SS4型电力机车主变压器绕组故障的检测及诊断

SS4型电力机车主变压器绕组故障的检测及诊断

王宝玉

太原机务段 山西太原   030003

摘要：从SS4G电力机车主电路和辅助电路的基本原理入手，分析了主电路包括:高压供电电路、整流调压电路、牵引供电电路、馈电制动电路、PFC电路和保护电路；辅助电路包括单相和三相供电系统的基本原理，三相负载电路和保护电路。介绍了现有故障诊断系统的基本分类，着重分析了专家系统和神经网络故障诊断系统的基本原理组成，以及两种故障诊断系统的优缺点，并制定了组合诊断的策略。

关键词：SS4型电力机车；主变压器绕组；故障的检测；诊断；

电力机车电气系统的故障诊断研究已变成保证机车安全运行、减少机破事故发生的一个丞待解决的课题。因此，以“SS4G型电力机车故障诊断系统”为研究对象，针对机车主辅电路常见故障，结合已有的经验提取故障特征，通过深入研究，寻求更可靠的诊断策略，构建诊断思路并设计应用软件界面模型。

一．电力机车故障诊断方法的沿革

在机车运转任务越来越重的今天，运行中故障不可避免地发生，不论是故障类型还是故障设备都在发生着变化，部分故障如果没有效的控制就会造成巨大损失甚至会给社会带来严重后果，对故障诊断系统的深入研究已经是机务部门迫在眉睫的课题。机车故障诊断系统最具障碍，也是最困难的一点就是，诊断对象是一个实时变化、动态的系统。在这个系统中部件类型多，故障的特征形式多样多变，故障与故障之间有交叉，动态性极强，在这样一个结构复杂的多层次的动态系统中进行全面准确的诊断是面临的一个难题。解决这一难题唯一的方法是开放的选择诊断方法，兼容并包，不能单一地依靠一种方法诊断目前已认知的故障类型。从目前各国诊断技术的应用来看，电力机车故障诊断技术已经走向了检测诊断一体化、在线与离线结合诊断、并结合智能诊断技术等。各种诊断技术的发展与革新也将现有的各种故障诊断方法划分为三大类：基于动态数学模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。其中基于动态数学模型的方法包括：参数估计法、状态估计法等。基于信号处理的方法包括：主元分析法、小波变换法、利用Kullback信息准则检测故障法等。基于知识的方法包括：专家系统法、神经网络法、模糊推理法等。

二．辅助电路构成及常见故障分析

1.辅助电路构成。辅助电路是为机车辅助设备及各种辅助电器提供工作电源的供电系统，辅助设备在稳定的电源下可以辅助机车主电路正常的工作，空气压缩机设备用来制造清洁干燥的压缩空气，牵引通风机组用来冷却主电路中运行的高热量电器，有牵引电动机通风机、制动通风机、牵引变压器通风机，为加强变压器的散热，在变压器油箱内安装有变压器油泵，这些辅助机组都选用便于维护检修的三相鼠笼式异步电动机，因此，这些电机的电源要由牵引变压器的辅助绕组单独供给，在辅助电路系统中由劈相机将单向交流电转换成三相电源供给上述电机使用。

三．故障诊断方法

1．状态估计诊断法。就是通过测量的数据来估计工作系统内部的状态被控过程的状态，他能较真实的反应系统运行的状态，这种方法主要是构造各种故障信息的残差序列，但还需结合合适的工作模型进行故障诊断。这种方法采用统计检测在重构系统被控状态模型中检测故障，将故障数据进一步进行分离、估计及决策。目前多用于电力系统运行时动态参数的估计来辨识不良数据等。

2．参数估计法。与状态估计不同，当故障由参数的显著变化来描述时，可以利用己有的参数估计方法来检测故障信息，把系统根据参数产生的估计值与正常值进行比较，用他们之间的差值大小来判断故障与否。这种方法不依赖于建立系统的模型，不需要计算残差序列，是一种实时跟踪参数变化的诊断方法，但这种方法稳定性不佳，并要考虑合理的收敛，对非线性变化的系统和动态的系统诊断的准确性还有待发展。在这些方法中基于信号处理的方法是目前各个诊断领域应用及研究的热点。

