CN104993455A - 一种牵引变压器过流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种牵引变压器过流保护方法，步骤包括：1)实时检测控制接入目标牵引变压器电源的主断路器的状态，且当检测到主断路器处于合闸状态时，转入执行步骤2)；2)采集目标牵引变压器的原边电流信号，并根据采集到的原边电流信号的值对目标牵引变压器的过流状态进行预判断，若预判断为过流状态，转入执行步骤3)；3)根据原边电流信号一个电流周期内前、后半周期之间的相似性，判断过流状态的类型，若判定为产生励磁涌流状态，不触发过流保护动作；若判定为故障过流状态，则断开主断路器，执行过流保护。本发明能够避免励磁涌流造成的过流误保护动作，具有实现方法简单、所需成本低以及过流保护准确度高的优点。

Description

一种牵引变压器过流保护方法

技术领域

本发明涉及交流机车供电保护技术领域，尤其涉及一种牵引变压器过流保护方法。

背景技术

交流供电的机车中，需要使用牵引变压器将高压转换为牵引***可用的低压，为了防止变压器内部故障或者短路等异常情况给变压器造成损害，牵引***通常会设计相应的保护功能，牵引变压器过流保护就是其中最基本的一个功能。

目前对于牵引变压器的过流保护通常是通过***设置一个整定值，当牵引变压器的原边电流大于设定值时，触发过流保护故障从而分断高速断路器进行保护。如图1所示，机车中AC25KV/50Hz单相交流电经过高速断路器HSCB接入牵引变压器的原边绕组，牵引变压器的次边绕组连接各种交流负载(例如变流器)；为了对牵引变压器故障时实施有效的保护，将原边电流信号经过高压互感器TA送至TCU(Traction Control Unit，传动控制单元)内，即通过传动控制单元TCU实时检测原边电流采样值，在TCU中设置一个固定的电流阀值，当原边电流大于设定阀值时，触发过流保护，分断高速断路器HSCB。

当高速断路器合闸、牵引变压器空载投入时，牵引变压器的原边电流会出现励磁涌流，其最大时可达额定电流的8倍以上，变压器空载投入时都必然会产生励磁涌流，只是涌流的大小是与合闸时电网电压相位角及牵引变压器的剩磁等相关，而该励磁涌流会逐渐衰减，不会对牵引变压器造成大的损害，是不需要进行保护动作的。因而牵引变压器采用上述过流保护方法，很容易由励磁涌流误触发过流保护动作，导致机车在合闸时投入失败，特别是在过分相时非常容易导致重载机车机破，因此会对机车正常运用造成较大影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够避免励磁涌流造成的过流误动作，且实现方法简单、所需成本低以及过流保护准确度高的牵引变压器过流保护方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种牵引变压器过流保护方法，步骤包括：

1)实时检测控制接入目标牵引变压器电源的主断路器的状态，且当检测到所述主断路器处于合闸状态时，转入执行步骤2)；

2)采集目标牵引变压器的原边电流信号，并根据采集到的所述原边电流信号的值对目标牵引变压器的过流状态进行预判断，若预判断为过流状态，转入执行步骤3)；

3)根据所述原边电流信号一个电流周期内前、后半周期之间的相似性，判断所述过流状态的类型，若判定为产生励磁涌流状态，不触发目标牵引变压器的过流保护动作；若判定为故障过流状态，则断开所述主断路器，对目标牵引变流器执行过流保护。

