CN110514978A - 补偿变流器可靠性在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及补偿变流器可靠性在线监测方法，首先读入补偿变流器及组成元件的相关参数，利用温度传感器测量IGBT内某一参考点的温度；利用修正函数修正测量温度数据，计算IGBT结温；采用雨流算法处理结温数据，获取热循环及对应的平均结温均值和波动值；应用元件寿命预测模型和线性损伤累计模型，计算IGBT模块失效率；基于元件可靠性评估参数计算直流支撑电容、串联电抗器和控制底板的失效率；建立可靠性评估模型，根据元件失效率，计算相关可靠性指标，进行可靠性实时评估。本发明通过实时采集IGBT模块的结温信息，计算失效率，获取补偿变流器可靠性评估参数，实现补偿变流器的实时在线可靠性监测，为设备的安全运行及维护提供保证。

Description

补偿变流器可靠性在线监测方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路设备监测技术领域，具体涉及一种补偿变流器可靠性在线监测方法。

背景技术

电气化铁路普遍采用工频单相交流制，造成了负序，无功和谐波等电能质量问题。国内外学者针对高速电气化铁路牵引供电系统的电能质量问题治理提出了很多优化解决方案和相关控制策略，各种方案的实际效果不同。

为了综合改善电能质量，目前广泛应用基于补偿变流器的有源补偿方式。补偿变流器作为实现有源补偿的核心设备，其可靠性研究备受关注。补偿变流器是由大功率电力电子器件组成。目前对于大功率的电力电子器件一般都是采用电力电子可靠性手册进行可靠性评估。但牵引负荷的随机波动性和冲击性对潮流控制器的组成器件造成的影响仅凭可靠性手册难以准确预估，尤其是其核心部件—绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)模块。IGBT模块的工作电压大，负荷波动大，造成其功耗和结温均较高。根据其失效机理可知，IGBT模块失效的主要原因是牵引负荷随机波动引起的热循环冲击造成的封装失效。所以牵引负荷会其寿命造成很大影响。

因此考虑牵引负荷冲击性和波动性对补偿变流器可靠性的影响，在线监测补偿变流器可靠性，对保障补偿变流器的安全运行非常必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种补偿变流器可靠性在线监测方法，基于元件的物理失效机理，通过实时采集IGBT模块的结温信息，计算失效率，获取补偿变流器可靠性评估参数，实现补偿变流器的实时在线可靠性监测，为设备的安全运行及维护提供保证。

本发明所采用的技术方案为：

补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤1：读入牵引变电站补偿变流器及组成元件的相关参数，所述元件包括IGBT模块、直流支撑电容、串联电抗器和控制底板；

步骤2：利用温度传感器测量IGBT内某一参考点的温度；

步骤3：基于结温修正函数，修正测量温度数据，计算IGBT的结温；

步骤4：采用雨流算法处理结温数据，获取热循环及对应的平均结温均值和波动值；

步骤5：基于IGBT模块物理失效机理，应用元件寿命预测模型和线性损伤累计模型，计算IGBT模块失效率；

步骤6：基于相关可靠性手册给出的元件可靠性评估参数，计算直流支撑电容、串联电抗器和控制底板的失效率；

步骤7：建立补偿变流器可靠性评估模型，根据元件失效率，计算相关可靠性指标，进行可靠性实时评估。

步骤1中，相关参数包括：IGBT与FWD导通曲线的门限电压和门限电阻；额定电压电流下的热阻值；直流支撑电容C、串联电抗器L和控制底板DB的结构系数、质量系数、环境系数。

步骤2中，温度传感器为PTC或NTC温度传感器，集成于IGBT模块。

步骤3中，结温修正函数通过以下方式获得：

在同一环境中放置2个相同的IGBT模块，其中一个IGBT模块拆开外封装，利用红外探测法获取芯片结温数据，另一个利用内部集成温度传感器测量温度；最后根据两组数据，函数拟合获得IGBT模块温度传感器测量温度与实际结温修正关系，即结温修正函数。

步骤4中，每个热循环中，结温均值和波动值的表达式如下：

ΔT_j＝|T_o-T_s| (2)

