基于输入电流的地铁整流机组二极管开路故障的诊断方法

摘要

一种基于输入电流的地铁整流机组二极管开路故障的诊断方法，其步骤主要为：对整流机组四个整流桥网侧输入三相交流电流进行实时采集，得到4个整流桥网侧输入的三相交流电流信号；求取当前采样时刻所在交流工频周期时间内各交流电流信号绝对值的最大值；对当前采样时刻所在的工频周期内的各采样电流信号进行归一化处理，并进行累加求和，计算得到12个输入交流电流信号的归一化和值；如连续5个周期的交流电流信号归一化和值均超过正阈值Sup或负阈值Sdown，则判定对应的整流桥对应相的下桥臂或上桥臂二极管发生开路故障；本发明能检测出二极管的开路故障，并实现故障二极管的定位，便于及时进行维修，有效的避免损失扩大和事故的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于输入电流的地铁整流机组二极管开路故障的诊断方法

背景技术

我国城市地铁轨道交通的牵引整流变电站大多采用等效24脉波整流方式对地铁车辆进行直流供电。其工作的可靠性和安全性直接影响地铁运行的可靠性和安全性。在运行过程中能够及时检测到地铁整流机组的异常并采取相应的措施将会显著提高整个系统的安全可靠运行水平。

在地铁整流机组的故障中，对于二极管的短路故障有较好的保护方案：每个整流二极管串联一个快速熔断器,当二极管失去单向导通性能即短路时,此时流经熔断器的功率增大一倍以上，熔断器熔断以保护二极管,并将短路故障转化为开路故障。如二极管的开路故障不能够及时发现并采取措施，整流电路仍然工作，这种带病工作会导致整流波形发生严重畸变，使负载不能正常运行，同时也加大了对电网的谐波干扰。目前针对地铁整流机组的二极管开路故障，也有一些方法被提出来，但只能判断故障发生与否，无法实现故障二极管定位，而后续维修仅仅依靠人工查找或维修人员的经验去定位故障，导致故障不能快速、有效排除，无法及时有效地避免损失的扩大和事故的发生，降低了地铁运行的效率和效益。

发明内容

为了克服现有二极管开路故障诊断方法的不足，本发明提出一种基于输入电流的地铁整流机组二极管开路故障的诊断方法，该方法能判断出二极管是否发生开路故障，并实现故障二极管的定位，以便于及时进行维修，有效的避免损失的扩大和事故的发生，提高地铁运行的效率和效益。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：1、基于输入电流的地铁整流机组二极管开路故障的诊断方法，其步骤如下：

A、分别对地铁整流机组的四个整流桥的输入三相交流电流进行实时采集，采样频率为48kHz，得到各交流电流信号i_xn(t)；其中，t表示采样时刻，下标x为a、b或c，分别表示交流电的A相、B相或C相，下标n为整流桥的序号、取值分别为1、2、3或4，分别表示第一个、第二个、第三个或第四个整流桥，即：

第一个整流桥输入的A相、B相、C相的交流电流信号分别为i_a1(t)、i_b1(t)、i_c1(t)；

第二个整流桥输入的A相、B相、C相的交流电流信号分别为i_a2(t)、i_b2(t)、i_c2(t)；

第三个整流桥输入的A相、B相、C相的交流电流信号分别为i_a3(t)、i_b3(t)、i_c3(t)；

第四个整流桥输入的A相、B相、C相的交流电流信号分别为i_a4(t)、i_b4(t)、i_c4(t)；

B、求取当前采样时刻t₀所在的交流工频周期，也即当前交流工频周期内的各交流电流信号i_xn(t)的绝对值的最大值I_xn(t₀)：

I_xn(t₀)＝max{|i_xn(t₀-T)|,|i_xn(t₀-T+Δt)|,|i_xn(t₀-T+2Δt)|...|i_xn(t₀)|}

T为交流工频周期、其值为0.02s，Δt为信号采样周期、其值为1/48000s，max(●)表示求最大值运算，|●|表示求绝对值运算。

C、对当前交流工频周期内的各交流电流信号i_xn(t)进行归一化处理并进行累加求和，得到当前交流工频周期内各交流电流信号的归一化和值S_xn(t₀)：

D、将C步得到的当前交流工频周期内各交流电流信号的归一化和值S_xn(t₀)与设定的二极管开路故障判定的正阈值S_up、负阈值S_down进行比较：

若当n＝n’、x＝x’时，当前交流工频周期内的交流电流信号的归一化和值S_xn(t₀)和前四个采样时刻所在的交流工频周期内的交流电流信号的归一化和值S_x’n’(t₀-4Δt)、S_x’n’(t₀-3Δt)、S_x’n’(t-2Δt)、S_x’n’(t-Δt)均大于正阈值S_up，则判定该与第n’个整流桥的x’相连接的下桥臂二极管发生开路故障；

若当n＝n’、x＝x’时，当前交流工频周期内的交流电流信号的归一化和值S_xn(t₀)和前四个采样时刻所在的交流工频周期内的交流电流信号的归一化和值S_x’n’(t₀-4Δt)、S_x’n’(t₀-3Δt)、S_x’n’(t-2Δt)、S_x’n’(t-Δt)均小于负阈值S_down，则判定与第n’个整流桥的x’相连接的上桥臂二极管发生开路故障。