作为本发明的进一步改进：所述步骤2)的具体步骤为：

2.1)主断路器合闸时，采集目标牵引变压器的一个电流周期的原边电流信号；

2.2)判断采集到的所述原边电流信号的值是否大于预设过流阈值，如果是，预判定所述原边电流信号为过流信号，以及预判断目标牵引变压器为过流状态，转入执行步骤3)。

作为本发明的进一步改进：所述步骤1)中具体通过检测主断路器辅助触头发送的反馈状态波形中上升沿，检测到所述主断路器处于合闸状态。

作为本发明的进一步改进：所述步骤3)中判断所述过流状态的类型的具体步骤为：

3.1)获取所述主断路器合闸时采集到的一个电流周期的所述原边电流信号，并计算获取到的所述原边电流信号中前、后半周期之间的相似度；

3.2)判断计算得到的相似度的大小，若小于等于预设阈值h，则判定所述原边电流信号为励磁涌流，以及目标牵引变压器为产生励磁涌流状态；否则判定为故障过流信号，以及目标牵引变压器为内部故障状态。

作为本发明的进一步改进，所述步骤3.1)中具体按照下式计算前、后半周期之间的相似度；

$R=\frac{\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}\[X_1\left(k\right)\·Y\left(k\right)\]}{{\{\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}{\[X_1\left(k\right)\]}^2.\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}{\[Y\left(k\right)\]}^2\}}^{\frac{1}{2}}}$

其中，X₁(k)为所述原边电流信号的前半周期中第k个采样值的归一化值，Y(k)＝-X₂(k)，X₂(k)为所述原边电流信号的后半周期中第k个采样值的归一化值。

作为本发明的进一步改进，所述归一化值的具体获取步骤为：

3.11)按照下式对所述原边电流信号进行归一化处理；

$I_{pN}\left(k\right)=\frac{I_p\left(k\right)}{max\left(\right|I_{pmax}|,|I_{pmin}\left|\right)}$

其中，I_p(k)为所述原边电流信号的第k个采样值，I_pN(k)为所述原边电流信号的第k个采样值的归一化值，k＝1,2,…，N_s，|I_pmax|为采集的原边电流信号中最大值，|I_pmin|为采集的原边电流信号中最小值，max为取最大值；

3.12)按下式分别获取得到所述原边电流信号前、后半周期的归一化值；

$X_1\left(k\right)=I_{pN}\left(k\right),k=1,2,...,\frac{N_s}{2}$

$Y\left(k\right)=-I_{pN}(k+\frac{N_s}{2}),k=1,2,...,\frac{N_s}{2}$

其中，X₁(k)为所述原边电流信号的前半周期中第k个采样值的归一化值，Y(k)为所述原边电流信号的后半周期中第k个采样值的归一化值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明通过检测主断路器合闸时的原边电流信号判断目标牵引变压器的过流状态，根据原边电流信号的值预判断为过流状态后，再根据原边电流信号一个电流周期内前、后半周期之间的相似性识别出励磁涌流，从而判断过流状态的类型，可以有效实现牵引变压器的过流保护，同时避免由于励磁涌流造成的误保护动作；

2)本发明结合励磁涌流与故障电流信号波形特征的差异，通过对原边电流信号一个电流周期内前、后半周期之间的相似性，来判断目标牵引变压器的过流类型，可以准确的识别出过流信号是由于励磁涌流还是牵引变压器内部故障产生，从而有效避免因励磁涌流信号导致误判而触发保护动作；

3)本发明通过采集一个电流周期内的原边电流信号进行过流状态判断，可以结合励磁涌流产生时间短的特性实现励磁涌流的识别，同时可以确保牵引变压器内部故障保护的实时性。

附图说明

图1是传统的机车中牵引变压器原边过流保护的原理示意图。

图2是本实施例牵引变压器过流保护方法的实现流程示意图。

图3是典型励磁涌流的波形示意图。

图4是典型故障电流信号的波形示意图。

图5是本发明具体实施例中牵引变压器过流保护方法的实现流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图2所示，本实施例牵引变压器过流保护方法，步骤包括：

1)实时检测控制接入目标牵引变压器电源的主断路器的状态，且当检测到主断路器处于合闸状态时，转入执行步骤2)；

2)采集目标牵引变压器的原边电流信号，并根据采集到的原边电流信号的值对目标牵引变压器的过流状态进行预判断，若预判断为过流状态，转入执行步骤3)；

3)根据原边电流信号一个电流周期内前、后半周期之间的相似性，判断过流状态的类型，若判定为产生励磁涌流状态，不触发目标牵引变压器的过流保护动作；若判定为故障过流状态，则断开所述主断路器，对目标牵引变流器执行过流保护。

