CN109459651A - 机车变流器接地故障检测电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机车变流器接地故障检测,具体为机车变流器接地故障检测电路及方法。解决现有机车变流器接地故障检测方法不能准确区分输入侧和输出负载侧接地的相序的问题。机车变流器接地故障检测电路包括串接于直流母线的正线和负线之间的两个阻值相同的电阻R1和电阻R2,连接于直流母线的正线和负线之间的电压传感器TV1;电阻R1和电阻R2的中间节点经电阻R3接地,电阻R3的阻值与电阻R1和电阻R2的阻值相同,电阻R3的两端并联有电压传感器TV2。本发明的接地故障检测方法能够准确定位变流器接地故障的位置,具体到了输入侧同名端、异名端和逆变输出各相。本发明特别适用于机车辅助变流系统,也适用于其它变流器。
Description
技术领域
本发明涉及机车变流器接地故障检测,具体为机车变流器接地故障检测电路及方法。
背景技术
机车变流器包括整流器、滤波电路、接地故障检测电路、逆变器。机车变流器输入电源为前级变压器输出的单相交流电压,负载需要为三相交流电压,因此机车变流器拓扑为AC-DC-AC变换。
现有机车变流器接地故障检测采用的是直流回路电桥法,其接地故障检测电路如图1所示,在中间直流母线的正线和负线之间加上两个平衡电阻R1和R2(也可为多个电阻,多个电阻的原理相同,在此不再赘述),并将两个电阻之间中点接地,形成平衡电桥。接地电压传感器TV2检测中点与直流母线负线之间的电压(即接地电压),由于平衡电桥的两个电阻阻值相等,正常情况下接地电压为母线电压TV1的二分之一(三个电阻时为三分之一),母线正接地后接地电压为母线电压,因此接地电压传感器的采样范围宽;当接地电压与二分之一母线电压TV1的差值超出保护阈值时,笼统的报出接地故障进行保护动作,不区分接地的具体情况。另有部分机车在直流回路电桥法的基础上通过增加判断策略能够区分直流母线的正接地、负接地和逆变器输出负载接地,但是无法区分输入侧接地和输出侧负载接地的相序,不利于故障发生后的准确定位和排查。此外接地电容C1长期处于工作状态,使用寿命受到影响,这都潜在增加了变流器的制造和维护成本。
发明内容
本发明解决现有机车变流器接地故障检测方法不能准确区分输入侧和输出负载侧接地、以及输出具体的接地相序的问题,提供一种机车变流器接地故障检测电路及方法;首先对接地故障检测电路进行改进,然后依据改进后的接地故障检测电路给出一种新的接地故障检测方法,对机车变流器接地故障进行准确的判断和定位,明确区分输入侧接地和输出接地以及区分接地的相序,以减小接地故障发生后进行故障排查的范围,加速故障处理。
本发明是采用如下技术方案实现的:机车变流器接地故障检测电路,包括串接于直流母线的正线和负线之间的两个阻值相同的电阻R1和电阻R2,连接于直流母线的正线和负线之间的电压传感器TV1;电阻R1和电阻R2的中间节点经电阻R3接地,电阻R3的阻值与电阻R1和电阻R2的阻值相同,电阻R3的两端并联有电压传感器TV2,TV2用来检测检测电阻R3两端的电压即接地电压。电阻R3的两端还并联有电容C1,电容C1用来吸收电阻R3上电压的高次谐波成分以获得较好的接地电压,该高次谐波成分由变流器主电路中客观存在的杂散电感等因素引起。
基于上述机车变流器接地故障检测电路的机车变流器接地故障检测方法,是由如下步骤实现的:
(1)信号采集:采集输入电压、采集直流母线电压Udc、采集接地电压(即电阻R3两端的电压)、采集输出三相电压;
(2)信号处理:
A.获取输入电压的频率和相位信息;
B.获取输出电压的频率和相位信息;
C.对接地电压进行处理:
a. 根据计算周期求接地电压的平均值,即直流分量,记作Uavr;
