CN110488135A - 一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法及定位策略 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力牵引交流传动中机车变流器接地故障判断领域，具体是一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法及定位策略。所述故障判断方法包括以下步骤：信息采集、信息处理、接地故障判定。基于该故障判断方法，本发明进一步提供了启动阶段接地故障定位策略以及运行阶段接地故障定位策略。本发明所提供的判断方法和故障定位策略适用于共用直流母线的2整3逆1辅的大功率永磁直驱牵引辅助变流器，目的是在不增加硬件检测成本的前提下，提供一种接地故障检测判断策略，且能正确区分变流器输入侧、中间直流母线侧、输出侧的接地故障，以解决现有技术对接地故障不能及时检测、错误检测、检测不能准确定位接地点的问题。

Description

一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法及定位 策略

技术领域

本发明属于电力牵引交流传动中机车变流器接地故障判断领域，具体是一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法及定位策略。

背景技术

大功率永磁直驱机车变流器采用主辅一体结构设计，包括整流器、滤波电路、中间直流回路、接地电压检测电路、牵引逆变器、辅助逆变器等，为整车系统提供安全、可靠的电力需求，是整车的核心部件。当牵引辅助变流器在启动、运行过程中出现接地故障时，如不能及时发现并采取有效措施，会对整个传动系统的正常运行产生危害，甚至引起其他故障，使车辆出现部分或全部牵引丢失现象，影响整车行车安全。

如今，随着铁路安全、可靠运行的要求不断提高，对于传动系统中的故障诊断也越来越被重视，但目前为止，对牵引辅助变流器的接地保护研究较少。目前通常采用的直流回路电桥接地检测方法仅是检测出接地故障后进行保护动作，不能对接地点进行具体区分，不利于故障发生后的准确定位和排查。另有部分机车采用基于直流回路电桥增加逻辑判断策略的方法，虽能够区分变流器输入侧接地、直流母线正接地、直流母线负接地和变流器输出侧接地，但是无法区分牵引逆变器接地和辅助逆变器接地，也无法区分输入侧接地的相序。此外，在永磁传动系统中，由于反电势、隔离接触的存在，会导致永磁系统变流器和异步系统变流器接地故障检测方法存在差异，然而涉及大功率永磁系统变流器的研究十分有限。

专利申请CN201811338927.0介绍了一种交直交电力机车牵引变流器主回路接地判断方法：通过实时检测到的中间直流母线电压信号、中间接地点与直流母线负极之间的接地电压信号，并根据其差值信号在固定时间内的变化情况，能够检测出直流侧正负接地和交流侧接地，并且交流侧接地能够区分开是输入侧接地还是输出侧接地。当牵引变流器主回路具有两个四象限整流模块和三个逆变模块时，还能进行具体接地点的定位判断：如果是输入侧接地，可以判断出四象限模块1接地还是四象限模块2接地；如果是输出侧接地，可以区分逆变模块1、逆变模块2或逆变模块3接地。该方法能实现变流器接地故障的检测及输入接地和输出接地的区分，但是存在以下缺点：（1）未能区分牵引逆变器接地和辅助逆变器接地；（2）输入接地和输出接地区分时，需要封锁全部逆变侧脉冲，导致负载突切，使变流器牵引全部丢失，容易诱发系统故障；此外，该方法是针对异步变流器系统而设计，未能考虑永磁系统中反电势和隔离接触器存在的的影响，不能很好地适用于永磁牵引系统。

专利申请CN201811338010.0涉及一种机车变流器接地故障检测电路及方法，基于优化的接地电压检测电路，根据获取输入电压、输出电压的频率和相位信息，定位变流器接地故障的位置，能准确区分输入侧和输出负载侧接地的相序的问题。该方法能实现变流器输入接地、直流母线正接地、直流母线负接地、输出接地的故障检测及输入接地和输出接地的相序区分，但是存在以下缺点：（1）接地判断算法实现复杂，需要进行傅里叶计算，增加系统计算负荷，导致成本增加；（2）仅适用于机车辅助变流系统及单轴逆变系统，对于2整3逆1辅的大功率永磁直驱变流器则不适用。

