DE112017005861T5

DE112017005861T5 - System und verfahren zum erfassen von statorfehlern in elektrischen wechselstrommaschinen

Info

Publication number: DE112017005861T5
Application number: DE112017005861.9T
Authority: DE
Inventors: Santosh Kumar Sharma; Abhilash Pani; Steven Andrew Dimino; Mark Alan Verheyen
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-08-14
Also published as: CN110062889A; US11221377B2; US11762038B2; WO2018111581A1; CN110062889B; US20220075005A1; US20180172768A1

Abstract

System und Verfahren zum Erfassen eines Erdschlusses in einer elektrischen Wechselstrommaschine, die zum Empfangen von Messungen von dreiphasigen Spannungen und Strömen, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden, zum Berechnen mindestens einer von einer Nullsequenzkomponente und einer Gegensystemkomponente von Spannung und Strom aus den dreiphasigen Spannungen und Strömen und zum Berechnen eines Fehlerschwerenindex (FSI) basierend auf der Nullsequenz- oder Gegensystemkomponente von Spannung und Strom dient, um einen Erdschluss in der elektrischen Wechselstrommaschine zu identifizieren. Das Berechnen des FSI schließt ferner das Bestimmen eines Gesamtwertes des Nullsequenzstroms oder Gegensystemstroms, das Bestimmen eines rauschverstärkten Wertes des im Gesamtwert enthaltenen Nullsequenz- oder Gegensystemstroms, das Bestimmen eines kompensierten Wertes des Nullsequenz- oder Gegensystemstroms basierend auf dem Gesamtwert und dem rauschverstärkten Wert und das Berechnen des FSI basierend auf dem kompensierten Wert ein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf dreiphasige elektrische Wechselstrommaschinen oder -motoren und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Erfassen von Statorfehlern in solchen elektrischen Maschinen.
In Industrieanlagen werden elektrische Maschinen wie Generatoren, Wechselstrommotoren und/oder Transformatoren in verschiedenen Anwendungen verwendet. Zum Beispiel werden Asynchronmotoren für Anwendungen wie Pumpen, Kühlen, Materialbewegung und andere Anwendungen eingesetzt, bei denen kostengünstige und robuste Motoren erforderlich sind. Wenn diese Motoren ausfallen, kommt es bei den Prozessen, in/mit denen sie eingesetzt werden, zu Stillstandszeiten und zu damit verbundenen Kosten.
Es wird anerkannt, dass verschiedene Faktoren zum Ausfall einer elektrischen Maschine führen können, einschließlich Ausfälle in den Lagern, dem Stator und/oder dem Rotor der Maschine - wobei Fehler in Bezug auf den Stator 36 % aller Ausfälle ausmachen. Von diesen Statorfehlern/-ausfällen, werden 76 % dieser Fehler/Ausfälle als Statorwicklungsfehler/-ausfälle betrachtet, was sich im Allgemeinen auf Ausfälle der Wicklungsisolation bezieht, die zu Windungs- und Erdschlüssen führen. Unter Bezugnahme auf Statorwicklungsfehler im System können diese Fehler durch die allmähliche Verschlechterung der Wicklungsisolation verursacht werden, die auf eine Kombination aus elektromechanisch kraftinduzierten Vibrationen, hohen dv/dt-Spannungsspitzen, thermischer Überlastung und/oder Verunreinigung zurückzuführen ist. Wenn ein Statorwicklungsfehler auftritt und die Wicklungen des Stators kurzgeschlossen werden, wird im Windungsschluss ein großer Umlauffehlerstrom induziert, der zu einer lokalen thermischen Überlastung führt. Diese lokale thermische Überlastung kann schließlich zum Motorausfall aufgrund von Erdschluss/Phasenisolation oder Drahtbruch innerhalb kurzer Zeit führen, wenn sie unentdeckt bleibt.
Traditionell werden Erdschlüsse aufgrund von Statorwicklungsausfällen durch Messung der in die Erde fließenden Ströme mit einem Stromwandler (CT) oder durch Verwendung der Drehströme erkannt. Verschiedene Faktoren wie Systemableitströme, hochohmige Erdung, Netzoberschwingungen und/oder Unsymmetrie in den Stromwandlern erschweren jedoch eine sehr zuverlässige Erkennung von Erdschlüssen unter unterschiedlichen Systembedingungen und für verschiedene Motorgrößen. Darüber hinaus können die Kosten, die mit der Verwendung eines speziellen Stromwandlers zur Erkennung von Erdschlüssen verbunden sind, unerschwinglich sein.
Es wäre daher wünschenswert, ein System und Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, Erdschlüsse in elektrischen Maschinen zum Zwecke der Diagnose von Statorfehlern zu erkennen. Es wäre auch wünschenswert, dass ein solches System und Verfahren Erdschlüsse ohne die Verwendung eines speziellen Erdschlussstromwandlers und in einer Weise erkennt, die die Auswirkungen von Systemableitströmen, hochohmigen Erdungen und/oder Netzoberschwingungen eliminiert, die eine zuverlässige Erkennung eines Erdschlusses erschweren könnten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerung bereitgestellt, die konfiguriert ist, um einen Erdschluss in einer elektrischen Wechselstrommaschine zu erkennen. Die Steuerung umfasst einen Prozessor, der programmiert ist, um Messungen von dreiphasigen Spannungen und Strömen zu empfangen, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden, wobei die Messungen von Spannungs- und Stromsensoren empfangen werden, die der elektrischen Verteilerschaltung zugeordnet sind. Der Prozessor ist auch programmiert, um mindestens eines von einer Nullsequenzkomponente und einer Gegenkomponente von Spannung und Strom aus den dreiphasigen Spannungen und Strömen zu berechnen und einen Fehlerschwereindex (FSI) zu berechnen, der auf der Grundlage der mindestens einen von der Nullsequenzkomponente und der Gegenkomponente von Spannung und Strom basiert, um einen Erdschluss in der elektrischen Wechselstrommaschine zu identifizieren, wobei das Berechnen des FSI ferner das Bestimmen eines Gesamtwertes von mindestens einem von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom, das Bestimmen eines rauschverstärkten Wertes des mindestens einen von dem Nullsequenzstrom und dem in dem Gesamtwert eingeschlossenen Gegensystemstrom, das Bestimmen eines kompensierten Wertes des mindestens einen von dem Nullsequenzstrom und dem Gegensystemstrom basierend auf dem Gesamtwert und dem rauschverstärkten Wert und das Berechnen des FSI basierend auf dem kompensierten Wert einschließt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung schließt ein Verfahren zum Identifizieren eines Erdschlusses in einer elektrischen Wechselstrommaschine das Messen von dreiphasigen Spannungen und Strömen ein, die der elektrischen Wechselstrommaschine über Spannungs- und Stromsensoren zugeführt werden, wobei die elektrische Wechselstrommaschine eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst. Das Verfahren schließt auch das Veranlassen eines Fehlerdetektors zur Identifizierung eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine ein, wobei das Veranlassen des Fehlerdetektors zur Identifizierung des Erdschlusses das Empfangen der gemessenen dreiphasigen Spannungen und Ströme, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden, das Bestimmen eines oder mehrerer von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom aus den dreiphasigen Strömen, die Durchführung einer rauschbedingten Kompensation des einen oder mehrerer Nullsequenzströme und des Gegensystemstroms, um den einen oder mehrere von einem Nullsequenzreststrom und einem Gegensystemreststrom zu erzeugen, der oder die für einen Erdschlussstrom repräsentativ ist oder sind, und die Identifizierung eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine basierend auf dem einen oder mehreren von dem Nullsequenzreststrom und dem Gegensystemreststrom umfasst.
