專利名稱：監(jiān)測星形連接定子接地的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測電機定子的星形連接運行的繞組接地的方法，該繞組具有不起接地作用的星形點。
背景技術(shù)：
眾所周知，在具有非接地星形點、星形連接運行的繞組內(nèi)，可以借助按照零電流或零電壓標(biāo)準(zhǔn)工作的接地采集繼電器來識別接地。其中，可以以較高的可靠性識別直到大約繞組長度90％的接地；在星形點附近或者在星形點本身的故障可以借助于構(gòu)成零相序系統(tǒng)的諧波來識別。因此在德國專利公開文獻(xiàn)DE 19629483 A1中公開了一種用于監(jiān)測電機定子的星形連接運行的繞組的方法，其中，在電機定子繞組上采集零電壓和零電流測量值。為了進(jìn)一步處理，借助于帶通濾波器從所采集的測量值中分別孤立出一基波振蕩和一個(例如第三次)諧波。對這樣構(gòu)成的測量信號在一個所謂的處理部分中例如按其相位變化以及是否超過預(yù)定的閾值進(jìn)行檢驗，并在必要時為在定子中中斷電流的功率開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號。借助于零電壓或零電流測量值的諧波還可以對給出的測量信號這樣設(shè)置可變的閾值級別，即，在電機短暫的不對稱工作方式下，或者在接通和斷開過程中不為功率開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號。
對于例如磁懸浮軌道的長定子段，對稱繞組的實現(xiàn)在技術(shù)上是昂貴的，并且要例如通過周期性的繞組位置置換和附加的接地措施達(dá)到。相反，沒有位置置換的、簡單廉價的繞組機械敷設(shè)則必然導(dǎo)致繞組的不對稱，其在按照零電流和零電壓標(biāo)準(zhǔn)采集接地時造成零電流和零電壓處于測量值響應(yīng)閾值的數(shù)量級上。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于監(jiān)測電機定子星形連接運行的繞組接地的方法，該繞組具有不起接地作用的星形點，利用該方法也可以在具有非對稱繞組的定子中可靠地識別接地。
為了解決該技術(shù)問題，提出了本文開始提到類型的方法，在本發(fā)明的方法中，在獲得零電壓測量值的條件下測量定子端子上的零電壓，在獲得零電流測量值的條件下測量由定子繞組給出的零電流，分別從該零電壓或零電流測量值中確定出模型值，將所確定的模型值從各自所屬的零電壓或零電流的測量值中減掉，以構(gòu)成差值，如果該差值超出預(yù)定的閾值，則產(chǎn)生一個指示繞組接地的故障信號。按照本發(fā)明方法的重要優(yōu)點在于，接地識別是在差值的基礎(chǔ)上，而不是在例如由于繞組不對稱影響的各零電壓測量值或零電流測量值的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。
優(yōu)選地，借助于一個轉(zhuǎn)換單元確定模型值，其中，該轉(zhuǎn)換單元這樣配置，即，在定子不帶接地的情況下，由其給出的模型值在由零電壓測量值構(gòu)成時，與各所屬的零電流測量值相對應(yīng)，而在由零電流測量值構(gòu)成時，與各所屬的零電壓測量值相對應(yīng)。借助于由所述方法構(gòu)成的模型值可以消除各零電流測量值或零電壓測量值在沒有接地情況下由于例如繞組不對稱而形成的測量值成分。即在沒有接地情況下形成的差值具有一個接近零的值，從而可以借助于閾值比較以簡單的方式識別沒有接地的情況。反之，在發(fā)生接地的情況下，形成一個明顯大于零的差值，從而也可以借助于閾值比較以簡單的方式識別接地故障。這種關(guān)聯(lián)隨后將具體說明。
優(yōu)選地，為了確定模型值使用一個數(shù)字濾波器。由此可以極其簡單地用數(shù)據(jù)處理裝置實現(xiàn)按照本發(fā)明的方法。
此外，在按照本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，將用于設(shè)置數(shù)字濾波器的系數(shù)在校準(zhǔn)階段中由零電壓測量值或零電流測量值以及各自所屬的零電流測量值或零電壓測量值來確定。按照這種方式可以使數(shù)字濾波器與定子的傳遞函數(shù)相匹配，而不必事前已知定子的某些參數(shù)，如電感、電阻和電容。
