基于波形特征的地铁整流机组二极管开路故障的诊断方法

摘要

一种基于波形特征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：A、分别对整流机组输出电压和4个整流桥A相输入电流进行实时采集；B、进行归一化处理，得到归一化输出电压：C、求出在采样时刻t到t‑T+1时刻内归一化电压信号的极小值集合；D、当极小值集合内相邻两个极小值差的绝对值大于0.1时，判定故障发生；E、将A相输入电流与设定的正阈值、负阈值比较，确定故障二极管所在的整流桥；F、根据不同位置二极管导通时对应的A相输入电流波形，确定出故障二极管具体位置。本发明快速有效地实现了二极管开路故障的识别与定位，降低了诊断成本，有利于及时进行维修，更有效的避免损失的扩大和事故的发生。

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

地铁整流机组是牵引供电系统的核心设备，其工作性能和运行可靠性直接关乎整个系统的运营情况。为了减少整流变电站的网侧谐波电流对城市电网的影响，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，即：两台轴向分裂式牵引变压器和四组全波不控整流桥组成。每台变压器原边采用延边三角形接法实现±7.5°的移相，副边两套绕组分别采用星接和三角接接法，使其线电压相向量差30°的相位。这样形成两台变压器的四套阀侧绕组的线电压向量互差15°相位，分别经全波整流后，在直流侧并联运行，输出24脉波直流电压供沿线列车运行所需。其优点是整流变电站的网侧谐波电流小，输出直流电的供电质量高，但随之而来的是设备所需要的二极管至少为4×6＝24个，如此多的二极管导致事故发生率高且事故发生后较难诊断。二极管的故障有开路故障和短路故障两种情况。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,当二极管短路，失去单向导通性能时,回路中将产生短路电流,此时由二极管熔丝熔断来保护二极管,并将短路故障转化为开路故障。而对于二极管开路故障也需要能够及时发现并采取措施。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。所以需要快速实现故障诊断、定位和排除，有效地避免损失的扩大和事故的发生。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于波形特征的地铁整流机组二极管开路故障的诊断方法，该方法能判断出地铁整流机组的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：一种基于波形特征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输出电压和地铁整流机组的四个整流桥网侧A相输入电流进行实时采集，采样频率为48kHz，得到地铁整流机组的输出电压信号u(t)和整流桥A相输入电流信号i_n(t)，其中，t表示采样时刻，下标n为整流桥的序号、取值为1、2、3或4，分别表示1号、2号、3号或4号整流桥；

B、将输出电压信号u(t)在采样时刻t到t-T+1时刻的值u(t),u(t-1)...,u(t-T+1)构成采样时刻t的输出电压集合U(t)，U(t)＝[u(t),u(t-1)...,u(t-T+1)]，其中T代表一个交流工频周期即0.02s内的采样点数，取值为960；

对采样时刻t的输出电压信号u(t)进行归一化处理，得到采样时刻t的归一化输出电压u'(t)：

其中，u_max为采样时刻t的输出电压集合U(t)中的元素的最大值，u_min为采样时刻t的输出电压集合U(t)中的元素的最小值；

C、将归一化输出电压u'(t)在采样时刻t到t-T+1时刻的值u'(t),u'(t-1)...,u'(t-T+1)形成采样时刻t的归一化输出电压曲线U'(t)，求出采样时刻t的归一化输出电压曲线U'(t)的所有极小值，得到采样时刻t的归一化电压信号u'(t)的极小值集合minV(t)；

D、采样时刻t的归一化电压信号u'(t)的极小值集合minV(t)中，如相邻两个极小值的差的绝对值小于等于0.1，执行A步的操作；否则，令此时的采样时刻t＝t₀，执行E步的操作；

E、执行A步的操作，随即进行如下的操作：

令n＝n'，如n'号整流桥A相输入电流信号，在时刻t₀到t₀-T/3+1时刻的值i_n'(t₀),i_n'(t₀+1)...,i_n'(t₀+T/3+1)，均大于设定的导通负阈值，也均小于设定的导通正阈值；则判定在时刻t₀第n'号整流桥有二极管发生开路故障，执行F步的操作；否则，执行A步的操作；

F、若n'＝1，则将3号整流桥A相输入电流信号i₃(t)在时刻t₀+T/24到t₀+9T/24+1的值i₃(t₀+T/24),i₃(t₀+T/24+1)...,i₃(t₀+9T/24+1)形成的曲线，作为二极管位置判断波形；

