基于工況事件時(shí)序特征的牽引變壓器次邊短路故障實(shí)時(shí)診斷與保護(hù)

成正林，李學(xué)明，徐紹龍

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

在電力機(jī)車、動(dòng)車組牽引系統(tǒng)中，牽引變壓器用來將接觸網(wǎng)上的標(biāo)稱25 kV高壓電進(jìn)行降壓，變換成能使?fàn)恳兞髌髡９ぷ鞯妮^低等級(jí)交流電。牽引系統(tǒng)中一般設(shè)置有原邊電壓互感器、原邊電流互感器、冷卻油溫、壓力釋放閥、布赫繼電器等檢測與保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)牽引變壓器異常的有效監(jiān)測與保護(hù)［1］，但這些裝置無法識(shí)別如牽引變壓器次邊接地和次邊短路等故障。牽引變壓器次邊接地和次邊短路故障對(duì)牽引系統(tǒng)影響較大，例如次邊接地故障若從單點(diǎn)接地?cái)U(kuò)大至2點(diǎn)接地，將導(dǎo)致線路短路，引發(fā)系統(tǒng)異常；而次邊短路若未及時(shí)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致牽引變壓器過熱甚至引發(fā)火災(zāi)事故。

關(guān)于接地故障診斷與保護(hù)方法目前研究較多［2-6］，應(yīng)用相對(duì)較成熟，而對(duì)于次邊短路故障研究成果較少。文獻(xiàn)［7］對(duì)次邊短路時(shí)的短路電流進(jìn)行了理論分析并指出單個(gè)次邊繞組短路時(shí)無法通過原邊電流過流進(jìn)行保護(hù)，但未給出解決方案，而目前工程應(yīng)用方法存在只局限于特定工況下檢測，并且無法定位出具體故障位置。

為了解決目前次邊短路故障無法實(shí)現(xiàn)全工況實(shí)時(shí)檢測和精確定位問題，文中在總結(jié)現(xiàn)有診斷方法的基礎(chǔ)上，通過對(duì)各種工況下不同故障類型強(qiáng)相關(guān)的傳感器信號(hào)特征分析，提出了一種工況事件時(shí)序特征模式識(shí)別的診斷與保護(hù)方法，通過建立工況事件診斷規(guī)則模型與時(shí)序特征模式診斷規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)次邊短路故障的全工況實(shí)時(shí)診斷與保護(hù)。

1 問題描述

1.1 列車牽引系統(tǒng)主電路原理介紹

典型交—直—交牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路原理如圖1所示，主要由牽引變壓器、牽引變流器（包括充電回路、脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器等）和牽引電機(jī)3大部分組成。單相AC 25 kV交流電經(jīng)過受電弓、主斷路器VCB和牽引變壓器原邊繞組流入車體，由牽引變壓器次邊繞組向變流電路提供交流電。交流電流在脈沖整流器的作用下變換成直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)濾波后，利用逆變器轉(zhuǎn)換成頻率和幅值可變的三相交流電驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)，從而控制列車以不同速度和牽引力前進(jìn)。圖1中TV為原邊電壓互感器，TA為原邊電流互感器，分別用來采集牽引變壓器原邊電壓和電流，LH1～LHN為牽引變壓器次邊電流傳感器，用來測量每個(gè)牽引變壓器次邊繞組電流并用于牽引系統(tǒng)脈沖整流器變流器控制。圖1中，存在將不同軸中間回路正、負(fù)端關(guān)聯(lián)起來的連接線為共中間回路形式的牽引系統(tǒng)（如HXD1系列），不存在該連接線的為類似于HXD3系列車型的每軸電氣結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立的牽引系統(tǒng)。