T_jm为结温均值，ΔT_j为结温波动值，T_o和T_s分别为热循环中的起始值和终止值。

步骤5中，元件寿命失效模型为Coffin-Manson模型、Norris-Landzberg模型或Bayerer模型。

步骤6具体为：

参考我国军用标准GJB/Z299C-2006，直流支撑电容C、串联电抗器L和控制底板DB的失效率计算模型表示为：

λ_C＝π_(C)bπ_CVπ_Qπ_E (3)

λ_L＝π_(L)bπ_Cπ_Qπ_E (4)

λ_DB＝π_(DB)bπ_Cπ_Qπ_E (5)

式中，π_b为基本失效率，π_CV为电容量系数，π_C为结构系数，π_Q为质量系数，π_E为环境系数。

步骤7具体为：

采用k/n(G)模型，可靠度及平均无故障工作时间MTTF计算模型如下：

式中：n表示PFC中有n个部件；k表示n个部件中至少有k个部件正常工作时，PFC正常工作；λ表示失效率。

本发明具有以下优点：

本发明中基于IGBT模块的物理失效机理，考虑牵引负荷特性的影响，将结温检测加入可靠性评估中，通过实时获取结温信息，评估牵引负荷特性所带来的影响，实时监测，提高可靠性评估的准确性。既为补偿变流器的安全运行提供保障，也为补偿变流器的可靠性评估提供了数据基础。同时本方法在结温测量时应用了IGBT内部集成的温度传感器，节约了监测成本。

附图说明

图1是补偿变流器结构示意图。

图2是补偿变流器可靠性在线监测方法流程示意图。

图3是IGBT模块内硅芯片及温度传感器位置示意图。

图4是雨流算法提取热循环示意图。

图5是IGBT模块中集成温度传感器实物图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

IGBT模块是补偿变流器的核心元件，根据元件的物理失效机理及寿命预测模型可知，IGBT模块结温是影响其寿命的关键因素。因此可以通过在线测量IGBT模块结温来计算补偿变流器的可靠性评估参数，实现其可靠性在线监测。

本发明涉及一种补偿变流器可靠性在线监测方法，

具体步骤如下：

步骤1、读入牵引变电站潮流控制器及组成元件的相关参数，所述元件包括IGBT模块，直流支撑电容，串联电抗器和控制底板。

相关参数包括：IGBT与FWD导通曲线的门限电压和门限电阻；额定电压电流下的热阻值；直流支撑电容C、串联电抗器L和控制底板DB的结构系数、质量系数、环境系数。

步骤2、利用温度传感器测量IGBT内某一点的温度；

补偿变流器所应用IGBT模块是智能化集成结构，内部集成有PTC或NTC-温度传感器，温度传感器位置如图3所示，根据传感器可获取参考点温度数据。

温度传感器为PTC或NTC温度传感器，集成于IGBT模块。温度传感器芯片集成在IGBT内，根据产品手册说明，温度传感器芯片一般被隔离焊在陶瓷基覆铜板(Ditectcopper bonding，DCB)上，在更高集成中，温度传感器使用贴片设计，与IGBT和FWD芯片焊在一起。

步骤3、通过结温修正函数，修正测量温度数据，计算IGBT的结温；

如图3所示，温度传感器所处位置与芯片不同，所得温度数据与结温有一定差距，因此需要通过修正函数获取准确结温数据。结温修正函数通过前期实验获取，具体方法如下：在同一环境中放置2个相同的IGBT模块，其中一个IGBT模块拆开外封装，利用红外探测法获取芯片结温数据，另一个利用内部集成温度传感器测量温度。最后根据两组数据，函数拟合获得IGBT模块温度传感器测量温度与实际结温修正关系。

步骤4、采用雨流算法处理结温数据，获取热循环及对应的平均结温均值和波动值。雨流算法提取热循环的示意图如图4所示，每个热循环中，结温均值和波动值的表达式如下：

ΔT_j＝|T_o-T_s| (2)

T_jm为结温均值，ΔT_j为结温波动值，T_o和T_s分别为热循环中的起始值和终止值。

步骤5、基于IGBT模块物理失效机理，应用元件寿命预测模型和线性损伤累计模型，计算IGBT模块失效率；常用的元件寿命失效模型有Coffin-Manson模型，Norris-Landzberg模型或Bayerer模型等。

