基于TPE-Informer模型的铁路继电器寿命预测

针对如何准确、高效地预测铁路继电器寿命问题,提出一种基于TPE-Informer模型的铁路继电器寿命预测方法。首先,搭建铁路继电器电寿命试验平台,获取其整个生命周期的退化数据,从中提取出能够反映其运行状态的特征参数;其次,将提取的特征参数输入Informer模型进行训练,利用多头稀疏自注意力机制挖掘特征信息前后状态的关联性;最后,利用非标准贝叶斯优化算法(Tree-structured parzen estimator,TPE)优化Informer模型超参数,以获得更好的预测性能。采用试验平台采集数据对模型验证,并与其他三种深度学习算法进行结果对比。试验结果表明,所提预测模型比RNN、LSTM和Informer模型预测精度高,平均精度达到96.52%,误差率小,稳定性好,证明了该预测模型应用的可行性。

直流偏磁下叠片铁心磁致伸缩的实验测试与分析

电工钢片磁致伸缩效应是引起变压器铁心振动,并产生噪声的主要原因之一,直流偏磁的存在加剧了铁心的磁致伸缩形变。基于爱泼斯坦方圈装置开发了电工钢片叠片结构磁致伸缩特性测量系统,测量并分析了取向电工钢片叠片结构在不同直流偏磁磁场、磁化角度及磁化强度下磁致伸缩主应变大小和方向的变化情况,对比分析了单片电工钢片与其叠片结构磁致伸缩特性的差异,讨论了直流偏磁磁场对叠片结构磁致伸缩特性的影响,并建立了材料磁致伸缩特性数据库。基于上述测量数据,计算了直流偏磁下单相变压器铁心模型的磁致伸缩应变,并与实测值进行了对比验证,为直流偏磁下变压器铁心振动噪声的研究奠定基础。

直流偏磁下单相变压器铁心实验模型局部磁致形变测量与模拟

电工钢片的磁致伸缩效应是变压器振动噪声的主要来源之一,实际工况下变压器铁心的磁致伸缩特性比单片电工钢片的特性更为复杂,而直流偏磁的存在会加剧铁心的形变。为了进一步掌握变压器铁心的磁致形变特征,该文直接对单相变压器铁心局部应变进行实验测试,开发并搭建叠片结构的单相双柱变压器铁心磁致伸缩测试系统,测试并分析不同磁化方式下不同局部区域的磁致伸缩特性,讨论直流偏磁磁场对铁轭以及芯柱磁致伸缩性能的影响,分析夹件位置和夹紧力对变压器铁心磁致伸缩的影响。基于实验测试数据,从工程应用角度提出直流偏磁下基于BP神经网络的叠片铁心磁致伸缩模拟方法。研究结果表明,实际工况下变压器铁心拐角区域由于旋转磁场的存在导致磁致伸缩增大,适当的夹紧位置和夹紧力可有效降低铁心磁致伸缩应变,神经网络法能较好的模拟直流偏磁下变压器铁心局部的磁致形变特性,更适用于工程实践。

基于自适应模型降阶的三维非线性磁场快速计算方法

为了解决有限元法(FEM)仿真分析中三维非线性磁场计算效率低、成本高的问题,该文提出一种基于本征正交分解(POD)的三维非线性磁场问题自适应模型降阶方法。该方法基于贪婪策略,将POD与径向基函数(RBF)相结合,同时采用改进的麻雀搜索算法(ISSA)计算RBF的最优宽度参数组合,构建更适配高阶系统的降阶模型。以TEAM24标准问题——非线性时变旋转实验装置的磁场模型和一台单相牵引变压器模型为算例,验证降阶模型的高效性能。结果表明:该方法在具有较高精度的同时具有高加速比,建立的模型具有较好的可泛化性。

基于模态相似性度量的开关电器状态表征研究

开关电器状态的准确表征是实现电器高智能化发展的必要前提,针对其全寿命具有多元、多状态、多属性交互影响和动态随机变化的特点,首先提出以多属性特征参数为驱动,在充分考虑参数影响权重和动态相关性的基础上,通过特征变换进行状态空间重构即形成模态空间,给出相似性度量的加权改进方法。其次,以电器基本模态为参数,利用模态相似性度量进行电器状态定量表征分析,建立时间序列表征模型,实现对开关电器实时状态动态表征。最后,通过实测数据进行验证分析,结果表明该文所提方法有效、可行,可实现对开关电器全寿命周期状态的动态分析和定量表征。此外,与其他2种方法相比,结果证明在有触点开关类电器的状态表征中具有较高的表征精度,为下一步研究开关电器状态精准预测和动态识别提供了参考。

