DE69928767T2

DE69928767T2 - Verfahren und vorrichtung zur detektion der verschmutzung von motorwicklungen

Info

Publication number: DE69928767T2
Application number: DE69928767T
Authority: DE
Inventors: Burt Gerald KLIMAN; Henry Robert REHDER
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: ATE312358T1; DE69928767D1; CA2313180C; EP1046044B1; WO2000020878A1; CA2313180A1; US6169489B1; AU6056499A; MXPA00005627A; JP2002527027A; EP1046044A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ganz allgemein das Feld der Erfassung von Zuständen von Motoren, und insbesondere das Erfassen von Bedingungen einer Motorverschmutzung.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Wenn sich Staub oder sonstige Verunreinigungen, insbesondere in Verbindung mit hoher Luftfeuchtigkeit, auf den Wicklungen von Hochspannungsmaschinen ablagern, ist es möglich, das die Verteilung des elektrischen Feldes so stark verzerrt wird, dass es zum Durchschlag zwischen Abschnitten der Wicklung oder Verbindungen kommt, die auf unterschiedlichen Spannungswerten liegen. Durch reduzierte Organisation der Wartung, wird das Reinigen der Wicklungen häufig vernachlässigt, was damit verbundene Problemen hervorruft.
Häufig werden Massefehlerdetektoren verwendet, um eine Maschine abzuschalten, wenn aufgrund eines tatsächlichen Ausfalls der Isolierung ein erheblicher Strom nach Masse fließt. Siehe beispielsweise DE 36 03 740 A und JP 08 075810 A . Andernfalls kann die PDA (Teilentladungsanalyse = Partial Discharge Analysis) dafür eingesetzt werden, das Vorliegen einer Verunreinigung zu erfassen, jedoch ist hierfür ein sehr spezielles (und gewöhnlich kostspieliges) Instrumentarium erforderlich.
Es wäre erwünscht, eine wirtschaftliche, betriebsbereite, ständige Überwachung zu schaffen, die sich in normale Motorschutzrelais integrieren lassen, um vor einem gefährlichen Verschmutzungsgrad zu warnen, so dass Maßnahmen durchgeführt werden können, um die Wicklungen bedarfsgerecht zu säubern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Motorwindungsverschmutzungsdetektor geschaffen, zu dem gehören: ein Stromwandler, der einen Magnetkreis und eine Sensorspule aufweist, die um den Magnetkreis gewickelt ist, wobei die Phasenleitungen eines Motors, dessen Windungsverschmutzung zu erfassen ist, durch ein Fenster des Magnetkreises laufen, und Alarmmittel zur Erzeugung eines Alarmsignals, wenn vorbestimmte Alarmerzeugungskriterien erfüllt sind, gekennzeichnet durch: Verarbeitungsmittel zur Verarbeitung eines unter dem Auslöseniveau liegenden Stroms der Sensorspule zur Erfassung einer Lecksignatur, wobei das Mittel aufweist: Verstärkungsmittel zur Verstärkung des unter dem Auslöseniveau liegenden Stroms in einen verstärkten Strom; Separiermittel zur Beseitigung einer Leitungsfrequenzkomponente aus dem verstärkten Strom, um einen dynamisch verbesserten Strom zu erzeugen; Spektralanalysemittel zur Durchführung einer Stromspektralanalyse des dynamisch verbesserten Stroms unter Nutzung hohe Verstärkungen; Leckerfassungs- und -bestimmungsmittel zur Erfassung und Bestimmung, ob die Stromspektralanalyse festgelegte Leckverschmutzungskriterien erfüllt, die Funktionen der Intermittenz und des Rauschens in der Stromspektralanalyse ist, so dass eine Leckverschmutzungssignatur erfasst wird, wenn die vorbestimmten Leckverschmutzungskriterien erfüllt sind, wobei die Alarmerzeugungskriterien Funktionen wenigstens einer der Verschmutzungssignaturen sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erfassung der Verschmutzung einer Motorwindung mit folgenden Schritten geschaffen: