基于工況事件時序特征的牽引變壓器次邊短路故障實時診斷與保護

成正林，李學明，徐紹龍

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

在電力機車、動車組牽引系統中，牽引變壓器用來將接觸網上的標稱25 kV高壓電進行降壓，變換成能使牽引變流器正常工作的較低等級交流電。牽引系統中一般設置有原邊電壓互感器、原邊電流互感器、冷卻油溫、壓力釋放閥、布赫繼電器等檢測與保護裝置來實現牽引變壓器異常的有效監測與保護［1］，但這些裝置無法識別如牽引變壓器次邊接地和次邊短路等故障。牽引變壓器次邊接地和次邊短路故障對牽引系統影響較大，例如次邊接地故障若從單點接地擴大至2點接地，將導致線路短路，引發系統異常；而次邊短路若未及時監測發現，將導致牽引變壓器過熱甚至引發火災事故。

關于接地故障診斷與保護方法目前研究較多［2-6］，應用相對較成熟，而對于次邊短路故障研究成果較少。文獻［7］對次邊短路時的短路電流進行了理論分析并指出單個次邊繞組短路時無法通過原邊電流過流進行保護，但未給出解決方案，而目前工程應用方法存在只局限于特定工況下檢測，并且無法定位出具體故障位置。

為了解決目前次邊短路故障無法實現全工況實時檢測和精確定位問題，文中在總結現有診斷方法的基礎上，通過對各種工況下不同故障類型強相關的傳感器信號特征分析，提出了一種工況事件時序特征模式識別的診斷與保護方法，通過建立工況事件診斷規則模型與時序特征模式診斷規則庫，實現次邊短路故障的全工況實時診斷與保護。

1 問題描述

1.1 列車牽引系統主電路原理介紹

典型交—直—交牽引傳動系統主電路原理如圖1所示，主要由牽引變壓器、牽引變流器（包括充電回路、脈沖整流器、中間直流環節、逆變器等）和牽引電機3大部分組成。單相AC 25 kV交流電經過受電弓、主斷路器VCB和牽引變壓器原邊繞組流入車體，由牽引變壓器次邊繞組向變流電路提供交流電。交流電流在脈沖整流器的作用下變換成直流電，經中間直流環節濾波后，利用逆變器轉換成頻率和幅值可變的三相交流電驅動牽引電機，從而控制列車以不同速度和牽引力前進。圖1中TV為原邊電壓互感器，TA為原邊電流互感器，分別用來采集牽引變壓器原邊電壓和電流，LH1～LHN為牽引變壓器次邊電流傳感器，用來測量每個牽引變壓器次邊繞組電流并用于牽引系統脈沖整流器變流器控制。圖1中，存在將不同軸中間回路正、負端關聯起來的連接線為共中間回路形式的牽引系統（如HXD1系列），不存在該連接線的為類似于HXD3系列車型的每軸電氣結構上相互獨立的牽引系統。

圖1 典型交—直—交牽引傳動系統主電路原理框圖

典型的次邊短路故障類型有4種，見表1，依次記為C1～C4。

1.2 現有診斷方法及存在的問題分析

目前的工程應用方法主要有3種，當前方法原理及存在的問題總結見表2。表2中，Ip、Iqci（i=1，…，N）和Udc為基于傳感器采集信號計算出來的有效值，依次為牽引變壓器原邊電流有效值、各次邊繞組次邊電流有效值和牽引變流器中間電壓；I_th1，I_th2，I_th3為根據經驗設置的電流閾值；U_th2為電壓閾值。

表2 當前牽引變壓器次邊短路診斷方法及存在的問題

根據多年工程應用經驗，當出現次邊短路時，原邊電流不會超過其額定電流值，因此不會觸發原邊過流保護；次邊電流會遠超其次邊額定值，因此，若出現故障類型為C2、C4的次邊短路故障，此時次邊電流傳感器LH檢測電流遠超其正常值，TCU會觸發過流保護動作。但在故障類型C1、C3時，由于次邊電流傳感器LH未串入短路回路，因此TCU無法檢測到真實電流值，無法觸發次邊過流保護。此時，將存在安全風險，牽引變壓器將會因為短路次邊繞組長時間過流導致繞組發熱燒損，甚至引發火災等安全事故。

2 工況事件特征模式分析

2.1 列車運行工況說明

主電路工作過程主要分成4種工況，見表3。列車啟機過程或故障重投過程一般依次經歷工況W1～W4或中間的幾個工況，穩態運行時將維持在工況W3或工況W4；當出現過壓或過流故障時，會引起列車斷主斷或封鎖脈沖等保護動作，此時將由一個工況轉換至其他工況，如圖2所示。下面對不同工況下各采集傳感器信號特征進行詳細分析。

圖2 列車運行過程中工況轉換示意圖

表3 牽引系統運行工況表

2.2 工況事件時序特征模式定義

對于復雜系統（例如列車牽引系統），其內部往往存在多個運行工況，不同運行工況其系統行為和相應的故障模式也不盡相同。當系統出現故障時，由于系統的控制和保護作用，內部往往存在多個工況間的復雜轉換。在此，文中引入工況事件時序特征模式概念，基于故障發生后系統的一系列變化規律來進行故障建模，實現故障的實時診斷。

