基于晶閘管的自動調壓變壓器故障診斷技術

范磊，李維波，徐聰，李巍，李齊

武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070

0 引 言

對于船舶的大功率負載而言，若頻繁切換操作，有可能引發負載側電壓的大幅波動，進而影響船用設備的工作狀態，甚至導致用電設備故障并損壞。同時，惡劣的工作環境也極易誘發船用設備故障。因此，為了提高船用設備的可靠性，應對其健康運行情況進行監控[1-3]。

對于船舶電力系統的電壓波動問題，目前主要有3 種解決辦法：第一，增加船舶電站的容量，提高其帶載能力，從而降低負載變化帶來的影響，但該方法的成本極高，且不易付諸實踐；第二，當系統電壓波動時，采用大容量儲能單元進行調壓，但該方法易產生諧波，進而對電網造成污染；第三，采用穩壓電源為船舶設備供電，較為精準地將電源電壓穩定在一定范圍之內，該方法的成本較低，也是目前應對此類問題的主流措施。

根據是否采用隔離措施，可以將穩壓電源分為隔離型和非隔離型2 類。隔離型穩壓電源又可以分為高頻隔離穩壓電源和工頻隔離穩壓電源2 類。其工作原理是：首先，對電網交流電進行整流處理；然后，對整流輸出的直流電進行特定頻率的逆變處理；最后，通過隔離變壓器輸出，從而為后續設備供電。隔離型穩壓電源對電網的影響較小且精度較高，但其結構復雜、成本偏高、輸出效率偏低；同時，其配置了大功率隔離變壓器，故設備體積偏大，由此可見，隔離型穩壓電源無法滿足船舶設備小型化和高效率的設計要求。非隔離型穩壓電源的工作原理與前者基本一致，僅僅取消了隔離變壓器，所以仍然存在成本偏高、效率偏低、體積偏大等問題[4-7]。

與其他全控型器件相比，在同等級容量工況下，晶閘管（含觸發）具備艦用環境適應度高、可靠性高、成本低等優點，為此，本文擬提出一種基于晶閘管的自動調壓變壓器（220 V 交流電壓等級），其初級將配置3 個晶閘管組件（每個組件由5 個雙向晶閘管組成），次級則將串入電源與負載之間，通過改變雙向晶閘管組件的開斷狀態，即可完成三相電壓的正負調壓工作，從而解決電壓波動問題。同時，本文將針對雙向晶閘管的實時故障模式開展仿真分析，并設計相應的故障診斷方案，以及時反饋裝置的健康狀況，從而避免重大故障。

1 自動調壓原理

基于晶閘管的自動調壓變壓器可以進行三相自動調壓，其拓撲結構如圖1 所示。三相調壓裝置分別為EA，EB，EC，其中每相均由大、中、小3 個不同變比的調壓變壓器T1，T2，T3及其晶閘管組件THSCR1，THSCR2，THSCR3，裝置總開關KS、旁路開關KBP、調壓變壓器高壓側熔斷器FU 及裝置監控系統組成。圖1 中，每個晶閘管組件均由晶閘管H 橋（包含晶閘管TH1，TH2，TH3，TH4）、高壓側短路晶閘管THS及短路功率電阻RS組成。

圖 1 基于晶閘管的自動調壓變壓器的拓撲結構Fig. 1 Device topology of automatic voltage regulating transformer based on thyristor

為簡化分析，本文將以A 相為例展開研究，圖2所示為圖1 的簡化等效電路。

圖 2 簡化等效電路Fig. 2 Simplified equivalent circuit

將3 個調壓變壓器T1，T2，T3的變比分別設為k1，k2，k3，將變壓器等效總變比設為K，考慮晶閘管組件構成的換向模塊作用，得

式中：x1，x2，x3分別為3 個調壓變壓器變比的方向系數，可取值為+1，0，?1，其具體數值取決于各自的換向模塊，即晶閘管組件的投切模式。當僅有晶閘管TH2，TH3開通時，取值為+1；當僅有晶閘管THS開通時，取值為0；當僅有晶閘管TH1，TH4開通時，取值為?1。

