基于WSN的电机母线高电阻连接故障检测装置与方法与流程

本发明涉及电机故障诊断技术领域，具体是对交流电机母线的高电阻连接故障进行监测，根据监测结果对电机母线高电阻连接故障进行诊断。

背景技术：

交流电机母线的高电阻连接(hrc)是交流电机中最常见的故障之一。电机母线接头处采用螺栓连接，一旦出现接头螺栓未拧紧，或发生热胀冷缩和氧化现象，都会使电机母线接头阻抗增大。电机电路中的高电阻连接会导致局部过热和供电电压不平衡，从而使配电系统及电动机的效率降低，甚至还会造成意外过程停机。因此，监测电机母线的高阻连接问题对于工业设备的可靠、高效和安全运行至关重要。目前，关于电机母线接头温度和接触阻抗方面的研究较多，但在线检测母线接头阻抗的方法很少。尤其对五相容错电机来说，电机母线接头高电阻连接的检测很重要，能及时发现故障并采取相应的有效容错措施。

目前，对电机母线的高电阻连接问题最主要是从电机电流特征方面进行分析，一般有两种检测方法，一种方法是基于定子电流，利用定子电流的三次谐波分量来检测高电阻连接(hrc)；另一种是基于零序电压分量(zsvc)检测法，是通过监测zsvc的基本分量来检测高电阻连接。但这些检测方法的检出限只能达到欧姆级,在很多场合是不能满足实际应用需要的。中国专利申请号为201810335660.3、名称为“一种母线接头微欧级阻抗在线检测方法与装置”的文献中提到的检测方法是利用谐振信号注入方法获取母线接头微欧级阻抗，但这是一种完全接触式方法，存在强电与弱电隔离问题。

技术实现要素：

本发明目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种基于wsn的电机母线高阻连接故障检测装置及其检测方法，通过非接触式红外测温对电机母线接头阻抗实现微欧级故障在线检测。

本发明基于wsn的电机母线高电阻连接故障检测装置采用的技术方案是：五相电机的每相母线出线上各装有1个电流传感器，5个电流传感器均通过数据传送线与1个五相电流采集装置连接，五相电流采集装置通过无线收发模块与wsn数据采集装置传送数据，wsn数据采集装置通过数据传送线与上位机相连接；五相电机的一相母线进出线与1个母线接头测温部件连接，5个母线接头测温部件通过数据传送线与1个五相接头温度采集装置相连，五相接头温度采集装置通过无线收发模块与wsn数据采集装置相互传送数据；五相电机的其中一相的母线进线和母线出线之间串接实验装置，实验装置由相互串接的电流源开关、恒流电流源和相互串接的微欧仪开关、微欧仪并联后串接在母线进线和母线出线之间组成。

所述的基于wsn的电机母线高电阻连接故障检测装置的检测方法采用的技术方案是包括如下步骤：

a：采用实验装置获取电机母线接头阻抗r与各相电流i、温度t之间的bp神经网络模型r＝f(i,t)并保存在上位机中；

b、电机在实际运行过程中，由母线接头测温部件采集相应的母线接头温度t并经五相接头温度采集装置、wsn数据采集装置发送给上位机；由五相电流采集装置采集相应的相电流i并经wsn数据采集装置再送给上位机，上位机温度t和相电流i，由bp神经网络模型r＝f(i,t)计算出该母线接头阻抗r；