b. 根据输入电压的频率和相位信息,对接地电压按照输入电压频率和相位进行傅里叶分析,获取接地电压基波和二次谐波的幅值和相位,依次记作Fun1.Comp、Fun1.Phase、Snd2.Comp、Snd2.Phase;
c. 根据输出电压频率和相位信息,对接地电压按照输出电压的频率和相位进行傅里叶分析,获取接地电压基波的幅值和相位,依次记作ApFun1.Comp、ApFun1.Phase;
(3)接地故障判断:
d. 满足Uavr < -1/3Udc,则判定直流母线的正线接地;
满足Uavr > 1/3Udc,则判定直流母线的负线接地;
e. 满足Fun1.Comp > Ref1和Snd2.Comp < Ref2,则判定输入接地;
还满足Fun1.Phase > 0,则进一步判定为输入正(输入侧同名端)接地,否则为输入负(输入侧异名端)接地;
f. 满足ApFun1.Phase > Ref3和-π < ApFun1.Phase < -π/3,则判定输出U相接地;
满足ApFun1.Phase > Ref3和-π/3<ApFun1.Phase <π/3,则判定输出V相接地;
满足ApFun1.Phase > Ref3和π/3<ApFun1.Phase <π,则判定输出W相接地。
Ref1、Ref2和Ref3的确定有如下两种方法:
方法一:Ref1设置为输出电压在频率最大时的输出相电压有效值的三分之二;Ref1的百分之三<Ref2 <Ref1的百分之十; Ref3为 Ref1的二分之一。
方法二:针对不同的输入输出工况,对接地故障发生后的接地电压的傅里叶分析结果进行仿真或试验测试、分析,根据仿真测试或试验测试的分析结果设计Ref1、Ref2和Ref3的值。这对本领域技术人员来讲是容易实现的。
本发明具有如下有益效果:
(1)基于本发明所述机车变流器接地故障检测电路的接地故障检测方法能够准确区分定位变流器接地故障的位置,具体到了输入侧同名端、异名端和逆变输出各相,为接地故障发生后的故障排查提供了时间保证。
(2)在相同的电压参数下,本发明的接地故障检测电路减小了接地电压的采样范围,延长了接地电容的使用寿命,能够有效降低机车变流器的制造和维护成本。
(3)本发明利用整流输入侧和逆变器输出侧的实际频率对接地电压进行傅里叶分析,能够适应输入电压频率变化和变频输出的情况。
(4)本发明特别适用于机车辅助变流系统,也适用于其它变流器。
附图说明
图1为现有接地故障检测电路原理图;
图2为本发明的接地故障检测电路原理图;
图3为本发明实施例的机车辅助变流系统电路拓扑图。
具体实施方式
机车变流器接地故障检测电路,包括串接于直流母线的正线和负线之间的两个阻值相同的电阻R1和电阻R2,连接于直流母线的正线和负线之间的电压传感器TV1;电阻R1和电阻R2的中间节点经电阻R3接地,电阻R3的阻值与电阻R1和电阻R2的阻值相同(其往往较大,一般到几十千欧),电阻R3的两端并联有电压传感器TV2,TV2用来检测检测电阻R3两端的电压即接地电压。电阻R3的两端还并联有电容C1,电容C1用来吸收电阻R3上电压的高次谐波成分以获得较好的接地电压,该高次谐波成分由变流器主电路中客观存在的杂散电感等因素引起。图2为本发明的接地故障检测电路原理图,图中带“+”表示的为直流母线正线,带“-”的为直流母线负线,直流母线前端接整流器输出,后端接逆变器的输入。图中其它部分为:TV1为中间电压传感器,用来检测直流母线电压;L为直流滤波电感,C2为中间支撑电容,R4和R5为慢放电阻。
图3为机车辅助变流系统电路拓扑,图中虚线框自左向右分别为整流器、接地检测电路和逆变器,整流器、逆变器和接地检测电路连接,整流器前端为单相变压器,逆变器后端为机车辅助负载。本实施例中整流器为晶闸管前桥臂与二极管后桥臂组成的半控整流器,需要说明的是,其他整流器的接地检测也可根据本发明的策略进行;逆变器为三相全控桥式逆变, T为机车变压器的辅助绕组。
