基于晶闸管的自动调压变压器故障诊断技术

范磊，李维波，徐聪，李巍，李齐

武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070

0 引 言

对于船舶的大功率负载而言，若频繁切换操作，有可能引发负载侧电压的大幅波动，进而影响船用设备的工作状态，甚至导致用电设备故障并损坏。同时，恶劣的工作环境也极易诱发船用设备故障。因此，为了提高船用设备的可靠性，应对其健康运行情况进行监控[1-3]。

对于船舶电力系统的电压波动问题，目前主要有3 种解决办法：第一，增加船舶电站的容量，提高其带载能力，从而降低负载变化带来的影响，但该方法的成本极高，且不易付诸实践；第二，当系统电压波动时，采用大容量储能单元进行调压，但该方法易产生谐波，进而对电网造成污染；第三，采用稳压电源为船舶设备供电，较为精准地将电源电压稳定在一定范围之内，该方法的成本较低，也是目前应对此类问题的主流措施。

根据是否采用隔离措施，可以将稳压电源分为隔离型和非隔离型2 类。隔离型稳压电源又可以分为高频隔离稳压电源和工频隔离稳压电源2 类。其工作原理是：首先，对电网交流电进行整流处理；然后，对整流输出的直流电进行特定频率的逆变处理；最后，通过隔离变压器输出，从而为后续设备供电。隔离型稳压电源对电网的影响较小且精度较高，但其结构复杂、成本偏高、输出效率偏低；同时，其配置了大功率隔离变压器，故设备体积偏大，由此可见，隔离型稳压电源无法满足船舶设备小型化和高效率的设计要求。非隔离型稳压电源的工作原理与前者基本一致，仅仅取消了隔离变压器，所以仍然存在成本偏高、效率偏低、体积偏大等问题[4-7]。

与其他全控型器件相比，在同等级容量工况下，晶闸管（含触发）具备舰用环境适应度高、可靠性高、成本低等优点，为此，本文拟提出一种基于晶闸管的自动调压变压器（220 V 交流电压等级），其初级将配置3 个晶闸管组件（每个组件由5 个双向晶闸管组成），次级则将串入电源与负载之间，通过改变双向晶闸管组件的开断状态，即可完成三相电压的正负调压工作，从而解决电压波动问题。同时，本文将针对双向晶闸管的实时故障模式开展仿真分析，并设计相应的故障诊断方案，以及时反馈装置的健康状况，从而避免重大故障。

1 自动调压原理

基于晶闸管的自动调压变压器可以进行三相自动调压，其拓扑结构如图1 所示。三相调压装置分别为EA，EB，EC，其中每相均由大、中、小3 个不同变比的调压变压器T1，T2，T3及其晶闸管组件THSCR1，THSCR2，THSCR3，装置总开关KS、旁路开关KBP、调压变压器高压侧熔断器FU 及装置监控系统组成。图1 中，每个晶闸管组件均由晶闸管H 桥（包含晶闸管TH1，TH2，TH3，TH4）、高压侧短路晶闸管THS及短路功率电阻RS组成。

图 1 基于晶闸管的自动调压变压器的拓扑结构Fig. 1 Device topology of automatic voltage regulating transformer based on thyristor

为简化分析，本文将以A 相为例展开研究，图2所示为图1 的简化等效电路。

图 2 简化等效电路Fig. 2 Simplified equivalent circuit

将3 个调压变压器T1，T2，T3的变比分别设为k1，k2，k3，将变压器等效总变比设为K，考虑晶闸管组件构成的换向模块作用，得

式中：x1，x2，x3分别为3 个调压变压器变比的方向系数，可取值为+1，0，−1，其具体数值取决于各自的换向模块，即晶闸管组件的投切模式。当仅有晶闸管TH2，TH3开通时，取值为+1；当仅有晶闸管THS开通时，取值为0；当仅有晶闸管TH1，TH4开通时，取值为−1。