c、将各相母线接头阻抗r与预设的高阻阈值val进行比较，如果r>val，则母线接头为高阻连接故障，否则无故障。

进一步地，步骤a中，采用实验装置获取电机母线接头阻抗r与各相电流i、温度t之间的bp神经网络模型r＝f(i,t)的步骤是：

第一步：断开逆变器开关和微欧仪开关，闭合电流源开关，调节恒流电流源使其输出电流为i0，通过五相电流采集装置采集母线进出线上的电流并发送给上位机；

第二步：断开电流源开关，闭合微欧仪开关，调节母线接头处的阻抗，微欧仪测得母线接头阻抗大小r00并输入上位机；

第三步：断开微欧仪开关，闭合电流源开关，通过母线接头测温部件测得母线接头阻抗r00下的温度t00，五相接头温度采集装置采集，经wsn数据采集装置送上位机；

第四步：重复第二步至第三步n次，上位机11得机母线接头阻抗r0i以及对应的温度t0i，i＝0,1,……,n；

第五步：重复第一步至第四步重复n次，上位机获得电流ii以及对应的母线接头阻抗rki和温度tki，i＝0,1,……,n，k＝0,1,……,n；将电流ii和温度tki作为bp神经网络模型的输入变量、阻抗rki作为输出变量构建出bp神经网络模型r＝f(i,t)。

本发明采用上述技术方案后具有的显著效果是：

1.现有检测系统通过电机相电流与零序电压相位关系获取电机母线高电阻连接故障特征值，检测精度是欧姆级别。本发明通过对电机母线接头温度和相电流进行监测，根据监测结果对电机母线高电阻连接故障进行诊断。通过电机相电流与接头处的温度变化关系获取电机母线高电阻连接故障特征值，由于在电机母线接头阻抗上会产生i²rt(i是电流，r是阻抗，t是时间)的焦耳热，在电机母线接头上螺母上会产生温度，本发明采用微欧仪确定接头阻抗，所建立的模型是微欧级的，接头阻抗的检测精度达到了微欧级别，降低了故障检出限。

2.本发明采用红外测温传感器测温，该传感器对温度变化灵敏度高，且为非接触式感温。当接头阻抗有微欧级的变化，红外测温传感器就有较大的变化，因此响应效果相当灵敏。高灵敏度提高了电机母线接头阻抗检测精度，非接触式感温不仅起到了很好的隔离效果，而且提高了测温的稳定性。

3.本发明采用wsn信息传输技术，使故障检测装置与电机之间实现信息无线传输，结构简单，便于实际应用。

附图说明

图1为本发明基于wsn的电机母线高电阻连接故障检测装置的结构示意图；

图2为图1中电机母线接头测温部件5的结构放大图；

图3为温度、电流与阻抗三者之间的关系模型图；

附图中各部件的序号和名称：1.逆变器；2.母线进线；3.接线盒；4.五相接头温度采集装置；5.母线接头测温部件；6.母线出线；7.电流传感器；8.五相电流采集装置；9.五相电机；10.wsn数据采集装置；11.上位机；12.螺栓；13.上螺母；14.上垫片；15.下垫片；16.下螺母；17.固定支座；18.接线盒底座；19.红外测温传感器；20.固定支柱；21.温度采集电路板；22.恒流电流源；23.电流源开关；24.微欧仪开关；25.微欧仪；26.逆变器开关。

具体实施方式

参见图1，本发明基于wsn的电机母线高电阻连接故障检测装置具有5个完全相同的母线接头测温部件5，1个母线接头测温部件5连接五相电机9的一相母线进出线。5个母线接头测温部件5通过数据传送线与1个五相接头温度采集装置4相连。1个五相接头温度采集装置4与5个母线接头测温部件5均安装在接线盒3内部。

五相接头温度采集装置4通过无线收发模块与wsn数据采集装置10相互传送数据。五相接头温度采集装置4和wsn数据采集装置10均各由无线收发模块以及arm处理模块等组成。

在五相电机9的每相母线出线6上各安装一个电流传感器7，母线出线6分别连接一个电流传感器7后接到五相电机9上，共有5个电流传感器7，5个电流传感器7均通过数据传送线与1个五相电流采集装置8连接。五相电流采集装置8安装在电机接线盒3外部，是由无线收发模块、信号处理电路、数据通信接口电路等组成，通过数据传送线与各相电流传感器7相连，通过无线收发模块与wsn数据采集装置10传送数据。wsn数据采集装置10通过数据传送线与上位机11相连接。

