CN110927628B - 机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法及装置，包括根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和原边电压计算机车牵引变压器的正常原边电流；根据机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算机车牵引变压器仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流；根据正常原边电流和短路原边电流计算机车牵引变压器的原边电流门槛；根据原边电流门槛判断机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路。本发明使得设置的原边电流门槛更加合理化，提高了工作精度，能有效保证诊断功能实现的可靠性，满足低漏报率和误报率的性能要求。

Description

机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法和装置

技术领域

本发明涉及机车牵引变压器检测领域，具体基于总负载功率与机车牵引变压器输入端网侧电功率的差异，提出了一种新的机车牵引变压器次边短路诊断方法和装置。

背景技术

机车牵引变压器是交流电力机车上的一个重要部件，用于将接触网上取得的高电压转换为可提供给牵引电机等负载的低电压，其工作原理与普通的电力变压器相同。具体地，在交流供电的机车中，就需要利用机车牵引变压器将高压转换成牵引传动控制系统可用的低压。设计人员为了防止牵引变压器内部出现故障或短路等情况，而对牵引变压器造成实际的损害，设计人员往往会在牵引传动控制系统中设计相应的检测或保护功能，其中牵引变压器次边绕组短路的检测功能就是其中一个。

现有的机车牵引变压器次边短路诊断方法通常是根据控制机车牵引变压器通断的主断路器闭合0.5S内机车牵引变压器的原边电流大小来判断的，然而现有设置的保护门槛值相对随意，其未有进行充分理论计算，仅为根据经验总结的数值，因此现有的诊断方法误报率较高，从而使得机车的工作效率偏低。

因此，亟需一种严谨的机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的机车牵引变压器次边短路诊断方法误报率较高，会对机车的正常工作产生一定的影响。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法，包括：

根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和原边电压计算所述机车牵引变压器的正常原边电流；

根据所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算所述机车牵引变压器次边仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流；

根据所述正常原边电流和所述短路原边电流计算所述机车牵引变压器的原边电流门槛；

根据所述原边电流门槛判断所述机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路。

优选的是，在根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和原边电压计算所述机车牵引变压器的正常原边电流步骤中：

所述正常原边电流等于所述机车牵引变压器正常工作时的总负载功率与所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压的比值。

优选的是，根据所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算所述机车牵引变压器仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流步骤包括：

根据如下表达式计算所述短路原边电流：

其中，I₂为所述短路原边电流，U_p为所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压，L为所述机车牵引变压器次边漏感感抗，K_T为所述机车牵引变压器变比，n₁为短路绕组个数，f为网压频率。

优选的是，根据所述正常原边电流和所述短路原边电流计算所述机车牵引变压器的原边电流门槛步骤包括：

根据所述原边电流门槛等于所述正常原边电流和预设倍数的所述短路原边电流之和，计算所述原边电流门槛，其中所述预设倍数为小于1的实数。

优选的是，根据所述原边电流门槛判断所述机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路步骤包括：

判断涉及所述原边电流门槛的预设条件是否成立，如果不成立则判断所述机车牵引变压器的次边绕组未发生短路故障；

如果成立则判断所述预设条件单次成立时间是否超过预设时间，若是则判断所述机车牵引变压器的次边绕组发生短路故障，否则判断所述机车牵引变压器的次边绕组未发生短路故障。

优选的是，所述预设条件包括：

第一条件：所述机车牵引变压器实际原边电流大于所述原边电流门槛；以及

第二条件：控制所述机车牵引变压器通断的主断路器闭合时长超过0.5s。

本发明还提供了一种机车牵引变压器次边绕组短路诊断装置，包括所述短路原边电流计算模块以及分别与所述短路原边电流计算模块连接的正常原边电流计算模块、短路原边电流计算模块、次边绕组短路判断模块；

所述正常原边电流计算模块，用于根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和原边电压计算所述机车牵引变压器的正常原边电流；

所述短路原边电流计算模块，用于根据所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算所述机车牵引变压器仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流；