由图2 可知，输入电压uIN、输电线路压降uli、串联调压电路压降Δu和输出电压uL之间的关系为

其中

式中：it为旁路电流；rli为线路阻抗。

旁路电流it、负载电流iL、调压回路电流i0之间的关系为

式中，rL为负载阻抗。

联立式（1）～式（5），即可得到输入电压和输出电压之间的关系式：

由式（6）可知，当其他参数固定不变时，只有通过调节系数x1，x2，x3才能达到调压目的。因此，当系统的输入电压uIN超出装置的额定工作电压UN时，如需将输出电压uL维持在其允许范围内，则应改变晶闸管组件的投切模式，即通过3 个调压变压器对母线进行调压，从而确保稳定的系统输出电压。

2 故障模式及诊断技术

双向晶闸管作为一种半控型电力电子开关，已广泛应用于电力电子系统的交流调压操作。相较于传统的机械开关，双向晶闸管具有响应速度快、投切速度快、无触点、寿命长、成本低等优点[8-9]。开通双向晶闸管的2 个条件为：满足幅值要求和脉宽要求的触发脉冲；双向晶闸管两端的电压足够高。关断双向晶闸管时，仅需取消触发脉冲，使其两端的电流低于维持电流即可，从而在电流降为零时将其完全关断[10]。

在本文装置中，双向晶闸管有3 个正常投切条件：

1） 在双向晶闸管回路中接入的交流电，应满足电压幅值和电流幅值的要求。

2） 应根据作业需求，开通和关断满足幅值、脉宽要求的触发脉冲。

3） 双向晶闸管自身无故障。

对于本装置而言，晶闸管故障主要分为2 种，一种是无法开通的断路故障，另一种是无法关断的短路故障。

2.1 装置故障分级

本文将自动调压变压器装置的故障模态进行分级：

1） 一级故障：晶闸管组件的H 桥发生断路故障。该类故障仅影响装置的调压效果，不会对装置造成进一步损伤，故仅需发送一级故障信息，待后续人工检修即可。

2） 二级故障：变压器高压侧的短路晶闸管THS发生断路故障。该类故障可能导致调压变压器在高压侧产生强电压或在低压侧产生冲击大电流，从而对调压变压器及相关器件造成损坏，甚至引发电气火灾。在此工况下，需要发送二级故障信息并立即断开装置总开关KS，同时进行人工检修。

3） 三级故障：晶闸管组件中的任意晶闸管发生短路故障。该类故障可能导致装置回路中产生极高的短路电流，对装置整体以及后续用电设备造成损坏，危害极大，故装置入口处需设置熔断器。在此工况下，需要发送三级故障信息并立即切断装置总开关KS，同时进行人工检修。

2.2 一级故障模态分析

自动调压变压器装置的一级故障主要分为3 种，其判断方法与该装置的预设输出电压uN、输入电压uIN和实际输出电压uL相关。

1） 故障类型1。若预设输出电压uN与实际输出电压uL差值的绝对值约等于3 档调压变压器的额定调压值（分别为0.135UN，0.045UN，0.015UN），则判定为单组晶闸管发生故障。

2） 故障类型2。若实际输出电压uL与输入电压uIN差值的绝对值约等于3 档调压变压器的额定调压值（分别为0.135UN，0.045UN，0.015UN），则判定为2 组晶闸管同时发生故障。

3） 故障类型3。若实际输出电压uL与输入电压uIN相等，则判定为3 组晶闸管均发生故障。

判定故障类型之后，即可根据触发脉冲的反馈信号来分析是晶闸管组件损坏，还是其触发电路故障。设定自动调压变压器装置的额定工作电压UN为1 pu，则自动调压变压器装置的一级故障模态如表1 所示。

表 1 一级故障模态Table 1 Mode of the first-level fault

2.3 二级故障模态分析

当自动调压变压器装置的旁路开关KBP动作，切入调压回路且3 个调压单元不同时运行时，对于不需要进行调压操作的变压器高压侧的短路晶闸管THS而言，需要将其导通。一旦THS出现断路情况，根据补偿变压器是否初次接入主回路，将引发不同后果的故障，具体分析如下。

