用于检测交流电机中的定子故障的系统和方法与流程

本发明整体涉及三相交流(ac)电机或电动机，更具体地，涉及用于检测此类电机中的定子故障的系统和方法。

在工业设施中，诸如发电机、ac电动机和/或变压器的电机在各种应用中使用。作为一个示例，感应电动机用于诸如泵送、冷却、物料移动的应用以及需要成本有效且坚固的电动机的其他应用。当这些电动机发生故障时，它们所参与/用到它们的过程会遭受停机，这导致与这种停机相关的成本。

已经认识到，各种因素可能导致电机故障，包括机器的轴承、定子和/或转子的故障，其中与定子相关的故障占所有故障的36％。在这些定子故障/失效中，76％的这些故障/失效被认为是定子绕组故障，这通常是指绕组绝缘失效，其导致匝间故障和相地故障。关于系统中的定子绕组故障，这些故障可能是由于绕组绝缘的逐渐恶化引起的，这种逐渐恶化归因于机电力引起的振动、高dv/dt电压浪涌、热过载和/或污染的组合。如果发生定子绕组故障并且定子的绕组短路，则短路线匝中会引起大的循环故障电流，导致局部热过载。如果未被检测到，这种局部热过载最终会导致电动机在短时间内由于接地故障/相间绝缘或开路故障而发生故障。

传统上，通过使用变流器(ct)或使用三相电流测量流入地的电流来检测由于定子绕组失效引起的相地故障。然而，诸如系统泄漏电流、高电阻接地、电源谐波和/或ct中的不平衡等各种因素使得难以在变化的系统条件和各种电机尺寸下实现非常可靠的接地故障检测。此外，与使用专用ct检测接地故障相关的成本可能过高。

因此，希望提供能够检测电机中的相地故障以用于诊断定子故障的系统和方法。还希望这种系统和方法在不使用专用接地故障ct的情况下检测相地故障并且以消除系统泄漏电流、高电阻接地和/或电源谐波的影响的方式来进行检测，这些影响可能使得难以实现对接地故障的可靠检测。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种控制器，其被配置为检测ac电机中的相对地故障。该控制器包括处理器，该处理器被编程为接收提供给ac电机的三相电压和电流的测量值，这些测量值是从与配电电路相关联的电压和电流传感器接收的。该处理器还被编程为根据三相电压和电流计算电压和电流的零序分量和负序分量中的至少一个，并基于电压和电流的零列分量和负序分量中的至少一个来计算故障严重性指数(fsi)，以便识别ac电机中的相对地故障，其中计算该fsi还包括确定零序电流和负序电流中的至少一个的总值，确定包括在该总值中的零序电流和负序电流中的至少一个的噪声贡献值，基于总值和噪声贡献值确定零序电流和负序电流中的至少一个的补偿值，以及基于补偿值计算fsi。

根据本发明的另一方面，一种用于识别ac电机中的相对地故障的方法包括利用电压和电流传感器测量提供给ac电机的三相电压和电流，所述ac电机包括多个定子绕组。该方法还包括使故障检测器识别ac电机中的相对地故障，其中使故障检测器识别相对地故障包括接收测量的提供给该ac电机的三相电压和电流，根据三相电流确定零序电流和负序电流中的一个或多个，对零序电流和负序电流中的一个或多个执行基于噪声的补偿，以产生表示相对地电流的剩余零序电流和剩余负序电流中的一个或多个，以及基于剩余零序电流和剩余负序电流中的一个或多个识别该ac电机中的相对地故障。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于检测ac电机中的相对地故障的故障检测器。该故障检测器包括处理器，该处理器被编程为：接收输入，该输入包括提供给该ac电机的三相电压和电流；根据三相电流确定零序电流和负序电流中的一个或多个；对零序电流和负序电流中的一个或多个执行基于噪声的补偿，以产生表示相对地电流的剩余零序电流和剩余负序电流中的一个或多个；以及基于剩余零序电流和剩余负序电流中的一个或多个识别该ac电机中的相对地故障。