Gemäß eines weiteren Gesichtspunkts der Erfindung ist ein Fehlerdetektor zum Erkennen eines Erdschlusses in einer elektrischen Wechselstrommaschine vorgesehen. Der Fehlerdetektor umfasst einen Prozessor, der programmiert ist, um eine Eingabe zu empfangen, die dreiphasige Spannungen und Ströme umfasst, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden, einen oder mehrere von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom aus den Dreiphasenströmen zu bestimmen, eine rauschbedingte Kompensation des einen oder mehrerer von dem Nullsequenzstrom und dem Gegensystemstrom durchzuführen, um den einen oder mehrere von einem Nullsequenzreststrom und einem Gegensystemreststrom zu erzeugen, der für einen Erdschlussstrom repräsentativ ist, und einen Erdschluss in der elektrischen Wechselstrommaschine basierend auf einem oder mehreren von dem Nullsequenzreststrom und dem Gegensystemreststrom zu identifizieren.
Aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen werden verschiedene weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ersichtlich.
Figurenliste
Die Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen, die derzeit für die Durchführung der Erfindung in Betracht gezogen werden.
In den Zeichnungen:

ist 1 eine vereinfachte Darstellung einer Wechselstrom-Asynchronmaschine, die mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
ist 2 ein schematisches Diagramm einer im Stern geschalteten elektrischen Wechselstrommaschine und eines zugehörigen Fehlerdetektors zum Erkennen von Erdschlüssen darin gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
ist 3 ein schematisches Diagramm einer im Dreieck geschalteten elektrischen Wechselstrommaschine und eines zugehörigen Fehlerdetektors zum Erkennen von Erdschlüssen darin gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
ist 4 ein Flussdiagramm, das die Teilschritte von SCHRITT 64 in 3 zur Lokalisierung einer EVD auf eine oder mehrere Phasen in einem dreiphasigen Wechselstromkreis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
ist 5 ein Diagramm, das die Erdschlusserkennung unter Verwendung von Nullsequenzkomponenten in einer im Stern geschalteten elektrischen Wechselstrommaschine veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Erfindung werden auf ein System und Verfahren zum Erkennen von Statorfehlern in dreiphasigen elektrischen Wechselstrommaschinen durch das Erkennen von Erdschlussströmen gerichtet. Bei der Erkennung von Erdschlüssen kompensieren das System und das Verfahren rauschbedingte Faktoren, um die Erkennungsgenauigkeit von Erdschlüssen zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Wechselstrommaschine 10 vorgesehen, in/mit der Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, um darin Statorfehler zu erkennen. Die elektrische Maschine 10 kann in Form einer Reihe bekannter elektrischer Wechselstrommaschinen ausgeführt werden, wie beispielsweise in Form eines Asynchronmotors, eines Generators oder eines Transformators oder einer anderen Last, die von einer Dreiphasenstromquelle angetrieben und in einem industriellen Umfeld nützlich sein kann. Zur Veranschaulichung ist die in 1 dargestellte elektrische Wechselstrommaschine 10 eine Asynchronmaschine, die nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ein Motor oder Generator sein kann. Die Asynchronmaschine 10 umfasst einen Stator 12 und eine Rotorbaugruppe 14 - wobei die Rotorbaugruppe eine Reihe von Rotorstangen 16 einschließt, die mit einem Endring 18 (d. h. einem Rotorkorb) gekoppelt sind. Im Betrieb erzeugen Stromflüsse durch die Wicklungen 20 des Stators 12 ein Magnetfeld, das einen Stromfluss durch die zur Drehmomenterzeugung erforderlichen Rotorstangen 16 induziert, wobei der Strom durch die Rotorstangen 16 durch elektromagnetische Induktion aus dem Magnetfeld der Statorwicklungen 20 bereitgestellt wird. Um elektrische Kurzschlüsse zwischen den Wicklungen 20 des Stators 12 zu vermeiden, ist um die Statorwicklungen 20 eine Wicklungsisolation 22 bereitgestellt.
In Bezug auf die Wechselstrom-Asynchronmaschine 10 wird anerkannt, dass Ausfälle der Wicklungsisolation 22 - wie sie durch eine allmähliche Verschlechterung der Wicklungsisolation aufgrund einer Kombination aus elektromechanischen kraftinduzierten Vibrationen, hohen dv/dt-Spannungsstößen, thermischer Überlastung und/oder Verunreinigung verursacht werden können - zu Windungs- und Erdschlüssen in der elektrischen Maschine 10 führen können. Ausführungsformen der Erfindung werden auf ein System und Verfahren zum Identifizieren von Statorfehlern in einer elektrischen Wechselstrommaschine 10 durch das Erfassen von Erdschlüssen ohne die Verwendung eines speziellen Erdschlussstromdetektors, wie beispielsweise eines Stromwandlers, gerichtet. Bei der Erkennung solcher Erdschlüsse kompensieren das System und das Verfahren rauschbedingte Faktoren, um die Erkennungsgenauigkeit der Erdschlüsse zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 und unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1 werden Ersatzschaltbilder einer elektrischen Wechselstrommaschine 10, die Strom- und Spannungseingänge zur elektrischen Maschine sowie Kapazitäts- und Widerstandswerte der Wicklungsisolation 22 an den Statorwicklungen 20 der elektischen Wechselstrommaschine 10 veranschaulichen, veranschaulicht. 2 veranschaulicht einen im Stern geschalteten Maschinenstromkreis, während 3 einen im Dreieck geschalteten Maschinenstromkreis veranschaulicht. Der im Stern geschaltete Stromkreis aus 2 veranschaulicht die Versorgungsspannungen U_sa , U_sb , U_sc und die der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zugeführten Phasenströme I_sa , I_sb , I_sc sowie den Widerstand 24 und die Kapazität 26 der Wicklungsisolation 22 an den Statorwicklungen 20 der elektrischen Wechselstrommaschine 10, wobei auch die Erdschlussströme I_fa , I_fb , I_fe und die Ableitströme I_la , I_lb , I_lc dargestellt sind. Der im Dreieck geschaltete Stromkreis aus 3 veranschaulicht die Versorgungsspannungen Usa, Usb, Usc und die der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zugeführten Phasenströme Isa, I_sb , Isc sowie den Widerstand 24 und die Kapazität 26 der Wicklungsisolation 22 an den Statorwicklungen 20 der elektrischen Wechselstrommaschine 10, wobei auch die Erdschlussströme I_fab , I_fbc , Ifca und die Ableitströme I_lab , I_lbc , I_lca dargestellt sind.