由圖2 可知，輸入電壓uIN、輸電線路壓降uli、串聯調壓電路壓降Δu和輸出電壓uL之間的關系為

其中

式中：it為旁路電流；rli為線路阻抗。

旁路電流it、負載電流iL、調壓回路電流i0之間的關系為

式中，rL為負載阻抗。

聯立式（1）～式（5），即可得到輸入電壓和輸出電壓之間的關系式：

由式（6）可知，當其他參數固定不變時，只有通過調節系數x1，x2，x3才能達到調壓目的。因此，當系統的輸入電壓uIN超出裝置的額定工作電壓UN時，如需將輸出電壓uL維持在其允許范圍內，則應改變晶閘管組件的投切模式，即通過3 個調壓變壓器對母線進行調壓，從而確保穩定的系統輸出電壓。

2 故障模式及診斷技術

雙向晶閘管作為一種半控型電力電子開關，已廣泛應用于電力電子系統的交流調壓操作。相較于傳統的機械開關，雙向晶閘管具有響應速度快、投切速度快、無觸點、壽命長、成本低等優點[8-9]。開通雙向晶閘管的2 個條件為：滿足幅值要求和脈寬要求的觸發脈沖；雙向晶閘管兩端的電壓足夠高。關斷雙向晶閘管時，僅需取消觸發脈沖，使其兩端的電流低于維持電流即可，從而在電流降為零時將其完全關斷[10]。

在本文裝置中，雙向晶閘管有3 個正常投切條件：

1） 在雙向晶閘管回路中接入的交流電，應滿足電壓幅值和電流幅值的要求。

2） 應根據作業需求，開通和關斷滿足幅值、脈寬要求的觸發脈沖。

3） 雙向晶閘管自身無故障。

對于本裝置而言，晶閘管故障主要分為2 種，一種是無法開通的斷路故障，另一種是無法關斷的短路故障。

2.1 裝置故障分級

本文將自動調壓變壓器裝置的故障模態進行分級：

1） 一級故障：晶閘管組件的H 橋發生斷路故障。該類故障僅影響裝置的調壓效果，不會對裝置造成進一步損傷，故僅需發送一級故障信息，待后續人工檢修即可。

2） 二級故障：變壓器高壓側的短路晶閘管THS發生斷路故障。該類故障可能導致調壓變壓器在高壓側產生強電壓或在低壓側產生沖擊大電流，從而對調壓變壓器及相關器件造成損壞，甚至引發電氣火災。在此工況下，需要發送二級故障信息并立即斷開裝置總開關KS，同時進行人工檢修。

3） 三級故障：晶閘管組件中的任意晶閘管發生短路故障。該類故障可能導致裝置回路中產生極高的短路電流，對裝置整體以及后續用電設備造成損壞，危害極大，故裝置入口處需設置熔斷器。在此工況下，需要發送三級故障信息并立即切斷裝置總開關KS，同時進行人工檢修。

2.2 一級故障模態分析

自動調壓變壓器裝置的一級故障主要分為3 種，其判斷方法與該裝置的預設輸出電壓uN、輸入電壓uIN和實際輸出電壓uL相關。

1） 故障類型1。若預設輸出電壓uN與實際輸出電壓uL差值的絕對值約等于3 檔調壓變壓器的額定調壓值（分別為0.135UN，0.045UN，0.015UN），則判定為單組晶閘管發生故障。

2） 故障類型2。若實際輸出電壓uL與輸入電壓uIN差值的絕對值約等于3 檔調壓變壓器的額定調壓值（分別為0.135UN，0.045UN，0.015UN），則判定為2 組晶閘管同時發生故障。

3） 故障類型3。若實際輸出電壓uL與輸入電壓uIN相等，則判定為3 組晶閘管均發生故障。

判定故障類型之后，即可根據觸發脈沖的反饋信號來分析是晶閘管組件損壞，還是其觸發電路故障。設定自動調壓變壓器裝置的額定工作電壓UN為1 pu，則自動調壓變壓器裝置的一級故障模態如表1 所示。

表 1 一級故障模態Table 1 Mode of the first-level fault

2.3 二級故障模態分析

當自動調壓變壓器裝置的旁路開關KBP動作，切入調壓回路且3 個調壓單元不同時運行時，對于不需要進行調壓操作的變壓器高壓側的短路晶閘管THS而言，需要將其導通。一旦THS出現斷路情況，根據補償變壓器是否初次接入主回路，將引發不同后果的故障，具體分析如下。

