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摘要：牵引变流器是电力机车和电动车组变换电流的主要设备，具有转换直流和交流间能量的作用，可对各种牵引电动机进行控制与调节。由于使用年限、技术条件等方面的原因，牵引变流器出现故障的几率不断上升，对我国的运输业、机车性能等造成一定的损失。针对于传统检测方法功能单一的弱点，本文对牵引变流器的故障诊断方法进行了革新，通过对故障与正常条件下的输入电流进行比较简化了诊断方法，提高了检修的便捷性。
关键词：牵引变流器；输入电流；故障诊断；故障定位
铁路运输是我国主要的运输手段，我国高速铁路营业里程在1.9万公里以上，而电力牵引系统是其中的关键设备。据研究，牵引变流器因在运行过程中承受主要电热应力，且存在磁、热、机械等多场域耦合，具有较高的故障率。所以，快速对牵引变流器进行故障定位、及时排除故障是避免经济损失、提高传动系统可靠性的必要条件。我国当前对于牵引变流器故障主要以预防为主，管理粗放，难以达到检修周期的合理平衡设置。所以研究一种对牵引变流器进行实时诊断的工具就十分必要。
1 牵引变流器及三段不等分半控桥整流系统概述
1.1 牵引变流器概述
牵引变流器自上世纪70年代应用于电力机车，当前仍占据着大部分的市场，我国CRH1~5高速动车组、HDX1~3大功率电力机车等均采用牵引变流装置。牵引变流装置主要由预充电电路、牵引逆变器、四象限脉冲整流器和中间直流回路组成。
牵引变流器主要有两电平电路拓扑结构和三电平电路拓扑结构，我国大部分机车采用的是两电平拓扑结构。牵引工况下，脉冲整流器将牵引变压器二次侧输的1770V单项交流电变为直流电，再由中间直流电路输出至牵引逆变器。逆变器输出三相交流电源推动牵引电机运行，经齿轮变速箱、万向轴将动能传递到轮对；制动状态下，牵引逆变器进行发电，电流经直路稳压后逆变工况的脉冲整流器变为单相交流电。在通过真空断路器等高压设备反馈给接触网。在列车速度过低或位于分相区时启动动能耗制动，通过斩波器将电能消耗在制动电阻器上。
1.2 三段不等分半控桥整流系统
本次研究基于三段不等分半控桥整流器正常状态与故障状态输入电流不同的特性，利用不同输入电流差估计值和测量值之间的误差，通过环形霍尔传感器来测量电流以达到对故障进行诊断和定位的目的。其主要构成如图一所示，VD1~VD4是二极管；VT1~VT6是晶闸管；a1b1x1与a2x2是牵引变压器牵引绕组；ud为系统输入电压，uo为输出电压，io为输入电流。ud0为b1x1上的电压，ud1为a1b1上的电压。ud0=ud1=1/4ud，a2x2上的电压为1/2ud。i1是a流出的电流，i2是a1流出的电流。i3是x1的流入电流，i4是经过VD3的电流；75R/76R为空载电阻，可吸收过电压；11L和12L是牵引电机平波电抗器。这一电路是不等分三段桥顺序控制的相控无极调压，先开大桥（a2~x2），再依次开小桥（a1~b1）加小桥（b1~x1）。
图一 三段不等分半控桥整流系统拓扑图
2 系统正常工作状态和故障状态分析
2.1 正常状态
根据投入变压器绕组数量的不同，正常工作状态波形可分为三个阶段，每个阶段可分为四个不同工作时期。根据输入电压ud值，一个周期可分为五个不同时段。开路故障多发生于负载较大的情况，也就是全部开关全部投入使用的时候。根据所分阶段，第一阶段四个工作时期为t+1~t-5，第二阶段工作时期为t+5~t-10，第三阶段工作时期为t+11~t-15。在第三阶段，T1时期，电流流向为a2→VD3→VD2→VD1→VT6→x2。电压处于正弦波正半周，通导VT6。T2时期ud（t）过零，VT4关断，VT1、VD2、VT5、VD4进入变流，电流流向变化为x2→VT5→VD2→a1→b1→VT1→VD4→a2。T3时期电流流向为x2→VT5→VD2→a1→x1→VT3→VD4→a2。T4时期，VT3反压关断，VT2、VD1、VT6、VD3满开放，电流流向变化为a2→VD3→VT2→b1→a1→VD1→VT6→x2。
2.2 开路故障状态
在边路器开路或短路故障时，在熔断路影响下，短路故障会在短时间转变为开路故障，以二极管和晶闸管开路时的系统故障为例，当T1发生故障时，VT4开路，电流通过VD2续流。其余时期电流流向与正常状态相同，周期完成后重新回到T1时期，VT4停止通导，所以VT1满开放。所以无论故障发生在哪一时刻，最后的稳态都是相同的；如T3时发生故障，电流通路截断，感性负载生成反电压，电流对系统寄生电容放电，进入T4时输入电压过零，与T1时电流流向均为正常状态，T2时电压自然过压，但在VD2开路状态下VT正压，无法关断。周期完成时，VT3导通，再次进入T4时期，VT4一直承受正压，VT2承受反向电压，无法导通。VD1、VT4满开放，无法占空比调节。通过这一方法对开路故障进行分析，可发现任何开关管故障都会造成输入电流某一段开路，因此通过这一现象进行故障检测是可行的。
3 基于输入电流的牵引变流器开关管开路故障诊断方法
由上文可知，开关管发生故障存在输入电流的区别，为确定不同开关管的故障，可将输入电流i1、i2作为诊断参考量。正常状态下，i1、i2大小、方向是相同的，如发生故障则会产生差异 i。如正常状态下i1、i2电流误差阈值为Ti， i则应在-Ti与+Ti之间，则根据可得到 在不同故障条件下的编码，可通过 值对VT4、VT3之外全部管的故障。但由于VD4与VT5、VT6与VD3故障特征没有差异性，无法实现准确定位。通过不同状态下电流流向的分析，VT6与VD3故障时，电流变化主要表现在T1与T4时期，VD3故障在VT6和VT5续流，VT6故障在VD3、VD4续流。根据三段不等分半控桥整流系统，两者故障状态可通过流经VD3的电流i4实现精确定位。VT3、VT4的故障区别为电流i3的有无，VD4与VT5、VT6与VD3的故障差i4异为的有无。根据不同故障条件状态的差异，通过i3与i4的的电流差在不同状态下的值，可对故障进行精确的定位。
4 结语
机车变流器是电力机车能量转换的关键部分，本文针对牵引变流器的特点及三段不等分半控桥整流系统，对输入电流在症状状态、故障状态及不同故障状态下的差异实现对开关管开路故障的诊断和精确定位。
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论文作者:吕文林
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/19
标签：变流器论文; 电流论文; 故障论文; 开路论文; 状态论文; 电压论文; 等分论文; 《电力设备》2017年第13期论文;