Um das Erkennen von Erdschlüssen in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zu ermöglichen, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Fehlerdetektor 30 bereitgestellt. Der Fehlerdetektor 30 empfängt Eingänge für die dreiphasige Spannung und Strom, die der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zugeführt werden, wie sie beispielsweise von den Spannungs- und Stromsensoren 32 gemessen werden können. Wie in den 2 und 3 dargestellt, empfängt ein Prozessor 34 im Fehlerdetektor 30 die gemessenen dreiphasigen Spannungen und Ströme und ist programmiert, um Nullsequenzkomponenten und/oder Gegenkomponenten der Spannung und des Stroms zu bestimmen, um einen Erdschlussstrom in der Maschine zu identifizieren, wobei der Prozessor 34 eine Kompensation für rauschbedingte Faktoren durchführt, um den Erdschlussstrom zu isolieren und dadurch die Erkennungsgenauigkeit eines Erdschlusses zu verbessern. Der Fehlerdetektor 30 berechnet einen Fehlerschwereindex (FSI) mit einer Größe, die als Indikator für das Vorliegen eines Statorfehlers in der elektrischen Maschine fungiert.
Solange der Fehlerdetektor 30 in den 2 und 3 als eigenständige Steuerung/Vorrichtung dargestellt ist, wird anerkannt, dass ein solcher Detektor in eine Schutz- und Steuerkomponente eingebaut werden kann, die funktionsfähig mit der elektrischen Wechselstrommaschine 10 verbunden ist. Das heißt, ein Prozessor 34 mit einem Programm/Algorithmus, der das Erkennen von Statorfehlern in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 ermöglicht, kann sich in einem vorhandenen Motorstarter, Motorantrieb oder einem anderen Motorsteuerprodukt befinden. Der Fehlerdetektor 30 kann somit die Überwachung der elektrischen Wechselstrommaschine 10 vom Standort der Maschine oder von einem von der Maschine entfernten Standort aus ermöglichen. Darüber hinaus werden im Folgenden Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf den Prozessor 34 des Fehlerdetektors 30 beschrieben, der programmiert ist, um eine Technik zur Identifizierung eines Erdschlusses für die elektrische Wechselstrommaschine 10 durchzuführen, wobei anerkannt wird, dass der hier verwendete Begriff „Prozessor“ keine programmierbare Vorrichtung sein muss. Das heißt, versteht sich, dass der Prozessor 34 (und die damit ausgeführten Schritte), wie im Folgenden beschrieben, auch gleichwertige Hardware und Rechengeräte umfasst, die die gleichen Aufgaben erfüllen.
Beispiele für den Prozessor 34, der Nullsequenzkomponenten und/oder Gegenkomponenten sowohl für im Stern als auch für im Dreieck geschaltete Wicklungen in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 bestimmt, sind im Folgenden im Detail aufgeführt, um Ausführungsformen der Erfindung besser zu beschreiben.
In einer Ausführungsform analysiert der Fehlerdetektor 30 Nullsequenzkomponenten für im Stern geschaltete Wicklungen 20 (2) in der elektrischen Wechselstrommaschine 10. Nach dem Empfangen der dreiphasigen Spannungen U_sa , U_sb , U_se und den Strömen I_sa , I_sb , I_sc wendet der Fehlerdetektor 30 die Kirchoffschen Regeln auf die aktuellen Messwerte an, um Fehler-, Ableit- und Phasenströme für jede Phase zu bestimmen, wobei der Strom für jede Phase dargestellt wird durch: $\begin{matrix} I_{s a} = I_{l a} + I_{f a} + I_{a} \\ I_{s b} = I_{l b} + I_{f b} + I_{b} \\ I_{s c} = I_{l c} + I_{f c} + I_{c} \end{matrix}$
wobei I_la , I_lb , I_lc Leckströme, I_fa , I_fb , I_fc Fehlerströme und I_a , I_b , I_c Phasenströme sind.
Das Anwenden einer Sequenztransformation auf [Gleichung 1] kann wie folgt beschrieben werden: $T * [\begin{matrix} I_{s a} \\ I_{s b} \\ I_{s c} \end{matrix}] = T * [\begin{matrix} I_{l a} \\ I_{l b} \\ I_{l c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} I_{f a} \\ I_{f b} \\ I_{f c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} I_{a} \\ I_{b} \\ I_{c} \end{matrix}]$
dabei ist T: $T = \frac{1}{3} [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & a \\ 1 & a^{2} & a \end{matrix}]$
$α = 1 ∠ 120 = - 0,5 + j \frac{\sqrt{3}}{2}$
Ersetzen von a in [Gl. 2] ergibt somit: $\begin{array}{l} \frac{1}{3} * [\begin{matrix} I_{s a} + I_{s b} + I_{s c} \\ I_{s a} + a * I_{s b} + a^{2} * I_{s c} \\ I_{s a} + a^{2} * I_{s b} + a * I_{s c} \end{matrix}] & = & \frac{1}{3} * [\begin{matrix} I_{l a} + I_{l b} + I_{l c} \\ I_{l a} + a * I_{l b} + a^{2} * I_{l c} \\ I_{l a} + a^{2} * I_{l b} + a * I_{l c} \end{matrix}] + \\ \frac{1}{3} * [\begin{matrix} I_{f a} + I_{f b} + I_{f c} \\ I_{f a} + a * I_{f b} + a^{2} * I_{f c} \\ I_{f a} + a^{2} * I_{f b} + a * I_{f c} \end{matrix}] & + & \frac{1}{3} * [\begin{matrix} I_{a} + I_{b} + I_{c} \\ I_{a} + a * I_{b} + a^{2} * I_{c} \\ I_{a} + a^{2} * I_{b} + a * I_{c} \end{matrix}] \end{array}$
Da die oberste Zeile von [Gl. 2] und [Gl. 5] den Nullsequenzströmen entspricht, kann der gesamte Nullsequenznetzstrom I_s0 definiert werden als: $I_{s 0} = \frac{1}{3} (I_{s a} + I_{s b} + I_{s c}) = \frac{1}{3} (I_{l a} + I_{l b} + I_{l c}) + \frac{1}{3} (I_{f a} + I_{f b} + I_{f c}) + \frac{1}{3} (I_{a} + I_{b} + I_{c})$
Wenn anerkannt wird, dass eine Summe der Phasenkomponenten I_a , I_b , I_c gleich Null ist, kann der gesamte Nullsequenznetzstrom I_s0 umgeschrieben werden als: $I_{s 0} = \frac{1}{3} ((I_{l a} + I_{l b} + I_{l c}) + (I_{f a} + I_{f b} + I_{f c}))$
Die Neuordnung von [Gl. 7] sieht die Bestimmung eines Nullsequenzerdschlussstroms I_0PG - auch als Fehlerschwereindex (FSI)-Wert bezeichnet - vor, der analysiert werden kann, um das Vorhandensein eines Erdschlusses zu bestimmen. Das heißt, [Gl. 7] kann umgeschrieben werden, um einen FSI zu definieren gemäß: $F S I = I_{0 P G} = 3 * (I_{s 0} - I_{l 0}) = I_{f a} + I_{f b} + I_{f c}$
wobei I_l0 ein Nullsequenzableitstrom ist. Der Nullsequenzableitstrom kann definiert werden als ein durch Rauschen erzeugter Nullsequenzstrom, der sich aus verschiedenen Rauschfaktoren ergibt, wie z. B. Netzungleichgewicht, Netzspannungsschwankung, Schieflast und Oberschwingungsströme. Der Nullsequenzableitstrom I_l0 wird definiert gemäß: $I_{l 0} = Y_{0} * U_{g 0} + k * I_{1}$
wobei U_g0 eine Nullsequenzkomponente der Erdschluss- oder Sternspannung ist, I₁ ein Mitsystemstrom ist und Y₀ und k Konstanten sind, die nach Initialisierung eines Erdschlusserkennungsalgorithmus auf die elektrische Wechselstrommaschine 10 kalibriert sind.
