基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法

本发明涉及变频电机电缆状态监测，尤其是涉及一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法。

背景技术：

1、变频电机系统广泛应用于电动汽车、高速列车牵引、风力发电等领域，其安全可靠运行至关重要。在实际运行中，电、热、环境等因素和逆变器高dv/dt开关瞬态过电压均会加速电缆的老化，而电缆故障往往是由绝缘早期劣化演变发展而形成，因此，针对变频电机系统的电缆绝缘早期劣化进行在线监测是十分必要的，是确保系统安全可靠运行的有效手段。但现阶段研究主要针对配电和输电系统中电力电缆的在线监测，缺乏对变频电机电缆的有效在线监测手段。

2、比如中国专利cn202021163965.x提出一种带有微波探测的发射电缆入侵探测设备，预防电缆被外界水汽腐蚀而导致的损坏，使得防潮层能够吸附从外界侵入装置内部的水汽，避免装置内部零件被水汽腐蚀导致装置的损坏，便于装置的正常运行。然而，这种电缆入侵探测设备会影响系统的正常运行，导致电缆的绝缘状态难以分辨。

3、中国专利cn201510053432.3则公开了一种对直流xlpe电缆局部放电的检测与评估装置及方法，该专利根据直流局部放电与交流局部放电的区别，采用适用于交流局部放电检测与分析的手段，对电缆绝缘状况进行综合的评估。然而，由于现场环境比较复杂，受各类噪声影响，获取三维谱图时需要较为专业的人工经验，因而一般很难建立所需指纹库。且受噪声类型不同，仅对原始数据直接进行频域分析时，噪声与放电很可能在同一个频段，噪音干扰十分严重。

4、此外，现有研究中，h.pushpanathan和s.grzybowski在"analysis of onlinecapacitor switching transient voltages on experimental mv cables"文献提出一种基于电缆上电容器开关浪涌瞬态电压分析的在线诊断方法，尽管发现了在电缆两端测量的开关瞬态电压携带了电缆绝缘整体健康状况的信息，但却并没有对测量结果进行定量分析。

5、可以说，针对变频电机电缆状态的监测，目前还存在灵敏性低、抗干扰能力差等问题，难以保证监测结果的准确性、可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，包括以下步骤：

3、s1、采集变频电机高频开关振荡电流；

4、s2、从高频开关振荡电流中提取差模开关振荡信号；

5、s3、对差模开关振荡信号进行频域分析以获取频谱，并进一步提取高频差模开关振荡的阻尼特征；

6、s4、根据提取的阻尼特征，计算得到相应的绝缘劣化指标，从而确定出电缆绝缘劣化状态监测结果。

7、进一步地，所述步骤s1具体是通过高频电流传感器采集变频电机高频开关振荡电流。

8、进一步地，所述步骤s2具体是使用模态分解方法，以从高频开关振荡电流中提取差模开关振荡信号。

9、进一步地，所述步骤s3中频域分析所使用的方法包括但不限于快速傅里叶分解方法。

10、进一步地，所述步骤s3具体是利用半功率带宽算法提取高频差模开关振荡的阻尼特征。

11、进一步地，所述步骤s3中阻尼特征具体为：

12、

13、其中，ζ为阻尼系数，f0为频谱的峰值频率、f1和f2分别为频谱的谐振峰左右两侧峰值处对应的频率。

14、进一步地，所述步骤s4中绝缘劣化指标计算公式为：

15、

16、其中，k为变频电机电缆绝缘劣化指标，ζ0为电缆绝缘健康状态时的阻尼系数，ζi为电缆绝缘状态老化时的阻尼系数。

17、进一步地，所述步骤s4具体是将计算得到的绝缘劣化指标与预设阈值进行比较，从而确定电缆绝缘劣化状态监测结果。

18、进一步地，所述步骤s4中，若绝缘劣化指标小于预设阈值，则表明当前电缆处于健康状态；

19、若绝缘劣化指标大于或等于预设阈值，则表明当前电缆处于劣化状态，且绝缘劣化指标数值越大，表明电缆绝缘劣化程度越深。

20、进一步地，所述预设阈值具体为3％。

21、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

22、一、高灵敏性：本发明通过采集变频电机高频开关振荡电流，再依次从高频开关振荡电流中提取差模开关振荡信号、对差模开关振荡信号进行频域分析以获取频谱、进一步提取高频差模开关振荡的阻尼特征、计算绝缘劣化指标，从而确定出电缆绝缘劣化状态监测结果。由此充分利用变频电机操作期间自身功率器件的快速开关所产生的高频开关振荡响应，根据高频差模振荡的参与因子与杂散电容无关且其幅值响应更为显著的特点，采用差模开关振荡的阻尼特征作为电缆绝缘状态监测的特征参数，在相同老化周期下振荡阻尼拥有比振荡频率更大的变化范围和更高的灵敏度，确保了本发明的灵敏性。

23、二、非侵入式在线监测：本发明采用高频电流探头采集开关振荡信号，系统无需注入额外激励，即可非侵入在线监测电缆绝缘状态，确保系统正常运行。

24、三、强鲁棒性：本发明采用阻尼比作为电缆绝缘状态监测的系统本征参量，其不受工况影响，鲁棒性较高，能够实现在线连续监测的目的。

技术特征：

1.一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤s1具体是通过高频电流传感器采集变频电机高频开关振荡电流。

3.根据权利要求1所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤s2具体是使用模态分解方法，以从高频开关振荡电流中提取差模开关振荡信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤s3中频域分析所使用的方法包括但不限于快速傅里叶分解方法。

5.根据权利要求1所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤s3具体是利用半功率带宽算法提取高频差模开关振荡的阻尼特征。

6.根据权利要求5所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤s3中阻尼特征具体为：

7.根据权利要求6所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤s4中绝缘劣化指标计算公式为：

8.根据权利要求1所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤s4具体是将计算得到的绝缘劣化指标与预设阈值进行比较，从而确定电缆绝缘劣化状态监测结果。

9.根据权利要求8所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤s4中，若绝缘劣化指标小于预设阈值，则表明当前电缆处于健康状态；

10.根据权利要求8～9任一所述的一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，其特征在于，所述预设阈值具体为3％。

技术总结
本发明涉及一种基于开关振荡阻尼特征的变频电机电缆状态在线监测方法，包括：采集变频电机高频开关振荡电流；从高频开关振荡电流中提取差模开关振荡信号；对差模开关振荡信号进行频域分析以获取频谱，并进一步提取高频差模开关振荡的阻尼特征；根据提取的阻尼特征，计算得到相应的绝缘劣化指标，从而确定出电缆绝缘劣化状态监测结果。与现有技术相比，本发明充分利用变频电机自身功率器件的快速开关所产生的高频开关振荡响应，根据高频差模振荡的参与因子与杂散电容无关且其幅值响应更为显著的特点，采用差模开关振荡的阻尼特征作为电缆绝缘状态监测的特征参数，从而在线监测电缆绝缘状态，具有灵敏性高、准确可靠、鲁棒性好的优点。

技术研发人员：李豪,马金龙,向大为,高鹏举,潘凌青
受保护的技术使用者：上海电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13