圖1 典型交—直—交牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路原理框圖

典型的次邊短路故障類型有4種，見表1，依次記為C1～C4。

1.2 現(xiàn)有診斷方法及存在的問題分析

目前的工程應(yīng)用方法主要有3種，當(dāng)前方法原理及存在的問題總結(jié)見表2。表2中，Ip、Iqci（i=1，…，N）和Udc為基于傳感器采集信號(hào)計(jì)算出來的有效值，依次為牽引變壓器原邊電流有效值、各次邊繞組次邊電流有效值和牽引變流器中間電壓；I_th1，I_th2，I_th3為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的電流閾值；U_th2為電壓閾值。

表2 當(dāng)前牽引變壓器次邊短路診斷方法及存在的問題

根據(jù)多年工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)次邊短路時(shí)，原邊電流不會(huì)超過其額定電流值，因此不會(huì)觸發(fā)原邊過流保護(hù)；次邊電流會(huì)遠(yuǎn)超其次邊額定值，因此，若出現(xiàn)故障類型為C2、C4的次邊短路故障，此時(shí)次邊電流傳感器LH檢測電流遠(yuǎn)超其正常值，TCU會(huì)觸發(fā)過流保護(hù)動(dòng)作。但在故障類型C1、C3時(shí)，由于次邊電流傳感器LH未串入短路回路，因此TCU無法檢測到真實(shí)電流值，無法觸發(fā)次邊過流保護(hù)。此時(shí)，將存在安全風(fēng)險(xiǎn)，牽引變壓器將會(huì)因?yàn)槎搪反芜吚@組長時(shí)間過流導(dǎo)致繞組發(fā)熱燒損，甚至引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

2 工況事件特征模式分析

2.1 列車運(yùn)行工況說明

主電路工作過程主要分成4種工況，見表3。列車啟機(jī)過程或故障重投過程一般依次經(jīng)歷工況W1～W4或中間的幾個(gè)工況，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)將維持在工況W3或工況W4；當(dāng)出現(xiàn)過壓或過流故障時(shí)，會(huì)引起列車斷主斷或封鎖脈沖等保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)將由一個(gè)工況轉(zhuǎn)換至其他工況，如圖2所示。下面對(duì)不同工況下各采集傳感器信號(hào)特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 列車運(yùn)行過程中工況轉(zhuǎn)換示意圖

表3 牽引系統(tǒng)運(yùn)行工況表

2.2 工況事件時(shí)序特征模式定義

對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)（例如列車牽引系統(tǒng)），其內(nèi)部往往存在多個(gè)運(yùn)行工況，不同運(yùn)行工況其系統(tǒng)行為和相應(yīng)的故障模式也不盡相同。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由于系統(tǒng)的控制和保護(hù)作用，內(nèi)部往往存在多個(gè)工況間的復(fù)雜轉(zhuǎn)換。在此，文中引入工況事件時(shí)序特征模式概念，基于故障發(fā)生后系統(tǒng)的一系列變化規(guī)律來進(jìn)行故障建模，實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)診斷。

假設(shè)系統(tǒng)可能經(jīng)歷的工況集合Sw為Sw=｛Wi，i=1，…，N｝，其中，N為工況的數(shù)目。發(fā)生故障后不同工況下可能的事件集合Se為Se=｛Ej，j=1，…，M｝，其中，M為所有可能的事件的最大數(shù)目。這里，事件是指基于系統(tǒng)采集的傳感器和狀態(tài)信息能檢測到的變化，如傳感器采樣值超限，接觸器動(dòng)作等。則故障的工況事件時(shí)序特征可定義為式（1）：

式 中：Wi1…，WiL∈Sw為 某 故 障Cx出 現(xiàn) 后 可 能 經(jīng) 歷的工況；Ej1…，EjL?Se為與經(jīng)歷的各工況對(duì)應(yīng)的事件集合；L為經(jīng)歷的工況數(shù)目，在此稱為時(shí)序特征長度；“→”為工況轉(zhuǎn)換符號(hào)。

式（1）表示系統(tǒng)發(fā)生故障后引起的系列工況變化及對(duì)應(yīng)各種工況下的事件集合，我們定義此具有時(shí)序特征的系列工況和事件變化過程為工況事件時(shí)序特征模式。因此，可將系統(tǒng)的故障診斷問題轉(zhuǎn)化成工況事件時(shí)序特征模式識(shí)別問題。