本实施例通过检测主断路器合闸时的原边电流信号判断目标牵引变压器的过流状态，根据原边电流信号的值预判断为过流状态后，再根据原边电流信号判断过流状态的类型，在判定为励磁涌流状态时不触发目标牵引变压器的过流保护动作，从而可以有效避免由于励磁涌流造成的误保护动作。

典型的励磁涌流波形、以及牵引变压器内部发生故障时产生的故障电流信号如图3、4所示，由图中可知，牵引变压器内部发生故障时，故障电流信号与标准正弦波的波形相似；励磁涌流则是在某一时间段内与标准正弦波的波形类似，而在间断角部分与标准正弦波的波形差别较大。本实施例基于波形相关性原理，结合上述励磁涌流与故障电流信号波形特征的差异，通过对原边电流信号一个电流周期内前、后半周期之间的相似性，来判断目标牵引变压器的过流类型，可以准确的识别出过流信号是由于励磁涌流还是牵引变压器内部故障产生，从而有效避免因励磁涌流信号导致误判而触发保护动作。

本实施例中，步骤1)中具体通过检测主断路器辅助触头发送的反馈状态波形中上升沿，检测到主断路器处于合闸状态。

本实施例中，步骤2)的具体步骤为：

2.1)主断路器合闸时，采集目标牵引变压器当时时刻原边电流信号；

2.2)判断采集到的原边电流信号的值是否大于预设过流阈值，如果是，预判定原边电流信号为过流信号，以及预判断目标牵引变压器为过流状态，转入执行步骤3)。

本实施例在主断路器合闸时，首先通过TCU采集目标牵引变压器的原边电流信号进行过流判断，由于交流机车的牵引变压器中供电频率恒定为50Hz，设TCU采样周期为f_s，则每各电流周期内采样点数N_s为采样点数。当检测到主断器状态闭合上升沿时，采集主断状态闭合后一个周期(N_s个采样点)的原边电流信号的数据，原边电流信号即为：

I_p＝{I_p(k)},k＝1,2,…,N_s   (1)

其中I_p(k)为原边电流信号的第k个采样值。

TCU采集到原边电流信号后，再根据预先设置的过流阈值判断是否为过流信号，以对当前的牵引变压器过流状态进行预判断。

TCU预判断目标牵引变压器为过流状态后，根据原边电流信号前、后半周期的相似性识别过流状态类型，以识别出是由于励磁涌流还是牵引变压器内部故障导致原边过流，从而确定是否需要执行牵引变压器过流保护。

本实施例中，步骤3)中判断过流状态的类型的具体步骤为：

3.1)获取主断路器合闸时采集到的一个电流周期的原边电流信号，并计算原边电流信号在一个电流周期内前、后半周期之间的相似度；

3.2)判断计算得到的相似度的大小，若小于等于预设阈值h，则判定原边电流信号为励磁涌流，以及目标牵引变压器为产生励磁涌流状态；否则判定为故障过流信号，以及目标牵引变压器为内部故障状态。

由于励磁涌流产生的时间短，因而本实施例通过TCU采集主断路器合闸后一个电流周期(本实施例取20ms)内的原边电流信号进行判断识别，可以实现励磁涌流的有效识别，同时确保牵引变压器内部故障保护的实时性。

本实施例利用励磁涌流信号在前半周期、后半周期时信号特征不一致，而故障电流信号在前半周期、后半周期时信号特征一致的特性，来识别过流信号的类型，从而识别过流状态的类型，以在判定为故障过流信号时，执行过流保护；而在判定为励磁涌流状态时，不触发目标牵引变压器的过流保护动作，避免由于励磁涌流造成的误保护动作。