发明内容

本发明为了解决在不增加硬件检测成本的前提下满足共用直流母线的2整3逆1辅的大功率永磁直驱牵引辅助变流器的接地故障判断检测的问题，提供了一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法及定位策略。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法，包括以下步骤：

（1）信息采集：

接地电压检测电路是将两个阻值相同的分压电阻R1、R2串联后作为一个整体并联在中间直流母线的两端，且两个分压电阻R1、R2之间设置一个中间接地点，检测中间直流母线电压U1以及中间接地点与中间直流母线正极之间的电压U2；

（2）信息处理

a. 中间直流母线电压U1经过低通滤波处理后，获得滤波后的中间直流母线电压U1_lpf；

b. 接地电压U2经过低通滤波处理后，获得滤波后的接地电压U2_lpf；

c. 实时计算0.5*U1_lpf与U2_lpf之间的电压差值，获取差值信号U3，即U3=U2_lpf-0.5*U1_lpf；

（3）接地故障判定

a.差值信号U3小于-0.3*U1时，判定为中间直流母线正接地故障；

b.差值信号U3大于0.3*U1时，判定为中间直流母线负接地故障；

c.固定时间内差值信号U3在大于0.3*U1状态和小于-0.3*U1状态之间多次跳变时，判定为交流接地故障；

d.差值信号U3大于等于-0.3*U1，且小于等于0.3*U1时，判定为无接地故障。

作为本发明判断方法技术方案的进一步改进，所述电压U1以及电压U2是通过电压传感器检测获得的。

本发明进一步提供了一种基于所述大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法的启动阶段接地故障定位策略，包括以下步骤：

Ⅰ.主断闭合，开始正负接地故障检测，若有交流接地故障，则为输入侧同名端接地；否则，启动四象限整流器；

Ⅱ.启动四象限整流器后，若有交流接地故障，则为输入侧异名端接地；若有中间直流母线正接地故障，则为中间直流母线正接地；若有中间直流母线负接地故障，则为中间直流母线负接地；否则，启动辅助逆变器；

Ⅲ.启动辅助逆变器后，若有交流接地故障，则为输出侧辅助逆变器接地；否则，启动牵引逆变器；

Ⅳ.启动牵引逆变器后，若有交流接地故障，则为输出侧牵引逆变器接地；否则，系统正常运行，无接地故障。

本发明更进一步提供了一种基于所述大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法的运行阶段接地故障定位策略，完成启动阶段接地故障定位策略中的无接地故障判定后再进行运行阶段接地故障定位策略。

所述运行阶段接地故障定位策略，包括以下步骤：

㈠正常运行过程中，若出现中间直流母线正接地故障，则为中间直流母线正接地；若出现中间直流母线负接地故障，则为中间直流母线负接地；若出现交流侧接地故障，则封锁牵引逆变器1脉冲；否则，正常运行，无接地故障；

㈡封锁牵引逆变器1脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器1隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器1接地；否则，继续封锁牵引逆变器2脉冲；

㈢封锁牵引逆变器2脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器2隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器2接地；否则，继续封锁牵引逆变器3脉冲；

㈣封锁牵引逆变器3脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器3隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器3接地；否则，继续封锁辅助逆变器脉冲；

㈤封锁辅助逆变器脉冲后，延时20ms后重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧辅助逆变器接地；否则，继续封锁四象限整流器1脉冲；

㈥封锁四象限整流器1脉冲后，延时20ms后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输入侧四象限整流器1接地；否则，则为输入侧四象限整流器2接地。

