无刷励磁机及其旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法与流程

1.本发明涉及电力系统的技术领域，更具体地说，涉及一种无刷励磁机及其旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法。


背景技术：

2.无刷励磁机被广泛应用于大容量核电发电机组，实现对其内容故障的可靠保护，对保障大型发电机组的安全运行具有重要意义。然而，目前无刷励磁机却运行在一种“弱保护”状态，仅配图了简单的定子过流保护，而对于定、转子内部故障均没有相应的监测或保护手段，这就导致现场发生了多起由励磁机内部故障所引起的事件，因此，非常有必要实现对无刷励磁机内部故障的可靠保护。
3.旋转电枢绕组短路故障是无刷励磁机内部故障的典型故障之一，故障会迅速恶化，同时由励磁机向主发电机所提供的励磁电流水平将下降，故障所引脚的巨大的短路电流所产生的热量也可能会烧毁绕组甚至电机，造成严重后果。由励磁机旋转电枢绕组故障所引起的发电机组停机事件在现场是是时有发生。例如，某年某电厂4号机组励磁机发生旋转电枢组匝间短路故障，首先导致汽轮机跳闸。由于没有相应的故障保护装置，故障进一步加剧，导致主发电机多个保护动作，最终导致主发电机转子接地保护动作。由于故障演变很快，因此，需要研究故障的快速判断方法。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种无刷励磁机及其旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法，包括：
6.对无刷励磁机的定子励磁绕组的励磁电流进行采样，获得采样电流；
7.对所述采样电流进行分析处理，获得一次处理数据；
8.根据所述一次处理数据和所述采样电流进行计算，获得二次处理数据；
9.根据所述一次处理数据和所述二次处理数据进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断。
10.在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述一次处理数据包括：所述采样电流的直流量、所述采样电流的二次谐波的有效值和所述采样电流的三次谐波的有效值。
11.在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述对所述采样电流进行分析处理，获得一次处理数据包括：
12.对所述励磁采样电路进行傅里叶分析，获得所述采样电流的直流量、所述采样电流的二次谐波的有效值和所述采样电流的三次谐波的有效值。
13.在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述根据
所述一次处理数据和所述采样电流进行计算，获得二次处理数据包括：
14.将所述采样电流减去所述采样电流的直流量，获得预处理电流；
15.对所述预处理电流进行计算，获得所述预处理电流的有效值；
16.所述预处理电流为包括奇数次谐波和偶数次谐波的励磁电流；所述预处理电流的有效值为所述二次处理数据。
17.在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述对所述预处理电流进行计算，获得所述预处理电流的有效值包括：
18.根据预设公式对所述预处理电流进行计算，获得所述预处理电流的有效值。
19.在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述预设公式为：
[0020][0021]
t为电流的周期，t为时间，t＝p/f0，p为极对数；f0是基准频率。
[0022]
在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述根据所述一次处理数据和所述二次处理数据进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断包括：
[0023]
将所述预处理电流的有效值与所述采样电流的直流量作商，获得第一比值；
[0024]
将所述采样电流的二次谐波的有效值与所述采样电流的三次谐波的有效值作端，获得第二比值；
[0025]
根据所述第一比值和所述第二比值进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断。
[0026]
在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述根据所述第一比值和所述第二比值进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断包括：
[0027]
将所述第一比值和所述第二比值分别与第一参考值和第二参考值进行比较；
[0028]
根据比较结果判断所述励磁机旋转电枢绕组是否短路故障。
[0029]
在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述根据比较结果判断所述励磁机旋转电枢绕组是否短路故障包括：