為了確定數(shù)字濾波器的系數(shù)，優(yōu)選地對該數(shù)字濾波器對零電壓測量值或零電流測量值的濾波響應(yīng)補償各自所屬的零電流測量值或零電壓測量值，以優(yōu)化該數(shù)字濾波器的系數(shù)。按照這種方式，數(shù)字濾波器在優(yōu)化過程中被精確地這樣設(shè)置，即，借助于數(shù)字濾波器從零電壓測量值或零電流測量值中確定的比較值與各自所屬的零電流測量值或零電壓測量值之間的平均誤差為最小。
優(yōu)選地，數(shù)字濾波器參數(shù)的確定按照Steiglitz-McBride算法實現(xiàn)。
作為另一種選擇，在本發(fā)明方法的另一優(yōu)選實施方式中，根據(jù)定子傳遞函數(shù)的給定特征量來確定用于設(shè)置數(shù)字濾波器的系數(shù)。由此，可以對于這樣的情況，即事先已知定子的確切特征量如阻抗和電容，借助于這些特征量進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)置。在這種情況下，定子的傳遞函數(shù)可以分析地導(dǎo)出，使得可以去掉校準(zhǔn)處理。
在按照本發(fā)明方法的另一實施方式中，在由零電壓測量值構(gòu)成的模型值產(chǎn)生差值測量值時，從零電流測量值中減掉各自所屬的模型值，當(dāng)該差值超過一個預(yù)定的電流閾值時，產(chǎn)生一故障信號。將由零電壓測量值確定的模型值與各自所屬的零電流測量值進(jìn)行比較，然后從由此確定的電流相關(guān)的差值中進(jìn)行閾值評價，與類似進(jìn)行的電壓相關(guān)的方法相比，由于轉(zhuǎn)換單元的預(yù)期傳遞函數(shù)而實現(xiàn)起來更穩(wěn)定。
本發(fā)明還涉及一種用于監(jiān)測電機定子的星形連接運行的繞組接地的電氣設(shè)備，該繞組具有不起接地作用的星形點，該設(shè)備具有用于測量和預(yù)處理零電壓測量值的電壓采集裝置，用于測量和預(yù)處理零電流測量值的電流采集裝置，和處理裝置，當(dāng)由零電壓測量值和/或零電流測量值確定的值超過一個預(yù)定的閾值時，該處理裝置產(chǎn)生一個指示接地的故障信號。這樣一種裝置同樣在本文開始提到的德國專利公開文獻(xiàn)DE 19629483 A1中提及。
在公知裝置的基礎(chǔ)上，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題還在于，提出一種用于監(jiān)測電機定子星形連接運行的繞組接地的電氣設(shè)備，該繞組具有不起接地作用的星形點，利用該設(shè)備也可以在定子繞組不對稱制成的情況下識別定子的接地。
為了解決上述技術(shù)問題，按照本發(fā)明，這樣地構(gòu)成上述類型的電氣設(shè)備，即，電壓采集裝置的輸出端與轉(zhuǎn)換單元的輸入相連接，該轉(zhuǎn)換單元從各零電壓測量值中確定模型值；該轉(zhuǎn)換單元的輸出端與一個求差器的一個輸入相連接，該求差器的另一個輸入與電流采集裝置的一個輸出相連接，該求差器的輸出端與處理裝置相連接。通過將零電壓測量值在轉(zhuǎn)換單元中進(jìn)行轉(zhuǎn)換來確定模型值，利用該模型值可以在沒有接地的情況下對例如由于定子繞組的不對稱而引起的零電流的成分進(jìn)行補償。按照這種方式可以通過一個隨后的閾值比較，非常簡單地對是否出現(xiàn)接地進(jìn)行判斷，因為在包含接地的情況下模型值不再對應(yīng)于零電流測量值并由此也不能對其進(jìn)行補償；由于在沒有接地和有接地情況下的定子的不同傳遞函數(shù)，在產(chǎn)生接地的情況下，在求差器中產(chǎn)生的差值甚至具有比在沒有接地情況下由于不對稱引起的零電流測量值更高的振幅。


為了對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，圖中示出了圖1示出了一個電機定子的示意圖，圖2示出了一個按照本發(fā)明設(shè)備的實施方式的示意圖，圖3示出了一個用于說明校正過程的示意圖，圖4a和4b示出了對于無接地和有接地的定子零電流和零電壓的簡化矢量圖。
具體實施例方式
