基于层次分析法与熵权法的城市轨道交通牵引变压器健康状态评估

[目的]对牵引供电设备的健康状态进行评估,以便为该设备运营、维修及保养提供参考。[方法]基于层次分析法和熵权法建立了城市轨道交通牵引变压器健康状态评估模型。基于牵引变压器运行指标数据构建其健康状态评估层次结构,运用层次分析法通过专家判断矩阵计算评估指标的主观权重,利用熵权法求解试验指标的权重并将其与主观权重组合。依据评估指标计算牵引变压器健康状态得分,确定其整体健康状态,以此进行剩余寿命预测,并评估不同检修方式对牵引变压器使用寿命的影响。以某牵引变电站牵引变压器的监测数据为例,对该牵引变压器健康状态进行了评估。[结果及结论]通过实例验证了所提牵引变压器健康状态评估方法的有效性。该评估方法实现了设备状态检测主客观因素的统一,能够推广应用至其他城市轨道交通直流供电设备健康状态评估中。

轻量化动车组车载牵引变压器的研制

车载牵引变压器是动车组单体最重的电气设备,其轻量化有助于动车组节能降耗与运输效率提升。现有车载牵引变压器均为油浸式,干式变压器是其轻量化的主要方案,但目前干式变压器采用的环氧树脂绝缘易开裂、散热无法满足要求。为此,以具有良好力学性能的硅橡胶为基体材料,首先通过温升分析研究绝缘材料热导率需求,然后制备样品开展实验,以电学性能和力学性能为约束条件研究绝缘材料导热性能改进方法,进而研究车载牵引变压器轻量化设计方法,最后依据研制的绝缘材料与轻量化设计方法,设计并研制了一台容量为250 kVA的小型轻量化车载牵引变压器样机。结果表明:制备的高导热硅橡胶复合绝缘材料性能满足干式车载变压器对绝缘和力学性能的要求;研制的小型变压器样机质量为780 kg,相比同容量油浸式车载牵引变压器质量减少了46.2%,经试验测试得在额定条件下样机的热点温度值为167.68℃,满足车载牵引变压器运行需求。

干式车载牵引变压器绕组区域动态温度计算模型

干式车载牵引变压器质量轻、安全系数高,但其内部热场随运行环境及负荷状态频繁波动。为实现干式车载牵引变压器绕组动态温度的快速计算,基于热电类比原理搭建分布式动态热网络拓扑结构,并借助CFD模型开展仿真试验,探究运行参数和风道尺寸对散热性能的影响,提出风道出口温度计算方法;基于干式车载牵引变压器绕组温升试验平台,验证动态温度计算模型的有效性。结果表明:针对不同结构参数和时变运行场景,所建绕组动态温度计算模型均能准确获取绕组区域温度分布及动态变化情况,相比CFD数值仿真节省99%以上的时间成本,有助于干式车载牵引变压器热容量的合理规划和设计效率的进一步提高。

基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法研究

动车组变压器是保障高速铁路稳定运行的核心设备,频率响应法是目前检测变压器绕组状态的有效方法。为提升车载变压器绕组状态诊断的准确性,结合暂态信号与频率响应法提出基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法。搭建试验车载变压器绕组故障模拟平台,获取不同故障类型和故障位置的频响曲线,利用类Gram矩阵结合幅频和相频曲线信息,再利用密度分层法转换为伪彩色图,提取对应的灰度共生矩阵和灰度差分矩阵特征值,根据鹈鹕优化支持向量机方法对绕组故障进行诊断。试验结果表明:车载变压器绕组故障发生时,伪彩色图能够反映出故障信息,有利于图像分析和特征提取,采用基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法能够识别车载变压器绕组的典型故障类型和位置。

弓网滑动电接触多目标条件下最优压力载荷决策研究

在电气化铁路的弓网系统滑动电接触中,受压力载荷影响的载流效率、载流相对稳定系数、磨损率、接触电阻是反映弓网摩擦和受流效果的重要参数。利用实验数据,通过蛇算法优化极限学习机得到四个参数的预测模型,以此为基础建立最优压力载荷目标函数;针对压力载荷寻优问题提出一种参考点生成方式对非支配排序遗传算法—Ⅲ进行改进,并对压力载荷进行寻优得到均匀广泛的pareto前沿解集;采用CRITIC法计算pareto前沿解集的客观权重,考虑机车运行速度的影响引入自适应因子,得到自适应权重,最终通过虚拟最劣解TOPSIS法决策确定最优压力载荷,为弓网压力载荷的主动控制提供理论基础。