2.3 次邊短路故障工況事件分析

根據(jù)上述工況事件時(shí)序特征模式定義，要進(jìn)行故障診斷，首先需對(duì)各個(gè)故障類型的工況事件進(jìn)行詳細(xì)分析，下面基于系統(tǒng)原理和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)次邊短路的4種故障類型C1～C4的工況事件時(shí)序特征模式進(jìn)行詳細(xì)分析說明。

由圖1所示牽引系統(tǒng)主電路原理圖可知，當(dāng)出現(xiàn)次邊短路故障時(shí)，原邊電流互感器TA和次邊電流傳感器LH采樣值將發(fā)生明顯變化，且采樣值變化規(guī)律與所處工況強(qiáng)相關(guān)。基于電路理論和系統(tǒng)控制原理，總結(jié)不同工況下故障類型分別為C1～C4時(shí)與TA與LH采樣信號(hào)相關(guān)事件集合見表4：

表4 次邊短路故障相關(guān)事件說明

表中，EiTA為與高壓電流互感器TA采樣信號(hào)相關(guān)的事件；EiLH為與次邊電流傳感器LH采樣信號(hào)相關(guān)的事件；IpLB，Ip1LB和Ip2LB為基于系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算出的不同工況下原邊電流互傳感器TA采樣信號(hào)中短路特征電流；IqcLB和Iqc1LB為次邊電流傳感器LH采樣信號(hào)中短路電流分量。

考慮至少一個(gè)次邊繞組短路，各短路電流分量計(jì)算公式為式（2）～式（7）。基于牽引傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)分析和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，僅IqLcB數(shù)值遠(yuǎn)超系統(tǒng)過流保護(hù)門檻值；ε1～ε8為誤差閾值，其數(shù)值根據(jù)短路阻抗允許偏差以及工況切換時(shí)刻沖擊電流大小綜合設(shè)置。

式中：Up為實(shí)時(shí)采集的原邊電壓有效值；SN為牽引變壓器額定容量；UN2為次邊電壓額定值；n為次邊牽引繞組數(shù)量；KT為牽引變壓器變比；K短路阻抗百分比；N為短路繞組個(gè)數(shù)；RCHR為次邊充電回路充電電阻阻值。

總結(jié)故障類型C1～C4在不同工況下的相關(guān)事件集合，見表5。表中，Cx_I（x=1，2，3，4）表示可定位出具體哪類故障，且可定位出故障點(diǎn)所在次邊繞組序號(hào)。

表5 次邊短路C1～C4在不同工況下的相關(guān)事件

2.4 次邊短路故障工況事件時(shí)序特征模式分析

要實(shí)現(xiàn)某類故障的準(zhǔn)確定位，則需保證此類故障相關(guān)事件與其他故障均具有可區(qū)分性。下面對(duì)表5進(jìn)行詳細(xì)分析，以便設(shè)計(jì)合理的工況事件時(shí)序特征模式，建立有效的故障工況事件時(shí)序特征模式庫。

從表5可以得出，在工況W1時(shí)，C2的事件集合｛E1TA，E1LH｝可實(shí)現(xiàn)其與其他故障類型相區(qū)分且精確定位出故障點(diǎn)所在次邊繞組序號(hào)。而C1事件集合｛E1TA，E4LH｝僅能區(qū)分出故障類型。因此，在此工況下，我們可得出C2的一個(gè)工況事件時(shí)序特征模式為C2：W1：｛E1TA，E1LH｝，即可通過識(shí)別該模式來診斷出系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障類型為C2的次邊短路故障。而對(duì)于故障類型C1，再結(jié)合其他工況事件集合進(jìn)行綜合診斷。