根据以下具体实施方式和附图，本发明的各种其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

附图示出了目前预期用于执行本发明的优选的实施方案。

在附图中：

图1是可用于本发明的实施方案的ac感应电机的简化图示。

图2是根据本发明的实施方案的星形连接的ac电机和用于检测其中的相对地故障的相关联故障检测器的示意图。

图3是根据本发明的实施方案的三角形连接的ac电机和用于检测其中的相对地故障的相关联故障检测器的示意图。

图4是示出根据本发明实施方案的图3中的步骤64的子步骤的流程图，其用于将evd定位到三相ac电路中的一个或多个相。

图5是示出在星形连接的ac电机中使用零序分量的相对地故障检测的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及用于通过检测相对地电流来检测三相ac电机中的定子故障的系统和方法。在检测相对地故障时，该系统和方法用于补偿基于噪声的因素，以提高对相对地故障的检测准确度。

参见图1，提供了ac电机10的透视图，其中本发明的实施方案可用于检测其中的定子故障。电机10可以采用许多已知的ac电机中的任何一种的形式，例如以感应电动机、发电机或变压器的形式，或者可以采用由可能由三相电源驱动且适用于工业环境的任何其他负载。出于说明的目的，根据本发明的各种实施方案，图1中所示的ac电机10是感应电机，它可以是电动机或发电机。感应电机10包括定子12和转子组件14，转子组件包括多个转子导条16，转子导条联接到端环18(即转子笼)。在操作中，流过定子12的绕组20的电流产生磁场，该磁场引起电流流过转子导条16以产生转矩，通过转子导条16的电流经由来自定子绕组20的磁场的电磁感应提供。为了防止定子12的绕组20之间发送电短路，围绕定子绕组20设置绕组绝缘件22。

关于ac感应电机10，可以认识到绕组绝缘22的失效，诸如可能是绕组绝缘件的逐渐恶化引起的，该逐渐恶化归因于机电力引起的振动、高dv/dt电压浪涌、热过载和/或污染的组合，例如，可能导致电机10中的匝间故障和相地故障。本发明的实施方案涉及用于通过检测ac电机10中的相对地故障来识别该ac电机中的定子故障的系统和方法，而无需使用专用的相地故障电流检测器，诸如变流器。在检测这种相地故障时，该系统和方法补偿基于噪声的因素，以便提高对相对地故障的检测准确度。

现在参见图2和图3并且继续参考图1，示出了ac电机10的等效电路图，其中示出了电机的电流和电压输入以及设置在ac电机10的定子绕组20上的绕组绝缘件22的电容和电阻值。图2示出了星形连接的电机电路，而图3示出了三角形连接的电机电路。在图2的星形连接电路中，示出了提供给ac电机10的供电电压vsa、vsb、vsc和相电流isa、isb、isc，以及设置在ac电机10的定子绕组20上的绕组绝缘件22的电阻24和电容26，还示出了相对地电流ifa、ifb、ifc和泄漏电流ila、ilb、ilc。在图3的三角形连接电路中，示出了提供给ac电机10的供电电压vsa、vsb、vsc和相电流isa、isb、isc，以及设置在ac电机10的定子绕组20上的绕组绝缘件22的电阻24和电容26，还示出了相对地电流ifab、ifbc、ifca和泄漏电流ilab、ilbc、ilca。

根据本发明的实施方案，为了提供对ac电机10中的相对地故障的检测，提供了故障检测器30。故障检测器30接收关于提供给ac电机10的三相电压和电流的输入，诸如可以由电压和电流传感器32测量。如图2和图3所示，故障检测器30中的处理器34接收测量的三相电压和电流，并被编程为确定该电压和电流的零序分量和/或负序分量以便识别电机中的相对地电流，该处理器34对基于噪声的因素进行补偿，以便隔离相对地电流，从而提高单对相接地故障的检测准确度。故障检测器30计算故障严重性指数(fsi)，该指数的量值是电机中是否存在定子故障的指示器。