所述原边电流门槛计算模块，用于根据所述正常原边电流和所述短路原边电流计算所述机车牵引变压器的原边电流门槛；

所述次边绕组短路判断模块，用于根据所述原边电流门槛判断所述机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路。

优选的是，所述正常原边电流等于所述机车牵引变压器正常工作时的总负载功率与所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压的比值。

优选的是，所述短路原边电流根据如下表达式计算：

其中，I₂为所述短路原边电流，U_p为所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压，L为所述机车牵引变压器次边漏感感抗，K_T为所述机车牵引变压器变比，n₁为短路绕组个数，f为网压频率。

优选的是，所述原边电流门槛等于所述正常原边电流和预设倍数的所述短路原边电流之和，其中所述预设倍数为小于1的实数。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

应用本发明实施例提供的机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法，根据正常原边电流和短路原边电流计算机车牵引变压器原边电流门槛，使得设置的原边电流门槛更加合理化，提高了机车牵引变压器次边绕组短路时电流的诊断精度，同时很可以好的保证诊断功能实现的可靠性，满足低漏报率和误报率的性能要求。进一步地，本发明根据总负载功率与机车牵引变压器输入端网侧电功率的差异性进行理论计算，可有效诊地断出机车牵引变压器次边短路故障，提高了故障诊断的准确性和机车可用性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例二机车牵引变压器次边绕组短路诊断装置的结构示意图；

图3示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0071电力机车现场运用过程中发生牵引变压器次边短路故障样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的I、Ⅱ架原边电流图；

图4示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0071电力机车现场运用过程中发生牵引变压器次边短路故障样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的电机实际功率图一；

图5示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0071电力机车现场运用过程中发生牵引变压器次边短路故障样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的电机实际功率图二；

图6示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0071电力机车现场运用过程中发生牵引变压器次边短路故障样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的故障标志图；

图7示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0010电力机车现场运用过程中正常运行样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的I、Ⅱ架原边电流图；

图8示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0010电力机车现场运用过程中正常运行样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的电机实际功率图一；

图9示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0010电力机车现场运用过程中正常运行样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的电机实际功率图二；

图10示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0010电力机车现场运用过程中正常运行样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的故障标志图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

机车牵引变压器安装在交流电力机车上时，用于将接触网上取得的高电压转换为可提供给牵引电机等负载的低电压。为了延长机车牵引变压器寿命，提高机车工作效率，设计人员通常会在牵引传动控制系统中设计相应的检测或保护功，其中包括就包括牵引变压器次边绕组短路的检测功能。然而现有的机车牵引变压器次边短路诊断方法通常是根据控制机车牵引变压器通断的主断路器闭合0.5S内机车牵引变压器的原边电流大小来判断的，保护门槛值的设置相对随意，使得诊断方法误报率较高，大大降低了机车的工作效率。

实施例一

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法。

图1示出了本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法的流程示意图；参考图1，本实施例机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法包括如下步骤。

步骤S101，根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算机车牵引变压器的正常原边电流。

具体地，机车牵引变压器的工作原理与常规变压器工作原理相同，均具有原边和次边，具体机车牵引变压器用于将原边输入的高电压转换为可为负载提供电量的低电压。更进一步地，通常情况下机车牵引变压器原边输入端与供电网连接，供电网为机车牵引变压器提供正常工作电量。且机车牵引变压器在正常工作时是由一个控制开关控制其通断。优选地，控制开关为主断路器，机车牵引变压器原边输入端可通过主断路器与供电网连接。机车牵引变压器的次边通常通过整流、滤波、变流等与负载连接。

在计算正常原边电流时，具体将机车牵引变压器正常工作时的总负载功率等效于机车牵引变压器正常工作时原边功率，根据机车牵引变压器正常工作时正常原边电流等于机车牵引变压器原边功率和原边电压的比值，计算机车牵引变压器正常工作时的正常原边电流值。