Durchführen der Phasenleitungen eines Motors, dessen Windung zu überwachen ist, durch ein Fenster eines Magnetkreises und Wickeln einer Erfassungsspule um den Magnetkreis, charakterisiert durch die Verarbeitung eines unter Auslöseniveau liegenden Stroms von der Sensorspule zur Erfassung einer Leckverschmutzungssignatur, wobei zu der Verarbeitung gehört: die Verstärkung des unter Auslöseniveau liegenden Stroms in einen verstärkten Strom, die Beseitigung einer Leitungsfrequenzkomponente aus dem verstärkten Strom, um einen dynamisch verbesserten Strom zu erzeugen; Durchführen einer Stromspektralanalyse des dynamisch verbesserten Stroms unter Nutzung hoher Verstärkungen; und die Detektion und Bestimmung, ob die Leckage in der Stromspektralanalyse vorbestimmte Leckverschmutzungskriterien erfüllt, die Funktionen der Intermittenz und des Rauschens in der Stromspektralanalyse sind, so dass eine Leckverschmutzungssignatur erfasst wird, wenn die vorbestimmten Leckverschmutzungskriterien erfüllt sind; und Erzeugung eines Alarmsignals, wenn vorbestimmte Alarmerzeugungskriterien erfüllt sind, wobei die Alarmerzeugungskriterien Funktionen wenigstens einer der Verschmutzungssignaturen sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 veranschaulicht schematisch den Verschmutzungsdetektor der Erfindung.
2 veranschaulicht eine geeignete Anordnung der drei Phasenleitungen innerhalb des Detektormagnetkreisfenster von 1.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das veranschaulicht, wie das Detektorsignal verarbeitet wird, um eine Verunreinigung zu erfassen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Oberflächlich betrachtet, gleicht der Verschmutzungsdetektor der Erfindung möglicherweise einem auf Leitungsströmen basierenden Massefehlerdetektor. Wie in 1 gezeigt, werden sämtliche drei Phasenleitungen 10 zwischen einem Motor 11 und einer Stromleitung 15 durch das Fenster eines Stromwandlers 12 geführt, der einen Magnetkreis 13 und eine Sensorspule 14 aufweist. Solange kein Strom nach Masse fließt, wird in dem Magnetkreis 13 kein magnetischer Fluss induziert, und es scheint kein Signal an der Sensorspule 14 auf. Da das Erfassen einer Verunreinigung eine wesentlich größere Empfindlichkeit als das Erfassen eines Massefehlers erfordert, ist darauf zu achten, dass die Leitungen 10, wie in 2 gezeigt, symmetrisch in einem Fenster 21 des Magnetkreises 13 und nicht zu nahe an dem Magnetkreis 13 angeordnet werden.
Für eine einfache Fehlererkennung wird das Signal der Sensorspule 14 verwendet, um einen Trennschalter zu betätigen, wenn eine vorbestimmte Massestromstärke überschritten wird. Gemäß der Erfindung ist es allerdings gewünscht, dass der Motor 11 geschützt wird und eingeschaltet bleibt, jedoch eine Verschmutzungswarnung ausgegeben wird, wenn eine Verschmutzungssituation erfasst wird. Folglich werden das herkömmliche Massefehlerausschaltniveau für echte Fehlfunktionen auf normalen Pegeln gehalten, während unterhalb des Auslöseniveaus liegender Strom aus der Spule 14 durch einen Prozessor 16 weiterverarbeitet und eingehend auf Verschmutzungssignaturen untersucht wird, die genutzt werden, um ein Alarmsignal 304 zu triggern.
Im Falle eines unterhalb des Auslöseniveaus liegenden Verschmutzungsstroms wird das Sensorspulensignal anders verarbeitet als im Falle eines Massefehlers. Drei in 3 durch #1, #2 und #3 angezeigte Verarbeitungsverfahren werden voneinander unabhängig oder in einer gewünschten Kombination verwendet. In sämtlichen Verfahren wird der Strom in der Sensorspule 14 vor einer weiteren Verarbeitung zunächst verstärkt 300.