工況W2時(shí)，故障類型C1～C4事件集合依次為｛E2TA，E4LH，E6LH｝、｛E2TA，E1LH，E6LH｝、｛E3TA，E4LH，｝和｛E3TA，E3LH，E6LH｝，可通過此事件集合直接區(qū)分出各類故障。因此，可得到工況W2時(shí)4個(gè)時(shí)序特征模式C1：W2：｛E2TA，E4LH，E6LH｝、C2：W2：｛E2TA，E1LH，E6LH｝、C3：W2：｛E3TA，E4LH，E6LH｝和C4：W2：｛E3TA，E3LH，E6LH｝。

工 況W3與W4時(shí)，故 障 類 型C1與C3，C2與C4事件集合分別相同，因此，此時(shí)可將C1、C3和C4、C4間進(jìn)行分類，但無法逐一區(qū)分，因此，需結(jié)合其他工況事件集合來進(jìn)行精準(zhǔn)故障定位。

在列車運(yùn)行過程中，其工況W1～W4之間變化模式主要有如下幾種：W1→W2→W3→W4、W4→W3、W4→W1、W3→W1、W2→W1。下面基于這些工況變化模式，來進(jìn)行工況事件時(shí)序特征模式設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確的故障檢測與定位。

工況W1時(shí)，由于C1相關(guān)事件集合｛E1TA，E4LH｝無法實(shí)現(xiàn)具體故障點(diǎn)定位，因此可關(guān)聯(lián)下一工況進(jìn)行聯(lián)合診斷，此時(shí)，可設(shè)計(jì)式（8）時(shí)序特征模式，當(dāng)在工況W1識(shí)別出事件集合｛E1TA，E4LH｝時(shí)，報(bào)出相關(guān)故障；再檢測系統(tǒng)進(jìn)入工況W2時(shí)是否存在事件集合｛E2TA，E4LH，E6LH｝；若存在則可精確定位出故障所在繞組序號(hào)。

工 況W3和W4時(shí)，由 于C1與C3、C2與C4之間故障類型無法區(qū)分，因此增加后續(xù)工況事件集合來實(shí)現(xiàn)診斷為式（9）～式（16）：

綜上，可得到故障類型C1～C4的所有工況事件特征模式集見表6。

表6 故障類型C1～C4對(duì)應(yīng)的工況事件特征模式

3 次邊短路診斷與保護(hù)方法設(shè)計(jì)

3.1 算法原理介紹

基于上述過程建立次邊短路故障相關(guān)的工況事件集和工況事件時(shí)序特征模式集后，即可進(jìn)行診斷與保護(hù)策略設(shè)計(jì)。文中所提基于工況事件時(shí)序特征模式識(shí)別的次邊短路故障診斷與保護(hù)方法原理如圖3所示。整個(gè)算法分成離線設(shè)計(jì)與在線實(shí)現(xiàn)2個(gè)階段。離線設(shè)計(jì)階段，基于系統(tǒng)原理參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)設(shè)置表4所示次邊短路相關(guān)事件集的各閾值參數(shù)，并結(jié)合列車牽引系統(tǒng)相關(guān)控制邏輯，建立表6所示工況事件時(shí)序特征模式。在線實(shí)現(xiàn)階段分故障檢測單元和故障決策單元2大功能模塊。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集與次邊短路相關(guān)事件有關(guān)的傳感器信號(hào)以及牽引系統(tǒng)狀態(tài)，結(jié)合工況事件集中各事件定義，計(jì)算各事件是否成立；若成立，則執(zhí)行故障保護(hù)動(dòng)作并進(jìn)入故障決策流程；反之，則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。故障決策單元基于故障檢測單元輸出的事件信息以及工況識(shí)別模塊輸出的工況信息，實(shí)時(shí)與時(shí)序特征模式集中的各個(gè)模式進(jìn)行匹配，若存在匹配模式，則輸出相應(yīng)的故障類型，并執(zhí)行適當(dāng)?shù)母綦x策略；否則更新事件和工況信息，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。下面對(duì)在線實(shí)現(xiàn)階段的故障檢測和故障決策功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖3 次邊短路故障診斷與保護(hù)方法原理框圖