图3中各接地故障点定义如下:
位置1:输入交流绕组同名端;
位置2:输入交流绕组异名端;
位置3:直流母线正线;
位置4:直流母线负线;
位置5:逆变输出负载U相;
位置6:逆变输出负载V相;
位置7:逆变输出负载W相。
基于上述机车变流器接地故障检测电路的机车变流器接地故障检测方法,是由如下步骤实现的:
(1)信号采集:由电压传感器TV采集输入电压、由电压传感器TV1采集直流母线电压Udc、由电压传感器TV2采集接地电压(即电阻R3两端的电压)、由输出电压互感器(图3中未画出)采集输出三相电压。需要说明的是,这些信号的获取中除了接地电压传感器TV2外,其他传感器为变流器控制所必须,不是专门为了接地检测增加。
(2)信号处理:
A.由软件锁相环对输入电压进行锁相处理,获取输入电压的频率和相位信息(锁相处理为整流器控制必须,此处是利用其计算结果),此计算结果用于进行接地电压的傅里叶分析。
B.从逆变器控制环节获取输出电压的频率和相位信息(均为控制过程中的给定)。
C.对接地电压进行处理:
a. 根据计算周期求接地电压的平均值,即直流分量,记作Uavr;
b. 根据输入电压的频率和相位信息,对接地电压按照输入电压频率和相位进行傅里叶分析,获取接地电压基波和二次谐波的幅值和相位,依次记作Fun1.Comp、Fun1.Phase、Snd2.Comp、Snd2.Phase;
c. 根据输出电压频率和相位信息,对接地电压按照输出电压的频率和相位进行傅里叶分析,获取接地电压基波的幅值和相位,依次记作ApFun1.Comp、ApFun1.Phase;
(3)接地故障判断:
d. 满足Uavr < -1/3Udc,则判定直流母线的正线接地;
满足Uavr > 1/3Udc,则判定直流母线的负线接地;
e. 满足Fun1.Comp > Ref1和Snd2.Comp < Ref2,则判定输入接地;
还满足Fun1.Phase > 0,则进一步判定为输入正(输入侧同名端)接地,否则为输入负(输入侧异名端)接地;
f. 满足ApFun1.Phase > Ref3和-π < ApFun1.Phase < -π/3,则判定输出U相接地;
满足ApFun1.Phase > Ref3和-π/3<ApFun1.Phase <π/3,则判定输出V相接地;
满足ApFun1.Phase > Ref3和π/3<ApFun1.Phase <π,则判定输出W相接地。
Ref1、Ref2和Ref3的确定有如下两种方法:
方法一:Ref1设置为输出电压在频率最大时的输出相电压有效值的三分之二;Ref1的百分之三<Ref2 <Ref1的百分之十(具体实施时,Ref2可在此范围内任意取值);Ref3为Ref1的二分之一。
变流器一但设计完成,输出频率最大值以及输出电压在频率最大时的有效值是已知的参数。
方法二:针对不同的输入输出工况,对接地故障发生后的接地电压的傅里叶分析结果进行仿真或试验测试、分析,根据仿真测试或试验测试的分析结果设计Ref1、Ref2和Ref3的值。
Claims (5)
1.一种机车变流器接地故障检测电路,包括串接于直流母线的正线和负线之间的两个阻值相同的电阻R1和电阻R2,其特征在于,电阻R1和电阻R2的中间节点经电阻R3接地,电阻R3的阻值与电阻R1和电阻R2的阻值相同,电阻R3的两端并联有电压传感器TV2,TV2用来检测检测电阻R3两端的电压即接地电压。
2.根据权利要求1所述的机车变流器接地故障检测电路,其特征在于,还包括连接于直流母线的正线和负线之间的电压传感器TV1。
3.根据权利要求2所述的机车变流器接地故障检测电路,其特征在于,电阻R3的两端还并联有电容C1。