虽然故障检测器30在图2和3中示为独立控制器/设备的形式，但可以认识到，这种检测器可以结合到可操作地连接到ac电机10的保护和控制部件中。也就是说，具有能够检测ac电机10中的定子故障的程序/算法的处理器34可以驻留在现有的电动机起动器、电动机驱动器或其他电动机控制产品中。因此，故障检测器30可以从ac电机10所在的位置或远离该电机的位置提供对该电机的监测。此外，虽然下文关于故障检测器30的被编程为执行识别ac电机10的相对地故障的技术的处理器34来描述本发明的实施方案，但是应认识到如本文使用的术语“处理器”不必是可编程设备。即，应当理解，如下文所述的处理器34(以及由此执行的步骤)还包括执行相同任务的等效硬件和计算设备。

为了更好地描述本发明的实施方案，下面详细阐述确定ac电机10中的星形连接绕组和三角形连接绕组的零序分量和/或负序分量的处理器34的示例。

在一个实施方案中，故障检测器30分析ac电机10中的星形连接绕组20(图2)的零序分量。在接收到三相电压vsa、vsb、vsc和电流isa、isb、isc时，故障检测器30将kirchoff定律应用于电流读数以确定每一相的故障电流、泄漏电流和相电流，每一相的电流由下式表示：

isa＝ila+ifa+ia

isb＝ilb+ifb+ib

isc＝ilc+ifc+ic[公式1]，

其中ila、ilb、ilc是泄漏电流，ifa、ifb、ifc是故障电流，ia、ib、ic是相电流。

将序列变换应用于[公式1]可写为：

其中t为：

a定义为：

将a代入[公式2]，得到：

考虑到[公式2]和[公式5]中的第一行对应于零序电流，所以总零序线电流is0可定义为：

由于认识到相位分量ia、ib、ic的和等于零，所以可以将总零序线电流is0重写为：

重新排序[公式7]用于确定零序相对地电流i0pg，原本称为故障严重性指数(fsi)值，可以对其进行分析以确定相对地故障的存在。即，可以根据下式重写[公式7]来定义fsi：

fsi＝i0pg＝3*(is0-il0)＝ifa+ifb+ifc[公式8]，

其中il0是零序泄漏电流。零序泄漏电流可以被定义为由各种噪声因素产生的噪声贡献的零序电流，这些噪声因素例如包括电源不平衡、电源电压变化、不平衡负载和谐波电流。零序泄漏电流il0根据下式定义：

il0＝y0*vg0+k*i1[公式9]，

其中vg0是相对地或相对中性电压的零序分量，i1是正序电流，并且y0和k是在相对地故障检测算法初始化时校准到ac电机10的常数。

因此，在了解归因于电源和负载相关参数的各种噪声因素导致的总零序线电流is0和零序泄漏电流il0的情况下，仅由相对地电流i0pg产生的剩余或补偿零序电流可被隔离。剩余/补偿零序接地故障电流可以被描述为fsi值，然后对该值进行分析以确定ac电机10中存在相对地故障。根据一个示例性实施方案，故障检测器30用于将计算的fsi与fsi阈值进行比较，并且如果计算的fsi大于fsi阈值，则指示ac电机10中存在定子故障。可以认识到，可以根据将出现警报的严重程度来设置fsi阈值，因此该阈值可以是程序中的预定义值，或者可以根据用户设置或使用用户输入来确定。例如，fsi阈值可以被设置为7.5毫安，使得将大于7.5毫安的相对地电流被归类为定子故障，尽管可以认为该阈值可以是更高或更低的值。

在一个实施方案中，故障检测器30分析ac电机10中的三角形连接绕组20的零序分量。在接收到三相电压vsa、vsb、vsc和电流isa、isb、isc时，故障检测器30将kirchoff定律应用于电流读数以确定每一相的故障电流、泄漏电流和相电流，每一相的电流由下式表示：

