基于晶閘管的自動調(diào)壓變壓器故障診斷技術(shù)

范磊，李維波，徐聰，李巍，李齊

武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070

0 引 言

對于船舶的大功率負載而言，若頻繁切換操作，有可能引發(fā)負載側(cè)電壓的大幅波動，進而影響船用設備的工作狀態(tài)，甚至導致用電設備故障并損壞。同時，惡劣的工作環(huán)境也極易誘發(fā)船用設備故障。因此，為了提高船用設備的可靠性，應對其健康運行情況進行監(jiān)控[1-3]。

對于船舶電力系統(tǒng)的電壓波動問題，目前主要有3 種解決辦法：第一，增加船舶電站的容量，提高其帶載能力，從而降低負載變化帶來的影響，但該方法的成本極高，且不易付諸實踐；第二，當系統(tǒng)電壓波動時，采用大容量儲能單元進行調(diào)壓，但該方法易產(chǎn)生諧波，進而對電網(wǎng)造成污染；第三，采用穩(wěn)壓電源為船舶設備供電，較為精準地將電源電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，該方法的成本較低，也是目前應對此類問題的主流措施。

根據(jù)是否采用隔離措施，可以將穩(wěn)壓電源分為隔離型和非隔離型2 類。隔離型穩(wěn)壓電源又可以分為高頻隔離穩(wěn)壓電源和工頻隔離穩(wěn)壓電源2 類。其工作原理是：首先，對電網(wǎng)交流電進行整流處理；然后，對整流輸出的直流電進行特定頻率的逆變處理；最后，通過隔離變壓器輸出，從而為后續(xù)設備供電。隔離型穩(wěn)壓電源對電網(wǎng)的影響較小且精度較高，但其結(jié)構(gòu)復雜、成本偏高、輸出效率偏低；同時，其配置了大功率隔離變壓器，故設備體積偏大，由此可見，隔離型穩(wěn)壓電源無法滿足船舶設備小型化和高效率的設計要求。非隔離型穩(wěn)壓電源的工作原理與前者基本一致，僅僅取消了隔離變壓器，所以仍然存在成本偏高、效率偏低、體積偏大等問題[4-7]。

與其他全控型器件相比，在同等級容量工況下，晶閘管（含觸發(fā)）具備艦用環(huán)境適應度高、可靠性高、成本低等優(yōu)點，為此，本文擬提出一種基于晶閘管的自動調(diào)壓變壓器（220 V 交流電壓等級），其初級將配置3 個晶閘管組件（每個組件由5 個雙向晶閘管組成），次級則將串入電源與負載之間，通過改變雙向晶閘管組件的開斷狀態(tài)，即可完成三相電壓的正負調(diào)壓工作，從而解決電壓波動問題。同時，本文將針對雙向晶閘管的實時故障模式開展仿真分析，并設計相應的故障診斷方案，以及時反饋裝置的健康狀況，從而避免重大故障。

1 自動調(diào)壓原理

基于晶閘管的自動調(diào)壓變壓器可以進行三相自動調(diào)壓，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。三相調(diào)壓裝置分別為EA，EB，EC，其中每相均由大、中、小3 個不同變比的調(diào)壓變壓器T1，T2，T3及其晶閘管組件THSCR1，THSCR2，THSCR3，裝置總開關(guān)KS、旁路開關(guān)KBP、調(diào)壓變壓器高壓側(cè)熔斷器FU 及裝置監(jiān)控系統(tǒng)組成。圖1 中，每個晶閘管組件均由晶閘管H 橋（包含晶閘管TH1，TH2，TH3，TH4）、高壓側(cè)短路晶閘管THS及短路功率電阻RS組成。

圖 1 基于晶閘管的自動調(diào)壓變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 1 Device topology of automatic voltage regulating transformer based on thyristor