Das erste Verfahren (des ersten Niveaus und Anstiegs) basiert einfach darauf, relativ geringe Ströme mittels größerer Empfindlichkeit, jedoch mit höherem Zeitaufwand aufzuspüren. Obwohl die Erfassungsgeschwindigkeit langsamer ist, ist dies nicht problematisch, da die für Massefehler erforderlichen hohen Erfassungsgeschwindigkeiten im Zusam menhang mit einer Verunreinigung nicht von Bedeutung sind. Dies lässt sich mittels vielfältiger Filter- und Mittelwertbildungsverfahren 301, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern, und durch Ermitteln des Trends 302 des sich ergebenden Ausgangssignalpegels durchführen. Anschließend kann eine funktionale Kombination von vorbestimmten absoluten Pegel- und Anstiegsratenkriterien dafür eingesetzt werden, um einen Verschmutzungsalarm 304 zu initiieren.
Das zweite und dritte Verfahren basieren darauf, dass zunächst die (60 Hz) Leitungsfrequenzkomponente abgetrennt 305 wird, um den Dynamikbereich zu verbessern, und das Spektrum des übrigen Signals 306 unter Nutzung hoher Verstärkungen untersucht wird. Das sich ergebende Signal wird aufgrund eines subkritischen Kriechwegs ähnlich einem Funkenüberschlagfehler in gewisser Weise intermittierend und rauschstark sein. Folglich kann in dem zweiten (eine Verunreinigung betreffenden) Verfahren die Anwendung des Dempster-Shafer-Algorithmus 307 – oder, wie in dem Digital Feeder Monitor (DFM), eine ähnlichen Funktion der Intermittenz und des Rauschens – genutzt werden, um einen Alarm 304 zu erzeugen. (Siehe beispielsweise Gordon, J. und Shortliffe, E. H., The Dempster-Shafer Theory of Evidence, in "Rule-Based Expert Systems: The MYCIN Experiments of the Stanford Heuristic Programming Project," Buchanan, G. G. und Shortliffe, E. H., ed., Addison Wesley, 1984. Der Digital Feeder Monitor (DFM), ein hochohmiges Fehlererkennungs- und Überwachungssystem, ist ein Produkt von General Electric (GE) Power Management Department, Malvern, PA).
Alternativ lassen sich in dem dritten (Cluster-) Verfahren normale Muster mit geringem Pegel von Massestrom rauschspektren über ein Clusterverfahren 308 erfassen, wie in Lagerdegenerationsüberwachung und Stabbrucherfassung. (Siehe beispielsweise Yazici, B., Kliman, G. B., Premerlani, W. J., Koegl, R. A., Robinson, G. B., und Abdel-Malek, A., An Adaptive On-line Statistical Method for Bearing Fault Detection Using Stator Current, in "Proceedings of the IEEE/IAS Industry Applications Society Annual Meeting," New Orleans, Louisiana, 5.-9. Oktober 1997.) Das Aufscheinen von Mustern oder Clustern außerhalb der normalen oder Grundlinienmuster oder Cluster auf der Grundlage einer vorbestimmten funktionalen Beziehung zwischen normalen und beobachteten Mustern kann dann genutzt werden, um einen Alarm 304 auszulösen. Da die tatsächliche an die Wicklungen angelegte Spannung die Art der Entladungen beeinflussen wird, können die normalen Zustände wie im Falle eines Windung-zu-Windung-Fehlerdetektors als Funktion der Spannung V (310) abgebildet werden. (Siehe beispielsweise das gemeinsam erfundene, gemeinsam erteilte US-Patent 5 514 978).
Da lediglich Signale mit einer Frequenz von unter 1 kHz zu überprüfen sind, können zum Erfassen von Verunreinigungen herkömmliche Strom- und Spannungstransformatoren verwendet werden. In der Tat ist es möglich, um die Kosten möglichst gering zu halten, die Erfindung als eine "Nachrüstung" zu einem vorhandenen Massefehlerdetektor zu verwirklichen.
Die oben offenbarten drei Verfahren der Signalverarbeitung können voneinander unabhängig verwendet werden, um den Alarm 304 zu erzeugen. Alternativ können diese Verfahren Eingangssignale an einen Nachverarbeitungsalgorithmus 309 ausgeben, der den Alarm 304 als Funktion einer Erfassungsinformation auslöst, die von zwei, oder sämtlichen drei dieser Verfahren akquiriert wurde.
