張文璽（中國(guó)中車大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司,山西 大同 037000）

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探析電力機(jī)車主變壓器故障診斷技術(shù)

張文璽
（中國(guó)中車大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司,山西 大同 037000）

摘 要：隨著我國(guó)鐵路行業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)列車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了既定的跨越式發(fā)展目標(biāo)。隨著國(guó)內(nèi)列車多次大提速、單列機(jī)車持續(xù)地增大了牽引噸位，對(duì)車輛以及機(jī)車的裝備維護(hù)及檢修都提出了更為嚴(yán)格的要求。筆者重點(diǎn)研究了對(duì)電力機(jī)車中的主變壓器故障進(jìn)行診斷的相關(guān)技術(shù)，希望能夠更好地增強(qiáng)機(jī)車的保障與檢修水平，改進(jìn)相關(guān)的診斷理論和技術(shù)，更好地提升電力機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性及安全性。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車；主變壓器；故障診斷技術(shù)

0 前言

電力機(jī)車中的主變壓器是其能量來(lái)源，被譽(yù)為電力機(jī)車的強(qiáng)大心臟，它的可靠安全運(yùn)行對(duì)確保鐵路運(yùn)輸?shù)母咝约鞍踩砸饬x重大。然而相對(duì)于這種能夠發(fā)揮重大作用的主變壓器，對(duì)其故障診斷技術(shù)的分析和研究卻出現(xiàn)了顯著缺陷。

1 機(jī)車主變壓器的故障類型

按照具體的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以把油浸式變壓器中的故障劃分為不同種類。比如可以按照傳導(dǎo)介質(zhì)從差別，分成磁路故障、電路故障以及油路故障。按照形成故障的影響因素劃分，涵蓋了短路故障、絕緣故障以及接地故障。按照不同的發(fā)生部位，則涵蓋了鐵心故障、繞組故障以及組部件故障(囊括了冷卻系統(tǒng)故障及套管故障）。根據(jù)性質(zhì)劃分，涵蓋了電故障及熱故障。按照不同的嚴(yán)重程度，可以將熱故障分為輕度過(guò)熱(通常情況下少于150℃)、低溫過(guò)熱(維持在150℃到300℃)、中溫過(guò)熱(維持在300℃到700℃)、高溫過(guò)熱(通常情況下超過(guò)了700℃。在此過(guò)程中，按照放電能量的不同密度，電故障涵蓋了火花放電、局部放電以及高能電弧放電。除此之外，還能夠把其外部、內(nèi)部、變壓器滲漏、變壓器出口短路以及油流帶電等多種故障等。

因?yàn)樽儔浩骱w了較多的故障類型，所以一部分故障可能會(huì)出現(xiàn)不同的多種故障，比如機(jī)車中的主變壓器發(fā)生了鐵芯接地的故障，可以將其分成磁路故障或者局部過(guò)熱故障；還能夠?qū)⒗@組匝間短路故障分析電故障或者熱故障，也開(kāi)會(huì)出現(xiàn)兩者同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。通常情況下，針對(duì)相當(dāng)數(shù)量的油浸式變壓器來(lái)講，在變壓器內(nèi)部出現(xiàn)了故障的情況下，一般都會(huì)發(fā)生放電性或者過(guò)熱故障。然而也有一部分變壓器剛開(kāi)始發(fā)生故障時(shí)未出現(xiàn)放電性或者過(guò)熱故障。

所以應(yīng)該密切聯(lián)系機(jī)車中主變壓器的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行特點(diǎn)，按照發(fā)生故障的物理性質(zhì)的差異，判定電力機(jī)車中的主變壓器出現(xiàn)故障的具體類型，第一類屬于機(jī)械類故障，例如在車輛及電動(dòng)力的振動(dòng)作用下，鐵芯以及繞組出現(xiàn)了變形或者發(fā)生了松動(dòng)；第二種屬于變壓器中不同絕緣材料發(fā)生的故障，根據(jù)這類故障點(diǎn)的能量不同，能夠分成低溫、高溫、中溫這三種過(guò)熱故障，此外涵蓋了局部、高能以及低能放電故障等在內(nèi)的六種故障。按照這這兩種大類的主變壓器存在的故障類型，針對(duì)電力機(jī)車中的變壓器的繞組變形、鐵芯變形以及絕緣材料所存在的缺陷而發(fā)生故障進(jìn)行相關(guān)的診斷研究。

2 基于振動(dòng)信號(hào)的機(jī)車主變壓器故障診斷技術(shù)研究

在研究中選擇主流的電力機(jī)車，分析它的主變壓器的相關(guān)基本結(jié)構(gòu)，案例是眼下廣泛使用的交流大功率機(jī)車——HXD1C中的主變壓器(比如選取TBQ35-8900/25)，熟悉其鐵芯及線圈的結(jié)構(gòu)，而且針對(duì)這種類型的牽引變壓器繞組受到相應(yīng)的電磁力作用時(shí)所出現(xiàn)的振動(dòng)狀況構(gòu)建了相應(yīng)的有限元模型。充分地借助振動(dòng)信號(hào)來(lái)診斷變壓器中的鐵芯故障的相關(guān)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上建立了以混合粒子群優(yōu)化算法為基礎(chǔ)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法。重點(diǎn)完成了下列活動(dòng)：