需要说明的是，主断路器的连接位置不限于机车牵引变压器和供电网之间，还可设置与其它合理位置。

步骤S102，根据机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算机车牵引变压器仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流。

具体地，机车牵引变压器次边可具有多个绕组，每个绕组匝数均相同且每个绕组均可连接负载。通常情况下机车牵引变压器次边负载均为牵引电机。由于机车牵引变压器的次边绕组短路数量越多，机车牵引变压器原边电流就越大，因此一个绕组发生短路时的原边电流即为机车牵引变压器次边发生短路情况下原边的最小电流。进一步地，随机选取机车牵引变压器次边绕组中的一个为样本，根据如下表达式计算短路原边电流：

其中，I₂为短路原边电流，U_p为机车牵引变压器正常工作时的原边电压，L为机车牵引变压器次边漏感感抗，K_T为机车牵引变压器变比，n₁为短路绕组个数，f为网压频率。

需要说明的是，在计算短路原边电流时，选定一个机车牵引变压器次边绕组为样本后，假定机车牵引变压器次边的其它绕组均不工作状态。

步骤S103，根据正常原边电流和短路原边电流计算机车牵引变压器的原边电流门槛。

具体地，本申请主要是根据机车牵引变压器总负载功率与机车牵引变压器输入端网侧电功率的差异性进行理论计算，更进一步主要是根据计算所得的正常原边电流和短路原边电流来计算的机车牵引变压器原边电流门槛。优选地，将机车牵引变压器次边单个绕组短路时的工作情况等效于机车牵引变压器以原边电流门槛电流大小工作时的工作情况；更进一地，将机车牵引变压器次边单个绕组短路、单个绕组正常工作时的工作情况等效于机车牵引变压器以原边电流门槛电流大小工作时的工作情况，并结合大量参考现场运用数据计算原边电流门槛；更进一步地，原边电流门槛等于正常原边电流和预设倍数的短路原边电流之和。优选地，预设倍数为0.8，预设倍数的数值为本申请人经过大量参考现场运用数据得来的。

上述计算原边电流门槛的方式可用如下表达式表示：

Ip_th＝Ip_m+0.8*Ip_lb

其中，Ip_th为原边电流门槛，Ip_m为正常原边电流，Ip_lb为短路原边电流。

步骤S104，根据原边电流门槛判断机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路。

该步骤具体包括如下子步骤：

子步骤S301，判断预设条件是否成立，若是则进行下一步，否则判断机车牵引变压器的次边绕组未发生短路故障。

具体地，将机车牵引变压器的实际原边电流与原边电流门槛进行比较，来判断机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路故障。更进一步地，结合机车牵引变压器的实际原边电流判断预设条件是否成立，其中预设条件包括：第一条件：机车牵引变压器实际原边电流大于原边电流门槛；第二条件：控制机车牵引变压器通断的主断路器闭合时长超过0.5s。若预设条件中的第一条件和第二条件同时成立则进行步骤S302步中的判断，若预设条件中的第一条件、第二条件或两条均不成立，则判断机车牵引变压器的次边绕组未发生短路故障。

步骤S302，判断预设条件单次成立时间是否超过预设时间；若是则判断机车牵引变压器的次边绕组发生短路故障，否则判断机车牵引变压器的次边绕组未发生短路故障。

具体地，判断预设条件单次成立时间是否超过预设时间。优选地，预设时间为1s。由于控制机车牵引变压器通断的主断路器在刚刚闭合时，机车牵引变流器中的电流突变，电路中的电流会存在上下波动，该波动可能会影响机车牵引变压器的次边绕组的判断结果，因此为了避免该种事情发生，设定在控制机车牵引变压器通断的主断路器闭合时长超过0.5s后，再判断主断路器闭合时长超过预设时间，才能很好地保证机车牵引变压器的次边绕组的判断结果不被主断路器引起的电流突变所影响。同时也为了避免机车牵引变压器的实际原边电流由其它原因引起的电流突变，对机车牵引变压器的次边绕组的判断结果产生影响，设定机车牵引变压器实际原边电流大于原边电流门槛的时间持续预设时间。因此，在判断预设条件中的第一条件和第二条件单次成立时间超过预设时间时，则判断机车牵引变压器的次边绕组发生短路故障；否则判断机车牵引变压器的次边绕组未发生短路故障。