假設系統可能經歷的工況集合Sw為Sw=｛Wi，i=1，…，N｝，其中，N為工況的數目。發生故障后不同工況下可能的事件集合Se為Se=｛Ej，j=1，…，M｝，其中，M為所有可能的事件的最大數目。這里，事件是指基于系統采集的傳感器和狀態信息能檢測到的變化，如傳感器采樣值超限，接觸器動作等。則故障的工況事件時序特征可定義為式（1）：

式 中：Wi1…，WiL∈Sw為 某 故 障Cx出 現 后 可 能 經 歷的工況；Ej1…，EjL?Se為與經歷的各工況對應的事件集合；L為經歷的工況數目，在此稱為時序特征長度；“→”為工況轉換符號。

式（1）表示系統發生故障后引起的系列工況變化及對應各種工況下的事件集合，我們定義此具有時序特征的系列工況和事件變化過程為工況事件時序特征模式。因此，可將系統的故障診斷問題轉化成工況事件時序特征模式識別問題。

2.3 次邊短路故障工況事件分析

根據上述工況事件時序特征模式定義，要進行故障診斷，首先需對各個故障類型的工況事件進行詳細分析，下面基于系統原理和工程應用經驗，對次邊短路的4種故障類型C1～C4的工況事件時序特征模式進行詳細分析說明。

由圖1所示牽引系統主電路原理圖可知，當出現次邊短路故障時，原邊電流互感器TA和次邊電流傳感器LH采樣值將發生明顯變化，且采樣值變化規律與所處工況強相關。基于電路理論和系統控制原理，總結不同工況下故障類型分別為C1～C4時與TA與LH采樣信號相關事件集合見表4：

表4 次邊短路故障相關事件說明

表中，EiTA為與高壓電流互感器TA采樣信號相關的事件；EiLH為與次邊電流傳感器LH采樣信號相關的事件；IpLB，Ip1LB和Ip2LB為基于系統參數計算出的不同工況下原邊電流互傳感器TA采樣信號中短路特征電流；IqcLB和Iqc1LB為次邊電流傳感器LH采樣信號中短路電流分量。

考慮至少一個次邊繞組短路，各短路電流分量計算公式為式（2）～式（7）。基于牽引傳動系統參數分析和工程應用經驗，僅IqLcB數值遠超系統過流保護門檻值；ε1～ε8為誤差閾值，其數值根據短路阻抗允許偏差以及工況切換時刻沖擊電流大小綜合設置。

式中：Up為實時采集的原邊電壓有效值；SN為牽引變壓器額定容量；UN2為次邊電壓額定值；n為次邊牽引繞組數量；KT為牽引變壓器變比；K短路阻抗百分比；N為短路繞組個數；RCHR為次邊充電回路充電電阻阻值。

總結故障類型C1～C4在不同工況下的相關事件集合，見表5。表中，Cx_I（x=1，2，3，4）表示可定位出具體哪類故障，且可定位出故障點所在次邊繞組序號。

表5 次邊短路C1～C4在不同工況下的相關事件

2.4 次邊短路故障工況事件時序特征模式分析

要實現某類故障的準確定位，則需保證此類故障相關事件與其他故障均具有可區分性。下面對表5進行詳細分析，以便設計合理的工況事件時序特征模式，建立有效的故障工況事件時序特征模式庫。

從表5可以得出，在工況W1時，C2的事件集合｛E1TA，E1LH｝可實現其與其他故障類型相區分且精確定位出故障點所在次邊繞組序號。而C1事件集合｛E1TA，E4LH｝僅能區分出故障類型。因此，在此工況下，我們可得出C2的一個工況事件時序特征模式為C2：W1：｛E1TA，E1LH｝，即可通過識別該模式來診斷出系統是否出現故障類型為C2的次邊短路故障。而對于故障類型C1，再結合其他工況事件集合進行綜合診斷。

工況W2時，故障類型C1～C4事件集合依次為｛E2TA，E4LH，E6LH｝、｛E2TA，E1LH，E6LH｝、｛E3TA，E4LH，｝和｛E3TA，E3LH，E6LH｝，可通過此事件集合直接區分出各類故障。因此，可得到工況W2時4個時序特征模式C1：W2：｛E2TA，E4LH，E6LH｝、C2：W2：｛E2TA，E1LH，E6LH｝、C3：W2：｛E3TA，E4LH，E6LH｝和C4：W2：｛E3TA，E3LH，E6LH｝。

工 況W3與W4時，故 障 類 型C1與C3，C2與C4事件集合分別相同，因此，此時可將C1、C3和C4、C4間進行分類，但無法逐一區分，因此，需結合其他工況事件集合來進行精準故障定位。

在列車運行過程中，其工況W1～W4之間變化模式主要有如下幾種：W1→W2→W3→W4、W4→W3、W4→W1、W3→W1、W2→W1。下面基于這些工況變化模式，來進行工況事件時序特征模式設計，以實現快速和準確的故障檢測與定位。