為簡化分析，本文將以A 相為例展開研究，圖2所示為圖1 的簡化等效電路。

圖 2 簡化等效電路Fig. 2 Simplified equivalent circuit

將3 個調(diào)壓變壓器T1，T2，T3的變比分別設為k1，k2，k3，將變壓器等效總變比設為K，考慮晶閘管組件構(gòu)成的換向模塊作用，得

式中：x1，x2，x3分別為3 個調(diào)壓變壓器變比的方向系數(shù)，可取值為+1，0，?1，其具體數(shù)值取決于各自的換向模塊，即晶閘管組件的投切模式。當僅有晶閘管TH2，TH3開通時，取值為+1；當僅有晶閘管THS開通時，取值為0；當僅有晶閘管TH1，TH4開通時，取值為?1。

由圖2 可知，輸入電壓uIN、輸電線路壓降uli、串聯(lián)調(diào)壓電路壓降Δu和輸出電壓uL之間的關(guān)系為

其中

式中：it為旁路電流；rli為線路阻抗。

旁路電流it、負載電流iL、調(diào)壓回路電流i0之間的關(guān)系為

式中，rL為負載阻抗。

聯(lián)立式（1）～式（5），即可得到輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系式：

由式（6）可知，當其他參數(shù)固定不變時，只有通過調(diào)節(jié)系數(shù)x1，x2，x3才能達到調(diào)壓目的。因此，當系統(tǒng)的輸入電壓uIN超出裝置的額定工作電壓UN時，如需將輸出電壓uL維持在其允許范圍內(nèi)，則應改變晶閘管組件的投切模式，即通過3 個調(diào)壓變壓器對母線進行調(diào)壓，從而確保穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出電壓。

2 故障模式及診斷技術(shù)

雙向晶閘管作為一種半控型電力電子開關(guān)，已廣泛應用于電力電子系統(tǒng)的交流調(diào)壓操作。相較于傳統(tǒng)的機械開關(guān)，雙向晶閘管具有響應速度快、投切速度快、無觸點、壽命長、成本低等優(yōu)點[8-9]。開通雙向晶閘管的2 個條件為：滿足幅值要求和脈寬要求的觸發(fā)脈沖；雙向晶閘管兩端的電壓足夠高。關(guān)斷雙向晶閘管時，僅需取消觸發(fā)脈沖，使其兩端的電流低于維持電流即可，從而在電流降為零時將其完全關(guān)斷[10]。

在本文裝置中，雙向晶閘管有3 個正常投切條件：

1） 在雙向晶閘管回路中接入的交流電，應滿足電壓幅值和電流幅值的要求。

2） 應根據(jù)作業(yè)需求，開通和關(guān)斷滿足幅值、脈寬要求的觸發(fā)脈沖。

3） 雙向晶閘管自身無故障。

對于本裝置而言，晶閘管故障主要分為2 種，一種是無法開通的斷路故障，另一種是無法關(guān)斷的短路故障。

2.1 裝置故障分級

本文將自動調(diào)壓變壓器裝置的故障模態(tài)進行分級：

1） 一級故障：晶閘管組件的H 橋發(fā)生斷路故障。該類故障僅影響裝置的調(diào)壓效果，不會對裝置造成進一步損傷，故僅需發(fā)送一級故障信息，待后續(xù)人工檢修即可。

2） 二級故障：變壓器高壓側(cè)的短路晶閘管THS發(fā)生斷路故障。該類故障可能導致調(diào)壓變壓器在高壓側(cè)產(chǎn)生強電壓或在低壓側(cè)產(chǎn)生沖擊大電流，從而對調(diào)壓變壓器及相關(guān)器件造成損壞，甚至引發(fā)電氣火災。在此工況下，需要發(fā)送二級故障信息并立即斷開裝置總開關(guān)KS，同時進行人工檢修。

3） 三級故障：晶閘管組件中的任意晶閘管發(fā)生短路故障。該類故障可能導致裝置回路中產(chǎn)生極高的短路電流，對裝置整體以及后續(xù)用電設備造成損壞，危害極大，故裝置入口處需設置熔斷器。在此工況下，需要發(fā)送三級故障信息并立即切斷裝置總開關(guān)KS，同時進行人工檢修。