2.3.1 工況1：調壓穩壓過程中斷路

該工況與變壓器高壓側的空載運行工況類似，此時自動調壓變壓器裝置的等效電路如圖3 所示。

圖 3 空載運行工況的等效電路Fig. 3 Equivalent circuit of no-load operation condition

圖3 中：Ui為輸入電壓，I1為變壓器低壓側電流，Xm為變壓器勵磁電抗，Rm為變壓器勵磁電阻，E1為變壓器低壓側壓降，Uo為輸出電壓，ZL為負載。其中，

式中：Zm=Rm＋jXm，為變壓器勵磁阻抗，其值一般遠大于負載ZL，其中j 為虛數符號。

由式（7）可知，變壓器低壓側的電流值I1很小，不會對系統造成危害。由式（8）可知，因I1很小，輸出電壓Uo也就很小，從而將影響本裝置對輸出電壓的穩定效果。由式（9）可知，變壓器低壓側的壓降E1接近輸入電壓Ui。根據變壓器的固有特性，其低壓側壓降E1、高壓側壓降E2與變比k（0.015，0.045，0.135）的關系如下：

由式（10）可知，變壓器高壓側的壓降E2為輸入電壓Ui的十倍甚至數十倍，遠遠超過了變壓器及其周圍器件的耐壓范圍，故將造成設備損害。

因此，可以根據輸出電壓判斷此類故障。若自動調壓變壓器裝置進行補償時，輸出電壓突然變得極小，則應立即斷開裝置總開關KS并發出故障信號，然后根據該工況下本應開通的變壓器高壓側短路晶閘管來判定故障晶閘管的標號。

2.3.2 工況2：初次接入主回路時斷路

該工況與變壓器的空載合閘工況類似，當變壓器接入主回路且輸入電壓位于幅值最高點時，補償變壓器的繞組無磁通，之后繞組磁通將隨電源電壓正常變化，在此期間不會產生大電流。若變壓器接入主回路時的電壓幅值不在最高點，則補償變壓器繞組將立即產生相應的磁通，而鐵芯中將隨之產生大小相同、方向相反的磁通來將其抵消。因此，變壓器將在數個周期內疊加產生幅值極高的磁通和變壓器2～4 倍額定工作電流的勵磁電流，從而對自動調壓變壓器裝置產生危害。圖4（a）所示為變壓器鐵芯磁通Φ與勵磁涌流i的關系，圖4（b）所示為鐵芯磁通Φ、勵磁涌流i與相位角ωt的關系，其中S為鐵芯磁通飽和值。在此瞬態大電流沖擊下，若自動調壓變壓器裝置的熔斷器沒有斷開，則其勵磁涌流i將在一段時間內衰減至工況1 中的變壓器低壓側電流I1，同時變壓器高壓側也會產生大電壓，故此瞬態大電流沖擊一般不會對變壓器本身產生影響，但可能會對負載造成損傷。

圖 4 鐵芯磁通、勵磁涌流與相位角的關系圖Fig. 4 Relationship diagram of core magnetic flux, inrush current and phase angle

在熔斷器沒有斷開時，可以通過檢測裝置的輸入電流來判斷此類故障：若裝置輸入電流突然跳變為額定電流的數倍，并在數個周期內降低至極小值，即可判斷發生了此類故障；在熔斷器斷開時，若裝置切入調壓回路后立即斷電，即可判斷發生了此類故障，此時應立即斷開裝置總開關KS，判斷故障并發送故障信息。

2.4 三級故障模態分析

當自動調壓變壓器裝置處于調壓操作中且需要改變調壓策略時，應先關斷已開通的晶閘管，然后通過新的觸發脈沖開通另一組晶閘管。此時，若本應關斷的晶閘管失控直通，則該裝置將發生短路故障，在整個回路中產生極大的短路電流，進而對自動調壓變壓器裝置和用電設備造成危害。晶閘管短路故障主要分為3 種工況，具體分析如下。

2.4.1 工況1

當補償變壓器從無需輸出補償電壓切換為需要輸出補償電壓時，變壓器高壓側的晶閘管THS將發生短路，其短路電流的流向如圖5 所示，其中圖5（a）為該變壓器進行正向補償的電流流向，圖5（b）為該變壓器進行負向補償的電流流向。