[0030]
若所述第一比值大于等于所述第一参考值，且所述第二比值大于等于所述第二参考值，则判断所述励磁机旋转电枢绕组短路故障。
[0031]
在本发明所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法中，所述第一参考值大于无刷励磁机正常运行时定子励磁电流的总谐波有效值和直流量的比值；所述第二参考值大于无刷励磁机的旋转二极管开路故障时定子励磁电流的二次谐波与三次谐波的比值。
[0032]
本发明还提供一种无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断装置，包括：
[0033]
采样单元，用于对无刷励磁机的定子励磁绕组的励磁电流进行采样，获得采样电流；
[0034]
分析单元，用于对所述采样电流进行分析处理，获得一次处理数据；
[0035]
计算单元，用于根据所述一次处理数据和所述采样电流进行计算，获得二次处理数据；
[0036]
判断单元，用于根据所述一次处理数据和所述二次处理数据进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断。
[0037]
本发明还提供一种无刷励磁机，包括：
[0038]
存储器，用于存储程序；
[0039]
处理器，用于加载所述程序，以执行如上所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法。
[0040]
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法。
[0041]
实施本发明的无刷励磁机及其旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法，具有以下有益效果：包括：对无刷励磁机的定子励磁绕组的励磁电流进行采样，获得采样电流；对采样电流进行分析处理，获得一次处理数据；根据一次处理数据和采样电流进行计算，获得二次处理数据；根据一次处理数据和二次处理数据进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断。本发明通过对定子励磁绕组的励磁电流进行采样并计算处理，根据计算处理得到的数据可快速判断出励磁机旋转电枢绕组是否短路故障，实现对无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障有效的在线监测与保护，提升无刷励磁机的安全性和可靠性。
附图说明
[0042]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0043]
图1是本发明实施例提供的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法的流程示意图；
[0044]
图2是本发明某无刷励磁机的定子励磁绕组的励磁电流的波形图；
[0045]
图3是本发明实施例提供的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断装置的原理框图。
具体实施方式
[0046]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0047]
参考图1，图1为本发明提供的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法一可选实施例的流程示意图。
[0048]
如图1所示，该无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法，包括：
[0049]
步骤s101、对无刷励磁机的定子励磁绕组的励磁电流进行采样，获得采样电流。
[0050]
其中，对定子励磁绕组的励磁电流的采样可以通过在无刷励磁机机端进行。
[0051]
步骤s102、对采样电流进行分析处理，获得一次处理数据。
[0052]
其中，一次处理数据包括：采样电流的直流量、采样电流的二次谐波的有效值和采样电流的三次谐波的有效值。
[0053]
可选的，对采样电流进行分析处理，获得一次处理数据包括：对励磁采样电路进行傅里叶分析，获得采样电流的直流量、采样电流的二次谐波的有效值和采样电流的三次谐波的有效值。即可以通过对采样得到的采样电流进行傅里叶分析，分别得到励磁电流中的直流量、二次谐波的有效值和三次谐波的有效值。
[0054]
步骤s103、根据一次处理数据和采样电流进行计算，获得二次处理数据。
[0055]
一些实施例中，根据一次处理数据和采样电流进行计算，获得二次处理数据包括：
将采样电流减去采样电流的直流量，获得预处理电流；对预处理电流进行计算，获得预处理电流的有效值；预处理电流为包括奇数次谐波和偶数次谐波的励磁电流；预处理电流的有效值为二次处理数据。
[0056]
可选的，对预处理电流进行计算，获得预处理电流的有效值包括：
[0057]