isa＝iab-ica+ifca+ilca

isb＝ibc-iab+ifab+ilab

isc＝ica-ibc+ifbc+ilbc[公式10]，

其中ilca、ilab、ilbc是泄漏电流，ifca、ifab、ifbc是故障电流，ica、ibc、ica是相间电流。

将序列变换应用于[公式10]可写为：

其中t为：

a定义为：

考虑到[公式11]中的第一行对应于零序电流，并且认识到相位分量iab、ibc、ica的和等于零，所以可以将总零序线电流is0重写为：

重新排序[公式14]用于确定fsi值(即零序相对地电流i0pg)，该值可用于确定相对地故障的存在。即，可以根据下式重写[公式14]来定义fsi：

fsi＝i0pg＝3*(is0-il0)＝ifca+ifab+ifbc[公式15]，

其中il0是零序泄漏电流。零序泄漏电流可以被定义为由各种噪声因素产生的噪声贡献的零序电流，这些噪声因素例如包括电源不平衡、电源电压变化、不平衡负载和谐波电流。零序泄漏电流il0根据下式定义：

il0＝y0*vg0+k*i1[公式16]，

其中vg0是相对地或相对中性电压的零序分量，i1是正序电流，并且y0和k是在相对地故障检测算法初始化时校准到ac电机10的常数。

如上所述，在了解归因于电源和负载相关参数的各种噪声因素导致的总零序线电流is0和零序泄漏电流il0的情况下，仅由相对地电流i0pg产生的剩余或补偿零序电流或fsi值可被隔离，随后可分析该值以确定ac电机10中相对地故障的存在。

在另一个实施方案中，故障检测器30分析ac电机10中的星形连接绕组20的负序分量。在接收到三相电压vsa、vsb、vsc和电流isa、isb、isc时，故障检测器30将kirchoff定律应用于电流读数以确定每一相的故障电流、泄漏电流和相电流，每一相的电流由下式表示：

isa＝ila+ifa+ia

isb＝ilb+ifb+ib

isc＝ilc+ifc+ic[公式17]，

其中ila、ilb、ilc是泄漏电流，ifa、ifb、ifc是故障电流，ia、ib、ic是相电流。

将序列变换应用于[公式1]可写为：

其中t为

a定义为：

考虑到[公式18]中的最后一行对应于负序电流，所以总负序线电流is2可定义为：

重新排序[公式21]用于确定fsi值(即负序相对地电流i2pg)，该值可用于确定相对地故障的存在。即，可以根据下式重写[公式21]来定义fsi：

fsi＝i2pg＝3*(is2-im2)＝ifa+a²ifb+aifc[公式22]，

其中im2是可以被定义为由各种噪声因素产生的噪声贡献负序泄漏电流的负序泄漏电流，这些噪声因素例如包括电源不平衡、电源电压变化、不平衡负载和谐波电流。

负序泄漏电流im2根据下式定义：

im2＝k1*v1+k2*i1+k3*v2[公式23]，

其中v1是正序电压，i1是正序电流，i2是负序电压，k1、k2、k3是分别将v1、i1和i2与im2相关并且在相对地故障检测算法初始化时校准到ac电机10的常数。

同样，在了解归因于电源和负载相关参数的各种噪声因素导致的总负序线电流is2和负序泄漏电流im2的情况下，仅由相对地电流i2pg产生的剩余或补偿负序电流或fsi值可被隔离，随后可分析该值以确定ac电机10中相对地故障的存在。

在又一个实施方案中，故障检测器30分析ac电机10中的三角形连接绕组20的负序分量。在接收到三相电压vsa、vsb、vsc和电流isa、isb、isc时，故障检测器30将kirchoff定律应用于电流读数以确定每一相的故障电流、泄漏电流和相电流，每一相的电流由下式表示：

isa＝iab-ica+ifca+ilca

isb＝ibc-iab+ifab+ilab

isc＝ica-ibc+ifbc+ilbc[公式24]，

其中ilca、ilab、ilbc是泄漏电流，ifca、ifab、ifbc是故障电流，ica、ibc、ica是相间电流。

将序列变换应用于[公式24]可写为：

其中t为：

a定义为：

考虑到[公式25]中的最后一行对应于负序电流，所以总负序线电流is2可定义为：

重新排序[公式28]用于确定fsi值(即负序相对地电流i2pg)，该值可用于确定相对地故障的存在。即，可以根据下式重写[公式28]来定义fsi：

fsi＝i2pg＝3*(is2-im2)＝ifca+a²ifab+aifbc[公式29]，

其中im2是负序泄漏电流。负序泄漏电流可以被定义为由各种噪声因素产生的噪声贡献的负序电流，这些噪声因素例如包括电源不平衡、电源电压变化、不平衡负载和谐波电流。负序泄漏电流im2根据下式定义：

im2＝k1*v1+k2*i1+k3*i2[公式30]，

其中v1是正序电压，i1是正序电流，i2是负序电压，k1、k2、k3是分别将v1、i1和i2与im2相关并且在相对地故障检测算法初始化时校准到ac电机10的常数。