2.2 一級故障模態(tài)分析

自動調(diào)壓變壓器裝置的一級故障主要分為3 種，其判斷方法與該裝置的預設輸出電壓uN、輸入電壓uIN和實際輸出電壓uL相關(guān)。

1） 故障類型1。若預設輸出電壓uN與實際輸出電壓uL差值的絕對值約等于3 檔調(diào)壓變壓器的額定調(diào)壓值（分別為0.135UN，0.045UN，0.015UN），則判定為單組晶閘管發(fā)生故障。

2） 故障類型2。若實際輸出電壓uL與輸入電壓uIN差值的絕對值約等于3 檔調(diào)壓變壓器的額定調(diào)壓值（分別為0.135UN，0.045UN，0.015UN），則判定為2 組晶閘管同時發(fā)生故障。

3） 故障類型3。若實際輸出電壓uL與輸入電壓uIN相等，則判定為3 組晶閘管均發(fā)生故障。

判定故障類型之后，即可根據(jù)觸發(fā)脈沖的反饋信號來分析是晶閘管組件損壞，還是其觸發(fā)電路故障。設定自動調(diào)壓變壓器裝置的額定工作電壓UN為1 pu，則自動調(diào)壓變壓器裝置的一級故障模態(tài)如表1 所示。

表 1 一級故障模態(tài)Table 1 Mode of the first-level fault

2.3 二級故障模態(tài)分析

當自動調(diào)壓變壓器裝置的旁路開關(guān)KBP動作，切入調(diào)壓回路且3 個調(diào)壓單元不同時運行時，對于不需要進行調(diào)壓操作的變壓器高壓側(cè)的短路晶閘管THS而言，需要將其導通。一旦THS出現(xiàn)斷路情況，根據(jù)補償變壓器是否初次接入主回路，將引發(fā)不同后果的故障，具體分析如下。

2.3.1 工況1：調(diào)壓穩(wěn)壓過程中斷路

該工況與變壓器高壓側(cè)的空載運行工況類似，此時自動調(diào)壓變壓器裝置的等效電路如圖3 所示。

圖 3 空載運行工況的等效電路Fig. 3 Equivalent circuit of no-load operation condition

圖3 中：Ui為輸入電壓，I1為變壓器低壓側(cè)電流，Xm為變壓器勵磁電抗，Rm為變壓器勵磁電阻，E1為變壓器低壓側(cè)壓降，Uo為輸出電壓，ZL為負載。其中，

式中：Zm=Rm＋jXm，為變壓器勵磁阻抗，其值一般遠大于負載ZL，其中j 為虛數(shù)符號。

由式（7）可知，變壓器低壓側(cè)的電流值I1很小，不會對系統(tǒng)造成危害。由式（8）可知，因I1很小，輸出電壓Uo也就很小，從而將影響本裝置對輸出電壓的穩(wěn)定效果。由式（9）可知，變壓器低壓側(cè)的壓降E1接近輸入電壓Ui。根據(jù)變壓器的固有特性，其低壓側(cè)壓降E1、高壓側(cè)壓降E2與變比k（0.015，0.045，0.135）的關(guān)系如下：

由式（10）可知，變壓器高壓側(cè)的壓降E2為輸入電壓Ui的十倍甚至數(shù)十倍，遠遠超過了變壓器及其周圍器件的耐壓范圍，故將造成設備損害。

因此，可以根據(jù)輸出電壓判斷此類故障。若自動調(diào)壓變壓器裝置進行補償時，輸出電壓突然變得極小，則應立即斷開裝置總開關(guān)KS并發(fā)出故障信號，然后根據(jù)該工況下本應開通的變壓器高壓側(cè)短路晶閘管來判定故障晶閘管的標號。