五相电机9的其中一相的母线进线2通过逆变器开关26接于逆变器1上，逆变器开关26串接在母线进线2与逆变器1之间。

在五相电机9的其中一相的母线进线2和母线出线6之间串接实验装置，其作用是对电机母线接头电流、温度与阻抗的关系模型进行实验建模。由于电机母线接头物理结构完全一致，电机母线接头电流、温度与阻抗的关系模型是一样的，因此只需对其中一个母线接头进行实验建模，实验装置只需连接其中一相母线。该实验装置由电流源开关23、恒流电流源22、微欧仪开关24、微欧仪25组成。相互串接的电流源开关23、恒流电流源22和相互串接的微欧仪开关24、微欧仪25并联后串接在母线进线2和母线出线6之间。电流源开关23和微欧仪开关24与母线进线2相连接，恒流电流源22和微欧仪25与母线出线6相连接。

参见图2，母线接头测温部件5包括一个红外测温传感器19，红外测温传感器19与信号处理电路、数据通信接口电路一起安装在温度采集电路板21上，温度采集电路板21通过固定支柱20固定连接在l型的固定支座17上。母线进出线绕在螺栓12上，母线进出线的上方通过上垫片14和上螺母13与螺栓12相配合，用于拧紧和固定母线进出线，母线进出线的下方通过下垫片15和下螺母16与螺栓12相配合，用于拧紧和固定母线进出线。螺栓12的下端同时固定连接固定支座17和接线盒底座18，固定支座17安装在接线盒底座18上，接线盒底座18与接线盒3固定在一起。红外测温传感器19正对着上螺母13的位置，与上螺母13不接触，相距一定的距离，见图2中的距离d毫米。

参见图1、2所示，本发明基于wsn的电机母线高电阻连接故障检测装置工作时，先采用实验装置获取电机母线接头阻抗与上螺母13处的温度t及各相电流i之间的关系模型r＝f(i,t),并保存在上位机11中。具体方法是：

第一步：断开逆变器开关26和微欧仪开关24，闭合电流源开关23，调节恒流电流源22使其输出电流为i0，通过五相电流采集装置8采集母线进出线上的电流并发送给上位机11，由上位机11保存。

第二步：断开电流源开关23，闭合微欧仪开关24，调节螺母以改变电机母线接头处的阻抗，由微欧仪25测得电机母线接头阻抗大小r00，并输入上位机1保存。

第三步：断开微欧仪开关24，闭合电流源开关23，通过母线接头测温部件5测得该电机母线接头阻抗r00下的温度t00，由五相接头温度采集装置4采集，经wsn数据采集装置10送上位机11并保存。

第四步：重复第二步至第三步n次，上位机11可分别得到电机母线接头阻抗r0i以及对应的温度t0i，i＝0,1,……,n。

第五步：重复第一步至第四步重复n次，上位机11上可分别获得电流ii以及对应的母线接头阻抗rki和温度tki，i＝0,1,……,n，k＝0,1,……,n。将ii、rki、tki作为建模数据，即可得到如图3所示的电机母线接头电流、温度与阻抗的关系曲线图。

然后，在上位机1中，将电流ii和温度tki作为bp神经网络模型的输入变量、阻抗rki作为bp神经网络模型的输出变量，构建bp神经网络模型r＝f(i,t)。

再断开电流源开关23和微欧仪开关24，闭合逆变器开关26。使电机处在实际运行过程中，此时由上位机11通过wsn数据采集装置10发送一个电机母线接头地址给安装在接线盒3内的母线接头测温部件5，母线接头测温部件5采集相应的母线接头上螺母的温度，再经五相接头温度采集装置4、wsn数据采集装置10发送给上位机11。上位机11通过wsn数据采集装置10发送一个电机母线接头地址给安装在接线盒3外的五相电流采集装置8，五相电流采集装置8采集相应的相电流，通过wsn数据采集装置10再送给上位机11。上位机11根据该母线接头上的温度t和各相电流i值，由关系模型r＝f(i,t)计算出该电机母线接头阻抗r，判断各母线接头阻抗r是否检测完毕，如果没有检测完毕则继续检测。最后，分别对各母线接头阻抗r与上位机11预设的高阻阈值val进行比较，如果r>val，则该电机母线接头为高阻连接故障，否则，该电机母线接头为无故障，实现了电机母线接头高阻连接故障诊断。