在圖1中示意地示出了在一個沒有進(jìn)一步示出的電機中的定子1，其具有繞組2a，2b和2c。在等效電路中示出的繞組2a，2b和2c在一個不起作用的接地的星形點3上相互電氣連接。定子1的表示還顯示，繞組2a，2b和2c的導(dǎo)線分別具有顯示出的對地電容4a，4b和4c。繞組2a，2b和2c的輸入端子5a，5b和5c通過功率開關(guān)6分別與匯流排7的一個相線電氣連接。在功率開關(guān)6的定子一側(cè)，例如借助于高壓電阻8對定子1的繞組2a，2b和2c上的零電壓進(jìn)行采集，并借助于電壓變換器9將其送至接地采集裝置10的輸入21。在接地采集裝置10的另一個輸入22上為接地采集裝置10輸入通過轉(zhuǎn)換變換器確定的關(guān)于繞組2a，2b和2c的零電流。通過在圖1中用虛線表示的連接，使得功率開關(guān)6由接地采集裝置10觸發(fā)。
如果定子1的繞組2a，2b和2c嚴(yán)格地對稱制成且為其在輸入端子5a，5b和5c提供對稱的電流，則在無接地的情況下產(chǎn)生的理想零電流測量值為零。與此類似，零電壓測量值按理想方式同樣具有零值。實際上在對稱制成的繞組中，在沒有接地的情況下，零電壓測量值和零電流測量值接近于零。在對稱的情況下，可以極其簡單地通過將各測量值與預(yù)定的閾值進(jìn)行比較，判斷出在定子1中是否出現(xiàn)接地，并在必要時觸發(fā)功率開關(guān)6。
為了能夠可靠地在整個定子1的長度上識別接地，為對零電流或者零電壓進(jìn)行測量和評價，除了測量值的基波振蕩外，還分別考慮n次諧波，其中n是3的倍數(shù)。這里利用了這樣的效果，即這些諧波的電流在星形點相加不為0。這些次的諧波例如可以通過預(yù)接的變流器實現(xiàn)，或者例如對于磁懸浮軌道來說，將定子實現(xiàn)為長定子、通過列車本身體現(xiàn)出來。
但是，嚴(yán)格對稱的繞組的實施方式在技術(shù)上是昂貴的，并且在例如磁懸浮軌道的長定子中通過繞組周期性的位置置換和附加的接地措施得到。在沒有位置置換的技術(shù)上簡單的繞組敷設(shè)中，由于各繞組2a，2b和2c之間的耦合阻抗形成不同的電流，其通過電容4a，4b和4c流向大地。即使在很小的不對稱值下，由此引起的并在定子1的端子5a，5b和5c上測量的零電流可以超過各在接地出現(xiàn)時的零電流，并導(dǎo)致地功率開關(guān)不希望的觸發(fā)。這樣就不再能對接地進(jìn)行可靠的識別。
為了盡管如此仍可以在不對稱的定子中進(jìn)行可靠的接地識別，采取了如圖2所示的接地采集裝置10。在輸入21，借助于電壓采集裝置23采集零電壓測量值u，而在輸入22，借助于電流采集裝置24采集零電流測量值i。電壓采集裝置23和電流采集裝置24必要時包括測量值的前置濾波器和AD轉(zhuǎn)換器，其中，按照本發(fā)明的解決方案，還包括按多個電氣相互連接的模塊形式的電壓和/或電流采集裝置的實施方式，各模塊單獨完成所述任務(wù)(前置濾波器、AD轉(zhuǎn)換等)。由此，在電壓采集裝置23的輸出形成數(shù)字化的零電壓測量值un，而在電流采集裝置24的輸出形成數(shù)字化的零電流測量值in。數(shù)字化的零電壓測量值un被送至轉(zhuǎn)換單元25，借助于該轉(zhuǎn)換單元，從數(shù)字化的零電壓測量值un中確定出模型值in*。數(shù)字化的零電流測量值in和模型值in*被送至求差器26，其在其輸出給出差值iD＝|in-in*|。該差值被送至閾值級27，其將該差值iD與一個預(yù)定的閾值is進(jìn)行比較，并當(dāng)差值iD超過預(yù)定的閾值is時，給出一個表示接地的故障信號F。為此，在閾值級27確定差值iD的有效值，并然后將其與閾值is比較。如果在也考慮構(gòu)成零相序系統(tǒng)諧波的條件下確定差值iD的有效值，則可以按照這種方式在定子1的整個長度上識別接地(參見圖1)。
轉(zhuǎn)換單元25在接地采集裝置10的實際運行階段之前的校準(zhǔn)階段被這樣地設(shè)置，即，在沒有接地情況下使由數(shù)字化的零電壓測量值un確定的模型值in*盡可能對應(yīng)于相應(yīng)的數(shù)字化零電流測量值in。這點在圖3中示出。對于校準(zhǔn)階段的前提是定子1沒有接地。在該校準(zhǔn)階段在輸入21和22上借助于電壓采集裝置23和電流采集裝置24采集零電壓測量值u和零電流測量值i，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的零電壓測量值un以及數(shù)字化的零電流測量值in。該數(shù)字化的零電壓測量值un被送至還沒有設(shè)置的轉(zhuǎn)換單元25，其由此確定出模型值in*。在求差器26中將該模型值從所屬的數(shù)字化零電流測量值in中減掉，以構(gòu)成差值iD。