2.3.2 工況2：初次接入主回路時斷路

該工況與變壓器的空載合閘工況類似，當變壓器接入主回路且輸入電壓位于幅值最高點時，補償變壓器的繞組無磁通，之后繞組磁通將隨電源電壓正常變化，在此期間不會產(chǎn)生大電流。若變壓器接入主回路時的電壓幅值不在最高點，則補償變壓器繞組將立即產(chǎn)生相應的磁通，而鐵芯中將隨之產(chǎn)生大小相同、方向相反的磁通來將其抵消。因此，變壓器將在數(shù)個周期內(nèi)疊加產(chǎn)生幅值極高的磁通和變壓器2～4 倍額定工作電流的勵磁電流，從而對自動調(diào)壓變壓器裝置產(chǎn)生危害。圖4（a）所示為變壓器鐵芯磁通Φ與勵磁涌流i的關(guān)系，圖4（b）所示為鐵芯磁通Φ、勵磁涌流i與相位角ωt的關(guān)系，其中S為鐵芯磁通飽和值。在此瞬態(tài)大電流沖擊下，若自動調(diào)壓變壓器裝置的熔斷器沒有斷開，則其勵磁涌流i將在一段時間內(nèi)衰減至工況1 中的變壓器低壓側(cè)電流I1，同時變壓器高壓側(cè)也會產(chǎn)生大電壓，故此瞬態(tài)大電流沖擊一般不會對變壓器本身產(chǎn)生影響，但可能會對負載造成損傷。

圖 4 鐵芯磁通、勵磁涌流與相位角的關(guān)系圖Fig. 4 Relationship diagram of core magnetic flux, inrush current and phase angle

在熔斷器沒有斷開時，可以通過檢測裝置的輸入電流來判斷此類故障：若裝置輸入電流突然跳變?yōu)轭~定電流的數(shù)倍，并在數(shù)個周期內(nèi)降低至極小值，即可判斷發(fā)生了此類故障；在熔斷器斷開時，若裝置切入調(diào)壓回路后立即斷電，即可判斷發(fā)生了此類故障，此時應立即斷開裝置總開關(guān)KS，判斷故障并發(fā)送故障信息。

2.4 三級故障模態(tài)分析

當自動調(diào)壓變壓器裝置處于調(diào)壓操作中且需要改變調(diào)壓策略時，應先關(guān)斷已開通的晶閘管，然后通過新的觸發(fā)脈沖開通另一組晶閘管。此時，若本應關(guān)斷的晶閘管失控直通，則該裝置將發(fā)生短路故障，在整個回路中產(chǎn)生極大的短路電流，進而對自動調(diào)壓變壓器裝置和用電設備造成危害。晶閘管短路故障主要分為3 種工況，具體分析如下。

2.4.1 工況1

當補償變壓器從無需輸出補償電壓切換為需要輸出補償電壓時，變壓器高壓側(cè)的晶閘管THS將發(fā)生短路，其短路電流的流向如圖5 所示，其中圖5（a）為該變壓器進行正向補償?shù)碾娏髁飨颍瑘D5（b）為該變壓器進行負向補償?shù)碾娏髁飨颉?/p>

由圖5 可知，此時變壓器高壓側(cè)、短路功率電阻RS和負載ZL并聯(lián)工作，故該裝置的輸入電壓Ui、補償電壓ΔU、變壓器低壓側(cè)電流I1、變壓器補償回路電流IT、短路功率電阻電流IR、變壓器高壓側(cè)電流I2、裝置輸出電壓Uo、負載電流IZ、變壓器變比k、調(diào)壓方向系數(shù)x（圖5（a）中x=1，圖5（b）中x=?1）以及負載ZL的關(guān)系如下：

圖 5 晶閘管THS 短路時的電流流向示意圖Fig. 5 Schematic diagram of current flow when thyristor THS is short-circuited

根據(jù)式（14）可知

該裝置的正常工作狀態(tài)如圖6 所示。

當該裝置處于正常工作狀態(tài)時，變壓器低壓側(cè)電流I′1、變壓器高壓側(cè)電流I′2、變壓器補償回路電流I′T、負載電流I′Z和裝置輸出電壓U′o為：

由式（17）～式（20）可知：

圖 6 正常工作狀態(tài)的電路圖Fig. 6 Circuit of normal working state

由式（11）和式（12）、式（15）～式（18）、式（21）和式（22），可得

由此可見，在該故障狀態(tài)下：裝置輸出電壓Uo和負載電流IZ均沒有變化，不會對裝置的調(diào)壓穩(wěn)壓效果及后續(xù)負載造成影響；變壓器低壓側(cè)電流I1與補償回路電流IT均會適當增加，且其增量與輸入電壓Ui成正比，與短路功率電阻RS成反比。

