劉永樂(lè)， 曲 昕， 趙 慧

（大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028）

0 引言

動(dòng)車組牽引變壓器運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系著動(dòng)車組的安全運(yùn)行。合理完善的檢修方法是變壓器可靠運(yùn)行的有力保障。過(guò)去變壓器的傳統(tǒng)檢修方法是計(jì)劃式檢修［1］，在實(shí)際工作中既可能由于維修不及時(shí)，影響行車安全，又可能存在過(guò)度維修，而造成檢修費(fèi)用的浪費(fèi)。因此如何對(duì)動(dòng)車組變壓器進(jìn)行預(yù)防式故障檢測(cè)成為我國(guó)在動(dòng)車組發(fā)展中急需解決的重要問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究者在變壓器的故障檢測(cè)分析研究中做出了不懈努力。廣泛應(yīng)用的如利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在變壓器數(shù)據(jù)樣本和多個(gè)故障狀態(tài)之間建立聯(lián)系［2］；改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的BP算法，建立變壓器故障檢測(cè)BP網(wǎng)絡(luò)模型［3］；運(yùn)用模糊推理算法建立預(yù)備模糊診斷系統(tǒng)用于變壓器故障檢測(cè)［4］；提出灰色聚類模型分析方法［5］和模型診斷及專家系統(tǒng)方法［6］用于變壓器絕緣故障診斷等都取得不錯(cuò)的效果。

目前我國(guó)普遍應(yīng)用變壓器油色譜分析法［7］，分析其氣體含量，然后將其與臨界值比較判斷是否存在故障。在實(shí)際工作中此做法存在缺點(diǎn)：①由于變壓器的設(shè)計(jì)、制造等條件不同，故使用同一臨界值判斷不符合實(shí)際；②沒(méi)有理論依據(jù)的取樣分析法容易造成較大的誤差。設(shè)備的工作狀態(tài)受到各種因素影響，常常難以建立與影響因素聯(lián)系的關(guān)系解析式。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)這類關(guān)系式的建立，需要利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，運(yùn)用回歸和方差分量分析方法計(jì)算遺傳力；在工業(yè)應(yīng)用中，運(yùn)用抽樣檢驗(yàn)改良工藝流程；在醫(yī)藥學(xué)應(yīng)用中，確定一種藥物對(duì)治療某種疾病是否有效；在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)應(yīng)用領(lǐng)域中，運(yùn)用抽樣調(diào)查對(duì)社會(huì)現(xiàn)象的定量化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究等［8］。

根據(jù)動(dòng)車組牽引變壓器的實(shí)際情況建立動(dòng)態(tài)診斷方法，一方面提高檢測(cè)結(jié)論的可靠性，另一方面避免無(wú)理論依據(jù)的取樣方法造成的誤差［9］。所以提出用u檢驗(yàn)方法用于動(dòng)車組牽引變壓器故障診斷。計(jì)算變壓器在正常工作下，內(nèi)部一種氣體的均值，把其它狀態(tài)下的該氣體均值μ1 與μ0 進(jìn)行比較。如果二者近似相等說(shuō)明處于正常狀態(tài)，反之故障狀態(tài)。

1 變壓器故障檢測(cè)

動(dòng)車組牽引變壓器故障檢測(cè)常用儀表：

（1）兆歐表或絕緣測(cè)定器。用于絕緣電阻檢測(cè)，診斷變壓器由于機(jī)械、電場(chǎng)、溫度、化學(xué)等作用及潮濕污穢等影響程度，是變壓器能否投運(yùn)的主要參考判據(jù)之一。

（2）油氣色譜分析儀。用于檢測(cè)變壓器油中各種氣體含量以發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的某些潛伏性故障［10］。通過(guò)采用選擇性滲透膜、半導(dǎo)體微傳感器等為基本元件，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建專家系統(tǒng)，對(duì)變壓器油中氣體成分進(jìn)行識(shí)別判斷。

2 狀態(tài)檢修

隨著檢測(cè)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷提高，動(dòng)車組在檢修形式上逐漸開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修。根據(jù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，判斷設(shè)備是否異常，在故障發(fā)生前進(jìn)行檢修。狀態(tài)檢修可以減少不必要的檢修工作，節(jié)約工作時(shí)間和費(fèi)用［11］。狀態(tài)檢修依據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后按照設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)安排檢修的一種決策方法（或策略）。因?yàn)闋顟B(tài)檢修是以設(shè)備當(dāng)前的實(shí)際工作情況為依據(jù)，通過(guò)先進(jìn)的狀態(tài)檢測(cè)和診斷方法、可靠性評(píng)估手段以及壽命預(yù)測(cè)手段，判斷設(shè)備的狀態(tài)，識(shí)別故障的早期征兆，對(duì)故障位置及嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢(shì)做出判斷，并根據(jù)分析診斷結(jié)果，在設(shè)備性能下降到一定程度或故障將要發(fā)生前主動(dòng)實(shí)施檢修。所以，狀態(tài)檢修的針對(duì)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理。

通過(guò)油氣色譜分析的原理［12］，檢測(cè)變壓器油中各種氣體含量，并根據(jù)氣體含量的變化，通過(guò)提出的u檢測(cè)方法，來(lái)判斷變壓器的工作狀態(tài)。