若n'＝2，则将3号整流桥A相输入电流信号i₃(t)在时刻t₀-T/24到t₀+7T/24+1的值i₃(t₀-T/24),i₃(t₀-T/24+1)...,i₃(t₀+7T/24+1)形成的曲线，作为二极管位置判断波形；

若n'＝3，则将1号整流桥A相输入电流信号i₁(t)在时刻t₀-T/24到t₀+7T/24+1的值i₁(t₀-T/24),i₁(t₀-T/24+1)...,i₁(t₀+7T/24+1)形成的曲线，作为二极管位置判断波形；

若n'＝4，则将2号整流桥A相输入电流信号i₂(t)在时刻t₀-T/24到t₀+7T/24+1的值i₂(t₀-T/24),i₂(t₀-T/24+1)...,i₂(t₀+7T/24+1)形成的曲线，作为二极管位置判断波形；

G、根据F步骤中得到的二极管位置判断波形的特征，按下表的对应关系：

得出故障二极管在n'号整流桥中的具体位置。

本发明的原理为：

正常运行时，地铁整流机组输出的电流波形在一个工频交流周期内脉动4次，输入的单相电流在一个工频交流周期内正向，反向各导通两次。当发生二极管开路故障时会造成故障二极管工作时间段内整流机组输出电压幅值下降，其所在整流桥输入电流波头消失的现象，其余整流桥发生输入电流波形畸变现象。从而根据输出电压幅值下降的时间来确定故障发生时间，再找出故障时间段内输入电流波头消失的整流桥即为发生开路故障的二极管所在的整流桥。

同时，在正常运行时，四个整流桥A相输入电流波形完全相同，仅在时间轴上发生平移；进一步而言，每个整流桥内不同位置二极管导通时的A相输入电流波形不同，而不同整流桥内相同位置二极管导通时的A相输入电流波形相同，仅在时间轴上发生平移。当发生二极管开路故障时，与故障整流桥不处于同一12脉波整流机组的整流桥波形畸变情况较轻，其上各位置的二极管导通时的波形特征与正常运行时相同。通过对畸变情况较轻的整流桥A相输入电流波形的平移，可以获得故障二极管工作时段内的期望波形，也即二极管位置判断波形，通过二极管位置判断波形的特征与故障二极管位置的对应关系即可得出故障二极管的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明能够实时发现、判定地铁整流机组二极管发生了开路故障，并能给出故障二极管的准确位置，便于及时维修、排除二极管的开路故障；从而避免二极管开路故障后整流电路仍然带病工作，导致整流波形发生严重畸变，对电网的谐波干扰大，使负载不能正常运行的问题，有效地避免了损失的扩大和事故的发生。

二、本发明仅使用输出电压和一相(A相)输入电流采样信号即实现了二极管开路故障的识别与定位。其信号的输入与计算量小，诊断效率高，诊断成本低。发生二极管开路故障时，本发明所需诊断时间小于0.01s。

进一步，本发明对地铁整流机组的输出电压和地铁整流机组的四个整流桥网侧A相输入电流进行实时采集的采样频率为48kHz，一个交流工频周期即0.02s内的采样点数T的取值为960；所述的导通正阈值为500A、导通负阈值为-500A。

采样频率选用48kHz能保证采样精确，记录的波形与原始波形接近；同时一个交流工频周期时间内输入电流信号的采样点数960为24的整数倍，二极管位置判断波形的7.5°相位角对应时间段的端点能与采样重合。从而进一步确保了本发明故障诊断的精确和可靠。

500A的导通正阈值、-500A的导通负阈值，略小于额定负载运行工况下的输入电流幅值，既能减少由于负载变化引起的输出电压波动干扰造成的误检，也能避免漏检提高检测的效率，进一步确保了本发明故障诊断的可靠和有效。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明方法适用的地铁整流机组的电路原理图。

图2为本发明的二极管位置判断波形与故障二极管位置的对应关系图。

具体实施方式

实施例

图1示出，一种基于波形特征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输出电压和地铁整流机组的四个整流桥网侧A相输入电流进行实时采集，得到地铁整流机组的输出电压信号u(t)和整流桥A相输入电流信号i_n(t)，其中，t表示采样时刻，下标n为整流桥的序号、取值为1、2、3或4，分别表示1号、2号、3号或4号整流桥；