2.3.1 工况1：调压稳压过程中断路

该工况与变压器高压侧的空载运行工况类似，此时自动调压变压器装置的等效电路如图3 所示。

图 3 空载运行工况的等效电路Fig. 3 Equivalent circuit of no-load operation condition

图3 中：Ui为输入电压，I1为变压器低压侧电流，Xm为变压器励磁电抗，Rm为变压器励磁电阻，E1为变压器低压侧压降，Uo为输出电压，ZL为负载。其中，

式中：Zm=Rm＋jXm，为变压器励磁阻抗，其值一般远大于负载ZL，其中j 为虚数符号。

由式（7）可知，变压器低压侧的电流值I1很小，不会对系统造成危害。由式（8）可知，因I1很小，输出电压Uo也就很小，从而将影响本装置对输出电压的稳定效果。由式（9）可知，变压器低压侧的压降E1接近输入电压Ui。根据变压器的固有特性，其低压侧压降E1、高压侧压降E2与变比k（0.015，0.045，0.135）的关系如下：

由式（10）可知，变压器高压侧的压降E2为输入电压Ui的十倍甚至数十倍，远远超过了变压器及其周围器件的耐压范围，故将造成设备损害。

因此，可以根据输出电压判断此类故障。若自动调压变压器装置进行补偿时，输出电压突然变得极小，则应立即断开装置总开关KS并发出故障信号，然后根据该工况下本应开通的变压器高压侧短路晶闸管来判定故障晶闸管的标号。

2.3.2 工况2：初次接入主回路时断路

该工况与变压器的空载合闸工况类似，当变压器接入主回路且输入电压位于幅值最高点时，补偿变压器的绕组无磁通，之后绕组磁通将随电源电压正常变化，在此期间不会产生大电流。若变压器接入主回路时的电压幅值不在最高点，则补偿变压器绕组将立即产生相应的磁通，而铁芯中将随之产生大小相同、方向相反的磁通来将其抵消。因此，变压器将在数个周期内叠加产生幅值极高的磁通和变压器2～4 倍额定工作电流的励磁电流，从而对自动调压变压器装置产生危害。图4（a）所示为变压器铁芯磁通Φ与励磁涌流i的关系，图4（b）所示为铁芯磁通Φ、励磁涌流i与相位角ωt的关系，其中S为铁芯磁通饱和值。在此瞬态大电流冲击下，若自动调压变压器装置的熔断器没有断开，则其励磁涌流i将在一段时间内衰减至工况1 中的变压器低压侧电流I1，同时变压器高压侧也会产生大电压，故此瞬态大电流冲击一般不会对变压器本身产生影响，但可能会对负载造成损伤。

图 4 铁芯磁通、励磁涌流与相位角的关系图Fig. 4 Relationship diagram of core magnetic flux, inrush current and phase angle

在熔断器没有断开时，可以通过检测装置的输入电流来判断此类故障：若装置输入电流突然跳变为额定电流的数倍，并在数个周期内降低至极小值，即可判断发生了此类故障；在熔断器断开时，若装置切入调压回路后立即断电，即可判断发生了此类故障，此时应立即断开装置总开关KS，判断故障并发送故障信息。

2.4 三级故障模态分析

当自动调压变压器装置处于调压操作中且需要改变调压策略时，应先关断已开通的晶闸管，然后通过新的触发脉冲开通另一组晶闸管。此时，若本应关断的晶闸管失控直通，则该装置将发生短路故障，在整个回路中产生极大的短路电流，进而对自动调压变压器装置和用电设备造成危害。晶闸管短路故障主要分为3 种工况，具体分析如下。