So kann mit Kenntnis des gesamten Nullsequenznetzstroms I_s0 und des Nullsequenzableitstroms I_l0 , der sich aus verschiedenen Rauschfaktoren aus der Stromversorgung und lastbezogenen Parametern ergibt, ein Rest- oder kompensierter Nullsequenzstrom isoliert werden, der sich ausschließlich aus dem Erdschlussstrom I_0PG ergibt. Der Rest-/kompensierte Nullsequenzerdschlussstrom kann als FSI-Wert beschrieben werden, der dann analysiert wird, um das Vorhandensein eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zu bestimmen. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform vergleicht der Fehlerdetektor 30 den berechneten FSI mit einem FSI-Schwellenwert und, wenn der berechnete FSI größer als der FSI-Schwellenwert ist, zeigt an, dass ein Statorfehler in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 vorliegt. Es wird anerkannt, dass der FSI-Schwellenwert in Abhängigkeit vom Schweregrad, bei dem ein Alarm ausgelöst werden soll, eingestellt werden kann, so dass der Schwellenwert ein vordefinierter Wert im Programm sein kann oder aus Benutzereinstellungen oder über Benutzereingaben bestimmt werden kann. Als Beispiel kann der FSI-Schwellenwert auf 7,5 mA eingestellt werden - so dass Erdschlussströme von mehr als 7,5 mA als Statorfehler kategorisiert werden - obwohl anerkannt wird, dass der Schwellenwert höher oder niedriger sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform analysiert der Fehlerdetektor 30 Nullsequenzkomponenten für im Dreieck geschaltete Wicklungen 20 in der elektrischen Wechselstrommaschine 10. Nach dem Empfangen der dreiphasigen Spannungen U_sa , U_sb , U_sc und den Strömen I_sa , I_sb , I_sc wendet der Fehlerdetektor 30 die Kirchoffschen Regeln auf die aktuellen Messwerte an, um Fehler-, Ableit- und Phasenströme für jede Phase zu bestimmen, wobei der Strom für jede Phase dargestellt wird durch: $\begin{matrix} I_{s a} = I_{a b} - I_{c a} + I_{f c a} + I_{l c a} \\ I_{s b} = I_{b c} - I_{a b} + I_{f a b} + I_{l a b} \\ I_{s c} = I_{c a} - I_{b c} + I_{f b c} + I_{l b c} \end{matrix}$
wobei I_lca , I_lab , I_lbc Ableitströme, I_fca , I_fab , I_fbc Fehlerströme und I_ca , I_bc , I_ca Phasenströme sind.
Das Anwenden einer Sequenztransformation auf [Gl. 10] kann wie folgt beschrieben werden: $T * [\begin{matrix} I_{s a} \\ I_{s b} \\ I_{s c} \end{matrix}] = T * [\begin{matrix} I_{l a} - I_{c a} \\ I_{b c} - I_{a b} \\ I_{c a} - I_{b c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} I_{f c a} \\ I_{f a b} \\ I_{f b c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} I_{l c a} \\ I_{l a}_{b} \\ I_{l b c} \end{matrix}]$
dabei ist T: $T = \frac{1}{3} [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & a^{2} \\ 1 & a^{2} & a \end{matrix}]$
wobei a definiert ist als: $α = 1 ∠ 120 = - 0,5 + j \frac{\sqrt{3}}{2}$
Da die oberste Zeile von [Gl. 11] den Nullsequenzströmen entspricht und dass anerkannt wird, dass eine Summe der Phasenkomponenten I_ab , I_bc , I_ca gleich Null ist, kann der gesamte Nullsequenznetzstrom I_s0 definiert werden als: $I_{s 0} = \frac{1}{3} ((I_{f c a} + I_{f a b} + I_{f b c}) + (I_{l c a} + I_{l a b} + I_{l b c}))$
Die Neuordnung von [Gl. 14] sieht die Bestimmung eines FSI-Wertes (d. h. Nullsequenzerdschlussstrom I_0PG ) vor, der zum Bestimmen des Vorhandenseins eines Erdschlusses verwendet werden kann. Das heißt, [Gl. 14] kann umgeschrieben werden, um einen FSI zu definieren gemäß: $F S I = I_{0 P G} = 3 * (I_{s 0} - I_{l 0}) = I_{f c a} + I_{f a b} + I_{f b c}$
wobei I_l0 ein Nullsequenzableitstrom ist. Der Nullsequenzableitstrom kann definiert werden als ein durch Rauschen erzeugter Nullsequenzstrom, der sich aus verschiedenen Rauschfaktoren ergibt, wie z. B. Netzungleichgewicht, Netzspannungsschwankung, Schieflast und Oberschwingungsströme. Der Nullsequenzableitstrom I_l0 wird definiert gemäß: $I_{I 0} = Y_{0} * U_{g 0} + k * I_{1}$
wobei U_g0 eine Nullsequenzkomponente der Erdschluss- oder Sternspannung ist, I₁ ein Mitsystemstrom ist und Y₀ und k Konstanten sind, die nach Initialisierung eines Erdschlusserkennungsalgorithmus auf die elektrische Wechselstrommaschine 10 kalibriert sind.
Wie vorstehend dargelegt, kann so mit Kenntnis des gesamten Nullsequenznetzstroms Iso und des Nullsequenzableitstroms I_l0 , der sich aus verschiedenen Rauschfaktoren aus der Stromversorgung und lastbezogenen Parametern ergibt, ein Rest- oder kompensierter Nullsequenzstrom isoliert werden, der sich ausschließlich aus dem Erdschlussstrom I_0PG oder dem FSI-Wert ergibt und dann analysiert wird, um das Vorhandensein eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform analysiert der Fehlerdetektor 30 Gegenkomponenten für im Stern geschaltete Wicklungen 20 in der elektrischen Wechselstrommaschine 10. Nach dem Empfangen der dreiphasigen Spannungen U_sa , U_sb , U_sc und den Strömen I_sa , I_sb , I_sc wendet der Fehlerdetektor 30 die Kirchoffschen Regeln auf die aktuellen Messwerte an, um Fehler-, Ableit- und Phasenströme für jede Phase zu bestimmen, wobei der Strom für jede Phase dargestellt wird durch: $\begin{matrix} I_{s a} = I_{l a} + I_{f a} + I_{a} \\ I_{s b} = I_{l b} + I_{f b} + I_{b} \\ I_{s c} = I_{l c} + I_{f c} + I_{c} \end{matrix}$
wobei I_la , I_lb , I_ic , Leckströme, I_fa , I_fb , I_fc Fehlerströme und I_a , I_b , I_c Phasenströme sind.
