专利名称：监测星形连接定子接地的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监测电机定子的星形连接运行的绕组接地的方法，该绕组具有不起接地作用的星形点。
背景技术：
众所周知，在具有非接地星形点、星形连接运行的绕组内，可以借助按照零电流或零电压标准工作的接地采集继电器来识别接地。其中，可以以较高的可靠性识别直到大约绕组长度90％的接地；在星形点附近或者在星形点本身的故障可以借助于构成零相序系统的谐波来识别。因此在德国专利公开文献DE 19629483 A1中公开了一种用于监测电机定子的星形连接运行的绕组的方法，其中，在电机定子绕组上采集零电压和零电流测量值。为了进一步处理，借助于带通滤波器从所采集的测量值中分别孤立出一基波振荡和一个(例如第三次)谐波。对这样构成的测量信号在一个所谓的处理部分中例如按其相位变化以及是否超过预定的阈值进行检验，并在必要时为在定子中中断电流的功率开关产生触发信号。借助于零电压或零电流测量值的谐波还可以对给出的测量信号这样设置可变的阈值级别，即，在电机短暂的不对称工作方式下，或者在接通和断开过程中不为功率开关产生触发信号。
对于例如磁悬浮轨道的长定子段，对称绕组的实现在技术上是昂贵的，并且要例如通过周期性的绕组位置置换和附加的接地措施达到。相反，没有位置置换的、简单廉价的绕组机械敷设则必然导致绕组的不对称，其在按照零电流和零电压标准采集接地时造成零电流和零电压处于测量值响应阈值的数量级上。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于监测电机定子星形连接运行的绕组接地的方法，该绕组具有不起接地作用的星形点，利用该方法也可以在具有非对称绕组的定子中可靠地识别接地。
为了解决该技术问题，提出了本文开始提到类型的方法，在本发明的方法中，在获得零电压测量值的条件下测量定子端子上的零电压，在获得零电流测量值的条件下测量由定子绕组给出的零电流，分别从该零电压或零电流测量值中确定出模型值，将所确定的模型值从各自所属的零电压或零电流的测量值中减掉，以构成差值，如果该差值超出预定的阈值，则产生一个指示绕组接地的故障信号。按照本发明方法的重要优点在于，接地识别是在差值的基础上，而不是在例如由于绕组不对称影响的各零电压测量值或零电流测量值的基础上进行的。
优选地，借助于一个转换单元确定模型值，其中，该转换单元这样配置，即，在定子不带接地的情况下，由其给出的模型值在由零电压测量值构成时，与各所属的零电流测量值相对应，而在由零电流测量值构成时，与各所属的零电压测量值相对应。借助于由所述方法构成的模型值可以消除各零电流测量值或零电压测量值在没有接地情况下由于例如绕组不对称而形成的测量值成分。即在没有接地情况下形成的差值具有一个接近零的值，从而可以借助于阈值比较以简单的方式识别没有接地的情况。反之，在发生接地的情况下，形成一个明显大于零的差值，从而也可以借助于阈值比较以简单的方式识别接地故障。这种关联随后将具体说明。
优选地，为了确定模型值使用一个数字滤波器。由此可以极其简单地用数据处理装置实现按照本发明的方法。
此外，在按照本发明的一种优选实施方式中，将用于设置数字滤波器的系数在校准阶段中由零电压测量值或零电流测量值以及各自所属的零电流测量值或零电压测量值来确定。按照这种方式可以使数字滤波器与定子的传递函数相匹配，而不必事前已知定子的某些参数，如电感、电阻和电容。
为了确定数字滤波器的系数，优选地对该数字滤波器对零电压测量值或零电流测量值的滤波响应补偿各自所属的零电流测量值或零电压测量值，以优化该数字滤波器的系数。按照这种方式，数字滤波器在优化过程中被精确地这样设置，即，借助于数字滤波器从零电压测量值或零电流测量值中确定的比较值与各自所属的零电流测量值或零电压测量值之间的平均误差为最小。
优选地，数字滤波器参数的确定按照Steiglitz-McBride算法实现。
作为另一种选择，在本发明方法的另一优选实施方式中，根据定子传递函数的给定特征量来确定用于设置数字滤波器的系数。由此，可以对于这样的情况，即事先已知定子的确切特征量如阻抗和电容，借助于这些特征量进行数字滤波器的设置。在这种情况下，定子的传递函数可以分析地导出，使得可以去掉校准处理。