2.4.1 工况1

当补偿变压器从无需输出补偿电压切换为需要输出补偿电压时，变压器高压侧的晶闸管THS将发生短路，其短路电流的流向如图5 所示，其中图5（a）为该变压器进行正向补偿的电流流向，图5（b）为该变压器进行负向补偿的电流流向。

由图5 可知，此时变压器高压侧、短路功率电阻RS和负载ZL并联工作，故该装置的输入电压Ui、补偿电压ΔU、变压器低压侧电流I1、变压器补偿回路电流IT、短路功率电阻电流IR、变压器高压侧电流I2、装置输出电压Uo、负载电流IZ、变压器变比k、调压方向系数x（图5（a）中x=1，图5（b）中x=−1）以及负载ZL的关系如下：

图 5 晶闸管THS 短路时的电流流向示意图Fig. 5 Schematic diagram of current flow when thyristor THS is short-circuited

根据式（14）可知

该装置的正常工作状态如图6 所示。

当该装置处于正常工作状态时，变压器低压侧电流I′1、变压器高压侧电流I′2、变压器补偿回路电流I′T、负载电流I′Z和装置输出电压U′o为：

由式（17）～式（20）可知：

图 6 正常工作状态的电路图Fig. 6 Circuit of normal working state

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

由此可见，在该故障状态下：装置输出电压Uo和负载电流IZ均没有变化，不会对装置的调压稳压效果及后续负载造成影响；变压器低压侧电流I1与补偿回路电流IT均会适当增加，且其增量与输入电压Ui成正比，与短路功率电阻RS成反比。

发生此类故障时，装置内部电流将陡升，装置损耗将明显增加，严重时将直接熔断装置内部的熔断器，甚至可能对装置造成破坏性损伤。因此，可以通过检测装置输入电流和输出电流来进行判断：当输入电流陡增而输出电流不变时，即可判断发生了此类故障。此时，应先立即断开装置总开关KS，然后判断当前策略中本应关断的变压器高压侧晶闸管，并对故障晶闸管进行标识。

2.4.2 工况2

当补偿变压器从正在输出补偿电压切换为无需输出补偿电压时，H 桥晶闸管将发生短路。根据短路晶闸管的数量和位置，可以将该故障分为以下2 种情况：

1） 需要关断的晶闸管均发生短路故障。此时装置的运行状态与图5 一致，其故障现象及判断方式参见第2.4.1 节。

2） 仅一个晶闸管发生短路故障。此时装置的运行状态如图7 所示，其等效电路为仅变压器高压侧的短路晶闸管导通，即变压器高压侧带载运行，不进行补偿电压输出。当发生故障时，由于该装置已实现了原本拟取消补偿电压的效果，且不会产生其他影响，故无法立即进行故障判断；只有当装置再切换到其他状态时，才有可能判断识别具体的短路晶闸管故障。

图 7 仅一个晶闸管发生短路故障时的运行状态Fig. 7 The operating state of only one thyristor with short circuit fault

2.4.3 工况3

当装置补偿电压换向时，H 桥晶闸管将发生短路，电流流向如图8 所示。

图8 中的故障状态与变压器短路运行类似，其低压侧短路电流i1为

式中：U1m为低压侧绕组电压有效值，在该故障工况下，U1m即为装置输入电压；ZS为变压器短路阻抗；rS为变压器短路等效电阻；LS为变压器短路电感；ω为输入电压Ui的角频率；t为故障发生的时间；α为输入电压Ui在0 时刻的相位角；φ为短路电流的相位角。

短路电流i1分为2 个部分，一个是稳态短路电流i1H，另一个是冲击电流分量i1I，其中i1I将在大约2 个周期之后衰减为0。如果短路电流的相位滞后于输入电压1/4 个周期，则将在输入电压过零时发生短路，且此时短路电流将达到峰值。图9 所示为该故障工况下短路电流的变化曲线。