Die Erfindung kann beispielsweise als ein Merkmal digitaler Motorherstellungsrelais integriert sein.
Während lediglich gewisse bevorzugte Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, erschließen sich dem Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen. Es ist daher selbstverständlich, dass die beigefügten Patentansprüche sämtliche Abwandlungen und Veränderungen abdecken sollen.

Claims

Motorwindungsverschmutzungsdetektor mit einem Stromwandler (12), der einen Magnetkreis (13) und eine Sensorspule (14) aufweist, die um den Magnetkreis gewickelt ist, wobei die Phasenleitungen eines Motors (11), dessen Windungsverschmutzung zu erfassen ist, durch ein Fenster (21) des Magnetkreises laufen, und mit Alarmmitteln (304) zur Erzeugung eines Alarmsignals, wenn vorbestimmte Alarmerzeugungskriterien erfüllt sind, gekennzeichnet durch: Verarbeitungsmittel (16) zur Verarbeitung eines unter dem Auslöseniveau liegenden Stroms der Sensorspule zur Erfassung einer Lecksignatur, wobei das Mittel aufweist. Verstärkungsmittel (300) zur Verstärkung des unter dem Auslöseniveau liegenden Stroms in einen verstärkten Strom, Separiermittel (305) zur Beseitigung einer Leitungsfrequenzkomponente aus dem verstärkten Strom, um einen dynamisch verbesserten Strom zu erzeugen, Spektralanalysemittel (306) zur Durchführung einer Stromspektralanalyse des dynamisch verbesserten Stroms unter Nutzung hoher Verstärkungen und Leckerfassungs- und -bestimmungsmittel (307) zur Erfassung und Bestimmung, ob die Stromspektralanalyse festgelegte Leckverschmutzungskriterien erfüllt, die Funktionen der Intermittenz und des Rauschens in der Stromspektralanalyse ist, so dass eine Leckverschmutzungssignatur erfasst wird, wenn die vorbestimmten Leckverschmutzungskriterien erfüllt sind, wobei die Alarmerzeugungskriterien Funktionen wenigstens einer der Verschmutzungssignaturen sind.
Detektor nach Anspruch 1, bei dem die Phasenleitungen des Stromwandlers (12) in dem Fenster (21) des Magnetkreises symmetrisch angeordnet sind.
Verfahren zur Erfassung der Verschmutzung einer Motorwindung mit folgenden Schritten: Durchführen der Phasenleitungen eines Motors (11), dessen Windung zu überwachen ist, durch ein Fenster (21) eines Magnetkreises und Wickeln einer Erfassungsspule (14) um den Magnetkreis, charakterisiert durch: die Verarbeitung eines unter Auslöseniveau liegenden Stroms von der Sensorspule zur Erfassung einer Leckverschmutzungssignatur, wobei zu der Verarbeitung gehört: die Verstärkung des unter Auslöseniveau liegenden Stroms in einen verstärkten Strom, die Beseitigung einer Leitungsfrequenzkomponente aus dem verstärkten Strom, um einen dynamisch verbesserten Strom zu erzeugen, Durchführen einer Stromspektralanalyse des dynamisch verbesserten Stroms unter Nutzung hoher Verstärkungen und die Detektion und Bestimmung, ob die Leckage in der Stromspektralanalyse vorbestimmte Leckverschmutzungskriterien erfüllt, die Funktionen der Intermittenz und des Rauschens in der Stromspektralanalyse sind, so dass eine Leckverschmutzungssignatur erfasst wird, wenn die vorbestimmten Leckverschmutzungskriterien erfüllt sind und Erzeugung eines Alarmsignals, wenn vorbestimmte Alarmerzeugungskriterien erfüllt sind, wobei die Alarmerzeugungskriterien Funktionen wenigstens einer der Verschmutzungssignaturen sind.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt der Durchführung der Phasenleitungen eines Motors (11) durch ein Fenster (21) eines Magnetkreises (13) den Schritt enthält, dass die Phasenleitungen in dem Fenster (21) des Magnetkreises (13) symmetrisch angeordnet sind.