由圖5 可知，此時變壓器高壓側、短路功率電阻RS和負載ZL并聯工作，故該裝置的輸入電壓Ui、補償電壓ΔU、變壓器低壓側電流I1、變壓器補償回路電流IT、短路功率電阻電流IR、變壓器高壓側電流I2、裝置輸出電壓Uo、負載電流IZ、變壓器變比k、調壓方向系數x（圖5（a）中x=1，圖5（b）中x=?1）以及負載ZL的關系如下：

圖 5 晶閘管THS 短路時的電流流向示意圖Fig. 5 Schematic diagram of current flow when thyristor THS is short-circuited

根據式（14）可知

該裝置的正常工作狀態如圖6 所示。

當該裝置處于正常工作狀態時，變壓器低壓側電流I′1、變壓器高壓側電流I′2、變壓器補償回路電流I′T、負載電流I′Z和裝置輸出電壓U′o為：

由式（17）～式（20）可知：

圖 6 正常工作狀態的電路圖Fig. 6 Circuit of normal working state

由式（11）和式（12）、式（15）～式（18）、式（21）和式（22），可得

由此可見，在該故障狀態下：裝置輸出電壓Uo和負載電流IZ均沒有變化，不會對裝置的調壓穩壓效果及后續負載造成影響；變壓器低壓側電流I1與補償回路電流IT均會適當增加，且其增量與輸入電壓Ui成正比，與短路功率電阻RS成反比。

發生此類故障時，裝置內部電流將陡升，裝置損耗將明顯增加，嚴重時將直接熔斷裝置內部的熔斷器，甚至可能對裝置造成破壞性損傷。因此，可以通過檢測裝置輸入電流和輸出電流來進行判斷：當輸入電流陡增而輸出電流不變時，即可判斷發生了此類故障。此時，應先立即斷開裝置總開關KS，然后判斷當前策略中本應關斷的變壓器高壓側晶閘管，并對故障晶閘管進行標識。

2.4.2 工況2

當補償變壓器從正在輸出補償電壓切換為無需輸出補償電壓時，H 橋晶閘管將發生短路。根據短路晶閘管的數量和位置，可以將該故障分為以下2 種情況：

1） 需要關斷的晶閘管均發生短路故障。此時裝置的運行狀態與圖5 一致，其故障現象及判斷方式參見第2.4.1 節。

2） 僅一個晶閘管發生短路故障。此時裝置的運行狀態如圖7 所示，其等效電路為僅變壓器高壓側的短路晶閘管導通，即變壓器高壓側帶載運行，不進行補償電壓輸出。當發生故障時，由于該裝置已實現了原本擬取消補償電壓的效果，且不會產生其他影響，故無法立即進行故障判斷；只有當裝置再切換到其他狀態時，才有可能判斷識別具體的短路晶閘管故障。

圖 7 僅一個晶閘管發生短路故障時的運行狀態Fig. 7 The operating state of only one thyristor with short circuit fault

2.4.3 工況3

當裝置補償電壓換向時，H 橋晶閘管將發生短路，電流流向如圖8 所示。

圖8 中的故障狀態與變壓器短路運行類似，其低壓側短路電流i1為

式中：U1m為低壓側繞組電壓有效值，在該故障工況下，U1m即為裝置輸入電壓；ZS為變壓器短路阻抗；rS為變壓器短路等效電阻；LS為變壓器短路電感；ω為輸入電壓Ui的角頻率；t為故障發生的時間；α為輸入電壓Ui在0 時刻的相位角；φ為短路電流的相位角。

短路電流i1分為2 個部分，一個是穩態短路電流i1H，另一個是沖擊電流分量i1I，其中i1I將在大約2 個周期之后衰減為0。如果短路電流的相位滯后于輸入電壓1/4 個周期，則將在輸入電壓過零時發生短路，且此時短路電流將達到峰值。圖9 所示為該故障工況下短路電流的變化曲線。