（1）從變壓器等效電路以及麥克斯韋方程組出發(fā)，借助變壓器等效電路的相關(guān)矩陣方程以及電磁場(chǎng)系統(tǒng)自身的矩陣方程組，將變壓器電磁場(chǎng)自身的藕合方程組推導(dǎo)出來(lái)。

（2）ANASYS軟件被用來(lái)針對(duì)HXD1C型機(jī)車用的相關(guān)牽引變壓器開(kāi)展了相應(yīng)的實(shí)體有限元建模，對(duì)它在受到電磁力作用時(shí)的具體振動(dòng)狀況進(jìn)行了分析。在調(diào)整模型中繞組加載電流的具體數(shù)值大小，對(duì)處在大小不等的加載電流如何影響繞組的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析。

（3）借助大小不等的預(yù)應(yīng)力，對(duì)各種繞組的預(yù)緊力的具體大小情況進(jìn)行模擬，分析了繞組振動(dòng)信號(hào)在受到各種預(yù)緊力作用下的變化，提出繞組中的軸向預(yù)緊力及其在受到一定電磁力的具體影響下，所形成的軸向振動(dòng)100Hz加速度能量之間存在的二次映射關(guān)系比較良好。所以，在對(duì)變壓器繞組軸向100Hz振動(dòng)加速度能量能進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，能夠更好地診斷以及監(jiān)測(cè)變壓器繞組的實(shí)際預(yù)緊力的大小。

（4）設(shè)計(jì)了一種小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法，它以混合粒子群優(yōu)化算法為基礎(chǔ)，在診斷電力機(jī)車中牽引中的相關(guān)主變壓器方式中的鐵芯松動(dòng)的相關(guān)故障的過(guò)程中。運(yùn)用了這種算法訓(xùn)練的相關(guān)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。從具體實(shí)踐來(lái)看，這種量子計(jì)算理論可以進(jìn)一步提升粒子的計(jì)算速度，運(yùn)用免疫優(yōu)化理論以及混沌理論，能夠在一定程度上強(qiáng)化粒子群自身的全局搜索水平。從MATLAB仿真測(cè)試來(lái)看，這種算法訓(xùn)練的相關(guān)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)以振動(dòng)信號(hào)為基礎(chǔ)的電力機(jī)車中牽引中的相關(guān)主變壓器方式中出現(xiàn)的鐵芯松動(dòng)的相關(guān)故障診斷進(jìn)行收斂、診斷精度也會(huì)更高。

3 以DGA數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的機(jī)車主變壓器故障診斷技術(shù)研究

首先論述來(lái)了DGA技術(shù)的相關(guān)原理以及既有的多種DGA診斷算法：

（1）有機(jī)地整合不同的DGA診斷方式，而且密切聯(lián)系電力機(jī)車中的主變壓器的相關(guān)特點(diǎn)，以DGA技術(shù)為基礎(chǔ)，全方位地設(shè)計(jì)了診斷機(jī)車主變壓故障的方法和基本流程。

（2）可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)例分析，對(duì)以DGA技術(shù)為基礎(chǔ)，全方位地設(shè)計(jì)了診斷機(jī)車主變壓故障的方法和基本流程的正確性及有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。

（3）可以采取相應(yīng)的自組織RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法。這種算法能夠充分地借助平均粒距D(t)對(duì)粒子的集中程度進(jìn)行描述，與Gaussian結(jié)合起來(lái)，隨機(jī)數(shù)根據(jù)一定的概率，增加PSO算法內(nèi)的相關(guān)慣性因子W，強(qiáng)化其的全局搜索能力，在此過(guò)程中也應(yīng)該將Gaussian-PSO算法以及FCM算法密切結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用在選擇RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層的相關(guān)節(jié)點(diǎn)以及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)連接的相關(guān)權(quán)值的過(guò)程中，而且還應(yīng)該通過(guò)葡萄酒、鶯尾屬植物的相關(guān)數(shù)據(jù)集來(lái)驗(yàn)證相關(guān)算法。

（4）筆者在具體診斷電力機(jī)車主變壓器DGA故障的相關(guān)技術(shù)中，運(yùn)用了自組織RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法，已經(jīng)獲得的歷史數(shù)據(jù)集被用來(lái)訓(xùn)練UI及測(cè)試由這個(gè)算法建立而成的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在一定程度上表明了這種算法的診斷精度更高，然而需要較長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]任建華,李興釗.電力機(jī)車牽引變壓器故障解析[J].鐵道機(jī)車車輛,2012(01).

作者簡(jiǎn)介：張文璽（1978-），女，安徽太和人，本科，高級(jí)工程師，設(shè)計(jì)師。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.136