计时一次，并读取一次数据，读取电压信号并判断其相位是否为0+kπ(k＝0,1,2,...,n)，若否，则继续读取数据，若是，则延时T＝nt₁-t₂(T≥0,n＝1,3,5,...,n)后输出高压断路器(31)的闭合指令，高压断路器(31)接收到高压断路器(31)的闭合指令后进行闭合动作。

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