本实施例中，步骤3.1)中具体按照下式(2)计算前、后半周期之间的相似度；

$R=\frac{\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}\[X_1\left(k\right)\·Y\left(k\right)\]}{{\{\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}{\[X_1\left(k\right)\]}^2.\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}{\[Y\left(k\right)\]}^2\}}^{\frac{1}{2}}}---\left(2\right)$

其中，X₁(k)为原边信号的前半周期中第k个采样值的归一化值，即

$X_1\left(k\right)=I_{pN}\left(k\right),k=1,2,...,\frac{N_s}{2},k=1,2,...,\frac{N_s}{2},$ N_s为采样点数，I_pN(k)为原边电流信号中第k个采样值的归一化值；Y(k)＝-X₂(k)，X₂(k)为原边信号的后半周期中第k个采样值的归一化值，即 $Y\left(k\right)=-I_{pN}(k+\frac{N_s}{2}),k=1,2,...,\frac{N_s}{2}.$

本实施例中，归一化值的具体获取步骤为：

3.11)按照下式(3)对原边电流信号进行归一化处理；

$I_{pN}\left(k\right)=\frac{I_p\left(k\right)}{max\left(\right|I_{pmax}|,|I_{pmin}\left|\right)}---\left(3\right)$

其中，I_p(k)为所述原边电流信号的第k个采样值，I_pN(k)为所述原边电流信号的第k个采样值的归一化值，k＝1,2,…，N_s，|I_pmax|为采集的原边电流信号中最大值，|I_pmin|为采集的原边电流信号中最小值，max为取最大值；

3.12)按下式(4)、(5)分别获取得到所述原边电流信号前、后半周期的归一化值；

$X_1\left(k\right)=I_{pN}\left(k\right),k=1,2,...,\frac{N_s}{2}---\left(4\right)$

$Y\left(k\right)=-I_{pN}(k+\frac{N_s}{2}),k=1,2,...,\frac{N_s}{2}---\left(5\right)$

其中，X₁(k)为原边电流信号的前半周期中第k个采样值的归一化值，Y(k)为原边电流信号的后半周期中第k个采样值的归一化值。

本实施例由原边电流信号的前半周期与后半周期的相似度来识别励磁涌流信号，可以有效表征信号之间的相似性，同时识别方式简单且识别精度高。

如图5所示本发明具体实施例中上述牵引变压器过流保护方法的步骤为：

初始化设置上升沿周期内标志Flag＝FALSE(由FALSE标记为非上升沿周期内，TRUE为上升沿周期内)，电流周期数据数组Ip[Ns]＝[0,0,…,0]，N＝0以及原边过流预判标志Ip_OIr＝FALSE(由FALSE标记为非过流状态，TRUE标记为过流状态)；原边过流标志Ip_OI＝FALSE(由FALSE标记为非过流状态，TRUE标记为过流状态)；

判断主断合闸状态，如果为合闸时，采集当时时刻原边电流信号Ip(k)，判断Ip(k)是否大于过流阈值Ith，如果是则置原边过流预判标志Ip_OIr＝TRUE，即预判断为过流状态；

预判断为过流状态时，检测主断闭合是否处于上升沿周期内，且当为主断闭合上升沿时置上升沿周期内标志Flag＝TRUE，并在判断到上升沿周期内标志Flag＝TRUE时，采集Ns(一个周期)的原边电流信号，根据式(2)计算原边电流信号Ip(k)前半周期与后半周期的相似度R，判断相似度R是否大于预设阈值h，如果是则置Ip_OI＝Ip_OIr，即最终判定为故障原边过流，牵引变压器处于故障过流状态，由TCU控制主断路器断开，执行牵引变压器过流保护动作，否则为非故障原边过流，牵引变压器为产生励磁涌流状态，不执行过流保护；