因為轉(zhuǎn)換單元25在此時尚未被正確地設(shè)置，所以差值iD為一個不等于零的值。該差值iD被送至優(yōu)化單元31，其借助于零電流測量值和零電壓測量值按照例如Steiglitz-McBride算法，將轉(zhuǎn)換單元25的響應(yīng)(其對應(yīng)于各確定的模型值in*)和數(shù)字化零電流測量值之間差值的平均誤差最小化。這按下列規(guī)定進(jìn)行minΣn=0∞|in-in*|2=minΣn=0∞|iD|2]]>優(yōu)化單元31在優(yōu)化中還確定用于設(shè)置轉(zhuǎn)換單元25的系數(shù)K。這例如通過使用Matlab函數(shù)(THE MATH WORKS Inc.，Natick，Mass.，USA)實現(xiàn)[b，a]＝stmcb(in，in*，nb，na)，其中，a和b為用于轉(zhuǎn)換單元25的系數(shù)向量，nb和na分別給出各系數(shù)向量a和b的長度。所確定的系數(shù)K被送至轉(zhuǎn)換單元25，利用該系數(shù)K來設(shè)置該轉(zhuǎn)換單元25。
在轉(zhuǎn)換單元25被設(shè)置之后，與設(shè)定前所確定的模型值in*進(jìn)行比較，確定出優(yōu)化的模型值in*′，并將其再次與數(shù)字化零電流測量值in比較，以構(gòu)成差值iD。在成功地進(jìn)行了優(yōu)化處理和用正確的系數(shù)設(shè)置了轉(zhuǎn)換單元之后，所確定的差值為零(或者低于一個可以接受的誤差門限)。這樣，模型值in*盡可能地對應(yīng)于數(shù)字化零電流測量值in。在這種情況下，校準(zhǔn)階段結(jié)束，而轉(zhuǎn)換單元25將在接地采集運行期間利用由此正確設(shè)置的系數(shù)K組運行。
因此，在校準(zhǔn)階段用迭代算法確定定子1的傳遞函數(shù)，借助于該傳遞函數(shù)隨后從數(shù)字化的零電壓測量值un中確定模型值in*。因此，為了確定傳遞函數(shù)不必已知表征定子的特征量，例如電感、電容和電阻。如果已知定子的全部特征量，則自然存在這樣的可能性，即通過分析的途徑確定轉(zhuǎn)換單元的系數(shù)。在這種情況下，可以省略校準(zhǔn)階段。
最后，在圖4a和4b中示出了用于說明識別接地的矢量圖。在沒有接地的情況下，在定子1中由于繞組2a，2b和2c(參見圖1)的不對稱而形成的零電壓僅僅通過電容4a，4b和4c流走。因此，存在一個電容確定的電流-電壓系統(tǒng)，其矢量表示在圖4a中示出。可以看出，電流超前電壓一個(理想的)90°相移。通過構(gòu)成模型值in*和隨后建立的電流i和模型值iv(在圖4a中用虛線表示)之間的差值，給出的結(jié)果電流接近于零。由此，在隨后的閾值比較中可以按簡單的方式判斷有出現(xiàn)接地。
在定子1中出現(xiàn)接地的情況下，由定子1此前電容確定的系統(tǒng)形成了一個此時的電感確定的系統(tǒng)，因為電流可以從繞組2a，2b和2c通過一個電阻感應(yīng)零阻抗流向大地。如圖4b所示，電流滯后電壓一個(理想的)90°相移。在圖4a和4b中，為了簡化，用相同長度的電壓矢量表示在沒有干擾的情況和在接地情況下的同一個電壓u。因為轉(zhuǎn)換單元25在產(chǎn)生接地的情況下也使用在沒有接地情況下的校準(zhǔn)階段確定的系數(shù)K，從電壓值中確定模型值iv，此時電流值i不再被補充而是甚至額外地被提高。通過這種效果在差值iD中沒有接地和包含接地的情況之間的差距被加強，從而使通過閾值比較進(jìn)行判斷得到進(jìn)一步地簡化。