根据预设公式对预处理电流进行计算，获得预处理电流的有效值。其中，预设公式为：
[0058][0059]
上式中，i
f
′
d
为预处理电流；i
f
′
d
为预处理电流的有效值；t为电流的周期，t为时间，t＝p/f0，p为极对数；f0是基准频率。其中，基准频率为无刷励磁机的基准频率。
[0060]
步骤s104、根据一次处理数据和二次处理数据进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断。
[0061]
一些实施例中，，根据一次处理数据和二次处理数据进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断包括：将预处理电流的有效值与采样电流的直流量作商，获得第一比值；将采样电流的二次谐波的有效值与采样电流的三次谐波的有效值作端，获得第二比值；根据第一比值和第二比值进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断。
[0062]
可选的，根据第一比值和第二比值进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断包括：将第一比值和第二比值分别与第一参考值和第二参考值进行比较；根据比较结果判断励磁机旋转电枢绕组是否短路故障。
[0063]
其中，根据比较结果判断励磁机旋转电枢绕组是否短路故障包括：若第一比值大于等于第一参考值，且第二比值大于等于第二参考值，则判断励磁机旋转电枢绕组短路故障。
[0064]
第一参考值大于无刷励磁机正常运行时定子励磁电流的总谐波有效值和直流量的比值；第二参考值大于无刷励磁机的旋转二极管开路故障时定子励磁电流的二次谐波与三次谐波的比值。
[0065]
具体的，设采样电流的直流量为：i
dc
，采样电流的二次谐波的有效值为：i
(2)
，采样电流的三次谐波的有效值i
(3)
，预处理电流为i
f
′
d
，预处理电流的有效值为i
f
′
d
，ξ1和ξ2分别为第一参考值和第二参考值。因此，在分别得到i
dc
、i
(2)
、i
(3)
以及i
f
′
d
后，计算分别计算第一比值r1和第二比值r2，即：
[0066]
r1＝i
f
′
d
/i
dc
；r2＝i
(2)
/i
(3)
。
[0067]
进而，将r1与ξ1比较、将r2与ξ2比较，若r1≥ξ1，且r2≥ξ2，则判断励磁机发生旋转电枢绕组短路故障。
[0068]
无刷励磁机旋转电枢绕组可能发生的短路故障可以分为相内短路故障和相间短路故障。但无论发生哪种故障，都会形成一个故障回路。因此，电枢绕组不同类型短路故障情况下对定子励磁电流谐波特征的理论分析方法都是类似的。
[0069]
励磁机在正常运行时电枢绕组突然发生短路故障，从故障发生瞬间开始分析。故障瞬时，为了保持闭合回路中的磁链不突变，故障电枢回路电流中会出现相应的非周期分量，其余各相电流也会受到影响而出现非周期分量，各相电枢电流不再对称。
[0070]
电枢故障回路电流和非故障相电流中的非周期分量产生随转子一起同步旋转的
基波和奇数次谐波磁动势。由于分数次和偶数次的电枢反应磁动势在定子励磁绕组中的感应电动势之和为零，那么只需要考虑基波和3、5等奇数次的电枢反应谐波磁动势在定子励磁绕组中的感应作用(下同)。这些谐波磁动势将在定子励磁回路中感应出基波和奇数次的谐波电流。则定子励磁绕组中的谐波感应电流可以写为
[0071][0072]
式中：μ1为定子励磁绕组中谐波感应电流的次数，μ1＝1,3,5,...；为定子励磁绕组中谐波感应电流的有效值。
[0073]
励磁电流会产生各整数次的空间谐波磁动势，这些磁动势在每极下的分布情况相同，只是在相邻极下由于绕向相反而相反，在空间上每一对极重复一次，所以励磁磁动势只包含基波和3、5等奇数次空间谐波磁动势，则定子励磁绕组中μ1次谐波电流产生的ν1次谐波磁动势可以表示为
[0074][0075]
式中：ν1为定子谐波感应电流产生的空间谐波磁动势的次数，ν1＝1,3,5,...；为定子谐波感应电流产生的空间谐波磁动势的有效值。
[0076]
从式(2)可以看出，定子励磁电流中μ1次谐波电流产生的ν1磁谐波磁动势的转速为μ1/ν1倍同步转速，相对转子的转速为(μ1/ν1±
1)倍同步转速，则会在旋转电枢绕组中感应出μ1±
ν1次的谐波电流，即旋转电枢绕组中将有一系列的偶数次谐波电流。
[0077]
同理，电枢绕组中的偶数次谐波电流产生的空间谐波磁动势还会在励磁绕组中感应出基波和奇数次谐波电流，以基波为主。以此类推，电枢绕组中的偶数次谐波电流和励磁绕组中的基波和奇数次谐波电流之间形成了一个闭环的感应关系链。
[0078]
实际上，励磁机在正常运行时突然发生电枢绕组短路故障时，故障电枢回路电流中的非周期分量也会引起励磁回路磁链的变化。然而，为了保持励磁回路磁链的不突变，励磁电流中也会出现附加的非周期分量。
[0079]