重置上升沿周期内标志Flag＝FALSE，电流周期数据数组Ip[Ns]＝[0,0,…,0]，主断闭合周期数N＝0后，循环执行上述步骤进行下一次过流保护。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种牵引变压器过流保护方法，其特征在于，步骤包括：

1)实时检测控制接入目标牵引变压器电源的主断路器的状态，且当检测到所述主断路器处于合闸状态时，转入执行步骤2)；

2)采集目标牵引变压器的原边电流信号，并根据采集到的所述原边电流信号的值对目标牵引变压器的过流状态进行预判断，若预判断为过流状态，转入执行步骤3)；

3)根据所述原边电流信号一个电流周期内前、后半周期之间的相似性，判断所述过流状态的类型，若判定为产生励磁涌流状态，不触发目标牵引变压器的过流保护动作；若判定为故障过流状态，则断开所述主断路器，对目标牵引变流器执行过流保护。

2.根据权利要求1所述的牵引变压器过流保护方法，其特征在于：所述步骤2)的具体步骤为：

2.1)主断路器合闸时，采集目标牵引变压器的当前时刻原边电流信号；

2.2)判断采集到的所述原边电流信号的值是否大于预设过流阈值，如果是，预判定所述原边电流信号为过流信号，以及预判断目标牵引变压器为过流状态，转入执行步骤3)。

3.根据权利要求2所述的牵引变压器过流保护方法，其特征在于：所述步骤1)中具体通过检测主断路器辅助触头发送的反馈状态波形中上升沿，检测到所述主断路器处于合闸状态。

4.根据权利要求1或2或3所述的牵引变压器过流保护方法，其特征在于，所述步骤3)中判断所述过流状态的类型的具体步骤为：

3.1)获取所述主断路器合闸时采集到的一个电流周期的所述原边电流信号，并计算获取到的所述原边电流信号中前、后半周期之间的相似度；

3.2)判断计算得到的相似度的大小，若小于等于预设阈值h，则判定所述原边电流信号为励磁涌流，以及目标牵引变压器为产生励磁涌流状态；否则判定为故障过流信号，以及目标牵引变压器为内部故障状态。

5.根据权利要求4所述的牵引变压器过流保护方法，其特征在于，所述步骤3.1)中具体按照下式计算前、后半周期之间的相似度；

$R=\frac{\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}\[X_1\left(k\right)\·Y\left(k\right)\]}{{\{\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}{\[X_1\left(k\right)\]}^2.\underset{k=1}{\overset{N_s/2}{\Σ}}{\[Y\left(k\right)\]}^2\}}^{\frac{1}{2}}}$

其中，X₁(k)为所述原边电流信号的前半周期中第k个采样值的归一化值，Y(k)＝-X₂(k)，X₂(k)为所述原边电流信号的后半周期中第k个采样值的归一化值。

6.根据权利要求5所述的牵引变压器过流保护方法，其特征在于，所述归一化值的具体获取步骤为：

3.11)按照下式对所述原边电流信号进行归一化处理；

$I_{pN}\left(k\right)=\frac{I_p\left(k\right)}{max\left(\right|I_{pmax}|,|I_{pmin}\left|\right)}$

其中，I_p(k)为所述原边电流信号的第k个采样值，I_pN(k)为所述原边电流信号的第k个采样值的归一化值，k＝1,2,…，N_s，|I_pmax|为采集的原边电流信号中最大值，|I_pmin|为采集的原边电流信号中最小值，max为取最大值；

3.12)按下式分别获取得到所述原边电流信号前、后半周期的归一化值；

$X_1\left(k\right)=I_{pN}\left(k\right),k=1,2,...,\frac{N_s}{2}$

$Y\left(k\right)=-I_{pN}(k+\frac{N_s}{2}),k=1,2,...,\frac{N_s}{2}$

其中，X₁(k)为所述原边电流信号的前半周期中第k个采样值的归一化值，Y(k)为所述原边电流信号的后半周期中第k个采样值的归一化值。