CN105093132B - 一种大功率整流器开路故障快速在线诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率整流器开路故障快速在线诊断方法，1)、采集t0时刻整流器的实际输出直流值id(t0)和t0时刻整流器的三相输入电流的瞬时值ia(t0)、ib(t0)和ic(t0)，根据ia(t0)、ib(t0)和ic(t0)计算整流器的理论输出直流值id＇(t0)；2)、比较id＇(t0)与id(t0)，当id＇(t0)≤k1×id(t0)时，比较三相输入电流直流分量瞬时值中最大的绝对值与设定阈值A1的大小，当最大的绝对值≥A1时，整流器出现开路故障。该方法较为简单，没有很复杂的步骤，即可进行故障的判断，相应地，该方法的故障判断周期很短，从开始判断到结束占用的时间很短，也就是说，在整流器出现故障时，跳闸保护占用的时间很短，能够有效地保护整流器，防止其在故障状况下长时间投入使用带来的设备损坏的后果。
Description
技术领域
本发明涉及一种大功率整流器开路故障快速在线诊断方法，属于电力电子装置故障诊断及继电保护技术领域。
背景技术
随着大功率整流装置在电力传输、化工、冶金、铁道等行业获得广泛应用，电力电子设备的故障问题也日渐突出，整流器的故障主要是指整流桥中的开关管发生故障。开关管自身反向击穿或者是桥臂的绝缘层被破坏等原因，会造成开关管发生短路，导致电流快速升高、导通压降陡降，严重时将损坏设备，使系统瘫痪；当出现开关管接线不良或者是过流烧毁等情况，会造成开关管发生开路，可能导致其他开关管电流越限、输出电流电压纹波变大，影响设备的正常运行，这些都是整流器最常见的故障以及危害。
故障一旦发生，如不能及时识别以进行快速处理，轻则造成经济损失，重则危及人员生命安全。目前，在电力电子装置故障判断方面已有深入研究，国内外用于判断整流器故障的主要方法是：谱分析、字典库诊断方法、模式识别、神经网络等方面的方法。
谱分析法是将故障的时域信号提取出来，通常采用傅里叶变化将故障时域信号变化到频域内进行分析；字典库诊断方法需要进行大量的数值仿真与实验来获得故障值和特征值，在实际系统中难以实现；神经网络法是具有强推算能力和人工智能模拟能力的方法，但是其训练样本不易获取、诊断能力不强、网络权值表现形式模糊等缺点导致这种方法的实际应用范围有限。并且上述几种方法大多数只研究了开路故障诊断，不仅使监测成本增加，而且不能快速反应故障情况，对保护系统依赖性强，特别是对于一些发展性故障，比如单管直通故障，如果保护系统拒动，将导致同一侧其他开关管过流烧毁。
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率整流器开路故障快速在线诊断方法，用以解决传统整流器故障判断方法存在着诸多缺陷的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种整流器开路故障诊断方法，所述故障判断方法的步骤为：
1)、采集当前时刻整流器的实际输出直流电流值和当前时刻整流器的三相输入电流的瞬时值，根据所述三相输入电流的瞬时值计算当前时刻整流器的理论输出直流电流值；
2)、比较所述实际输出直流电流值与所述理论输出直流电流值，当所述理论输出直流电流值小于或者等于所述实际输出直流电流值的k1倍时，计算三相输入电流直流分量瞬时值，然后比较所述三相输入电流直流分量瞬时值中最大的绝对值与第一设定阈值A1的大小，当所述最大的绝对值大于或者等于所述第一设定阈值A1时，整流器出现开路故障；
其中，k1为设定的测量可靠系数；A1＝m×A，m为设定的常数，A为额定工况下一个开关管的直流分量的大小。
当所述最大的绝对值大于或者等于所述第一设定阈值A1时，计算从当前时刻开始一个工频周期内的三相输入电流的直流分量，比较该三个直流分量的绝对值中的最大值和第二设定阈值A2的大小，当所述绝对值中的最大值大于或者等于所述第二设定阈值A2时，整流器出现单管开路故障，否则，整流器出现单相交流进线开路故障；其中，所述第二设定阈值A2＝n×A，n为设定的常数。