工況W1時，由于C1相關事件集合｛E1TA，E4LH｝無法實現具體故障點定位，因此可關聯下一工況進行聯合診斷，此時，可設計式（8）時序特征模式，當在工況W1識別出事件集合｛E1TA，E4LH｝時，報出相關故障；再檢測系統進入工況W2時是否存在事件集合｛E2TA，E4LH，E6LH｝；若存在則可精確定位出故障所在繞組序號。

工 況W3和W4時，由 于C1與C3、C2與C4之間故障類型無法區分，因此增加后續工況事件集合來實現診斷為式（9）～式（16）：

綜上，可得到故障類型C1～C4的所有工況事件特征模式集見表6。

表6 故障類型C1～C4對應的工況事件特征模式

3 次邊短路診斷與保護方法設計

3.1 算法原理介紹

基于上述過程建立次邊短路故障相關的工況事件集和工況事件時序特征模式集后，即可進行診斷與保護策略設計。文中所提基于工況事件時序特征模式識別的次邊短路故障診斷與保護方法原理如圖3所示。整個算法分成離線設計與在線實現2個階段。離線設計階段，基于系統原理參數及歷史數據設置表4所示次邊短路相關事件集的各閾值參數，并結合列車牽引系統相關控制邏輯，建立表6所示工況事件時序特征模式。在線實現階段分故障檢測單元和故障決策單元2大功能模塊。系統實時采集與次邊短路相關事件有關的傳感器信號以及牽引系統狀態，結合工況事件集中各事件定義，計算各事件是否成立；若成立，則執行故障保護動作并進入故障決策流程；反之，則繼續進行監測。故障決策單元基于故障檢測單元輸出的事件信息以及工況識別模塊輸出的工況信息，實時與時序特征模式集中的各個模式進行匹配，若存在匹配模式，則輸出相應的故障類型，并執行適當的隔離策略；否則更新事件和工況信息，繼續進行監測。下面對在線實現階段的故障檢測和故障決策功能進行詳細介紹。

圖3 次邊短路故障診斷與保護方法原理框圖

3.2 故障檢測

故障檢測部分功能主要包括工況識別、事件識別、事件判斷、故障保護等功能。工況識別的目標是根據系統狀態信息（如主斷路器、接觸器狀態、脈沖整流器/逆變啟動狀態等）來實現當前工況的實時識別。事件識別是基于傳感器采集的原邊電流和次邊電流值，根據表4各事件定義計算事件E1TA～E4TA、E1LH～E6LH是否存在。再結合工況識別結果，根據表5判斷是否存在相關事件，若存在相關事件，則輸出故障標志，執行相應保護動作，并將相關事件輸出至故障決策單元。

3.3 故障決策

故障決策單元基于故障檢測單元輸出的工況信息以及存在的相關事件，識別是否存在表6中14種時序特征模式，若存在，則輸出故障診斷結果并依據表7故障隔離策略執行相關故障隔離動作；否則周期性繼續進行時序特征模式識別。

表7 故障隔離策略

4 仿真驗證

以某型牽引系統為例進行仿真，其每個牽引變壓器帶4個牽引繞組，每2個繞組連接1個牽引變流器，牽引變流器兩重脈沖整流器共中間回路。假設t為0.1 s時刻閉合主斷VCB，t=0.5 s時閉合充電接觸器KM1，t=1 s時閉合短接接觸器KM2，t=1.5 s時啟動脈沖整流器，t=2 s時加載牽引，在t=2.2 s分別模擬不同類型次邊短路故障對文中所提診斷與保護策略進行驗證。下面以故障類型C1為例，對文中所提方法進行驗證。通過仿真得到診斷效果如圖4所示。圖中各變量含義見表8。

表8 仿真結果圖中各變量含義說明

圖4為故障類型C1時的診斷與保護仿真測試結果，由圖4（a）為系統工況相關狀態及工況識別結果。t=2.2 s前系統處于工況W4，t=2.2 s時刻出現故障，此時脈沖整流器脈沖封鎖，主斷路器VCB、所有充電接觸器CHR以及短接接觸器均斷開。此后，系統重投，在t=2.8 s時重新閉合主斷VCB（圖4（a）中Work-Mode為1，VCB為1）。整個過程中，系統先后出現相關工況事件集體

W4：｛E4TA，E4LH，E5LH，E2LH｝和W1：｛E1TA，E4LH｝，如圖4（c）所示。由圖4（d）可知t=2.9 s時，系統正常識別出模式C1-M04，對應工況事件特征模式為C1：W4：｛E4TA，E4LH，E5LH，E2LH｝→W1：｛E1TA，E4LH｝，故障類型為C1且故障位置為繞組1，如圖4（e）所示，系統正確檢測并診斷出故障類型及故障位置。

圖4 故障類型C1時診斷與保護仿真測試結果

5 結語

文中針對現有牽引變壓器次邊短路方法存在的不足，考慮不同工況事件的時序特征模式規律，提出了一種新的實時診斷與保護方法。仿真測試結果表明，該方法能實現不同類型次邊短路故障的精確定位，根據故障類型實施相應保護動作后，可大幅提升列車可用性以及檢修效率，具有良好的推廣應用價值。