發(fā)生此類故障時，裝置內(nèi)部電流將陡升，裝置損耗將明顯增加，嚴重時將直接熔斷裝置內(nèi)部的熔斷器，甚至可能對裝置造成破壞性損傷。因此，可以通過檢測裝置輸入電流和輸出電流來進行判斷：當輸入電流陡增而輸出電流不變時，即可判斷發(fā)生了此類故障。此時，應先立即斷開裝置總開關(guān)KS，然后判斷當前策略中本應關(guān)斷的變壓器高壓側(cè)晶閘管，并對故障晶閘管進行標識。

2.4.2 工況2

當補償變壓器從正在輸出補償電壓切換為無需輸出補償電壓時，H 橋晶閘管將發(fā)生短路。根據(jù)短路晶閘管的數(shù)量和位置，可以將該故障分為以下2 種情況：

1） 需要關(guān)斷的晶閘管均發(fā)生短路故障。此時裝置的運行狀態(tài)與圖5 一致，其故障現(xiàn)象及判斷方式參見第2.4.1 節(jié)。

2） 僅一個晶閘管發(fā)生短路故障。此時裝置的運行狀態(tài)如圖7 所示，其等效電路為僅變壓器高壓側(cè)的短路晶閘管導通，即變壓器高壓側(cè)帶載運行，不進行補償電壓輸出。當發(fā)生故障時，由于該裝置已實現(xiàn)了原本擬取消補償電壓的效果，且不會產(chǎn)生其他影響，故無法立即進行故障判斷；只有當裝置再切換到其他狀態(tài)時，才有可能判斷識別具體的短路晶閘管故障。

圖 7 僅一個晶閘管發(fā)生短路故障時的運行狀態(tài)Fig. 7 The operating state of only one thyristor with short circuit fault

2.4.3 工況3

當裝置補償電壓換向時，H 橋晶閘管將發(fā)生短路，電流流向如圖8 所示。

圖8 中的故障狀態(tài)與變壓器短路運行類似，其低壓側(cè)短路電流i1為

式中：U1m為低壓側(cè)繞組電壓有效值，在該故障工況下，U1m即為裝置輸入電壓；ZS為變壓器短路阻抗；rS為變壓器短路等效電阻；LS為變壓器短路電感；ω為輸入電壓Ui的角頻率；t為故障發(fā)生的時間；α為輸入電壓Ui在0 時刻的相位角；φ為短路電流的相位角。

短路電流i1分為2 個部分，一個是穩(wěn)態(tài)短路電流i1H，另一個是沖擊電流分量i1I，其中i1I將在大約2 個周期之后衰減為0。如果短路電流的相位滯后于輸入電壓1/4 個周期，則將在輸入電壓過零時發(fā)生短路，且此時短路電流將達到峰值。圖9 所示為該故障工況下短路電流的變化曲線。

在該故障工況下，由于變壓器的短路阻抗一般非常小，所以變壓器低壓側(cè)電流的最大有效值可能是變壓器額定電流的數(shù)十倍。同時，在開始數(shù)個周期內(nèi)，可能存在一個迅速衰減的沖擊電流分量，從而進一步增加短路電流的幅值。該短路故障電流可以使裝置內(nèi)的熔斷器瞬間斷開，并可能導致相關(guān)器件損壞。此外，在變壓器高壓側(cè)也將產(chǎn)生極大的感應電流，從而使變壓器繞組急劇升溫，并在其內(nèi)部產(chǎn)生極大的機械應力，最終對變壓器造成損害，但不會影響其他失電線路。

圖 8 短路電流流向Fig. 8 Flow direction of short circuit current

發(fā)生此類故障時，可以通過檢測裝置的輸入電流和輸出電流來進行判斷。當輸入電流陡增，而輸出電流降至極低且裝置斷電，即可判斷發(fā)生了此類故障。此時，應先立即斷開裝置總開關(guān)KS，然后判斷當前策略中本應關(guān)斷的晶閘管，并對故障晶閘管進行標識。