当所述绝对值中的最大值大于或者等于所述第二设定阈值时，所述绝对值中的最大值对应的相为故障相。
当所述故障相的输入电流对应的直流分量为正时，故障相的下臂管开路；当所述故障相的输入电流对应的直流分量为负时，故障相的上臂管开路。
当整流器出现单相交流进线开路故障时，计算三相基波幅值Ima、Imb及Imc，计算公式如下：
其中，
t0为当前时刻，T是整流器输入电流的工频周期，ia(k)为A相第K个采样点的电流，ib(k)为B相第K个采样点的电流，ic(k)为C相第K个采样点的电流，N为每相采样点的总个数，所述N个采样点是在[t0，t0+T]这一时间区间内取得的；
设故障相幅值为Img，那么，Img＝min(Ima，Imb，Imc)。
当所述理论输出直流电流值大于所述实际输出直流电流值的k1倍时，整流器出现开关管直通故障。
当所述理论输出直流电流值大于所述实际输出直流电流值的k1倍时，计算从当前时刻开始一个工频周期内的三相输入电流的直流分量，如果其中一个直流分量与其他两个直流分量的正负不同，则该直流分量对应的相为故障相。
所述当前时刻整流器的理论输出直流电流值的计算公式为：
id＇(t0)＝(|ia(t0)|+|ib(t0)|+|ic(t0)|)/2；
其中，t0为当前时刻，id＇(t0)为当前时刻整流器的理论输出直流电流值，ia(t0)、ib(t0)和ic(t0)为当前时刻整流器的三相输入电流的瞬时值；
所述三相输入电流直流分量瞬时值的计算公式如下：
其中，t0为当前时刻，ida(t0)、idb(t0)和idc(t0)为三相输入电流直流分量瞬时值，ia(k)为A相第k个采样点的电流，ib(k)为B相第k个采样点的电流，ic(k)为C相第k个采样点的电流，N为每相采样点的总个数，所述N个采样点是在[t0-T,t0]这一时间区间内取得的，T是整流器输入电流的工频周期。
所述三相输入电流的直流分量的计算公式分别为：
其中，t0为当前时刻，ida(t0+T)、idb(t0+T)和idc(t0+T)为三相输入电流的直流分量，T是整流器输入电流的工频周期，ia(k)为A相第K个采样点的电流，ib(k)为B相第K个采样点的电流，ic(k)为C相第K个采样点的电流，N为每相采样点的总个数，所述N个采样点是在[t0，t0+T]这一时间区间内取得的。
所述m为0.25，n为0.5。
本发明提供的整流器开路故障诊断方法中，根据在某一时刻的三相输入电流的瞬时值计算该时刻整流器的理论输出直流值，并和该时刻整流器的实际输出直流值进行比较，当理论输出直流值小于或者等于设定倍数的实际输出直流值、且满足其他的判定条件时，判定整流器出现开路故障。
该方法较为简单，没有很复杂的步骤，即可进行故障的判断，相应地，该方法的故障判断所用的周期很短，从开始判断到结束占用的时间很短，也就是说，在整流器出现故障时，跳闸保护占用的时间很短，能够有效地保护整流器，防止其在故障状况下长时间投入使用带来的设备损坏的后果。
另外，该方法能够判断出整流器具体的故障类型——开路故障，所以，该方法诊断精度高；在后续的维修过程中，能够针对具体的故障采取对应的维修措施，维修的可靠性高。
附图说明
图1是整流器开路故障诊断方法实施例1中的整流器结构示意图；
图2是整流器开路故障诊断方法实施例1的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
整流器开路故障诊断方法实施例1
如图1所示为整流器的结构示意图，该整流器为全桥整流器，分别有三个上桥臂和三个下桥臂。整流器的输入端为三相交流输入，分别为A相、B相和C相，整流器的三相输入中，每相输入具有两个桥臂，分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂上串接一个晶闸管，所以整流器总有六个晶闸管。在整流器的三相输入的线路上分别设置有三个电流检测点，在电流检测点处设置有对应的电流采集装置，在整流器的直流输出的线路上也设置有用于采集直流电流的电流传感器，输入端的三个电流检测点和输出端的电流采集点都连接诊断装置，诊断装置根据采集到的输入和输出的电流来判断整流器的故障。