励磁回路电流中的非周期分量(包括励磁电流本身的直流分量)产生在空间不动的基波和奇数次谐波磁动势，转子以同步转速旋转，电枢绕组中将会感应出基波和3，5等奇数次谐波电流。由于电枢绕组不再对称，电枢感应电流将会在空间中产生基波和3，5等奇数次的谐波磁动势。电枢μ2(μ2＝1,3,5,...)次谐波电流产生的ν2次空间谐波磁动势的转速为μ2/ν2倍同步转速，在定子励磁绕组中感应中μ2±
ν2倍频的谐波电流，即在定子励磁绕组中感应出一系列偶次谐波电流，以2次谐波为主。同理，励磁绕组中的偶数次谐波电流还会在电枢绕组中感应出基波和奇数次谐波电流。以此类推，励磁绕组中的偶数次谐波电流和电枢绕组中的基波和奇数次谐波电流之间形成了一个闭环的感应关系链。
[0080]
电枢绕组发生短路故障后的暂态过程中，由电枢电流和励磁电流中的非周期分量引起的感应过程都同时存在。因此，故障后暂态时，定子励磁电流中除直流量外还包含各次谐波，以基波和2次谐波为主，其他高次谐波会比较小。随着故障达到稳态，电枢电流中的非周期分量衰减为0，由电枢非周期量引起的定、转子各次谐波电流也都将衰减为0。而在励磁回路中，非周期分量为恒值励磁电流，由励磁非周期量引起的定、转子各次谐波电流都将达到某一稳态值。因此，在稳态情况下，励磁电流中除直流量外还含有一系列偶数次谐波电
流，以2次谐波为主。
[0081]
因此，可利用定子励磁电流的谐波特征来进行多相环形无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的保护设计，下面通过具体计算予以详细说明。
[0082]
以某实际无刷励磁机为例，利用建立的励磁机有限元仿真模型对该励磁机正常运行时突然发生的旋转电枢绕组短路故障进行计算，图2为某实际无刷励磁机定子励磁电流的波形。其中，左边的波形是故障前后过渡过程的波形，在t＝0.02s时发生旋转电枢绕组短路故障，那么t<0.02s的波形代表故障前的正常稳态运行状态，t>0.02s的波形代表发生故障后的过渡过程；右边的图代表故障后的稳态波形。对励磁机正常运行、故障暂态时和故障稳态时的定子励磁电流进行傅里叶分析，分析结果如表1所示。
[0083][0084]
表1.某无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障时的定子励磁电流傅里叶分析结果。
[0085]
从表1中可以看到，无刷励磁机发生旋转电枢绕组短路故障后，在故障后的暂态过程和稳态过程中，定子励磁电流中都出现了明显增加的低次谐波。理论上，可以选用这些谐波进行故障监测与保护。
[0086]
将定子励磁电流中总谐波有效值与直流量的比值以及2次谐波与3次谐波有效值的比值作为故障保护判据，可靠性高，为旋转电枢绕组短路故障的诊断和保护提供了一条有效的途径。
[0087]
参考图3，为本发明提供的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断装置的原理框图。该快速判断装置可以应用于本发明实施例公开的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法。
[0088]
如图3所示，该无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断装置包括：
[0089]
采样单元301，用于对无刷励磁机的定子励磁绕组的励磁电流进行采样，获得采样电流。
[0090]
分析单元302，用于对采样电流进行分析处理，获得一次处理数据。
[0091]
计算单元303，用于根据一次处理数据和采样电流进行计算，获得二次处理数据。
[0092]
判断单元304，用于根据一次处理数据和二次处理数据进行励磁机旋转电枢绕组短路故障判断。
[0093]
本发明还提供一种无刷励磁机，包括：
[0094]
存储器，用于存储程序；
[0095]
处理器，用于加载程序，以执行如本发明实施例公开的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法。
[0096]
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例公开的无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障的快速判断方法。
[0097]
本发明只需从无刷励磁机机端采集定子励磁绕组中的定子励磁电流，通过傅里叶分析并计算得到励磁电流总谐波有效值与直流量的比值，以及二次谐波与三次谐波的比值，再分别与第一参考值和第二参考值进行比较，基于比较结果实现旋转电枢绕组短路故障的快速判断，实现对无刷励磁机旋转电枢绕组短路故障有效的在线监测与保护。
[0098]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0099]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0100]
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0101]
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。