一种应急发电车启动过程匝间故障检测方法与流程

本发明涉及电力系统故障诊断领域，具体指一种应急发电车启动过程匝间故障检测方法。

背景技术：

1、在自然界各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点，它不但已成为人类生产和生活的主要能源，并且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。随着国家的快速发展，社会经济水平的不断发展和人们物质生活的不断丰富，对电力的需求正在日益增长。随着电力系统复杂性的增加，电力系统发生故障的概率也随之增加。这些故障可能发生在电力系统的任何部分，例如，同步发电机、变压器、网络、负载和输电线路可能发生故障。这些故障可能导致相当大的供电中断，在严重的情况下，可能会导致停电。在此情况下，应急发电车具有供电功率较大、可随时移动及供电方式灵活便捷等特点，能够在电网发生故障停电时进行应急供电，减少停电时间，提高电网供电保障能力，已成为配电网应急供电电源的重要选择。

2、发电车的稳定运行是保障高质量应急供电的基础，故准确、高效的发电车故障检测将降低其发生故障时对电网的影响。现有发电车故障检测方法主要包含过电压检测、过电流检测、绕组温度检测及差动检测等。其中过电压检测、过电流检测、绕组温度检测能够识别的故障类型较少，检测范围较小，而差动检测的检测范围及准确度最高，但其无法检测匝间故障，存在缺陷。此外，现有的匝间故障检测方法没有考虑到电机启动时的变频率干扰。因此，如何准确、高效的检测发电车故障是值得研究及亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有发电车故障检测的现状，本发明的目的是：提供一种应急发电车启动过程匝间故障检测方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种应急发电车启动过程匝间故障检测方法，其特征在于，基本步骤为：

3、1)对应急发电车同步发电机定转子及其启动过程进行分析，采用线圈法测量气隙磁通畸，从而检测应急发电车的匝间故障；

4、2)对启动过程进行频率估计，采用低通滤波器过滤启动过程中的高频开关、噪声等不需要的信号分量；

5、3)分别确定定转子启动过程匝间故障的检测阈值，基于磁通的变化对故障进行检测判别。

6、优选地，同步发电机定转子及其启动过程分析如下，

7、当前磁通量传感器已广泛应用于电力变压器、感应电机和同步发电机稳定状态下的匝间故障检测中，使用检测线圈观测气隙旋转磁场，测量沿气隙圆周的气隙旋转磁场失真来检测匝间故障；

8、每个检测线圈都感应其附近的气隙旋转磁场，作为定子和转子匝间故障的共同特征，磁通密度将在故障区域降低，此外，定子匝间故障时故障区域保持静止，而对于转子匝间故障，故障区域会以转子速度旋转，由转子匝间故障引起的气隙旋转磁场畸变在所有检测线圈上都是相同的；而对于定子匝间故障，故障区域的检测线圈中会比其他检测线圈更容易观察到气隙旋转磁场的变化。

9、优选地，通过测量对侧检测线圈中相应感应电压的差分电压来检测由匝间故障引起的气隙旋转磁场失真，scb1和scb3中感应电压的差异(δeb13)是对应区域中磁通差异的特征图谱，两个相对检测线圈中感应电压的差异(δes)可以作为检测匝间故障的特征；然而，匝间故障分定子和转子，两者感应电压分量之间存在本质差异；定子匝间短路故障影响δes的主要分量(频率为f)，而转子匝间短路影响δes的f/p分量，其中f和p分别是检测线圈中感应电压的基频分量和同步发电机的极对数。

10、优选地，在稳态条件下，以4极、1500r/min的同步发电机为例，其特征分量分别为定子和转子匝间故障的的50和25hz，然而，在启动期间，频率随时间变化在启动时刻最初为零然后逐渐增加，当转子以同步速度旋转时达到额定频率，为了得到δes的f和f/p分量(和)，需要以连续的方式评估这个周期内的频率，使用离散傅里叶变换(dft)诊断故障并加以区分；

11、应急发电车同步发电机的每个定子相绕组包括四个串联的线圈组(cg)，每个线圈组有三个线圈；在该检测方法中，定子的每个线圈组在对应磁轴上都配备一个检测线圈；

12、考虑到理想状态的磁场分布，与每个相位相关的检测线圈必须在合适条件下观察相同的旋转磁场，需要有相同的振幅且没有任何相移；然而，不同相检测线圈的感应电压之间存在120°的相位差，绕组的磁轴位移了相同的相位角；

13、仅考虑基波分量(fc)，穿过每个检测线圈的磁通量可以写为

14、

15、其中和p分别是磁通量的幅值、电源角频率、每个检测线圈的机械角位置和极对数；

16、根据法拉第定律第j个检测线圈(命名为ej)中的感应电压与ns匝的关系为：

17、

18、其中ej代表第j个检测线圈中感应电压的基频分量瞬时值，在健康条件下，幅值

19、绕组线圈组和对应检测线圈的磁轴对齐；此外，每个检测线圈完全包含该相位绕组的每个线圈组；在此条件下，每个检测线圈中的感应电压可以看作是对应线圈组内部电压的一部分。