3.2 故障檢測

故障檢測部分功能主要包括工況識(shí)別、事件識(shí)別、事件判斷、故障保護(hù)等功能。工況識(shí)別的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)信息（如主斷路器、接觸器狀態(tài)、脈沖整流器/逆變啟動(dòng)狀態(tài)等）來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前工況的實(shí)時(shí)識(shí)別。事件識(shí)別是基于傳感器采集的原邊電流和次邊電流值，根據(jù)表4各事件定義計(jì)算事件E1TA～E4TA、E1LH～E6LH是否存在。再結(jié)合工況識(shí)別結(jié)果，根據(jù)表5判斷是否存在相關(guān)事件，若存在相關(guān)事件，則輸出故障標(biāo)志，執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作，并將相關(guān)事件輸出至故障決策單元。

3.3 故障決策

故障決策單元基于故障檢測單元輸出的工況信息以及存在的相關(guān)事件，識(shí)別是否存在表6中14種時(shí)序特征模式，若存在，則輸出故障診斷結(jié)果并依據(jù)表7故障隔離策略執(zhí)行相關(guān)故障隔離動(dòng)作；否則周期性繼續(xù)進(jìn)行時(shí)序特征模式識(shí)別。

表7 故障隔離策略

4 仿真驗(yàn)證

以某型牽引系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真，其每個(gè)牽引變壓器帶4個(gè)牽引繞組，每2個(gè)繞組連接1個(gè)牽引變流器，牽引變流器兩重脈沖整流器共中間回路。假設(shè)t為0.1 s時(shí)刻閉合主斷VCB，t=0.5 s時(shí)閉合充電接觸器KM1，t=1 s時(shí)閉合短接接觸器KM2，t=1.5 s時(shí)啟動(dòng)脈沖整流器，t=2 s時(shí)加載牽引，在t=2.2 s分別模擬不同類型次邊短路故障對(duì)文中所提診斷與保護(hù)策略進(jìn)行驗(yàn)證。下面以故障類型C1為例，對(duì)文中所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。通過仿真得到診斷效果如圖4所示。圖中各變量含義見表8。

表8 仿真結(jié)果圖中各變量含義說明

圖4為故障類型C1時(shí)的診斷與保護(hù)仿真測試結(jié)果，由圖4（a）為系統(tǒng)工況相關(guān)狀態(tài)及工況識(shí)別結(jié)果。t=2.2 s前系統(tǒng)處于工況W4，t=2.2 s時(shí)刻出現(xiàn)故障，此時(shí)脈沖整流器脈沖封鎖，主斷路器VCB、所有充電接觸器CHR以及短接接觸器均斷開。此后，系統(tǒng)重投，在t=2.8 s時(shí)重新閉合主斷VCB（圖4（a）中Work-Mode為1，VCB為1）。整個(gè)過程中，系統(tǒng)先后出現(xiàn)相關(guān)工況事件集體

W4：｛E4TA，E4LH，E5LH，E2LH｝和W1：｛E1TA，E4LH｝，如圖4（c）所示。由圖4（d）可知t=2.9 s時(shí)，系統(tǒng)正常識(shí)別出模式C1-M04，對(duì)應(yīng)工況事件特征模式為C1：W4：｛E4TA，E4LH，E5LH，E2LH｝→W1：｛E1TA，E4LH｝，故障類型為C1且故障位置為繞組1，如圖4（e）所示，系統(tǒng)正確檢測并診斷出故障類型及故障位置。

圖4 故障類型C1時(shí)診斷與保護(hù)仿真測試結(jié)果

5 結(jié)語

文中針對(duì)現(xiàn)有牽引變壓器次邊短路方法存在的不足，考慮不同工況事件的時(shí)序特征模式規(guī)律，提出了一種新的實(shí)時(shí)診斷與保護(hù)方法。仿真測試結(jié)果表明，該方法能實(shí)現(xiàn)不同類型次邊短路故障的精確定位，根據(jù)故障類型實(shí)施相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作后，可大幅提升列車可用性以及檢修效率，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。