在按照本发明方法的另一实施方式中，在由零电压测量值构成的模型值产生差值测量值时，从零电流测量值中减掉各自所属的模型值，当该差值超过一个预定的电流阈值时，产生一故障信号。将由零电压测量值确定的模型值与各自所属的零电流测量值进行比较，然后从由此确定的电流相关的差值中进行阈值评价，与类似进行的电压相关的方法相比，由于转换单元的预期传递函数而实现起来更稳定。
本发明还涉及一种用于监测电机定子的星形连接运行的绕组接地的电气设备，该绕组具有不起接地作用的星形点，该设备具有用于测量和预处理零电压测量值的电压采集装置，用于测量和预处理零电流测量值的电流采集装置，和处理装置，当由零电压测量值和/或零电流测量值确定的值超过一个预定的阈值时，该处理装置产生一个指示接地的故障信号。这样一种装置同样在本文开始提到的德国专利公开文献DE 19629483 A1中提及。
在公知装置的基础上，本发明要解决的技术问题还在于，提出一种用于监测电机定子星形连接运行的绕组接地的电气设备，该绕组具有不起接地作用的星形点，利用该设备也可以在定子绕组不对称制成的情况下识别定子的接地。
为了解决上述技术问题，按照本发明，这样地构成上述类型的电气设备，即，电压采集装置的输出端与转换单元的输入相连接，该转换单元从各零电压测量值中确定模型值；该转换单元的输出端与一个求差器的一个输入相连接，该求差器的另一个输入与电流采集装置的一个输出相连接，该求差器的输出端与处理装置相连接。通过将零电压测量值在转换单元中进行转换来确定模型值，利用该模型值可以在没有接地的情况下对例如由于定子绕组的不对称而引起的零电流的成分进行补偿。按照这种方式可以通过一个随后的阈值比较，非常简单地对是否出现接地进行判断，因为在包含接地的情况下模型值不再对应于零电流测量值并由此也不能对其进行补偿；由于在没有接地和有接地情况下的定子的不同传递函数，在产生接地的情况下，在求差器中产生的差值甚至具有比在没有接地情况下由于不对称引起的零电流测量值更高的振幅。
为了对本发明作进一步的说明，图中示出了图1示出了一个电机定子的示意图，图2示出了一个按照本发明设备的实施方式的示意图，图3示出了一个用于说明校正过程的示意图，图4a和4b示出了对于无接地和有接地的定子零电流和零电压的简化矢量图。
具体实施例方式
在图1中示意地示出了在一个没有进一步示出的电机中的定子1，其具有绕组2a，2b和2c。在等效电路中示出的绕组2a，2b和2c在一个不起作用的接地的星形点3上相互电气连接。定子1的表示还显示，绕组2a，2b和2c的导线分别具有显示出的对地电容4a，4b和4c。绕组2a，2b和2c的输入端子5a，5b和5c通过功率开关6分别与汇流排7的一个相线电气连接。在功率开关6的定子一侧，例如借助于高压电阻8对定子1的绕组2a，2b和2c上的零电压进行采集，并借助于电压变换器9将其送至接地采集装置10的输入21。在接地采集装置10的另一个输入22上为接地采集装置10输入通过转换变换器确定的关于绕组2a，2b和2c的零电流。通过在图1中用虚线表示的连接，使得功率开关6由接地采集装置10触发。
如果定子1的绕组2a，2b和2c严格地对称制成且为其在输入端子5a，5b和5c提供对称的电流，则在无接地的情况下产生的理想零电流测量值为零。与此类似，零电压测量值按理想方式同样具有零值。实际上在对称制成的绕组中，在没有接地的情况下，零电压测量值和零电流测量值接近于零。在对称的情况下，可以极其简单地通过将各测量值与预定的阈值进行比较，判断出在定子1中是否出现接地，并在必要时触发功率开关6。
为了能够可靠地在整个定子1的长度上识别接地，为对零电流或者零电压进行测量和评价，除了测量值的基波振荡外，还分别考虑n次谐波，其中n是3的倍数。这里利用了这样的效果，即这些谐波的电流在星形点相加不为0。这些次的谐波例如可以通过预接的变流器实现，或者例如对于磁悬浮轨道来说，将定子实现为长定子、通过列车本身体现出来。
但是，严格对称的绕组的实施方式在技术上是昂贵的，并且在例如磁悬浮轨道的长定子中通过绕组周期性的位置置换和附加的接地措施得到。在没有位置置换的技术上简单的绕组敷设中，由于各绕组2a，2b和2c之间的耦合阻抗形成不同的电流，其通过电容4a，4b和4c流向大地。即使在很小的不对称值下，由此引起的并在定子1的端子5a，5b和5c上测量的零电流可以超过各在接地出现时的零电流，并导致地功率开关不希望的触发。这样就不再能对接地进行可靠的识别。