類似于這樣所示的情形，即由零電壓測量值確定模型值，并將其從所屬的零電流測量值中減掉，在本發(fā)明的范圍內(nèi)也可以是由零電流測量值確定模型值，并在模型值和零電壓值之間建立差值。但是，詳細(xì)討論的情況在數(shù)值上更便于穩(wěn)定處理，因此是優(yōu)選的。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測電機定子(1)的以星形連接運行的繞組(2a，2b，2c)接地的方法，該繞組具有不起接地作用的星形點(3)，其中，-在獲得零電壓測量值的條件下測量定子(1)端子上的零電壓，-在獲得零電流測量值的條件下測量由定子(1)繞組(2a，2b，2c)給出的零電流，-分別從該零電壓或零電流測量值中確定出模型值，-將所確定的模型值從各自所屬的零電壓或零電流的測量值中減棹，以構(gòu)成差值，-如果該差值超出預(yù)定的閾值，則產(chǎn)生一個指示繞組接地的故障信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，借助于一個轉(zhuǎn)換單元(25)確定所述模型值，其中，所述轉(zhuǎn)換單元(25)這樣配置，即，在定子(1)不帶接地的情況下，由其給出的模型值-在由零電壓測量值構(gòu)成時，與各所屬的零電流測量值相對應(yīng)，-在由零電流測量值構(gòu)成時，與各所屬的零電壓測量值相對應(yīng)。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，為了確定所述模型值，使用數(shù)字濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，用于設(shè)置所述數(shù)字濾波器的系數(shù)是在校準(zhǔn)階段中由零電壓測量值或零電流測量值以及各自所屬的零電流測量值或零電壓測量值確定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，為了確定所述數(shù)字濾波器的系數(shù)，對該數(shù)字濾波器對零電壓測量值或零電流測量值的濾波響應(yīng)補償各自所屬的零電流測量值或零電壓測量值，以優(yōu)化該數(shù)字濾波器的系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述數(shù)字濾波器系數(shù)的確定是按照Steiglitz-McBride算法實現(xiàn)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述用于設(shè)置數(shù)字濾波器的系數(shù)是根據(jù)定子傳遞函數(shù)的給定特征量確定的。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，-在由零電壓測量值構(gòu)成的模型值產(chǎn)生差值測量值時，從零電流測量值中減掉各自所屬的模型值，-當(dāng)該差值超過一個預(yù)定的電流閾值時，產(chǎn)生一故障信號。
9.一種用于監(jiān)測電機定子(1)的星形連接運行的繞組(2a，2b，2c)接地的電氣設(shè)備，該繞組具有不起接地作用的星形點(3)，該設(shè)備具有-電壓采集裝置(23)，用于測量和預(yù)處理零電壓測量值，-電流采集裝置(24)，用于測量和預(yù)處理零電流測量值，和-處理裝置(27)，當(dāng)由零電壓測量值和/或零電流測量值確定的值超過一個預(yù)定的閾值時，該處理裝置產(chǎn)生一個指示接地的故障信號，其特征在于，-所述電壓采集裝置(23)的輸出端與一個轉(zhuǎn)換單元(25)的輸入相連接，該轉(zhuǎn)換單元從各零電壓測量值中確定模型值，-所述轉(zhuǎn)換單元(25)的輸出端與一個求差器(26)的一個輸入相連接，-該求差器(26)的另一個輸入與所述電流采集裝置(24)的一個輸出相連接，-該求差器(26)的輸出端與處理裝置(27)相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測電機定子(1)的以星形連接運行的繞組(2a，2b，2c)接地的方法，該繞組具有不起接地作用的星形點(3)，其中，在獲得零電壓測量值的條件下測量定子(1)端子上的零電壓，在獲得零電流測量值的條件下測量由定子(1)繞組(2a，2b，2c)給出的零電流，分別從該零電壓或零電流測量值中確定出模型值，將所確定的模型值從各自所屬的零電壓或零電流的測量值中減掉，以構(gòu)成差值，如果該差值超出預(yù)定的閾值，則產(chǎn)生一個指示繞組接地的故障信號。本發(fā)明還涉及一種用于實施該方法的裝置。
文檔編號H02H3/33GK1501092SQ20031011653
公開日2004年6月2日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者安德烈亞斯·朱里希, 邁克爾·施文克, 施文克, 安德烈亞斯 朱里希 申請人:西門子公司