以Coffin-Manson模型为例计算，模型可表示为：

式中，N_f为器件的失效周期数；△T_j为热循环周期中结温的波动值；T_jm为热循环周期中结温的平均值；A、α为常数；E_a为激活能量常数；k为玻尔兹曼常数。

线性损伤累计模型如下式：

式中，T为单位时间，N_i表示T内，对应T_jm和ΔT_j的功率循环的个数

步骤6、根据相关可靠性手册给出的元件可靠性评估参数，计算直流支撑电容，串联电抗器和控制底板的失效率；

参考我国军用标准GJB/Z299C-2006，直流支撑电容C，串联电抗器L和控制底板DB的失效率计算模型可表示为：

λ_C＝π_(C)bπ_CVπ_Qπ_E (5)

λ_L＝π_(L)bπ_Cπ_Qπ_E (6)

λ_DB＝π_(DB)bπ_Cπ_Qπ_E (7)

式中，π_b为基本失效率，π_CV为电容量系数，π_C为结构系数，π_Q为质量系数，π_E为环境系数。

步骤7、基于补偿变流器的拓扑结构，建立可靠性评估模型，根据元件失效率，计算相关可靠性指标，进行可靠性实时评估。

补偿变流器是多模块级联结构，并设有主动备用模块，因此可靠性分析方法采用k/n(G)模型，可靠度及平均无故障工作时间MTTF计算模型如下：

式中：n表示PFC中有n个部件；k表示n个部件中至少有k个部件正常工作时，PFC正常工作；λ表示失效率。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤1：读入牵引变电站补偿变流器及组成元件的相关参数，所述元件包括IGBT模块、直流支撑电容、串联电抗器和控制底板；

步骤2：利用温度传感器测量IGBT内某一参考点的温度；

步骤3：基于结温修正函数，修正测量温度数据，计算IGBT的结温；

步骤4：采用雨流算法处理结温数据，获取热循环及对应的平均结温均值和波动值；

步骤5：基于IGBT模块物理失效机理，应用元件寿命预测模型和线性损伤累计模型，计算IGBT模块失效率；

步骤6：基于相关可靠性手册给出的元件可靠性评估参数，计算直流支撑电容、串联电抗器和控制底板的失效率；

步骤7：建立补偿变流器可靠性评估模型，根据元件失效率，计算相关可靠性指标，进行可靠性实时评估。

2.根据权利要求1所述的补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

步骤1中，相关参数包括：IGBT与FWD导通曲线的门限电压和门限电阻；额定电压电流下的热阻值；直流支撑电容C、串联电抗器L和控制底板DB的结构系数、质量系数、环境系数。

3.根据权利要求1所述的补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

步骤2中，温度传感器为PTC或NTC温度传感器，集成于IGBT模块。

4.根据权利要求1所述的补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

步骤3中，结温修正函数通过以下方式获得：

在同一环境中放置2个相同的IGBT模块，其中一个IGBT模块拆开外封装，利用红外探测法获取芯片结温数据，另一个利用内部集成温度传感器测量温度；最后根据两组数据，函数拟合获得IGBT模块温度传感器测量温度与实际结温修正关系，即结温修正函数。

5.根据权利要求1所述的补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

步骤4中，每个热循环中，结温均值和波动值的表达式如下：

ΔT_j＝|T_o-T_s| (2)

T_jm为结温均值，ΔT_j为结温波动值，T_o和T_s分别为热循环中的起始值和终止值。

6.根据权利要求1所述的补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

步骤5中，元件寿命失效模型为Coffin-Manson模型、Norris-Landzberg模型或Bayerer模型。

7.根据权利要求1所述的补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

步骤6具体为：

参考我国军用标准GJB/Z299C-2006，直流支撑电容C、串联电抗器L和控制底板DB的失效率计算模型表示为：

λ_C＝π_(C)bπ_CVπ_Qπ_E (3)

λ_L＝π_(L)bπ_Cπ_Qπ_E (4)

λ_DB＝π_(DB)bπ_Cπ_Qπ_E (5)

式中，π_b为基本失效率，π_CV为电容量系数，π_C为结构系数，π_Q为质量系数，π_E为环境系数。

8.根据权利要求1所述的补偿变流器可靠性在线监测方法，其特征在于：

步骤7具体为：

采用k/n(G)模型，可靠度及平均无故障工作时间MTTF计算模型如下：

式中：n表示PFC中有n个部件；k表示n个部件中至少有k个部件正常工作时，PFC正常工作；λ表示失效率。