本发明所提供的判断方法和故障定位策略适用于共用直流母线的2整3逆1辅的大功率永磁直驱牵引辅助变流器，目的是在不增加硬件检测成本的前提下，提供一种接地故障检测判断策略，且能正确区分变流器输入侧、中间直流母线侧、输出侧的接地故障，以解决现有技术对接地故障不能及时检测、错误检测、检测不能准确定位接地点的问题。该方法简单快捷，无需增加额外成本，故障定位准确、可靠。本发明可以及时、准确的判定接地故障，使控制系统采取有效措施，防止故障扩大化，危及行车安全；本发明可以精准定位故障点，有效排除故障影响，又最大可能地保持整车的牵引性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的接地故障判断整体框图。其中部分1为部分2和3中各项故障检测的依据。

图2为本发明所述大功率永磁直驱牵引辅助变流器的结构示意图。在该图中，AC端为25kV交流输入侧，部分①为降压变压器单元，变压器原变A端与次变a端为同名端；部分②为整流单元，分为四象限整流器1和四象限整流器2；部分③为中间直流母线单元，“﹢”符号端为直流母线正极，“﹣”符号端为直流母线负极；部分④为牵引逆变单元，又分为牵引逆变器1（U₁、V₁、W₁为对应三相输出），牵引逆变器2（U₂、V₂、W₂为对应三相输出）、牵引逆变器3（U₃、V₃、W₃为对应三相输出）；部分⑤为辅助逆变单元，u、v、w分别为辅助逆变器的三相输出。其中图示的部分④和部分⑤右侧分别为输出侧。

图3为本发明的接地故障判断方法流程图。

图4为启动阶段接地故障定位策略流程图。

图5为运行阶段接地故障定位策略流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明主要针对大功率永磁直驱系统牵引辅助变流器启动、运行中的接地故障检测，实现全工况下的接地保护。接地故障检测主要包括：输入侧同名端接地、输入侧异名端接地、中间直流母线正接地、中间直流母线负接地、输出侧牵引逆变器接地、输出侧辅助逆变器接地，共6个接地点的故障判断；并能实现启动接地、运行中接地的准确判断。本发明适用于共用直流母线的2整3逆1辅（两个四象限整流模块、三个牵引逆变模块以及一个辅助逆变器）的大功率永磁直驱牵引辅助变流器，如图2所示。

一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法，包括以下步骤：

（1）信息采集：

接地电压检测电路是将两个阻值相同的分压电阻R1、R2串联后作为一个整体并联在中间直流母线的两端，且两个分压电阻R1、R2之间设置一个中间接地点，检测中间直流母线电压U1以及中间接地点与中间直流母线正极之间的电压U2；

（2）信息处理

a. 中间直流母线电压U1经过低通滤波处理后，获得滤波后的中间直流母线电压U1_lpf；

b. 接地电压U2经过低通滤波处理后，获得滤波后的接地电压U2_lpf；

c. 实时计算0.5*U1_lpf与U2_lpf之间的电压差值，获取差值信号U3，即U3=U2_lpf-0.5*U1_lpf；

（3）接地故障判定

a.差值信号U3小于-0.3*U1时，判定为中间直流母线正接地故障；

b.差值信号U3大于0.3*U1时，判定为中间直流母线负接地故障；

c.固定时间内差值信号U3在大于0.3*U1状态和小于-0.3*U1状态之间多次跳变时，判定为交流接地故障；

d.差值信号U3大于等于-0.3*U1，且小于等于0.3*U1时，判定为无接地故障。

在本发明中，所述电压U1以及电压U2是通过电压传感器检测获得的。如图2所示，具体的，电压U1通过中间母线正负端并接的电压传感器TV1检测获得，电压U2通过中间接地点和中间母线正端并联的电压传感器TV2检测获得。

在本发明中，所述低通滤波处理是通过数字低通滤波器实现的，通过将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，可以采用软件算法来模拟硬件滤波的功能。