Das Anwenden einer Sequenztransformation auf [Gleichung 1] kann wie folgt beschrieben werden: $T * [\begin{matrix} I_{s a} \\ I_{s b} \\ I_{s c} \end{matrix}] = T * [\begin{matrix} I_{l a} \\ I_{l b} \\ I_{l c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} I_{f a} \\ I_{f b} \\ I_{f c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} I_{a} \\ I_{b} \\ I_{c} \end{matrix}]$
dabei ist T $T = \frac{1}{3} [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & a^{2} \\ 1 & a^{2} & a \end{matrix}]$
wobei a definiert ist als: $α = 1 ∠ 120 = - 0,5 + j \frac{\sqrt{3}}{2}$
Da die unterste Zeile von [Gl. 18] den Gegensystemströmen entspricht, kann der gesamte Gegensystemnetzstrom I_s2 definiert werden als: $I_{s 2} = \frac{1}{3} ((I_{l a} + a^{2} I_{l b} + a I_{l c}) + (I_{f a} + a^{2} I_{f b} + a I_{f c}) + (I_{a} + a^{2} I_{b} + a I_{c}))$
Die Neuordnung von [Gl. 21] sieht die Bestimmung eines FSI-Wertes (d. h. Gegensystemerdschlussstrom I_2PG ) vor, der zum Bestimmen des Vorhandenseins eines Erdschlusses verwendet werden kann. Das heißt, [Gl. 21] kann umgeschrieben werden, um einen FSI zu definieren gemäß: $F S I = I_{2 P G} = 3 * (I_{s 2} - I_{m 2}) = I_{f a} + a^{2} I_{f b} + a I_{f c}$
wobei I_m2 ein Nullsequenzableitstrom ist, der als ein durch Rauschen erzeugter Gegensystemstrom definiert werden kann, der sich aus verschiedenen Rauschfaktoren ergibt, wie z. B. Netzungleichgewicht, Netzspannungsschwankung, Schieflast und Oberschwingungsströme.
Der Gegensystemableitstrom I_m2 wird definiert gemäß: $I_{m 2} = k_{1} * U_{1} + k_{2} * I_{1} + k_{3} * U_{2}$
wobei U₁ eine Mitsystemspannung, I₁ ein Mitsystemstrom, I₂ eine Gegensystemspannung und k₁ , k₂ , k₃ Konstanten sind, die jeweils U₁ , I₁ und I₂ auf I_m2 beziehen und die auf die elektrische Wechselstrommaschine 10 nach Initialisierung eines Algorithmus zur Erkennung von Erdschlüssen kalibriert sind.
So kann wiederum mit Kenntnis des gesamten Gegensystemnetzstroms I_s2 und des Gegensystemableitstroms I_m2 , der sich aus verschiedenen Rauschfaktoren aus der Stromversorgung und lastbezogenen Parametern ergibt, ein Rest- oder kompensierter Gegensystemstrom isoliert werden, der sich ausschließlich aus dem Erdschlussstrom I_2PG oder dem FSI-Wert ergibt und dann analysiert wird, um das Vorhandensein eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform analysiert der Fehlerdetektor 30 Gegenkomponenten für im Dreieck geschaltete Wicklungen 20 in der elektrischen Wechselstrommaschine 10. Nach dem Empfangen der dreiphasigen Spannungen U_sa , U_sb , U_sc und den Strömen I_sa , I_sb , I_sc wendet der Fehlerdetektor 30 die Kirchoffschen Regeln auf die aktuellen Messwerte an, um Fehler-, Ableit- und Phasenströme für jede Phase zu bestimmen, wobei der Strom für jede Phase dargestellt wird durch: $\begin{matrix} I_{s a} = I_{a b} - I_{c a} + I_{f c a} + I_{l c a} \\ I_{s b} = I_{b c} - I_{a b} + I_{f a b} + I_{l a b} \\ I_{s c} = I_{c a} - I_{b c} + I_{f b c} + I_{l b c} \end{matrix}$
wobei I_lca , I_lab , I_lbc Ableitströme, I_fca , I_fab , I_fbc , Fehlerströme und I_ca , I_bc , I_ca Phasenströme sind.
Das Anwenden einer Sequenztransformation auf [Gl. 24] kann wie folgt beschrieben werden: $T * [\begin{matrix} I_{s a} \\ I_{s b} \\ I_{s c} \end{matrix}] = T * [\begin{matrix} I_{l a} - I_{c a} \\ I_{l b} - I_{a b} \\ I_{c a} - I_{b c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} I_{f c a} \\ I_{f a b} \\ I_{f b c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} I_{l c a} \\ I_{l a b} \\ I_{l b c} \end{matrix}]$
dabei ist T: $T = \frac{1}{3} [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & a^{2} \\ 1 & a^{2} & a \end{matrix}]$
wobei a definiert ist als: $α = 1 ∠ 120 = - 0,5 + j \frac{\sqrt{3}}{2}$
Da die unterste Zeile von [Gl. 25] den Gegensystemströmen entspricht, kann der gesamte Gegensystemnetzstrom I_s2 definiert werden als: $I_{s 2} = \frac{1}{3} ((I_{l c a} + a^{2} I_{l a b} + a I_{l b c}) + (I_{f c a} + a^{2} I_{f a b} + a I_{f b c}) + (I_{c a} + a^{2} I_{a b} + a I_{b c}))$
Die Neuordnung von [Gl. 28] sieht die Bestimmung eines FSI-Wertes (d. h. Gegensystemerdschlussstrom I_2PG ) vor, der zum Bestimmen des Vorhandenseins eines Erdschlusses verwendet werden kann. Das heißt, [Gl. 28] kann umgeschrieben werden, um einen FSI zu definieren gemäß: $F S I = I_{2 P G} = 3 * (I_{s 2} - I_{m 2}) = I_{f c a} + a^{2} I_{f a b} + a I_{f b c}$
wobei I_m2 ein Gegensystemableitstrom ist. Der Gegensystemableitstrom kann definiert werden als ein durch Rauschen verstärkter Gegensystemstrom, der sich aus verschiedenen Rauschfaktoren ergibt, wie z. B. Netzungleichgewicht, Netzspannungsschwankung, Schieflast und Oberschwingungsströme. Der Gegensystemableitstrom I_m2 wird definiert gemäß: $I_{m 2} = k_{1} * U_{1} + k_{2} * I_{1} + k_{3} * I_{2}$
wobei U₁ eine Mitsystemspannung, I₁ ein Mitsystemstrom, I₂ eine Gegensystemspannung und k₁ , k₂ , k₃ Konstanten sind, die jeweils U₁ , I₁ und I₂ auf I_m2 beziehen und die auf die elektrische Wechselstrommaschine 10 nach Initialisierung eines Algorithmus zur Erkennung von Erdschlüssen kalibriert sind.
So kann wiederum mit Kenntnis des gesamten Gegensystemnetzstroms I_s2 und des Gegensystemableitstroms I_m2 , der sich aus verschiedenen Rauschfaktoren aus der Stromversorgung und lastbezogenen Parametern ergibt, ein Rest- oder kompensierter Gegensystemstrom isoliert werden, der sich ausschließlich aus dem Erdschlussstrom I_2PG oder dem FSI-Wert ergibt und dann analysiert wird, um das Vorhandensein eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zu bestimmen.
Unter Bezugnahme nun auf 4 und unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1-3 wird eine Technik 40 dargestellt, die vom Prozessor 34 des Fehlerdetektors 30 implementiert wird, um einen Statorfehler in einer im Dreieck oder im Stern geschalteten elektrischen Wechselstrommaschine 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu identifizieren. Es wird anerkannt, dass die Technik 40 zum Identifizieren von Statorfehlern identische Schritte sowohl für einen im Dreieck geschalteten als auch für einen im Stern geschalteten Motor einschließt, dass aber die im Algorithmus verwendeten spezifischen Berechnungen/Gleichungen je nach Verbindungsart variieren können.