同样，在了解归因于电源和负载相关参数的各种噪声因素导致的总负序线电流is2和负序泄漏电流im2的情况下，仅由相对地电流i2pg产生的剩余或补偿负序电流或fsi值可被隔离，随后可分析该值以确定ac电机10中相对地故障的存在。

现在参考图4，并且继续参考图1至图3，示出了根据本发明实施方案的技术40，其由故障检测器30的处理器34实现，以识别三角形连接或星形连接的ac电机10中的定子故障。应当认识到，用于识别定子故障的技术40包括用于三角形连接电动机和星形连接电动机的相同步骤，但算法中采用的具体计算/公式可基于连接类型而变化。

在技术40的第一步中，处理器34在步骤42接收三相电流和电压测量值。根据一个示例性实施方案，处理器34接收例如由在ac电机10的端子附近的感测位置处的电流和电压传感器32测量的三相电流和电压数据。在一个实施方案中，在接收到三相电流和电压测量值时，处理器34随后根据已知技术/方法在步骤44提取三相电流和电压的基波分量。步骤44在图4中以虚线示出，因为已认识到，对于执行技术40，基波分量的确定是可选的，因为可以在没有基波分量的情况下执行对ac电机10中的定子故障的检测。然而，应当认识到，通过确定和使用基波分量可以实现更准确的定子故障分析，如下所述。

如图4所示，技术40在步骤46处继续计算三相电压和电流的序列分量，其中电压的序列分量被标识为v1,2,0并且电流的序列分量被标识为1,2,0，其中正序分量、负序分量和零序分量分别由1、2和0标识。关于确定电压和电流序列分量，认识到可以将kirchoff电压定律(kvl)应用于电机以确定这些序列分量。

根据本发明的实施方案，随后由处理器34在步骤48至步骤64进一步分析零序电流和负序电流中的一个，以识别ac电机10中的相对地故障。在分析零序电流和负序电流中的一个时，首先在步骤48确定零/负序电流的总值。然后在步骤50确定包含在该总值中的零/负序电流的噪声贡献值，其中噪声贡献值被识别/定义为由诸如电源不平衡、电源电压变化、不平衡负载和谐波电流的噪声因素导致的零/负序泄漏电流。根据在步骤48和步骤50确定的零/负序电流的总值和零/负序电流的噪声贡献值，可以在步骤52确定剩余或补偿的零/负序电流，其中剩余/补偿零/负序电流被识别为不受上述噪声因素影响的隔离的相对地电流。

在步骤52确定剩余/补偿零/负序电流时，该技术在步骤54继续，其中剩余/补偿序列电流被标识为fsi值。然后可以在步骤56将fsi值与fsi阈值进行比较，以确定ac电机10中的相对地电流的量值是否大于阈值电流水平，以便能够确定隔离的零/负序电流是否指示ac电机10中的定子故障。可以认识到，可以根据将出现警报的严重程度来设置阈值电流水平，因此该阈值可以是程序中的预定义值，或者可以根据用户设置或使用用户输入来确定。根据一个示例性实施方案，电流阈值设定为7.5毫安，使得大于7.5毫安的电流值被归类为定子故障，尽管认识到该阈值可以是更高或更低的值。如果在步骤56确定fsi值小于阈值fsi值，如58处所示，则确定ac电机10中不存在定子故障，如步骤60所示。然后该技术循环回到步骤42，处理器34接收附加的三相电流和电压测量值，从而继续监测定子故障。相反，如果在步骤56确定fsi值的量值大于阈值fsi值，如62处所示，那么技术50作为步骤64继续，其中识别出交流电机10中的相对地故障，这指示该电机中的定子故障。