本发明进一步提供了一种具体实施例，在将本发明的故障方法应用于某一种大功率永磁直驱机车变流器后，在接地故障判定中：a. 中间直流母线发生正接地时，U1=2800V，U2=0V，低通滤波处理后U3=-1400V；b. 中间直流母线发生负接地时，U1=2800V，U2=2800V，低通滤波处理后U3=1400V。

在本发明中，所述启动阶段接地故障定位策略和运行阶段接地故障定位策略的判定依据都是根据上述故障判断方法实现的。

如图4所示，一种基于所述大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法的启动阶段接地故障定位策略，包括以下步骤：

Ⅰ.主断（主断路器）闭合，开始正负接地故障检测（步骤（3）的接地故障判定），若有交流接地故障（符合步骤（3）-c），则为输入侧同名端接地；否则，启动四象限整流器；

Ⅱ.启动四象限整流器后，若有交流接地故障（符合步骤（3）-c），则为输入侧异名端接地；若有中间直流母线正接地故障（符合步骤（3）-a），则为中间直流母线正接地；若有中间直流母线负接地故障（符合步骤（3）-b），则为中间直流母线负接地；否则，启动辅助逆变器；

Ⅲ.启动辅助逆变器后，若有交流接地故障（符合步骤（3）-c），则为输出侧辅助逆变器接地；否则，启动牵引逆变器；

Ⅳ.启动牵引逆变器后，若有交流接地故障（符合步骤（3）-c），则为输出侧牵引逆变器接地；否则，系统正常运行，无接地故障。

本发明进一步提供了一种基于所述大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法的运行阶段接地故障定位策略，完成启动阶段接地故障定位策略中的无接地故障判定后再进行运行阶段接地故障定位策略。

如图5所示，一种基于权利要求1所述大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法的运行阶段接地故障定位策略，包括以下步骤：

㈠正常运行过程中，若出现中间直流母线正接地故障（符合步骤（3）-a），则为中间直流母线正接地；若出现中间直流母线负接地故障（符合步骤（3）-b），则为中间直流母线负接地；若出现交流侧接地故障（符合步骤（3）-c），则封锁牵引逆变器1脉冲；否则，正常运行，无接地故障；

㈡封锁牵引逆变器1脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器1隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器1接地；否则，继续封锁牵引逆变器2脉冲；

㈢封锁牵引逆变器2脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器2隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器2接地；否则，继续封锁牵引逆变器3脉冲；

㈣封锁牵引逆变器3脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器3隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器3接地；否则，继续封锁辅助逆变器脉冲；

㈤封锁辅助逆变器脉冲后，延时20ms后重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧辅助逆变器接地；否则，继续封锁四象限整流器1脉冲；

㈥封锁四象限整流器1脉冲后，延时20ms后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输入侧四象限整流器1接地；否则，则为输入侧四象限整流器2接地。

参见图2，在本发明中的各个故障点位置分别为：

ⅰ.若部分①的次变a端接地，则为输入侧同名端接地故障；

ⅱ.若部分①的次变x端接地，则为输入侧异名端接地故障；

ⅲ.若部分③的正极接地，则为中间直流母线正接地故障；

ⅳ.若部分③的负极接地，则为中间直流母线负接地故障；

ⅴ.若部分④的U、V、W相中的任意一相接地，则为输出侧牵引逆变器接地故障；

ⅵ.若部分⑤的u、v、w相中的任意一相接地，则为输出侧辅助逆变器接地故障；

其中，输入侧同名端接地故障、输入侧异名端接地故障统称为输入侧四象限整流接地故障；在2整3逆主电路拓扑结构，根据不同整流侧接地又可以细分为输入侧四象限整流器1接地故障和输入侧四象限整流器2接地故障；根据不同逆变侧接地又可以细分为输出侧牵引逆变器1接地故障、输出侧牵引逆变器2接地故障、输出侧牵引逆变器3接地故障。