In einem ersten Schritt der Technik 40 werden dreiphasige Strom- und Spannungsmessungen vom Prozessor 34 in SCHRITT 42 empfangen. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform empfängt der Prozessor 34 dreiphasige Strom- und Spannungsdaten, wie sie beispielsweise von Strom- und Spannungssensoren 32 an einer Abtaststelle in der Nähe der Klemmen der elektrischen Wechselstrommaschine 10 gemessen werden. In einer Ausführungsform extrahiert der Prozessor 34 nach Empfang der dreiphasigen Strom- und Spannungsmessungen dann in SCHRITT 44 die grundlegenden Komponenten der dreiphasigen Ströme und Spannungen nach einer bekannten Technik/Methode. SCHRITT 44 ist in 4 schwach gedruckt dargestellt, da anerkannt ist, dass die Bestimmung der grundlegenden Komponenten für die Durchführung der Technik 40 optional ist, da die Erkennung eines Statorfehlers in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 ohne die grundlegenden Komponenten durchgeführt werden kann. Es wird jedoch anerkannt, dass eine genauere Analyse der Statorfehler durch die Bestimmung und Verwendung der grundlegenden Komponenten erreicht wird, wie hier im Folgenden beschrieben.
Wie in 4 dargestellt, fährt die Technik 40 mit dem Berechnen von Sequenzkomponenten der dreiphasigen Spannungen und Ströme in SCHRITT 46 fort, wobei die Sequenzkomponenten der Spannungen als U_1,2,0 und die Ablaufkomponenten der Ströme als I_1,2,0 identifiziert werden, wobei die Mit-, Gegen- und Nullsequenzkomponenten jeweils durch 1, 2 und 0 identifiziert werden. Hinsichtlich der Bestimmung der Spannungs- und Stromsequenzkomponenten wird anerkannt, dass das 2. Kirchhoffsche Gesetz (KVL) auf die elektrische Maschine angewendet werden kann, um diese Sequenzkomponenten zu bestimmen.
Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wird dann einer von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom vom Prozessor 34 bei den SCHRITTEN 48-64 weiter analysiert, um einen Erdschluss in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zu identifizieren. Bei der Analyse eines des Nullsequenzstroms und des Gegensystemstroms wird zunächst in SCHRITT 48 ein Gesamtwert des Null-/Gegensystemstroms bestimmt. Ein durch Rauschen erzeugter Wert des Null-/Gegensystemstroms, der in den Gesamtwert einfließt, wird dann in SCHRITT 50 bestimmt, wobei der durch Rauschen erzeugte Wert als Null-/Gegensystemableitstrom erkannt bzw. definiert wird, der sich aus Rauschfaktoren wie z. B. Netzungleichgewicht, Netzspannungsschwankungen, unsymmetrischer Last und Oberschwingungsströmen ergibt. Aus dem Gesamtwert des Null-/Gegensystemstroms und dem rauschverstärkten Wert des bei den SCHRITTEN 48 und 50 ermittelten Null-/Gegensystemstroms kann in SCHRITT 52 ein Rest- oder kompensierter Null-/Gegensystemstrom bestimmt werden - wobei der Rest-/kompensierte Null-/Gegensystemstrom als isolierter, von den oben genannten Rauschfaktoren unabhängiger Erdschlussstrom erkannt wird.
Nach dem Bestimmen eines Rest-/kompensierten Null-/Gegensystemstroms in SCHRITT 52 wird die Technik in SCHRITT 54 fortgesetzt, wobei der Rest-/kompensierte Systemstrom als FSI-Wert identifiziert wird. Der FSI-Wert kann dann mit einem FSI-Schwellenwert in SCHRITT 56 verglichen werden, um zu bestimmen, ob die Größe des Erdschlussstroms in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 größer als der Schwellenstrompegel ist, um eine Bestimmung zu ermöglichen, ob der isolierte Null-/Gegensystemstrom einen Statorfehler in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 anzeigt. Es wird anerkannt, dass der Schwellenwert des Strompegels in Abhängigkeit vom Schweregrad, bei dem ein Alarm ausgelöst werden soll, eingestellt werden kann, so dass der Schwellenwert ein vordefinierter Wert im Programm sein kann oder aus Benutzereinstellungen oder über Benutzereingaben bestimmt werden kann. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird der Stromschwellenwert auf 7,5 mA festgelegt -so dass Stromwerte über 7,5 mA als Statorfehler kategorisiert werden - obwohl erkannt wird, dass der Schwellenwert ein höher oder niedriger sein könnte. Wenn in SCHRITT 56 bestimmt wird, dass der FSI-Wert kleiner als der FSI-Schwellenwert ist, wie in SCHRITT 58 angegeben, wird bestimmt, dass kein Statorfehler in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 vorliegt, wie in SCHRITT 60 angegeben. Die Technik kehrt dann zu SCHRITT 42 zurück, wobei zusätzliche dreiphasige Strom- und Spannungsmessungen durch den Prozessor 34 empfangen werden, so dass die Überwachung auf einen Statorfehler fortgesetzt wird. Wenn hingegen in SCHRITT 56 bestimmt wird, dass die Größe des FSI-Wertes größer als der FSI-Schwellenwert ist, wie in SCHRITT 62 angegeben, dann fährt die Technik 50 als SCHRITT 64 mit der Identifizierung eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 fort, der auf einen Statorfehler in der Maschine hinweist.
Unter Bezugnahme nun auf 5 wird ein Diagramm bereitgestellt, das das Erkennen eines Erdschlusses durch Analyse von Sequenzkomponenten der der elektrischen Wechselstrommaschine 10 zur Verfügung gestellten Netzströme veranschaulicht. Während 5 speziell eine Erdschlusserkennung für Nullsequenzkomponenten in einer im Stern geschalteten Maschine veranschaulicht, wird anerkannt, dass ähnliche Ergebnisse mit der Verwendung von Nullsequenzkomponenten in einer im Dreieck geschalteten Maschine und mit der Verwendung von Gegensystemkomponenten in einer im Stern oder im Dreieck geschalteten Maschine veranschaulicht werden können. Wie in 5 dargestellt, wird der Erdschlussstrom separat als Trainingsdaten 66, gesunde Daten 68 und fehlerhafte Daten 70 während verschiedener Betriebszeiten identifiziert. Die Trainingsdaten 66, die während der Periode 72 erhalten wurden (d. h. ein Start des Motors/Initialisierung des Statorfehlererkennungsalgorithmus), können verwendet werden, um den Wert der Motorkonstanten einzustellen, die in dem auf dem Prozessor 34 programmierten Statorfehlererkennungsalgorithmus verwendet werden - wie Y₀ und k [Gl. 9 und 16] und k₁ , k₂ , k₃ [Gl. 23]. Die in der Periode 74 erhaltenen gesunden Daten 68 veranschaulichen Stromwerte (und entsprechende FSI-Werte), die einen bestimmten Fehlerstromschwellenwert nicht überschreiten, so dass bestimmt wird, dass sich die elektrische Wechselstrommaschine 10 noch in einem gesunden Zustand ohne Statorfehler befindet. Die in der Periode 76 erhaltenen fehlerhaften Daten 70 veranschaulichen Stromwerte (und entsprechende FSI-Werte), die einen bestimmten Fehlerstromschwellenwert überschreiten, so dass bestimmt wird, dass ein Statorfehler in der elektrischen Wechselstrommaschine 10 vorliegt.