为了更进一步的说明本发明机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法的准确度，以下分别利用本申请机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法对HX系列电力机车现场运用过程中发生机车牵引变压器次边短路故障样本的数据进行Matlab仿真验证。

图3-图6分别示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0071电力机车现场运用过程中发生机车牵引变压器次边短路故障样本的数据分进行Matlab仿真验证示意图中的I、Ⅱ架原边电流图、电机实际功率图一、电机实际功率图二和故障标志图。图7-图10分别示出了利用本发明实施例一机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法在基于HXD1D-0010电力机车现场运用过程中正常运行样本的数据分析进行Matlab仿真验证示意图中的I、Ⅱ架原边电流图、电机实际功率图一、电机实际功率图二和故障标志图。

参考图3-图6仿真效果波形图可以看出，发生单个或者两个次边绕组短路故障时刻，按照本发明机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法可知，真实故障的机车牵引变压器次边绕组高压侧原边电流大于理论计算设置的短路门槛值，因此是可以准确诊断出次边绕组短路故障，诊断结果也可以看出是高电平。

参考图7-图10仿真效果波形图可以看出，机车正常运行时刻，在大功率牵引时，原边电流未出现误诊断情况。其中诊断方法中的公共值可根据牵引变压器主回路元部件参数计算得出。

应用本发明实施例提供的机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法，根据正常原边电流和短路原边电流计算机车牵引变压器原边电流门槛，使得设置的原边电流门槛更加合理化，提高了机车牵引变压器次边绕组短路时电流的诊断精度，同时很可以好的保证诊断功能实现的可靠性，满足低漏报率和误报率的性能要求。进一步地，本发明根据总负载功率与机车牵引变压器输入端网侧电功率的差异性进行理论计算，可有效诊地断出机车牵引变压器次边短路故障，提高了故障诊断的准确性和机车可用性。

实施例二

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种机车牵引变压器次边绕组短路诊断装置。

图2示出了本发明实施例二机车牵引变压器次边绕组短路诊断装置的结构示意图；参考图2，本发明机车牵引变压器次边绕组短路诊断装置包括短路原边电流计算模块、正常原边电流计算模块、次边绕组短路判断模块和原边电流门槛计算模块。短路原边电流计算模块分别与正常原边电流计算模块、次边绕组短路判断模块和原边电流门槛计算模块连接。

正常原边电流计算模块用于根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和原边电压计算机车牵引变压器的正常原边电流；正常原边电流等于机车牵引变压器正常工作时的总负载功率与机车牵引变压器正常工作时的原边电压的比值。

短路原边电流计算模块用于根据机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算机车牵引变压器仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流；其中，在短路原边电流计算模块中短路原边电流计算原理根据如下表达式计算：

其中，I₂为所述短路原边电流，U_p为机车牵引变压器正常工作时的原边电压，L为机车牵引变压器次边漏感感抗，K_T为机车牵引变压器变比，n₁为短路绕组个数，f为网压频率。

原边电流门槛计算模块用于根据正常原边电流和短路原边电流计算机车牵引变压器的原边电流门槛；在原边电流门槛计算模块中原边电流门槛等于正常原边电流和预设倍数的短路原边电流之和。

次边绕组短路判断模块用于根据原边电流门槛判断机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路。

需要说明的是，短路原边电流计算模块、正常原边电流计算模块、次边绕组短路判断模块和原边电流门槛计算模块的具体工作过程分别与实施例一中步骤S101、步骤S102、步骤S103和步骤S104中的具体工作方式相同，在此不在详细赘述。