一种新型受电弓接线头的加工工艺及温挤压模具设计

介绍城轨车辆中的一种新型受电弓接线头,分析其结构特点和技术要求,提出一种新的加工工艺及关键的温挤压模具设计方案。实际应用表明,该设计方案可保证零件的成形质量及生产使用要求,对类似零件的模具设计与制造具有一定的参考作用。

考虑杆件尺寸相关性的受电弓运动可靠性分析

为分析杆件尺寸参数的关联特性对机构运动可靠性的影响规律,提出一种基于Cholesky法则的机构运动可靠性分析方法。首先,根据机构运动学原理构建机构运动学方程;其次,结合有效长度理论,建立考虑运动副间隙的杆件有效长度模型,在此基础上,引入Archard磨损模型量化运动周期对杆件有效长度的影响,通过蒙特卡罗法获取不同运动周期下的杆件尺寸样本数据并计算样本相关系数,进而利用Cholesky法则完成不同运动周期下的杆件样本数据重构,并结合可靠性理论对机构运动可靠性进行评估;最后,以受电弓机构为例,验证了所提方法的有效性。计算分析结果表明:杆件样本数据关联性由于运动副间隙的存在而增强,并随运动副间隙的增加愈加显著;与传统分析方法相比,基于Cholesky法则的机构运动可靠性指标存在一定程度降幅,能够为实际机构可靠性评估提供更为安全的参考价值。

一种适用于动车组高频辅变的电容自均压直流变换器

高频辅助变流器具有高功率密度、高变换效率的优势,是节省车底空间、优化乘车环境、降低能量消耗的重要手段。提出一种适用于动车组高频辅变的电容自均压直流变换器,其拓扑能够实现输入侧直流电压的降压和均分,降低开关管电压应力并减少后级隔离DC/DC变换器的数量;同时,电容自均压拓扑中的开关器件均能实现零电流开关,降低了变流器的开关损耗;此外,电容自均压变换器具有输入电压自平衡特性,无需采用额外的电压平衡控制策略以维持输入侧串联电容的电压均衡。相比于现有的高频辅助变流器方案,本文提出的拓扑能够有效减少开关器件和变压器数量,降低器件损耗和控制复杂性,为车载辅助变流器体积、质量和效率的进一步优化提供了空间。分析该拓扑的工作原理、控制方法以及自均压特性,并提出相应的电路参数优化设计方法。最后,搭建功率等级6 kW的实验样机,通过开展均压特性、动态切换性能以及软开关特性实验,验证了所提出拓扑的可行性。

基于MBD技术的模拟量采集转换功能开发研究

模拟量采集作为列车各关键控制系统中的一项重要功能,列车的牵引调速控制及系统保护等功能均需要采集实时模拟量来实现。根据不同的功能场合,采集所得模拟量有些可直接使用,有些需转成数字量后使用。牵引控制器中采用了一种电压转频率信号的模数转换方式,此种方式具有抗干扰性强的特点,但此方案使用的压频转换芯片无可替代型号且面临后续可能停产的风险。针对上述情况文中设计了一种模拟量采集的模数转换功能,通过FPGA芯片及软件代码实现了原方案压频转换芯片的功能,实现了与原方案功能的对等替代,软件功能中复杂的浮点运算部分使用了MBD技术实现。通过代码仿真、硬件单板试验、整机测试及原方案的对比测试,验证了新开发功能的正确性及可用性。