20、优选地，当同步发电机在电动机状态运行时，电源电压施加在串联各相线圈组上，由于其是相同的，两端电压被平均分配，同步发电机一相中所有线圈组的磁通量也是相同的；在无故障条件下，每相的检测线圈将检测到相同的磁通量，此时两端的感应电压相同；采用检测线圈对感应电压的差分值，相关的谐波将在δes中被中和，在不平衡电压源的情况下也一样，不受电源谐波或不平衡条件的干扰；

21、当匝间故障发生时，磁场沿气隙圆周的变化并不相同，匝间故障发生在定子绕组的一个线圈组中，则穿过对应检测线圈的合成磁通量将减少，此时不仅故障中的有效匝数减少，而且还因为流过短路匝的电流而产生反向磁动势；故障将不可避免地扰乱气隙旋转磁场，在这种情况下，相应的检测线圈中的感应电压不能被中和，导致相关的δe增加，在转子绕组中存在匝间故障的情况下，上述磁场畸变将表现为旋转畸变，它将在不同时间点扫过所有检测线圈；所有检测线圈对都会检测到故障。

22、优选地，频率估计与低通滤波如下，

23、检测线圈中的感应电压不是纯正弦信号，包含高频开关和噪声成分，从而导致不正确的频率估计，尤其是在启动期间；可以使用截止频率高于50hz的低通滤波器来减少甚至消除此类不需要的信号分量；

24、对于应急发电车中普遍用到的四极同步发电机，在每个时间步长，需要两个周期检测线圈的感应电压来计算(即)；在这种情况下，可以通过全周期dft计算；当检测线圈中感应电压的极性从负变为正时，说明信号过零；两个连续过零点(zc)之间的样本数n决定了频率其中t和fs分别是采样周期和采样频率。

25、优选地，其逻辑可以通过以下语句，通过符号函数(sgn)来实现：

26、

27、实际上，当滤波后的e的极性在第n个样本中从负变正时，该时刻的样本被认为是新的(第k个)过零点；此时，数据窗口就会一个周期一个周期地更新，从数据窗口出来一个周期，又进入一个新周期，频率可以按如下计算：

28、

29、其中zc(k)、fs和f分别表示第k个过零点、采样频率和估计频率；需要说明的是，每一个周期的样本数(n)是基于具有(zc(k)-zc(k-2))/2个元素的两周期数据窗口计算得出的；

30、感应电压的和分量可以使用dft计算：

31、

32、

33、优选地，定转子匝间故障检测阈值和如下，

34、最初，在检测到从启动开始的两个周期后，使用dft算法从δes中提取所需的分量(和)，需要计算前三个过零点；实际上，所获得的信号不一定从过零点开始，在检测到第三个过零点后可以访问第一个双周期窗口，在这个过程之后，一旦检测到下一个过零点，就会使用第二个和第四个过零点来更新频率，这个过程将继续下去；在检测到新的过零点之后，可以获得和分量的更新值；即任意两个连续循环之间都存在一个延迟时间，这个延迟时间会随着转速增加而逐渐减小，在额定频率即额定转速下达到20ms。

35、优选地，建立两个阈值(th)以区分正常和故障状况；将这些阈值(定子匝间故障检测阈值ths和转子匝间故障检测阈值thr)设置为固定值，以得到正常启动期间所有δe的和考虑到从启动瞬间到额定速度/频率的时间窗，使用20％的安全裕度，所有这些值(分别针对和)的最大值允许获得足够的阈值，如下式

36、

37、当的值超过ths或超过thr时，分别发出定子匝间故障或转子匝间故障的报警；

38、定子匝间故障时：

39、1)由于短路匝的旁路和剩余健康匝的减少，故障线圈中的定子磁动势幅值减小；

40、2)在故障线圈的短路匝中产生反向磁动势；

41、3)故障线圈中剩余的正常线圈补偿短路线圈中流动的反向电流，效果类似于变压器；

42、此时，定子匝间故障的结果是故障区域的气隙旋转磁场磁通将减小；若发生的是转子匝间故障，只会减少励磁绕组的有效匝数，而这些匝数不会产生任何反向磁动势；与定子匝间故障相比，由于故障极中的转子匝间故障导致的旋转磁场降低而产生的影响很小。

43、优选地，使用模数转换器(adc)将滤波后的模拟信号转换为数字信号，adc采样频率设置为频率估计中的信号频率；在检测每个过零点并估计频率之后，通过全周期dft计算频率f和f/p的和实际上，每个检测线圈中感应电压的两个周期将用于获得dft的正余弦滤波器需要覆盖信号的两个周期才能获得频率f/p的分量；此过程之后，和将与阈值进行比较，阈值在正常运行状态下确定；高于ths或高于thr分别是用来判断定子匝间故障和转子匝间故障的指标；

44、如果检测到定子匝间故障，用最大δe来识别受影响相中的故障线圈，以及具有最小值检测线圈的感应电压电平可用来识别该相中的故障线圈；在转子匝间故障的情况下，故障区域以转子速度旋转；所有检测线圈都会感应到气息旋转磁场的失真，对于所有差分电压，都会高于故障阈值。

45、相对于现有技术，本发明具有如下优点：

46、本发明所提出的故障检测方法采用检测线圈检测气隙旋转磁场的磁通变化来判别匝间故障，考虑了启动过程的变频率影响，具有准确性与安全性，同时可以识别出发生定子匝间故障区域。