在该故障工况下，由于变压器的短路阻抗一般非常小，所以变压器低压侧电流的最大有效值可能是变压器额定电流的数十倍。同时，在开始数个周期内，可能存在一个迅速衰减的冲击电流分量，从而进一步增加短路电流的幅值。该短路故障电流可以使装置内的熔断器瞬间断开，并可能导致相关器件损坏。此外，在变压器高压侧也将产生极大的感应电流，从而使变压器绕组急剧升温，并在其内部产生极大的机械应力，最终对变压器造成损害，但不会影响其他失电线路。

图 8 短路电流流向Fig. 8 Flow direction of short circuit current

发生此类故障时，可以通过检测装置的输入电流和输出电流来进行判断。当输入电流陡增，而输出电流降至极低且装置断电，即可判断发生了此类故障。此时，应先立即断开装置总开关KS，然后判断当前策略中本应关断的晶闸管，并对故障晶闸管进行标识。

3 仿真分析

参照图1 所示的电路拓扑，搭建单个变压器仿真模型，具体参数如下：交流电源的有效值为220 V；线型变压器的功率为4.5 kW，变比为220∶30 ，其他参数选择默认值；变压器高压侧的短路电阻为5 Ω；电压输出端为5 Ω 纯阻性负载。

图 9 短路电流的变化曲线Fig. 9 Variation curve of short circuit current

首先，模拟二级故障模态的工况1，其仿真结果如图10 所示。由图10 可知，变压器高压侧电压（蓝色实线）约为2 000 V，而装置的输出电压（红色虚线）却极小，超出了稳压范围；变压器低压侧的电流约为2 A，远低于正常水平，该仿真结果与2.3.1 节的理论分析结果相吻合。

图 10 二级故障工况1 的仿真波形Fig. 10 Simulation waveform of condition 1 of second-level fault

然后，模拟三级故障模态的工况1，其仿真结果如图11 所示，其中蓝色实线表示正常工况电流，红色虚线表示故障工况电流。由图11 可知，该故障工况下：补偿回路电流IT约为64 A，远大于正常工作电流；变压器低压侧电流I1也大于正常工作电流，该仿真结果与2.4.1 节的理论分析结果相吻合。

最后，模拟三级故障模态的工况3，其仿真结果如图12 所示，其中蓝色实线表示变压器低压侧电流I1，红色虚线表示输出电流Io。由图12 可知，该故障工况下：变压器低压侧电流I1极大，远远超出了自动调压变压器装置内所有器件的承受范围，而输出电流几乎为0，该仿真结果与2.4.3 节的理论分析结果相吻合。

图 11 三级故障工况1 的仿真波形Fig. 11 Simulation waveform of condition 1 of the third-level fault

图 12 三级故障工况3 的仿真波形Fig. 12 Simulation waveform of condition 3 of the third-level fault

4 结 语

本文提出了一种基于双向晶闸管的自动调压变压器装置，通过控制双向晶闸管组件的通断状态，即可实现调压功能。重点研究了该调压装置中的主要工作部件——双向晶闸管的3 种故障模态。当晶闸管组件的H 桥发生断路故障，即一级故障时，等效于装置单路或多路补偿功能失效，仅会对装置的调压效果产生影响。当变压器高压侧的短路晶闸管THS发生断路故障，即二级故障时，等效于变压器空载运行或空载合闸，可能将在变压器高压侧感应出大电压或在其低压侧产生冲击大电流，对装置造成损害。当晶闸管组件发生短路故障，即三级故障时，如果故障状态等效于短路功率电阻与负载并联工作，这将导致装置负载电流与主回路的电流增加甚至破坏装置；如果等效为变压器不补偿工作，则对装置没有影响；如果等效为变压器短路运行，则将可能产生冲击大电流，对装置造成破坏。基于此，本文提出了各类故障模态的检测方法和处理方案，并采用仿真实验进行了理论验证，可为动态调压装置的故障模式分析提供参考。

在后续研究工作中，将搭建自动调压变压器装置整体的三相调压样机，并开展故障诊断功能测试实验。同时，将考虑增加远程控制及显示功能，用以优化该装置的实际应用效果。