3 仿真分析

參照圖1 所示的電路拓撲，搭建單個變壓器仿真模型，具體參數(shù)如下：交流電源的有效值為220 V；線型變壓器的功率為4.5 kW，變比為220∶30 ，其他參數(shù)選擇默認值；變壓器高壓側(cè)的短路電阻為5 Ω；電壓輸出端為5 Ω 純阻性負載。

圖 9 短路電流的變化曲線Fig. 9 Variation curve of short circuit current

首先，模擬二級故障模態(tài)的工況1，其仿真結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，變壓器高壓側(cè)電壓（藍色實線）約為2 000 V，而裝置的輸出電壓（紅色虛線）卻極小，超出了穩(wěn)壓范圍；變壓器低壓側(cè)的電流約為2 A，遠低于正常水平，該仿真結(jié)果與2.3.1 節(jié)的理論分析結(jié)果相吻合。

圖 10 二級故障工況1 的仿真波形Fig. 10 Simulation waveform of condition 1 of second-level fault

然后，模擬三級故障模態(tài)的工況1，其仿真結(jié)果如圖11 所示，其中藍色實線表示正常工況電流，紅色虛線表示故障工況電流。由圖11 可知，該故障工況下：補償回路電流IT約為64 A，遠大于正常工作電流；變壓器低壓側(cè)電流I1也大于正常工作電流，該仿真結(jié)果與2.4.1 節(jié)的理論分析結(jié)果相吻合。

最后，模擬三級故障模態(tài)的工況3，其仿真結(jié)果如圖12 所示，其中藍色實線表示變壓器低壓側(cè)電流I1，紅色虛線表示輸出電流Io。由圖12 可知，該故障工況下：變壓器低壓側(cè)電流I1極大，遠遠超出了自動調(diào)壓變壓器裝置內(nèi)所有器件的承受范圍，而輸出電流幾乎為0，該仿真結(jié)果與2.4.3 節(jié)的理論分析結(jié)果相吻合。

圖 11 三級故障工況1 的仿真波形Fig. 11 Simulation waveform of condition 1 of the third-level fault

圖 12 三級故障工況3 的仿真波形Fig. 12 Simulation waveform of condition 3 of the third-level fault

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于雙向晶閘管的自動調(diào)壓變壓器裝置，通過控制雙向晶閘管組件的通斷狀態(tài)，即可實現(xiàn)調(diào)壓功能。重點研究了該調(diào)壓裝置中的主要工作部件——雙向晶閘管的3 種故障模態(tài)。當晶閘管組件的H 橋發(fā)生斷路故障，即一級故障時，等效于裝置單路或多路補償功能失效，僅會對裝置的調(diào)壓效果產(chǎn)生影響。當變壓器高壓側(cè)的短路晶閘管THS發(fā)生斷路故障，即二級故障時，等效于變壓器空載運行或空載合閘，可能將在變壓器高壓側(cè)感應出大電壓或在其低壓側(cè)產(chǎn)生沖擊大電流，對裝置造成損害。當晶閘管組件發(fā)生短路故障，即三級故障時，如果故障狀態(tài)等效于短路功率電阻與負載并聯(lián)工作，這將導致裝置負載電流與主回路的電流增加甚至破壞裝置；如果等效為變壓器不補償工作，則對裝置沒有影響；如果等效為變壓器短路運行，則將可能產(chǎn)生沖擊大電流，對裝置造成破壞?；诖耍疚奶岢隽烁黝惞收夏B(tài)的檢測方法和處理方案，并采用仿真實驗進行了理論驗證，可為動態(tài)調(diào)壓裝置的故障模式分析提供參考。

在后續(xù)研究工作中，將搭建自動調(diào)壓變壓器裝置整體的三相調(diào)壓樣機，并開展故障診斷功能測試實驗。同時，將考慮增加遠程控制及顯示功能，用以優(yōu)化該裝置的實際應用效果。