设t0时刻为故障判断时刻，如图2所示为整流器故障判断方法的流程图，在进行故障判断时：
整流器的三相输入线路上的电流采集装置采集三相输入电流在t0时刻的瞬时值ia(t0)、ib(t0)和ic(t0)，并将三个瞬时值输送给诊断装置，同时，整流器输出线路上的电流采集装置采集输出端在t0时刻的实际直流输出电流id(t0)，并将id(t0)输送给诊断装置；诊断装置根据采集到的输入端的瞬时值ia(t0)、ib(t0)和ic(t0)利用公式：
id＇(t0)＝(|ia(t0)|+|ib(t0)|+|ic(t0)|)/2
计算得出整流器的理论输出电流id＇(t0)，判断id＇(t0)与k1×id(t0)的大小，其中，k1为根据实际情况设定的一个测量可靠系数，取值范围为[1，2]：
当id＇(t0)>k1×id(t0)时，判定整流器出现晶闸管直通故障；然后，从t0时刻开始到该时刻在下一个工频周期对应的时刻，即t0+20ms时刻，以[t0,t0+20ms]的数据窗计算三相输入电流在一个周期内的直流分量ida(t0+20ms)、idb(t0+20ms)及idc(t0+20ms)，计算公式如下：
其中，ia(k)为A相第K个采样点的电流，ib(k)为B相第K个采样点的电流，ic(k)为C相第K个采样点的电流，N为每相采样点的总个数，该N个采样点是在[t0，t0+T]这一时间区间内取得的。
然后，判断三相输入电流的直流分量ida(t0+20ms)、idb(t0+20ms)及idc(t0+20ms)三者之间的正负关系，如果其中有一个直流分量与其他两个直流分量的正负不同，那么，该直流分量对应的相为故障相，另外，当判断出的故障相对应的直流分量为正时，该故障相的下臂管直通故障，当该故障相对应的直流分量为负时，该故障相的上臂管直通故障。例如：判断直流分量ida(t0+20ms)、idb(t0+20ms)及idc(t0+20ms)三者之间的正负关系，如果idb(t0+20ms)为正，ida(t0+20ms)和idc(t0+20ms)为负，那么，B相为故障相，B相的下臂管直通故障。
当id＇(t0)≤k1×id(t0)时，判定整流器未出现晶闸管直通故障；然后计算三相输入电流直流分量瞬时值ida(t0)、idb(t0)和idc(t0)，计算公式如下：
其中，t0为当前时刻，ia(k)为A相第k个采样点的电流，ib(k)为B相第k个采样点的电流，ic(k)为C相第k个采样点的电流，N为每相采样点的总个数，N个采样点是在[t0-T,t0]这一时间区间内取得的，T是整流器输入电流的工频周期。将ida(t0)、idb(t0)和idc(t0)中绝对值最大的分量记作Imax1，然后判断Imax1与预设阈值A1的大小，当Imax1小于预设阀值A1时，整流器未出现开路故障；当Imax1大于或等于预设阀值A1时，整流器出现开路故障(图2中的断路故障就是本实施例中的开路故障)。
具体地，对于判定出整流器出现开路故障：
利用上文提到的公式计算三相输入电流的直流分量ida(t0+20ms)、idb(t0+20ms)及idc(t0+20ms)，将三相输入电流的直流分量ida(t0+20ms)、idb(t0+20ms)及idc(t0+20ms)中绝对值最大的分量记作Imax2，当Imax2大于或等于预设阀值A2时，整流器出现单管开路故障。且故障相对应的直流分量的绝对值在三个直流分量的绝对值中是最大值，当故障相对应的直流分量为正时，故障相的下臂管开路；当故障相对应的直流分量为负时，故障相的上臂管开路。
当Imax2小于预设阀值A2时，整流器出现单相交流进线开路故障，此时故障相的电流为零，然后以[t0,t0+20ms]的数据窗进行傅立叶分析得到三相基波幅值Ima、Imb及Imc，计算公式如下：
设故障相幅值为Img，其中，Img＝min(Ima，Imb，Imc)。
诊断装置在诊断完成后，将上述整流器故障的性质及位置的诊断结果进行上传。