Wie in 5 zu sehen ist, sind die durch die Analyse von Null-/Gegensystemkomponenten berechneten Erdschlussstromwerte 70 genau, da sie Strommessungen widerspiegeln, die von einem speziellen Stromwandler (gekennzeichnet durch Zeile 78) für Vergleichszwecke durchgeführt werden. So wird deutlich, dass die Ausführungsformen der Erfindung ein System und Verfahren bereitstellen, die eine zuverlässige Erkennung eines Erdschlusses ohne die Verwendung eines speziellen Erdschlussstromwandlers ermöglichen.
Vorteilhafterweise bieten die Ausführungsformen der Erfindung somit ein System und Verfahren zum Erkennen von Statorfehlern in einer elektrischen Maschine unter Verwendung der dreiphasigen Spannungen und Ströme, die der elektrischen Maschine zugeführt werden. Erdschlussströme werden ohne die Verwendung eines speziellen Erdschlussstromwandlers und in einer Weise bestimmt, die die Auswirkungen von Systemableitströmen, hochohmigen Erdungen und/oder Netzoberschwingungen eliminiert, die eine zuverlässige Erkennung eines Erdschlusses erschweren könnten.
Ein technischer Beitrag für das offenbarte Verfahren und die Vorrichtung ist die Bereitstellung einer prozessorimplementierten Technik zum Erkennen von Statorfehlern in dreiphasigen Wechselstrommotorschaltungen.
Daher ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Steuerung bereitgestellt, die konfiguriert ist, um einen Erdschluss in einer elektrischen Wechselstrommaschine zu erkennen. Die Steuerung umfasst einen Prozessor, der programmiert ist, um Messungen von dreiphasigen Spannungen und Strömen zu empfangen, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden, wobei die Messungen von Spannungs- und Stromsensoren empfangen werden, die der elektrischen Verteilerschaltung zugeordnet sind. Der Prozessor ist auch programmiert, um mindestens eines von einer Nullsequenzkomponente und einer Gegenkomponente von Spannung und Strom aus den dreiphasigen Spannungen und Strömen zu berechnen und einen Fehlerschwereindex (FSI) zu berechnen, der auf der Grundlage der mindestens einen von der Nullsequenzkomponente und der Gegenkomponente von Spannung und Strom basiert, um einen Erdschluss in der elektrischen Wechselstrommaschine zu identifizieren, wobei das Berechnen des FSI ferner das Bestimmen eines Gesamtwertes von mindestens einem von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom, das Bestimmen eines rauschverstärkten Wertes des mindestens einen von dem Nullsequenzstrom und dem in dem Gesamtwert eingeschlossenen Gegensystemstrom, das Bestimmen eines kompensierten Wertes des mindestens einen von dem Nullsequenzstrom und dem Gegensystemstrom basierend auf dem Gesamtwert und dem rauschverstärkten Wert und das Berechnen des FSI basierend auf dem kompensierten Wert einschließt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt ein Verfahren zum Identifizieren eines Erdschlusses in einer elektrischen Wechselstrommaschine das Messen von dreiphasigen Spannungen und Strömen ein, die der elektrischen Wechselstrommaschine über Spannungs- und Stromsensoren zugeführt werden, wobei die elektrische Wechselstrommaschine eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst. Das Verfahren schließt auch das Veranlassen eines Fehlerdetektors zur Identifizierung eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine ein, wobei das Veranlassen des Fehlerdetektors zur Identifizierung des Erdschlusses das Empfangen der gemessenen dreiphasigen Spannungen und Ströme, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden, das Bestimmen eines oder mehrerer von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom aus den dreiphasigen Strömen, die Durchführung einer rauschbedingten Kompensation des einen oder mehrerer Nullsequenzströme und des Gegensystemstroms, um den einen oder mehrere von einem Nullsequenzreststrom und einem Gegensystemreststrom zu erzeugen, der oder die für einen Erdschlussstrom repräsentativ ist oder sind, und die Identifizierung eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine basierend auf dem einen oder mehreren von dem Nullsequenzreststrom und dem Gegensystemreststrom umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Fehlerdetektor zum Erkennen eines Erdschlusses in einer elektrischen Wechselstrommaschine vorgesehen. Der Fehlerdetektor umfasst einen Prozessor, der programmiert ist, um eine Eingabe zu empfangen, die dreiphasige Spannungen und Ströme umfasst, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden, einen oder mehrere von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom aus den Dreiphasenströmen zu bestimmen, eine rauschbedingte Kompensation des einen oder mehrerer von dem Nullsequenzstrom und dem Gegensystemstrom durchzuführen, um den einen oder mehrere von einem Nullsequenzreststrom und einem Gegensystemreststrom zu erzeugen, der für einen Erdschlussstrom repräsentativ ist, und einen Erdschluss in der elektrischen Wechselstrommaschine basierend auf einem oder mehreren von dem Nullsequenzreststrom und dem Gegensystemreststrom zu identifizieren.
Die vorliegende Erfindung wurde im Sinne der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, und es wird anerkannt, dass Äquivalente, Alternativen und Änderungen, abgesehen von den ausdrücklich genannten, im Rahmen der beigelegten Ansprüche möglich sind.

Claims

Steuerung, die konfiguriert ist, um einen Erdschluss in einer elektrischen Wechselstrommaschine zu erfassen, wobei die Steuerung einen Prozessor umfasst, der programmiert ist: Messungen von dreiphasigen Spannungen und Strömen zu empfangen, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden, wobei die Messungen von Spannungs- und Stromsensoren empfangen werden, die der elektrischen Verteilerschaltung zugeordnet sind; mindestens eine von einer Nullsequenzkomponente und einer Gegensystemkomponente von Spannung und Strom aus den dreiphasigen Spannungen und Strömen zu berechnen; und einen Fehlerschwereindex (FSI) basierend auf der mindestens einen der Nullsequenzkomponente und der Gegensystemkomponente von Spannung und Strom zu berechnen, um einen Erdschluss in der elektrischen Wechselstrommaschine zu identifizieren, wobei das Berechnen des FSI Folgendes umfasst: Bestimmen eines Gesamtwertes von mindestens einem von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom; Bestimmen eines rauschverstärkten Wertes von mindestens einem des Nullsequenzstroms und des im Gesamtwert enthaltenen Gegensystemstroms; Bestimmen eines kompensierten Wertes von dem mindestens einen des Nullsequenzstroms und des Gegensystemstroms basierend auf dem Gesamtwert und dem rauschverstärkten Wert; und Berechnen des FSI basierend auf dem kompensierten Wert.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Prozessor beim Berechnen von der mindestens einen der Nullsequenzkomponente und der Gegensystemkomponente von Spannung und Strom programmiert ist, um die Nullsequenzkomponente von Spannung und Strom zu berechnen, wobei ein Gesamtwert, ein rauschverstärkter Wert und ein kompensierter Wert des Nullsequenzstroms bestimmt werden.
Steuerung nach Anspruch 2, wobei, wenn die elektrische Wechselstrommaschine eine im Stern geschaltete elektrische Maschine ist, der Prozessor programmiert ist, um den FSI zu berechnen gemäß: $I_{0 P G} = 3 * (I_{s 0} - I_{l 0}) = I_{f a} + I_{f b} + I_{f c},$
wobei I_fa, I_fb, I_fc Erdschlussströme sind, I_s0 der Nullsequenzstrom und I_l0 ein rauschverstärkter Nullsequenzableitstrom ist.