本发明的原理为：

正常运行时，地铁整流机组输入的单相电流在一个交流周期内正向，反向各导通两次，中间间隔1/6周期时长，一个交流周期内的电流平均值为零。而当整流器二极管发生开路故障时会造成故障所在相的相应电流波头消失，当上桥臂二极管发生开路故障时，故障相电流只有负半周，一个交流周期内电流的平均值不为零变为负值；当下桥臂二极管发生开路故障时，故障相电流只有正半周，一个交流周期内电流的平均值不为零，变为正值。从而当特定整流桥的特定相一个交流周期内电流的和值平为正时，认为该相的下桥臂二极管发生开路故障，当特定整流桥的特定相一个交流周期内电流的和值平为负时，认为该相的上桥臂二极管发生开路故障。同时，故障桥非故障相电流也会出现一个波头消失；其余桥会有一相相电流两个波头幅值显著增加，另两相相电流也会有一个波头幅值显著增加，导致其平均值不为零，但变化量小于故障相。因此，采用连续5个采样时刻所在的交流周期均为负或均为正，且超过设定的阈值，可以避免误判。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能不仅能判定出地铁整流机组是否发生发生了二极管开路故障，并且能直接诊断出是哪个二极管发生了开路故障，实现了故障二极管的定位。以便于及时进行维修，有效的避免损失的扩大和事故的发生，提高地铁运行的效率和效益。

进一步，本发明的信号采样周期Δt为1/48000s，正阈值S_up为150、负阈值S_do_wn为-150。

这样的采样周期能保证采样精确，记录的波形与原始波形接近；在该采样周期下，正阈值S_up为150、负阈值S_do_wn为-150，既能使诊断有足够的灵敏度，减少漏珍，也能保证诊断的准确性高，避免误珍。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是，1、基于输入电流的地铁整流机组二极管开路故障的诊断方法，其步骤如下：

A、分别对地铁整流机组的四个整流桥的输入三相交流电流进行实时采集，采样频率为48kHz，得到各交流电流信号i_xn(t)；其中，t表示采样时刻，下标x为a、b或c，分别表示交流电的A相、B相或C相，下标n为整流桥的序号、取值分别为1、2、3或4，分别表示第一个、第二个、第三个或第四个整流桥，即：

第一个整流桥输入的A相、B相、C相的交流电流信号分别为i_a1(t)、i_b1(t)、i_c1(t)；

第二个整流桥输入的A相、B相、C相的交流电流信号分别为i_a2(t)、i_b2(t)、i_c2(t)；

第三个整流桥输入的A相、B相、C相的交流电流信号分别为i_a3(t)、i_b3(t)、i_c3(t)；

第四个整流桥输入的A相、B相、C相的交流电流信号分别为i_a4(t)、i_b4(t)、i_c4(t)；

B、求取当前采样时刻t₀所在的交流工频周期，也即当前交流工频周期内的各交流电流信号i_xn(t)的绝对值的最大值I_xn(t₀)：

I_xn(t₀)＝max{|i_xn(t₀-T)|,|i_xn(t₀-T+Δt)|,|i_xn(t₀-T+2Δt)|...|i_xn(t₀)|}

T为交流工频周期、其值为0.02s，Δt为信号采样周期、其值为1/48000s，max(●)表示求最大值运算，|●|表示求绝对值运算。

C、对当前交流工频周期内的各交流电流信号i_xn(t)进行归一化处理并进行累加求和，得到当前交流工频周期内各交流电流信号的归一化和值S_xn(t₀)：

D、将C步得到的当前交流工频周期内各交流电流信号的归一化和值S_xn(t₀)与设定的二极管开路故障判定的正阈值S_up、负阈值S_down进行比较：

若当n＝n’、x＝x’时，当前交流工频周期内的交流电流信号的归一化和值S_xn(t₀)和前四个采样时刻所在的交流工频周期内的交流电流信号的归一化和值S_x’n’(t₀-4Δt)、S_x’n’(t₀-3Δt)、S_x’n’(t-2Δt)、S_x’n’(t-Δt)均大于正阈值S_up，则判定该与第n’个整流桥的x’相连接的下桥臂二极管发生开路故障；

若当n＝n’、x＝x’时，当前交流工频周期内的交流电流信号的归一化和值S_xn(t₀)和前四个采样时刻所在的交流工频周期内的交流电流信号的归一化和值S_x’n’(t₀-4Δt)、S_x’n’(t₀-3Δt)、S_x’n’(t-2Δt)、S_x’n’(t-Δt)均小于负阈值S_down，则判定与第n’个整流桥的x’相连接的上桥臂二极管发生开路故障。

本例的信号采样周期Δt为1/48000s，正阈值S_up为150、负阈值S_down为-150。

仿真实验

为验证本发明方法的有效性，进行以下仿真实验。

利用MATLAB/Simulink软件整流机组模型，电源为33kV，经变压器降为1180V连接4个三相整流桥，最终输出1500V直流电。变压器原边接采用三角形接法实现±7.5°的移相，次边分别采用星接和三角形连接实现30°的移相。

在额定负载2200kW时，利用断路器设置第一个整流器A相上桥臂二极管开路故障，对整流器输入的交流电流信号进行实时采集。并用以上本例方法进行诊断：

当前采样时刻t₀＝0.2461s时及其前四个采样时刻所在的交流工频周期内的第一个整流桥(n＝1)的A相交流电流信号(x＝a)的归一化和值S_a1(t₀)、S_a1(t₀-Δt)、S_a1(t₀-2Δt)、S_a1(t₀-3Δt)、S_a1(t₀-4Δt)，依次为-153.780、-153.009、-152.226、-151.430、-150.622，均小于负阈值S_down＝-150，故判定与第一个整流桥的A相连接的上桥臂二极管发生开路故障。诊断出的故障二极管位置与设置的故障二极管位置一致。

同时，算出的其余11个交流电流信号对应的和值S_xn(t)均处于二极管开路故障判定阈值S_up与S_down之间，不会造成误判。

以上实验证明，本发明能检测出任意一个二极管发生开路故障的情况，并实现故障二极管的定位。