本发明中，A1＝m×A，A2＝n×A，其中，A为额定工况下单管直流分量大小，在额定工况下每个晶闸管的直流分量都是相同的，且是不变的；m和n可以根据具体情况设定，该实施例中，给出一个具体的实施方式：A1＝0.25A，A2＝0.5A。由于阈值A1和A2只与额定工况下单管直流分量大小有关，与故障时产生的所有的电流值都没有关系，所以，只要m和n确定，阈值A1和A2就是固定值，A1和A2可以事先计算出来，然后在故障诊断时使用，一般情况下，m可取为0.1～0.5，n可取为0.5～0.9。
本发明提供的整流器故障判断方法只需测量的t0时刻三相输入电流瞬时值得到整流器的理论输出直流值，再以不同数据窗计算得到三相输入电流的直流分量，然后以比较的方式得到整流器故障的性质及位置，操作简单、方便、成本低、性能可靠，并且无需测量电压量，可降低检测成本。同时在判断的过程中，无复杂的数学函数运算，计算量小，因而能做到实时监测，迅速反应故障，能在故障发生后20ms以内识别故障，并在40ms以内定位故障，不仅为准确及时地处理故障奠定基础，还为维修工作带来便利，具有极大的经济效益。
上述实施例中，t0时刻的理论输出电流id＇(t0)的计算公式是：
id＇(t0)＝(|ia(t0)|+|ib(t0)|+|ic(t0)|)/2；
作为其他的实施方式，id＇(t0)也可以取ia(t0)的绝对值、ib(t0)的绝对值和ic(t0)的绝对值中的最大值。
上述实施例中，由于工频交流电的频率为50Hz，所以一个工频周期T为20ms，作为其他的实施例，工频周期T根据交流电的频率的不同而不同。
整流器开路故障诊断方法实施例2
实施例1中，整流器故障判断方法为：判断id＇(t0)与k1×id(t0)的大小，当id＇(t0)>k1×id(t0)时，判定整流器出现晶闸管直通故障，当id＇(t0)≤k1×id(t0)时，且当Imax1大于或等于预设阀值A1时，整流器出现开路故障。在本实施例中，只对整流器进行晶闸管直通故障的判断，即只有如下步骤：当id＇(t0)>k1×id(t0)时，判定整流器出现晶闸管直通故障。该步骤的具体实施方式在实施例1中已经有详细说明，这里不做赘述。
整流器开路故障诊断方法实施例3
实施例1中，整流器故障判断方法为：判断id＇(t0)与k1×id(t0)的大小，当id＇(t0)>k1×id(t0)时，判定整流器出现晶闸管直通故障，当id＇(t0)≤k1×id(t0)时，且当Imax1大于或等于预设阀值A1时，整流器出现开路故障。在本实施例中，只对整流器进行晶闸管开路故障的判断，即只有如下步骤：当id＇(t0)≤k1×id(t0)时，且当Imax1大于或等于预设阀值A1时，整流器出现开路故障。该步骤的具体实施方式在实施例1中已经有详细说明，这里不做赘述。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种整流器开路故障诊断方法，其特征在于，所述诊断方法的步骤为：
1)、采集当前时刻整流器的实际输出直流电流值和当前时刻整流器的三相输入电流的瞬时值，根据所述三相输入电流的瞬时值计算当前时刻整流器的理论输出直流电流值；
2)、比较所述实际输出直流电流值与所述理论输出直流电流值，当所述理论输出直流电流值小于或者等于所述实际输出直流电流值的k1倍时，计算三相输入电流直流分量瞬时值，然后比较所述三相输入电流直流分量瞬时值中最大的绝对值与第一设定阈值A1的大小，当所述最大的绝对值大于或者等于所述第一设定阈值A1时，整流器出现开路故障；
其中，k1为设定的测量可靠系数；A1＝m×A，m为设定的常数，A为额定工况下一个开关管的直流分量的大小。
2.根据权利要求1所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，当所述最大的绝对值大于或者等于所述第一设定阈值A1时，计算从当前时刻开始一个工频周期内的三相输入电流的直流分量，比较该三个直流分量的绝对值中的最大值和第二设定阈值A2的大小，当所述绝对值中的最大值大于或者等于所述第二设定阈值A2时，整流器出现单管开路故障，否则，整流器出现单相交流进线开路故障；其中，所述第二设定阈值A2＝n×A，n为设定的常数。