基于狀態(tài)檢修的變壓器故障檢測(cè)流程如圖1。

圖1 基于u檢驗(yàn)方法的狀態(tài)檢修流程圖

3 u檢測(cè)方法

當(dāng)變壓器處于正常狀態(tài)時(shí)，其中氣體含量x 是一個(gè)隨機(jī)變量，通過(guò)大量數(shù)據(jù)可以證明，x 近似的服從正態(tài)分布，即x ～N（μ，σ2）。通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行檢測(cè)，可以得到動(dòng)車組變壓器正常運(yùn)行時(shí)某一氣體的一系列數(shù)據(jù)x1，x2，x3，…，xn作為樣本，可以計(jì)算出該樣本均值ˉx 和標(biāo)準(zhǔn)差S1。然后又檢測(cè)得到另一組數(shù)據(jù)y1，y2，y3，…，yn作為另一樣本，計(jì)算均值ˉy 和標(biāo)準(zhǔn)差S2。樣本之間相互獨(dú)立，基于u檢驗(yàn)法判斷在檢測(cè)被測(cè)樣本數(shù)據(jù)時(shí)變壓器是否處于正常。在計(jì)算前給出兩種假設(shè)，假設(shè)H0：μ0 ＝μ1，備擇假設(shè)H1：μ0 ≠μ1。在給定顯著水平α下，查看正態(tài)分布表得μα 。

若

第一樣本的均值（作為標(biāo)準(zhǔn)樣本）

第二樣本的均值（被檢驗(yàn)樣本）

第一樣本標(biāo)準(zhǔn)差（標(biāo)準(zhǔn)樣本）

第二樣本標(biāo)準(zhǔn)差（被檢驗(yàn)樣本）

這種方法是具有實(shí)際意義的，u檢驗(yàn)適宜樣本數(shù)量大的計(jì)算，而且比臨界值法準(zhǔn)確率高。正常動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)兩組樣本均值相差不會(huì)太大，變壓器一旦有異常情況出現(xiàn)，氣體的含量就會(huì)增加或減少，均值出現(xiàn)較大的差值，通過(guò)u檢驗(yàn)可以判斷出來(lái)。作為標(biāo)準(zhǔn)樣本的第一組數(shù)據(jù)也不是一直不變的，隨著時(shí)間的推移，這組數(shù)據(jù)需要重新測(cè)取，以便反映實(shí)際的運(yùn)行情況。作為被檢測(cè)樣本，第二組數(shù)據(jù)是最近時(shí)間的數(shù)據(jù)，因?yàn)榻Y(jié)果是要檢測(cè)第二組數(shù)據(jù)測(cè)取時(shí)變壓器所處的狀態(tài)。兩組樣本測(cè)取數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔最好要相同。

4 試驗(yàn)舉例

某動(dòng)車組牽引變壓器在正常工作時(shí)，u檢驗(yàn)可以對(duì)樣本的多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，但是在此方便計(jì)算只測(cè)取少量的數(shù)據(jù)。變壓器正常工作時(shí)的H2氣體含量數(shù)據(jù)：12．0，8．0，10．1，10．2，9．8，10．0，9．7，10．3，9．9，10．1，9．8，9．9，10．1，10．2，10．0，9．6，9．7，10．1，10．2，9．8，9．6，9．5，9．7，9．9，10．1，10．2，9．8，9．9，10．0，10．1（單位：10－6），變壓器工作時(shí)最新測(cè)量的H2氣體含量數(shù)據(jù)（被測(cè)樣本）：10．2，9．8，9．6，11．1，8．5，9．7，9．6，9．8，10．1，10．2，10．0，9．8，9．9，10．1，9．8，10．2，10．5，9．8，9．9，10．3，10．2，10．1，10．1，9．9，9．8，9．7，10．1，10．2，10．3，9．6（單位：10－6）。如選用顯著水平α＝0．05，根據(jù)以上公式可計(jì)算出u值，同時(shí)查u分布表可得μα ＝1．96，進(jìn)行比較。

通過(guò)計(jì)算得：ˉx ＝9．943；ˉy ＝9．963；S1＝0．555；S2＝0．417；μα ＝1．96；μ＝1．25。μ＜μα ＝1．96，接收假設(shè)H0，所以此時(shí)的變壓器處于正常工作狀態(tài)。

此變壓器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，變壓器工作時(shí)最新測(cè)量的H2氣體含量數(shù)據(jù)（被測(cè)樣本）：14．0，9．5，12．1，13．2，14．8，13．0，12．2，12．8，12．6，12．7，13．5，13．7，10．0，14．6，9．5，13．6，14．2，8．5，13．4，14．0，13．5，12．8，12．9，13．2，14．5，14．6，14．8，14．7，13．6，14．0（單位：10－6）。

通過(guò)計(jì)算得：ˉx＝9．943；ˉz＝13．017；S1＝0．555；S3＝1．619；μα ＝1．96；μ＝9．852。μ＞μα ＝1．96，拒絕假設(shè)H0，接受備選假設(shè)H1，此時(shí)的變壓器處于工作異常狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

首先對(duì)動(dòng)車組變壓器的故障檢修進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)臨界值法在實(shí)際工作中存在很多不足。結(jié)合變壓器的特性，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法中的u檢驗(yàn)法對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)故障檢修。u檢驗(yàn)法有成熟的理論基礎(chǔ)，方法簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用，且易于理解，比臨界值法準(zhǔn)確率高，可用于狀態(tài)檢修。此方法比臨界值法計(jì)算麻煩，但是可用計(jì)算分析判斷，為動(dòng)車組的檢修提供便利。

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