4.基于权利要求3所述的机车变流器接地故障检测电路的机车变流器接地故障检测方法,其特征在于,是由如下步骤实现的:
(1)信号采集:采集输入电压、采集直流母线电压Udc、采集接地电压、采集输出三相电压;
(2)信号处理:
A.获取输入电压的频率和相位信息;
B.获取输出电压的频率和相位信息;
C.对接地电压进行处理:
a. 根据计算周期求接地电压的平均值,即直流分量,记作Uavr;
b. 根据输入电压的频率和相位信息,对接地电压按照输入电压频率和相位进行傅里叶分析,获取接地电压基波和二次谐波的幅值和相位,依次记作Fun1.Comp、Fun1.Phase、Snd2.Comp、Snd2.Phase;
c. 根据输出电压频率和相位信息,对接地电压按照输出电压的频率和相位进行傅里叶分析,获取接地电压基波的幅值和相位,依次记作ApFun1.Comp、ApFun1.Phase;
(3)接地故障判断:
d. 满足Uavr < -1/3Udc,则判定直流母线的正线接地;
满足Uavr > 1/3Udc,则判定直流母线的负线接地;
e. 满足Fun1.Comp > Ref1和Snd2.Comp < Ref2,则判定输入接地;
还满足Fun1.Phase > 0,则进一步判定为输入正接地,否则为输入负接地;
f. 满足ApFun1.Phase > Ref3和-π < ApFun1.Phase < -π/3,则判定输出U相接地;
满足ApFun1.Phase > Ref3和-π/3<ApFun1.Phase <π/3,则判定输出V相接地;
满足ApFun1.Phase > Ref3和π/3<ApFun1.Phase <π,则判定输出W相接地;
其中:
Ref1设置为输出电压在频率最大时的输出相电压有效值的三分之二;
Ref1的百分之三<Ref2 <Ref1的百分之十;
Ref3为 Ref1的二分之一。
5.基于权利要求3所述的机车变流器接地故障检测电路的机车变流器接地故障检测方 法,其特征在于,是由如下步骤实现的:
(1)信号采集:采集输入电压、采集直流母线电压Udc、采集接地电压、采集输出三相电压;
(2)信号处理:
A.获取输入电压的频率和相位信息;
B.获取输出电压的频率和相位信息;
C.对接地电压进行处理:
a. 根据计算周期求接地电压的平均值,即直流分量,记作Uavr;
b. 根据输入电压的频率和相位信息,对接地电压按照输入电压频率和相位进行傅里叶分析,获取接地电压基波和二次谐波的幅值和相位,依次记作Fun1.Comp、Fun1.Phase、Snd2.Comp、Snd2.Phase;
c. 根据输出电压频率和相位信息,对接地电压按照输出电压的频率和相位进行傅里叶分析,获取接地电压基波的幅值和相位,依次记作ApFun1.Comp、ApFun1.Phase;
(3)接地故障判断:
d. 满足Uavr < -1/3Udc,则判定直流母线的正线接地;
满足Uavr > 1/3Udc,则判定直流母线的负线接地;
e. 满足Fun1.Comp > Ref1和Snd2.Comp < Ref2,则判定输入接地;
还满足Fun1.Phase > 0,则进一步判定为输入正接地,否则为输入负接地;
f. 满足ApFun1.Phase > Ref3和-π < ApFun1.Phase < -π/3,则判定输出U相接地;
满足ApFun1.Phase > Ref3和-π/3<ApFun1.Phase <π/3,则判定输出V相接地;
满足ApFun1.Phase > Ref3和π/3<ApFun1.Phase <π,则判定输出W相接地;
其中:
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