采用这样的判定策略，在启动阶段出现接地时，可以正确区分输入侧同名端接地、输入侧异名端接地、中间直流母线正接地、中间直流母线负接地、输出侧牵引逆变器接地和输出侧辅助逆变器接地故障；运行阶段出现接地时，可以正确区分输入侧四象限整流器1接地、输入侧四象限整流器2接地、中间直流母线正接地、中间直流母线负接地、输出侧牵引逆变器1接地、输出侧牵引逆变器2接地、输出侧牵引逆变器3接地和输出侧辅助逆变器接地。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）信息采集：

接地电压检测电路是将两个阻值相同的分压电阻R1、R2串联后作为一个整体并联在中间直流母线的两端，且两个分压电阻R1、R2之间设置一个中间接地点，检测中间直流母线电压U1以及中间接地点与中间直流母线正极之间的电压U2；

（2）信息处理

a. 中间直流母线电压U1经过低通滤波处理后，获得滤波后的中间直流母线电压U1_lpf；

b. 接地电压U2经过低通滤波处理后，获得滤波后的接地电压U2_lpf；

c. 实时计算0.5*U1_lpf与U2_lpf之间的电压差值，获取差值信号U3，即U3=U2_lpf-0.5*U1_lpf；

（3）接地故障判定

a.差值信号U3小于-0.3*U1时，判定为中间直流母线正接地故障；

b.差值信号U3大于0.3*U1时，判定为中间直流母线负接地故障；

c.固定时间内差值信号U3在大于0.3*U1状态和小于-0.3*U1状态之间多次跳变时，判定为交流接地故障；

d.差值信号U3大于等于-0.3*U1，且小于等于0.3*U1时，判定为无接地故障。

2.根据权利要求1所述的一种大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法，其特征在于，所述电压U1以及电压U2是通过电压传感器检测获得的。

3.一种基于权利要求1或2所述大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法的启动阶段接地故障定位策略，其特征在于，包括以下步骤：

Ⅰ.主断闭合，开始正负接地故障检测，若有交流接地故障，则为输入侧同名端接地；否则，启动四象限整流器；

Ⅱ.启动四象限整流器后，若有交流接地故障，则为输入侧异名端接地；若有中间直流母线正接地故障，则为中间直流母线正接地；若有中间直流母线负接地故障，则为中间直流母线负接地；否则，启动辅助逆变器；

Ⅲ.启动辅助逆变器后，若有交流接地故障，则为输出侧辅助逆变器接地；否则，启动牵引逆变器；

Ⅳ.启动牵引逆变器后，若有交流接地故障，则为输出侧牵引逆变器接地；否则，系统正常运行，无接地故障。

4.一种基于权利要求3所述大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法的运行阶段接地故障定位策略，其特征在于，完成启动阶段接地故障定位策略中的无接地故障判定后再进行运行阶段接地故障定位策略。

5.一种基于权利要求1所述大功率永磁直驱机车变流器接地故障判断方法的运行阶段接地故障定位策略，其特征在于，包括以下步骤：

㈠正常运行过程中，若出现中间直流母线正接地故障，则为中间直流母线正接地；若出现中间直流母线负接地故障，则为中间直流母线负接地；若出现交流侧接地故障，则封锁牵引逆变器1脉冲；否则，正常运行，无接地故障；

㈡封锁牵引逆变器1脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器1隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器1接地；否则，继续封锁牵引逆变器2脉冲；

㈢封锁牵引逆变器2脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器2隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器2接地；否则，继续封锁牵引逆变器3脉冲；

㈣封锁牵引逆变器3脉冲后，延时200ms，等待牵引逆变器3隔离接触器断开后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧牵引逆变器3接地；否则，继续封锁辅助逆变器脉冲；

㈤封锁辅助逆变器脉冲后，延时20ms后重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输出侧辅助逆变器接地；否则，继续封锁四象限整流器1脉冲；

㈥封锁四象限整流器1脉冲后，延时20ms后，重新进行接地故障检测；100ms内若不再出现交流侧接地故障，则为输入侧四象限整流器1接地；否则，则为输入侧四象限整流器2接地。