四．诊断系统需求分析

1.系统功能。数据采集方面：做到实时、在线和存储并具备打印功能；诊断策略的选择方面：系统可根据需要选择基于专家系统的诊断策略、基于神经网络的诊断策略、两者结合的策略。界面的设计方面：具备自动和手动诊断操作界面，在不同的界面均显示测试的数据及结论；校正参数的设计：能实现参数检测装置及通信装置参数设置及校正；查询检索功能：能查询、检索并打印诊断结果。用户权限功能：分配操作权限，设置有密码的用户登录界面：具有数据备份功能；较好的交互功能，安装简单、操作便捷。

2.设计原则。本系统软件在运行过程中在线进行数据的采集、存储、处理、显示、通信多项任务，实际运行中数据实时更新，这就要求系统能在尽可能短的时间里同步更新诊断结论，因此，系统的设计要体现实时性、可靠性和易操作性，本系统以上述三个特性为设计原则。

3.用户管理模块。本系统对所有使用系统的用户集中管理，设计用户信息界面，可以新增与删除用户，可以实现用户基本信息的存储。为保证使用的安全性，只有在信息管理中存在的用户才能实现用户的登录，并在登录界面根据己注册的用户名和密码方能进入系统。系统设计了根据用户等级可进行操作的范围权限，权限分配由权限管理模块完成。对赋予权限的用户才能进入相应的操作界面。本系统在管理模块设计了使用日志功能，除了自动记录用户的基本使用信息以外还能实现用户自己的使用记录及记载故障过程信息等。

4.参数配置模块。本故障诊断系统有基于专家的诊断策略、基于神经网络的诊断策略，也有地面通信诊断策略，因此，要对参数进行合理的配置才能保证系统根据需要进行不同的选择。本模块设计以下功能：（1）通讯参数配置。由于故障诊断系统在机车出现异常，其根据实时采集自行诊断时亦需将信息通过车地网络反馈给地面的机务段故障诊断系统，故需在诊断前设定GPRS和GSM等无线通讯协议。（2）传感器校正。在电路机车运行过程中，传感器的运行环境较恶劣，导致传输精度受到较大影响，因此系统设置了传感器校正功能，用于补偿和提高传感精度。通过标定选项可对信息的采集通道、传感器编号、状态、传输来源等进行设置。对多通道信号可以实现多选，并设置希望值、传感器将实测值和希望值进行对比校正，将校正结果保存下来。诊断类型配置及诊断初始参数配置在故障诊断界面中嵌入此项功能。故障诊断界面设计。该界面在用户实现成功登陆后即可进入，顶层菜单可以切换至系统管理、诊断方法、参数设置及数据库知识库的管理等功能界面。界面中部为状态监测栏，所有关于电力机车和乘务员的基本信息在这里可以查询显示，下部为故障诊断提示栏及故障原因分析栏。故障诊断栏检测在系统中默认为自动检测，优先由专家系统检测，如果不能检出自动由神经网络系统检测，如不能检出则自动通过地面神经网络专家系统故障诊断系统检测，这个过程也可以变为手动菜单栏切换手动选择。

总之，在对SS4G型电力机车常见的故障分析的过程中发现，SS4G型电力机车的严重故障较多地集中在主电路高压电器和辅助设备的电气故障方面，目前应用广泛的故障诊断策略对这类故障的原因分析还是较薄弱的环节，经过论证发现某些隐形的故障在设备静态当中确实难以发现，凭借传统的传感装置很容易产生错误判断或判断误差，降低了故障诊断系统的可靠性。

参考文献：

[1]崔浩；SS4型电力机车主变压器绕组故障的检测及诊断分析.2021.

[2]李海英；铁路机车诊断系统中电路故障的诊断浅谈.2020.