预氧化碳纤维增强受电弓碳滑板材料的研究

利用预氧化碳纤维(OPF)和沥青、焦炭等为原料,采用热压、焙烧等工艺制备预氧化碳纤维增强受电弓碳滑板;研究不同OPF含量受电弓碳滑板导电导热以及力学性能;利用扫描电镜(SEM)、偏光显微镜(POM)、X射线衍射仪(XRD)等仪器对复合材料内部结构进行观察。结果表明:滑板材料性能的提升与OPF/沥青间的共碳化界面以及界面处与基体中的微晶网络形成有关。OPF质量分数为1.5%的复合材料具有较好的导电导热以及力学性能,电导率和导热系数分别为279.33 S/cm和3.37 W/(m·K),抗压强度和抗折分别为155.00、48.85 MPa,且符合受电弓碳滑板性能要求。

计及接触网空气动力的高速弓网动态受流特性研究

环境风作用在接触网上的空气动力主要表现为2种形式,一种是线索在平均风下表现出的空气阻尼特性;另一种是在脉动风作用下的外界激励。本文研究这2种空气动力表现形式对弓网受流的影响,分别推导了作用在接触网上的空气阻尼和脉动风气动载荷,并基于模态叠加法在弓网动力学方程中添加空气动力项进行修正。首先通过CFD（Computational Fluid Dynamics）绕流仿真计算了接触线和承力索的气动力系数,通过仿真求解表明：作用在接触线上的空气阻尼很小,且大多为正阻尼,在不导致刮弓事故的情况下不会对弓网受流产生较大危害。然后,基于AR模型和接触网结构特性通过反演Davenport顺向风速谱和Panosfsky垂向风速谱,建立了具有时间和空间相关的接触网脉动风场,通过求解分析了脉动风风速、攻角对弓网间接触压力的影响。结果表明：强脉动风场对弓网受流影响十分显著,脉动风激励主要影响接触压力的高频区域,在研究过程中不宜对接触压力进行滤波处理,风速的增加会导致接触压力谱幅值的整体增大;风速一定时,风攻角是影响受流的重要因素,流风越偏于水平方向,越有利于弓网受流,在本文所采用的京津城际铁路算例中,0～20°是对受流最有利的理想风攻角。本文从理论推导角度修正了计及接触网空气动力的弓网动力学方程,可为进一步研究接触网风振提供借鉴。仿真结论可为接触网防风设计提供参考。

隧道内长大坡道区段刚性接触网短电分相设计方案

刚性接触网锚段关节仅有8~12 m,可大幅缩短关节式电分相长度,为解决丽香铁路3处隧道内长大坡道的电分相设计难题,文章通过借鉴柔性接触网关节式电分相设计方案,重点考虑绝缘锚段关节绝缘间隙、锚段热胀冷缩等因素,修正刚性悬挂锚段关节式电分相中性段和无电区长度,并结合工程实际条件,提出刚性接触网短分相设计方案,将电分相长度缩短至23 m,并通过弓网系统动态仿真验证其弓网动态特性可满足速度160 km/h要求。方案实施后,线路动态检测达速160 km/h,刚性接触网短电分段处无明显燃弧现象,各项动态指标满足标准要求。该方案的成功应用对速度120 km/h以上复杂工况线路的接触网电分相设计有重要借鉴意义。

节能型卷铁心牵引变压器的研制与应用

牵引供电系统负荷为间歇性负荷,使得牵引变压器空载损耗成为系统主要损耗之一,为降低牵引供电系统运行损耗,提高其运行经济性,研究开发节能型牵引变压器具有重要意义。本文所述节能型牵引变压器以卷铁心结构为基础,采用V/X接线形式,重点研究了卷铁心结构及油道设置方案,主绝缘设计及过负荷温升控制方案,同时突破了大容量卷铁心卷绕、拼装、退火及其线圈一体化绕制等关键技术,是世界罕见的220kV级卷铁心牵引变压器。该样机通过了国家变压器质量监督检验中心试验,符合国家及行业相关标准,其试验结果与传统叠片式铁心牵引变压器相比,空载损耗下降44.2%,噪声值下降30.9%,节能降噪效果良好。