现在参见图5，提供了曲线图，它们示出了通过分析提供给ac电机10的线电流的序列分量来检测相对地故障。虽然图5具体示出了星形连接电机中的零序分量的相对地故障检测，但认识到，可以使用三角形连接电机中的零序分量和使用星形或三角形连接电机中的负序分量来示出相似的结果。如图5所示，相对地电流在不同的操作时段分别被标识为训练数据66、健康数据68和故障数据70。在时段72期间(即，电动机启动/定子故障检测算法初始化)获得的训练数据66可以用于设置在处理器34上编程的定子故障检测算法中使用的电动机常数的值，诸如y0和k[公式9和16]和k1、k2、k3[公式23]。在时段74期间获得的健康数据68示出了不超过指定故障电流阈值的相对地电流值(和对应的fsi值)，使得确定ac电机10仍然处于健康状态，不存在定子故障。在时段76期间获得的故障数据70示出超过指定故障电流阈值的相对地电流值(和对应的fsi值)，使得确定ac电机10中存在定子故障。

如图5中可见，通过分析零/负序分量计算的相对地故障电流值70是准确的，因为它们反映了由专用电流互感器(由线78表示)进行的用于比较目的的电流测量。因此，可以看出，本发明的实施方案提供了不使用专用接地故障ct的情况下实现对接地故障的可靠检测的系统和方法。

有利的是，本发明的实施方案因此提供了用于通过使用提供给电机的三相电压和电流来检测电机中的定子故障的系统和方法。在不使用专用接地故障ct的情况下确定相对地电流，并且消除了系统谐漏电流、高电阻接地和/或电源谐波的影响，这些因素原本可能导致难以实现可靠的接地故障检测。

本发明所公开的方法和装置的技术贡献在于它提供了用于检测三相ac电动机电路中的定子故障的处理器实现的技术。

因此，根据本发明的一个实施方案，提供了被配置成检测ac电机中的相对地故障的控制器。该控制器包括处理器，该处理器被编程为接收提供给ac电机的三相电压和电流的测量值，这些测量值是从与配电电路相关联的电压和电流传感器接收的。该处理器还被编程为根据三相电压和电流计算电压和电流的零序分量和负序分量中的至少一个，并基于电压和电流的零列分量和负序分量中的至少一个来计算故障严重性指数(fsi)，以便识别ac电机中的相对地故障，其中计算该fsi还包括确定零序电流和负序电流中的至少一个的总值，确定包括在该总值中的零序电流和负序电流中的至少一个的噪声贡献值，基于总值和噪声贡献值确定零序电流和负序电流中的至少一个的补偿值，以及基于补偿值计算fsi。

根据本发明的另一实施方案，一种用于识别ac电机中的相对地故障的方法包括利用电压和电流传感器测量提供给ac电机的三相电压和电流，所述ac电机包括多个定子绕组。该方法还包括使故障检测器识别ac电机中的相对地故障，其中使故障检测器识别相对地故障包括接收测量的提供给该ac电机的三相电压和电流，根据三相电流确定零序电流和负序电流中的一个或多个，对零序电流和负序电流中的一个或多个执行基于噪声的补偿，以产生表示相对地电流的剩余零序电流和剩余负序电流中的一个或多个，以及基于剩余零序电流和剩余负序电流中的一个或多个识别该ac电机中的相对地故障。

根据本发明的又一实施方案，提供了一种用于检测ac电机中的相对地故障的故障检测器。该故障检测器包括处理器，该处理器被编程为：接收输入，该输入包括提供给该ac电机的三相电压和电流；根据三相电流确定零序电流和负序电流中的一个或多个；对零序电流和负序电流中的一个或多个执行基于噪声的补偿，以产生表示相对地电流的剩余零序电流和剩余负序电流中的一个或多个；以及基于剩余零序电流和剩余负序电流中的一个或多个识别该ac电机中的相对地故障。

已根据优选的实施方案描述了本发明，并且认识到，除了明确指出的那些以外，等同形式，替代形式和修改形式也是可能的并且在附加权利要求书的范围内。