在該故障工況下，由于變壓器的短路阻抗一般非常小，所以變壓器低壓側電流的最大有效值可能是變壓器額定電流的數十倍。同時，在開始數個周期內，可能存在一個迅速衰減的沖擊電流分量，從而進一步增加短路電流的幅值。該短路故障電流可以使裝置內的熔斷器瞬間斷開，并可能導致相關器件損壞。此外，在變壓器高壓側也將產生極大的感應電流，從而使變壓器繞組急劇升溫，并在其內部產生極大的機械應力，最終對變壓器造成損害，但不會影響其他失電線路。

圖 8 短路電流流向Fig. 8 Flow direction of short circuit current

發生此類故障時，可以通過檢測裝置的輸入電流和輸出電流來進行判斷。當輸入電流陡增，而輸出電流降至極低且裝置斷電，即可判斷發生了此類故障。此時，應先立即斷開裝置總開關KS，然后判斷當前策略中本應關斷的晶閘管，并對故障晶閘管進行標識。

3 仿真分析

參照圖1 所示的電路拓撲，搭建單個變壓器仿真模型，具體參數如下：交流電源的有效值為220 V；線型變壓器的功率為4.5 kW，變比為220∶30 ，其他參數選擇默認值；變壓器高壓側的短路電阻為5 Ω；電壓輸出端為5 Ω 純阻性負載。

圖 9 短路電流的變化曲線Fig. 9 Variation curve of short circuit current

首先，模擬二級故障模態的工況1，其仿真結果如圖10 所示。由圖10 可知，變壓器高壓側電壓（藍色實線）約為2 000 V，而裝置的輸出電壓（紅色虛線）卻極小，超出了穩壓范圍；變壓器低壓側的電流約為2 A，遠低于正常水平，該仿真結果與2.3.1 節的理論分析結果相吻合。

圖 10 二級故障工況1 的仿真波形Fig. 10 Simulation waveform of condition 1 of second-level fault

然后，模擬三級故障模態的工況1，其仿真結果如圖11 所示，其中藍色實線表示正常工況電流，紅色虛線表示故障工況電流。由圖11 可知，該故障工況下：補償回路電流IT約為64 A，遠大于正常工作電流；變壓器低壓側電流I1也大于正常工作電流，該仿真結果與2.4.1 節的理論分析結果相吻合。

最后，模擬三級故障模態的工況3，其仿真結果如圖12 所示，其中藍色實線表示變壓器低壓側電流I1，紅色虛線表示輸出電流Io。由圖12 可知，該故障工況下：變壓器低壓側電流I1極大，遠遠超出了自動調壓變壓器裝置內所有器件的承受范圍，而輸出電流幾乎為0，該仿真結果與2.4.3 節的理論分析結果相吻合。

圖 11 三級故障工況1 的仿真波形Fig. 11 Simulation waveform of condition 1 of the third-level fault

圖 12 三級故障工況3 的仿真波形Fig. 12 Simulation waveform of condition 3 of the third-level fault

4 結 語

本文提出了一種基于雙向晶閘管的自動調壓變壓器裝置，通過控制雙向晶閘管組件的通斷狀態，即可實現調壓功能。重點研究了該調壓裝置中的主要工作部件——雙向晶閘管的3 種故障模態。當晶閘管組件的H 橋發生斷路故障，即一級故障時，等效于裝置單路或多路補償功能失效，僅會對裝置的調壓效果產生影響。當變壓器高壓側的短路晶閘管THS發生斷路故障，即二級故障時，等效于變壓器空載運行或空載合閘，可能將在變壓器高壓側感應出大電壓或在其低壓側產生沖擊大電流，對裝置造成損害。當晶閘管組件發生短路故障，即三級故障時，如果故障狀態等效于短路功率電阻與負載并聯工作，這將導致裝置負載電流與主回路的電流增加甚至破壞裝置；如果等效為變壓器不補償工作，則對裝置沒有影響；如果等效為變壓器短路運行，則將可能產生沖擊大電流，對裝置造成破壞。基于此，本文提出了各類故障模態的檢測方法和處理方案，并采用仿真實驗進行了理論驗證，可為動態調壓裝置的故障模式分析提供參考。

在后續研究工作中，將搭建自動調壓變壓器裝置整體的三相調壓樣機，并開展故障診斷功能測試實驗。同時，將考慮增加遠程控制及顯示功能，用以優化該裝置的實際應用效果。