为了尽管如此仍可以在不对称的定子中进行可靠的接地识别，采取了如图2所示的接地采集装置10。在输入21，借助于电压采集装置23采集零电压测量值u，而在输入22，借助于电流采集装置24采集零电流测量值i。电压采集装置23和电流采集装置24必要时包括测量值的前置滤波器和AD转换器，其中，按照本发明的解决方案，还包括按多个电气相互连接的模块形式的电压和/或电流采集装置的实施方式，各模块单独完成所述任务(前置滤波器、AD转换等)。由此，在电压采集装置23的输出形成数字化的零电压测量值un，而在电流采集装置24的输出形成数字化的零电流测量值in。数字化的零电压测量值un被送至转换单元25，借助于该转换单元，从数字化的零电压测量值un中确定出模型值in*。数字化的零电流测量值in和模型值in*被送至求差器26，其在其输出给出差值iD＝|in-in*|。该差值被送至阈值级27，其将该差值iD与一个预定的阈值is进行比较，并当差值iD超过预定的阈值is时，给出一个表示接地的故障信号F。为此，在阈值级27确定差值iD的有效值，并然后将其与阈值is比较。如果在也考虑构成零相序系统谐波的条件下确定差值iD的有效值，则可以按照这种方式在定子1的整个长度上识别接地(参见图1)。
转换单元25在接地采集装置10的实际运行阶段之前的校准阶段被这样地设置，即，在没有接地情况下使由数字化的零电压测量值un确定的模型值in*尽可能对应于相应的数字化零电流测量值in。这点在图3中示出。对于校准阶段的前提是定子1没有接地。在该校准阶段在输入21和22上借助于电压采集装置23和电流采集装置24采集零电压测量值u和零电流测量值i，并转换成数字化的零电压测量值un以及数字化的零电流测量值in。该数字化的零电压测量值un被送至还没有设置的转换单元25，其由此确定出模型值in*。在求差器26中将该模型值从所属的数字化零电流测量值in中减掉，以构成差值iD。
因为转换单元25在此时尚未被正确地设置，所以差值iD为一个不等于零的值。该差值iD被送至优化单元31，其借助于零电流测量值和零电压测量值按照例如Steiglitz-McBride算法，将转换单元25的响应(其对应于各确定的模型值in*)和数字化零电流测量值之间差值的平均误差最小化。这按下列规定进行minΣn=0∞|in-in*|2=minΣn=0∞|iD|2]]>优化单元31在优化中还确定用于设置转换单元25的系数K。这例如通过使用Matlab函数(THE MATH WORKS Inc.，Natick，Mass.，USA)实现[b，a]＝stmcb(in，in*，nb，na)，其中，a和b为用于转换单元25的系数向量，nb和na分别给出各系数向量a和b的长度。所确定的系数K被送至转换单元25，利用该系数K来设置该转换单元25。
在转换单元25被设置之后，与设定前所确定的模型值in*进行比较，确定出优化的模型值in*′，并将其再次与数字化零电流测量值in比较，以构成差值iD。在成功地进行了优化处理和用正确的系数设置了转换单元之后，所确定的差值为零(或者低于一个可以接受的误差门限)。这样，模型值in*尽可能地对应于数字化零电流测量值in。在这种情况下，校准阶段结束，而转换单元25将在接地采集运行期间利用由此正确设置的系数K组运行。
因此，在校准阶段用迭代算法确定定子1的传递函数，借助于该传递函数随后从数字化的零电压测量值un中确定模型值in*。因此，为了确定传递函数不必已知表征定子的特征量，例如电感、电容和电阻。如果已知定子的全部特征量，则自然存在这样的可能性，即通过分析的途径确定转换单元的系数。在这种情况下，可以省略校准阶段。
最后，在图4a和4b中示出了用于说明识别接地的矢量图。在没有接地的情况下，在定子1中由于绕组2a，2b和2c(参见图1)的不对称而形成的零电压仅仅通过电容4a，4b和4c流走。因此，存在一个电容确定的电流-电压系统，其矢量表示在图4a中示出。可以看出，电流超前电压一个(理想的)90°相移。通过构成模型值in*和随后建立的电流i和模型值iv(在图4a中用虚线表示)之间的差值，给出的结果电流接近于零。由此，在随后的阈值比较中可以按简单的方式判断有出现接地。
在定子1中出现接地的情况下，由定子1此前电容确定的系统形成了一个此时的电感确定的系统，因为电流可以从绕组2a，2b和2c通过一个电阻感应零阻抗流向大地。如图4b所示，电流滞后电压一个(理想的)90°相移。在图4a和4b中，为了简化，用相同长度的电压矢量表示在没有干扰的情况和在接地情况下的同一个电压u。因为转换单元25在产生接地的情况下也使用在没有接地情况下的校准阶段确定的系数K，从电压值中确定模型值iv，此时电流值i不再被补充而是甚至额外地被提高。通过这种效果在差值iD中没有接地和包含接地的情况之间的差距被加强，从而使通过阈值比较进行判断得到进一步地简化。