Steuerung nach Anspruch 3, wobei der Prozessor programmiert ist, um den rauschverstärkten Nullsequenzableitstrom zu berechnen gemäß: $I_{l 0} = Y_{0} * U_{g 0} + k * I_{1},$
wobei U_g0 eine Nullsequenzkomponente der Erdschluss- oder Sternspannung ist, I₁ ein Mitsystemstrom ist und Y₀ und k Konstanten sind, die nach Initialisierung eines Erdschlusserkennungsalgorithmus auf die elektrische Wechselstrommaschine kalibriert sind.
Steuerung nach Anspruch 2, wobei, wenn die elektrische Wechselstrommaschine eine im Dreieck geschaltete elektrische Maschine ist, der Prozessor programmiert ist, um den FSI zu berechnen gemäß: $I_{0 P G} = 3 * (I_{s 0} - I_{l 0}) = I_{f c a} + I_{f a b} + I_{f b c},$
wobei I_fca, I_fab, I_fbc Erdschlussströme sind, I_s0 der Nullsequenzstrom und I_l0 ein Nullsequenzableitstrom ist.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Prozessor beim Berechnen von dem mindestens einen der Nullsequenzkomponente und der Gegensystemkomponente von Spannung und Strom programmiert ist, um die Gegensystemkomponente von Spannung und Strom zu berechnen, wobei ein Gesamtwert, ein rauschverstärkter Wert und ein kompensierter Wert des Gegensystemstroms bestimmt werden..
Steuerung nach Anspruch 6, wobei, wenn die elektrische Wechselstrommaschine eine im Stern geschaltete elektrische Maschine ist, der Prozessor programmiert ist, um den FSI zu berechnen gemäß: $I_{2 P G} = 3 * (I_{s 2} - I_{m 2}) = I_{f a} + a^{2} I_{f b} + a I_{f c}$
wobei I_fa, I_fb, I_fc Erdschlussströme sind, I_s2 der Gegensystemstrom, I_m2 ein durch Rauschen verstärkter Gegensystemstrom und a ein Winkelvermerk ist.
Steuerung nach Anspruch 7, wobei der Prozessor programmiert ist, um den durch Rauschen verstärken Gegensystemstrom zu berechnen gemäß: $I_{m 2} = k_{1} * U_{1} + k_{2} * I_{1} + k_{3} * U_{2}$
wobei U₁ eine Mitsystemspannung, I₁ ein Mitsystemstrom, U₂ eine Gegensystemspannung und k₁, k₂, k₃ Konstanten sind, die jeweils U₁, I₁ und U₂ auf I_m2 beziehen und die auf die elektrische Wechselstrommaschine nach Initialisierung eines Algorithmus zur Erkennung von Erdschlüssen kalibriert sind.
Steuerung nach Anspruch 6, wobei, wenn die elektrische Wechselstrommaschine eine im Dreieck geschaltete elektrische Maschine ist, der Prozessor programmiert ist, um den FSI zu berechnen gemäß: $I_{2 P G} = 3 * (I_{s 2} - I_{m 2}) = I_{f c a} + a^{2} I_{f a b} + a I_{f b c}$
wobei I_fca, I_fab, I_fbc Erdschlussströme sind, I_s2 der Gegensystemstrom, I_m2 ein durch Rauschen verstärkter Nullsequenzstrom und a ein Winkelvermerk ist.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Prozessor ferner programmiert ist, um einen Erdschluss in der elektrischen Wechselstrommaschine ohne Eingabe von einem Stromwandler oder einer anderen Abtastvorrichtung zu identifizieren, die den zu Erde fließenden Strom misst.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Prozessor weiter programmiert ist: den berechneten FSI mit einem FSI-Schwellenwert zu vergleichen; und wenn der berechnete FSI größer als der FSI-Schwellenwert ist, dann anzugeben, dass in der elektrischen Wechselstrommaschine ein Erdschluss vorliegt.
Verfahren zum Identifizieren eines Erdschlusses in einer elektrischen Wechselstrommaschine, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen von dreiphasigen Spannungen und Strömen, die der elektrischen Wechselstrommaschine über Spannungs- und Stromsensoren zugeführt werden, wobei die elektrische Wechselstrommaschine eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst; und Veranlassen eines Fehlerdetektors zur Identifizierung eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine, wobei das Veranlassen des Fehlerdetektors zur Identifizierung des Erdschlusses Folgendes umfasst: Empfangen der gemessenen dreiphasigen Spannungen und Ströme, die der elektrischen Wechselstrommaschine zugeführt werden; Bestimmen eines oder mehrerer von einem Nullsequenzstrom und einem Gegensystemstrom aus den dreiphasigen Strömen; Durchführen einer rauschbedingten Kompensation von dem einen oder mehreren des Nullsequenzstroms und des Gegensystemstroms, um einen oder mehrere eines Nullsequenzreststroms und eines Gegensystemreststroms zu erzeugen, der für einen Erdschlussstrom repräsentativ ist; und Identifizieren eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine basierend auf dem einen oder mehreren des Nullsequenzreststroms und des Gegensystemreststroms.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der eine oder mehrere des Nullsequenzreststroms und des Gegensystemreststroms einen Fehlerschwerenindex (FSI) umfassen, und wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Vergleich des FSI mit einem FSI-Schwellenwert; und Identifizieren eines Erdschlusses in der elektrischen Wechselstrommaschine, wenn der FSI größer als der FSI-Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Durchführen der rauschbedingten Kompensation des einen oder mehrerer des Nullsequenzstroms und des Gegensystemstroms Folgendes umfasst: Bestimmen eines Gesamtwertes des einen oder mehrerer des Nullsequenzstroms und des Gegensystemstroms; Bestimmen eines rauschverstärkten Wertes des einen oder mehrerer des Nullsequenzstroms und des im Gesamtwert enthaltenen Gegensystemstroms; und Bestimmen des einen oder mehrerer des Nullsequenzreststroms und des Gegensystemreststroms basierend auf dem Gesamtwert und dem rauschverstärkten Wert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei, wenn das Bestimmen des einen oder mehrerer des Nullsequenzstroms und des Gegensystemstroms das Bestimmen des Nullsequenzstroms umfasst, der rauschverstärkte Wert des Nullsequenzstroms bestimmt wird gemäß: $I_{l 0} = Y_{0} * U_{g 0} + k * I_{1}$
wobei U_g0 eine Nullsequenzkomponente der Erdschluss- oder Sternspannung ist, I₁ ein Mitsystemstrom ist und Y₀ und k Konstanten sind, die nach Initialisierung eines Erdschlusserkennungsalgorithmus auf die elektrische Wechselstrommaschine kalibriert sind; und wobei, wenn das Bestimmen des einen oder mehrerer des Nullsequenzstroms und des Gegensystemstroms das Bestimmen des Gegensystemstroms umfasst, der rauschverstärkte Wert des Gegensystemstroms bestimmt wird gemäß: $I_{m 2} = k_{1} * U_{1} + k_{2} * I_{1} + k_{3} * U_{2}$
wobei U₁ eine Mitsystemspannung, I₁ ein Mitsystemstrom, U₂ eine Gegensystemspannung und k₁, k₂, k₃ Konstanten sind, die jeweils U₁, I₁ und U₂ auf I_m2 beziehen und die auf die elektrische Wechselstrommaschine nach Initialisierung eines Algorithmus zur Erkennung von Erdschlüssen kalibriert sind.