B、将输出电压信号u(t)在采样时刻t到t-T+1时刻的值u(t),u(t-1)...,u(t-T+1)构成采样时刻t的输出电压集合U(t)，U(t)＝[u(t),u(t-1)...,u(t-T+1)]，其中T代表一个交流工频周期即0.02s内的采样点数；

对采样时刻t的输出电压信号u(t)进行归一化处理，得到采样时刻t的归一化输出电压u'(t)：

其中，u_max为采样时刻t的输出电压集合U(t)中的元素的最大值，u_min为采样时刻t的输出电压集合U(t)中的元素的最小值；

C、将归一化输出电压u'(t)在采样时刻t到t-T+1时刻的值u'(t),u'(t-1)...,u'(t-T+1)形成采样时刻t的归一化输出电压曲线U'(t)，求出采样时刻t的归一化输出电压曲线U'(t)的所有极小值，得到采样时刻t的归一化电压信号u'(t)的极小值集合minV(t)；

D、采样时刻t的归一化输出电压u'(t)的极小值集合minV(t)中，如相邻两个极小值的差的绝对值小于等于0.1，执行A步的操作；否则，令此时的采样时刻t＝t₀，执行E步的操作；

E、执行A步的操作，随即进行如下的操作：

令n＝n'，如n'号整流桥A相输入电流信号i_n'(t)在时刻t₀到t₀-T/3+1时刻的值i_n'(t₀),i_n'(t₀+1)...,i_n'(t₀+T/3+1)，均大于设定的导通负阈值，也均小于设定的导通正阈值；则判定在时刻t₀第n'号整流桥有二极管发生开路故障，执行F步的操作；否则，执行A步的操作；

F、若n'＝1，则将3号整流桥A相输入电流信号i₃(t)在时刻t₀+T/24到t₀+9T/24+1的值i₃(t₀+T/24),i₃(t₀+T/24+1)...,i₃(t₀+9T/24+1)形成的曲线，作为二极管位置判断波形；

若n'＝2，则将3号整流桥A相输入电流信号i₃(t)在时刻t₀-T/24到t₀+7T/24+1的值i₃(t₀-T/24),i₃(t₀-T/24+1)...,i₃(t₀+7T/24+1)形成的曲线，作为二极管位置判断波形；

若n'＝3，则将1号整流桥A相输入电流信号i₁(t)在时刻t₀-T/24到t₀+7T/24+1的值i₁(t₀-T/24),i₁(t₀-T/24+1)...,i₁(t₀+7T/24+1)形成的曲线，作为二极管位置判断波形；

若n'＝4，则将2号整流桥A相输入电流信号i₂(t)在时刻t₀-T/24到t₀+7T/24+1的值i₂(t₀-T/24),i₂(t₀-T/24+1)...,i₂(t₀+7T/24+1)形成的曲线，作为二极管位置判断波形；

G、根据F步骤中得到的二极管位置判断波形的特征，按下表的对应关系：

得出故障二极管在n'号整流桥中的具体位置。

本发明的二极管位置判断波形与故障二极管位置的对应关系参见图2。

本例对地铁整流机组的输出电压和地铁整流机组的四个整流桥网侧A相输入电流进行实时采集的采样频率为48kHz，一个交流工频周期即0.02s内的采样点数T的取值为960；所述的导通正阈值为500A、导通负阈值为-500A。

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软件搭建整流机组模型，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。整流机组的电路图见图1。

在额定负载2200kW时，利用单相断路器设置4号整流桥位于B相上桥臂处的二极管VD₃发生开路故障，对整流机组输出电压信号和A相输入电流信号进行实时采集，采样频率为48kHz。

仿真实验中得到的归一化输出电压图，在采样时刻t₀＝3350(第3350个采样点)时，集合minV中出现相邻两个极小值差的绝对值大于0.1。在时刻t₀到时刻t₀+T/3+1内，4号整流桥A相输入电流i₄(t)始终处于正负阈值之间，故判定故障二极管位于第4号整流桥。

获取超前4号整流桥15°相位的2号整流桥在时刻t₀-T/24到时刻t₀+7T/24+1的A相输入电流信号i₂(t)的波形，将其作为故障二极管工作时间段内的期望波形(二极管位置判断波形)，对照二极管位置判断波形的特征与故障二极管位置的对应关系表(图2的二极管位置判断波形与故障二极管位置的对应关系图)，可判定4号整流桥的B相上桥臂二极管VD₃发生开路故障。诊断出的故障二极管位置VD₃与设置的故障二极管位置一致。