应用本发明实施例提供的机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法，根据正常原边电流和短路原边电流计算机车牵引变压器原边电流门槛，使得设置的原边电流门槛更加合理化，提高了机车牵引变压器次边绕组短路时电流的诊断精度，同时很可以好的保证诊断功能实现的可靠性，满足低漏报率和误报率的性能要求。进一步地，本发明根据总负载功率与机车牵引变压器输入端网侧电功率的差异性进行理论计算，可有效诊地断出机车牵引变压器次边短路故障，提高了故障诊断的准确性和机车可用性。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种机车牵引变压器次边绕组短路诊断方法，包括：

根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和原边电压计算所述机车牵引变压器的正常原边电流；

根据所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算所述机车牵引变压器次边仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流；

根据所述正常原边电流和所述短路原边电流计算所述机车牵引变压器的原边电流门槛；

根据所述原边电流门槛判断所述机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路。

2.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，在根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和原边电压计算所述机车牵引变压器的正常原边电流步骤中：

所述正常原边电流等于所述机车牵引变压器正常工作时的总负载功率与所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压的比值。

3.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，根据所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算所述机车牵引变压器仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流步骤包括：

根据如下表达式计算所述短路原边电流：

其中，I₂为所述短路原边电流，U_p为所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压，L为所述机车牵引变压器次边漏感感抗，K_T为所述机车牵引变压器变比，n₁为短路绕组个数，f为网压频率。

4.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，根据所述正常原边电流和所述短路原边电流计算所述机车牵引变压器的原边电流门槛步骤包括：

根据所述原边电流门槛等于所述正常原边电流和预设倍数的所述短路原边电流之和，计算所述原边电流门槛，其中所述预设倍数为小于1的实数。

5.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，根据所述原边电流门槛判断所述机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路步骤包括：

判断涉及所述原边电流门槛的预设条件是否成立，如果不成立则判断所述机车牵引变压器的次边绕组未发生短路故障；

如果成立则判断所述预设条件单次成立时间是否超过预设时间，若是则判断所述机车牵引变压器的次边绕组发生短路故障，否则判断所述机车牵引变压器的次边绕组未发生短路故障。

6.根据权利要求5所述的诊断方法，其特征在于，所述预设条件包括：

第一条件：所述机车牵引变压器实际原边电流大于所述原边电流门槛；以及

第二条件：控制所述机车牵引变压器通断的主断路器闭合时长超过0.5s。

7.一种机车牵引变压器次边绕组短路诊断装置，其特征在于，包括短路原边电流计算模块以及分别与所述短路原边电流计算模块连接的正常原边电流计算模块、原边电流门槛计算模块、次边绕组短路判断模块；

所述正常原边电流计算模块，用于根据机车牵引变压器正常工作时的总负载功率和原边电压计算所述机车牵引变压器的正常原边电流；

所述短路原边电流计算模块，用于根据所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压计算所述机车牵引变压器仅单个绕组工作且短路时的短路原边电流；

所述原边电流门槛计算模块，用于根据所述正常原边电流和所述短路原边电流计算所述机车牵引变压器的原边电流门槛；

所述次边绕组短路判断模块，用于根据所述原边电流门槛判断所述机车牵引变压器的次边绕组是否发生短路。

8.根据权利要求7所述的诊断装置，其特征在于，所述正常原边电流等于所述机车牵引变压器正常工作时的总负载功率与所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压的比值。

9.根据权利要求7所述的诊断装置，其特征在于，所述短路原边电流根据如下表达式计算：

其中，I₂为所述短路原边电流，U_p为所述机车牵引变压器正常工作时的原边电压，L为所述机车牵引变压器次边漏感感抗，K_T为所述机车牵引变压器变比，n₁为短路绕组个数，f为网压频率。

10.根据权利要求7所述的诊断装置，其特征在于，所述原边电流门槛等于所述正常原边电流和预设倍数的所述短路原边电流之和，其中所述预设倍数为小于1的实数。

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