3.根据权利要求2所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，当所述绝对值中的最大值大于或者等于所述第二设定阈值时，所述绝对值中的最大值对应的相为故障相。
4.根据权利要求3所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，当所述故障相的输入电流对应的直流分量为正时，故障相的下臂管开路；当所述故障相的输入电流对应的直流分量为负时，故障相的上臂管开路。
5.根据权利要求2所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，当整流器出现单相交流进线开路故障时，计算三相基波幅值Ima、Imb及Imc，计算公式如下：
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其中，
t0为当前时刻，T是整流器输入电流的工频周期，ia(k)为A相第K个采样点的电流，ib(k)为B相第K个采样点的电流，ic(k)为C相第K个采样点的电流，N为每相采样点的总个数，所述N个采样点是在[t0，t0+T]这一时间区间内取得的；设故障相幅值为Img，那么，Img＝min(Ima，Imb，Imc)。
6.根据权利要求1所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，当所述理论输出直流电流值大于所述实际输出直流电流值的k1倍时，整流器出现开关管直通故障。
7.根据权利要求6所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，当所述理论输出直流电流值大于所述实际输出直流电流值的k1倍时，计算从当前时刻开始一个工频周期内的三相输入电流的直流分量，如果其中一个直流分量与其他两个直流分量的正负不同，则该直流分量对应的相为故障相。
8.根据权利要求1所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，所述当前时刻整流器的理论输出直流电流值的计算公式为：
id＇(t0)＝(|ia(t0)|+|ib(t0)|+|ic(t0)|)/2；
其中，t0为当前时刻，id＇(t0)为当前时刻整流器的理论输出直流电流值，ia(t0)、ib(t0)和ic(t0)为当前时刻整流器的三相输入电流的瞬时值；
所述三相输入电流直流分量瞬时值的计算公式如下：
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其中，t0为当前时刻，ida(t0)、idb(t0)和idc(t0)为三相输入电流直流分量瞬时值，ia(k)为A相第k个采样点的电流，ib(k)为B相第k个采样点的电流，ic(k)为C相第k个采样点的电流，N为每相采样点的总个数，所述N个采样点是在[t0-T,t0]这一时间区间内取得的，T是整流器输入电流的工频周期。
9.根据权利要求2或7所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，所述三相输入电流的直流分量的计算公式分别为：
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其中，t0为当前时刻，ida(t0+T)、idb(t0+T)和idc(t0+T)为三相输入电流的直流分量，T是整流器输入电流的工频周期，ia(k)为A相第K个采样点的电流，ib(k)为B相第K个采样点的电流，ic(k)为C相第K个采样点的电流，N为每相采样点的总个数，所述N个采样点是在[t0，t0+T]这一时间区间内取得的。
10.根据权利要求2所述的整流器开路故障诊断方法，其特征在于，所述m为0.25，n为0.5。
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