类似于这样所示的情形，即由零电压测量值确定模型值，并将其从所属的零电流测量值中减掉，在本发明的范围内也可以是由零电流测量值确定模型值，并在模型值和零电压值之间建立差值。但是，详细讨论的情况在数值上更便于稳定处理，因此是优选的。
权利要求
1.一种用于监测电机定子(1)的以星形连接运行的绕组(2a，2b，2c)接地的方法，该绕组具有不起接地作用的星形点(3)，其中，-在获得零电压测量值的条件下测量定子(1)端子上的零电压，-在获得零电流测量值的条件下测量由定子(1)绕组(2a，2b，2c)给出的零电流，-分别从该零电压或零电流测量值中确定出模型值，-将所确定的模型值从各自所属的零电压或零电流的测量值中减棹，以构成差值，-如果该差值超出预定的阈值，则产生一个指示绕组接地的故障信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于一个转换单元(25)确定所述模型值，其中，所述转换单元(25)这样配置，即，在定子(1)不带接地的情况下，由其给出的模型值-在由零电压测量值构成时，与各所属的零电流测量值相对应，-在由零电流测量值构成时，与各所属的零电压测量值相对应。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述模型值，使用数字滤波器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，用于设置所述数字滤波器的系数是在校准阶段中由零电压测量值或零电流测量值以及各自所属的零电流测量值或零电压测量值确定的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为了确定所述数字滤波器的系数，对该数字滤波器对零电压测量值或零电流测量值的滤波响应补偿各自所属的零电流测量值或零电压测量值，以优化该数字滤波器的系数。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述数字滤波器系数的确定是按照Steiglitz-McBride算法实现的。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述用于设置数字滤波器的系数是根据定子传递函数的给定特征量确定的。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，-在由零电压测量值构成的模型值产生差值测量值时，从零电流测量值中减掉各自所属的模型值，-当该差值超过一个预定的电流阈值时，产生一故障信号。
9.一种用于监测电机定子(1)的星形连接运行的绕组(2a，2b，2c)接地的电气设备，该绕组具有不起接地作用的星形点(3)，该设备具有-电压采集装置(23)，用于测量和预处理零电压测量值，-电流采集装置(24)，用于测量和预处理零电流测量值，和-处理装置(27)，当由零电压测量值和/或零电流测量值确定的值超过一个预定的阈值时，该处理装置产生一个指示接地的故障信号，其特征在于，-所述电压采集装置(23)的输出端与一个转换单元(25)的输入相连接，该转换单元从各零电压测量值中确定模型值，-所述转换单元(25)的输出端与一个求差器(26)的一个输入相连接，-该求差器(26)的另一个输入与所述电流采集装置(24)的一个输出相连接，-该求差器(26)的输出端与处理装置(27)相连接。
全文摘要
本发明涉及一种用于监测电机定子(1)的以星形连接运行的绕组(2a，2b，2c)接地的方法，该绕组具有不起接地作用的星形点(3)，其中，在获得零电压测量值的条件下测量定子(1)端子上的零电压，在获得零电流测量值的条件下测量由定子(1)绕组(2a，2b，2c)给出的零电流，分别从该零电压或零电流测量值中确定出模型值，将所确定的模型值从各自所属的零电压或零电流的测量值中减掉，以构成差值，如果该差值超出预定的阈值，则产生一个指示绕组接地的故障信号。本发明还涉及一种用于实施该方法的装置。
文档编号H02H3/33GK1501092SQ20031011653
公开日2004年6月2日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月15日
发明者安德烈亚斯·朱里希, 迈克尔·施文克, 施文克, 安德烈亚斯 朱里希 申请人:西门子公司