高压IGBT的驱动器应用研究

介绍了一种新一代高性能的高压IGBT的集成驱动器SCALE的工作原理、特性以及过流保护的特点 ,重点讨论了在实际应用中注意事项 。

电力电子牵引变压器功率平衡控制方法研究

电力电子牵引变压器PETT(Power Electronic Traction Transformer)与传统工频牵引变压器相比具有体积小、质量轻、效率高等优点。针对采用级联H桥和双有源桥式DAB(Dual Active Bridge)变换器的PETT主电路拓扑,首先对级联H桥进行数学建模分析,在此基础上,提出一种基于平均电压调节的直流电压平衡控制方法。同时,通过分析并联输出DAB变换器传输功率不平衡的影响因素,得出其功率平衡原理,进而提出一种基于平均输出电流调节的均流控制方法。构建PETT系统仿真模型,对所提出的级联H桥直流电压平衡控制方法以及并联输出DAB变换器均流控制方法进行仿真研究。设计并搭建2个功率单元组成的PETT实验平台,对上述控制方法进行实验研究。仿真和实验结果相符,验证所提出控制方法的有效性和正确性。

基于LQR的高速受电弓最优半主动控制研究

论述受电弓控制类型及特点,探讨改善弓网动态性能的主要措施;建立受电弓最优主动控制和最优半主动控制模型;利用simulink仿真手段,对被动控制、最优主动控制、最优半主动控制下的弓网动态性能进行研究,进而依据相关评价体系分析最优主动控制和半主动控制策略对弓网动态特性和受流质量的影响。研究表明,受电弓的主动与半主动控制可有效改善弓网振动性能,而半主动控制具有所需外界能量少、控制过程无条件稳定、控制效果与主动控制接近等特点,将成为新型受电弓的主要研究方向。

基于PSCAD的动车组过分相时车载牵引变压器励磁涌流仿真分析

在列车车载自动断电过分相过程中,动车组空载合闸时车载主变压器一次侧励磁涌流现象频繁发生,容易引起差动保护误动作,影响列车正常运行。针对以上问题,分析过分相时励磁涌流产生机理及实测电流谐波分量构成特点,利用PSCAD软件建立具有饱和特性的单相变压器仿真模型,考虑了剩磁、合闸角度对变压器励磁涌流的影响。结果表明,励磁涌流中高次谐波以二次谐波为主,且其比重超过基波分量的60%;变压器剩磁越大,合闸瞬间励磁涌流现象越严重;合闸角为0°时励磁涌流最大,合闸角为90°时涌流最小。

大功率IGBT直流特性和动态特性的PSPICE仿真

应用等效模拟的方法建立了IGBTPSPICE仿真的直流模型和动态模型 ,对大功率IGBT的直流特性和动态特性进行了仿真分析 .模型的仿真值与器件的实际值相比 ,所有特性均较吻合 ,表明仿真模型适用于大功率IGBT的特性分析 .

车载变压器轴向油道宽度对油流分布的影响研究

为探究不同几何结构的车载牵引变压器绕组内各径向油道的流量分布,基于量纲分析方法提出结合雷诺数和曲折式绕组几何参数的流量比例关联式。重点加入内外侧轴向油道宽度之比β,更准确预测不同几何结构变压器绕组内的油流分布,为变压器内部热点评估与定位奠定理论基础。基于计算流体力学数值仿真技术,对所构建关联式的准确性进行验证,结果表明,绝对误差小于油流总体积的0.7%。针对绕组底部的油流停滞及逆转区,研究β参数对绕组区域油流分布均匀度和冷却油反向流动的影响:β取值在1.4~1.5范围时油流分布均匀程度最好且不易发生逆转。研究结果为工业生产中车载牵引变压器的设计与制造提供理论依据。

卷铁心变压器三维涡流场建模与计算

大型卷铁心变压器开始逐步在铁路系统中被推广应用,涡流场建模分析是卷铁心变压器的设计与优化过程中的基础,而现有叠铁心建模方法对于卷铁心适用性较差。对卷铁心变压器的涡流场建模进行了研究:首先针对于卷铁心的实际卷绕结构修正传统各向异性的等效电导率公式,提出适用于卷铁心变压器的三维涡流场建模方法;然后将铁心涡流损耗作为算例,用经典计算模型验证了卷铁心涡流场模型的有效性;最后应用所提模型计算铁路专用OD-R-32000/55卷铁心式自耦变压器的涡流损耗,并对比设备的现场实测值,验证了其实际工程中的适用性。结果表明:所建模型能够有效地计算出铁心涡流损耗,并且具有较好的现场适用性。