磁场与应力耦合作用下电工钢磁畴动态观测与磁滞特性模拟

电工钢等磁性材料是构成电力变压器、中高频变压器等电气设备磁路的关键材料,其磁滞特性决定着设备损耗,磁滞特性的本质体现为磁化过程中电工钢内部磁畴畴壁的移动和磁畴的翻转,而外应力的引入会改变电工钢磁畴结构。该文针对磁场和应力耦合作用下取向电工钢磁滞特性的模拟问题,借助应力磁光克尔显微镜观测了应力影响下磁畴动态磁化规律,揭示电工钢内部磁畴动态演变机理。在此基础上,利用图像处理技术获取了耦合外作用下畴壁移动的位移、速度以及加速度等特征量,并以磁畴能量最小化为理论基础,以畴壁移动加速度作为特征量构建表征模型用以模拟电工钢的磁滞特性。结果表明:提取的特征量可直观地了解电工钢内部磁畴在不同应力下的演变过程,基于畴壁移动加速度特征量的磁滞模型能够有效描述电工钢在不同应力下的磁滞特性。研究成果建立了磁畴磁化特征量与材料宏观磁滞特性的映射关系,为磁性材料改性研究提供一定理论支撑。

基于数据增强SDAE-BiGRU的交流接触器剩余电寿命预测

针对目前交流接触器剩余电寿命存在单一特征预测精度低、未充分考虑开断前后的关联性和忽略了长时间序列特点的问题,该文提出基于数据增强堆叠降噪自动编码器-双向门控循环单元(stacked denoised autoencod-er-bidirection gated recurrent unit,SDAE-BiGRU)的交流接触器剩余电寿命预测方法。首先,通过交流接触器全寿命试验提取特征参量,采用近邻成分分析(neighborhood component analysis,NCA)和斯皮尔曼等级相关系数选择最优特征子集,来有效表征电寿命退化信息。然后,对最优特征子集进行数据增强,充分考虑前后状态的关联性,并利用SDAE对增强后的特征信息进行融合来降低输入维度。最后,将交流接触器剩余电寿命视为长时序问题,通过BiGRU进行时序预测。实例分析表明,该模型比循环神经网络(recurrent neural network,RNN)、长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)、GRU、BiGRU和SDAE-BiGRU模型预测效果好,平均有效精度达到96.68%,有效证明了时序预测模型应用在电器设备剩余寿命预测领域中的可行性。

考虑颗粒属性的软磁复合材料磁特性预测方法

针对目前软磁复合材料(SMC)制造前磁特性预测无法计及颗粒属性和制备参数而导致磁导率和涡流损耗等磁特性评估结果存在偏差的问题,该文提出将离散元(DE)与有限元(FE)相结合的新型SMC材料磁特性预测方法。基于三维DEM研究了颗粒形状、粒径及其分布对SMC样品微观结构的影响,给出DEM模型中最适颗粒参数。为解决所建立的微观尺度SMC材料FE模型求解带来的计算量大的问题,提出一种均质化等效几何模型构建方法。以相对密度为桥梁构建SMC均质化等效FE模型,进而实现对磁导率和涡流损耗的预测评估。最后,利用直流磁化法和环样法分别测量了SMC试样的磁导率和损耗,通过实验与预测结果进行对比分析,验证所提出的磁特性预测方法的可靠性。

基于无传感器的交流接触器位移控制策略

针对传统接触器控制模型可靠性低、控制精度差等问题,提出一种基于无位置传感器的交流接触器吸合过程动态控制仿真分析方法。首先,根据交流接触器的磁路模型,推导出交流接触器动铁心的位移公式,形成位移估算器;在位移估算器的基础上进行吸力预测,并根据控制模型设计闭环控制器。其次,建立交流接触器的动态闭环控制仿真模型,通过对比分析交流接触器在非受控、脉冲宽度调制(PWM)分时控制和位移闭环控制3种模式下的闭合时间,证实位移闭环控制方案的有效性。最终,实验结果证实所提模型的精确度以及控制策略的实用性,为交流接触器的智能控制提供思路。

直流接触器分断过程中弧根演变及对重燃的影响分析

直流接触器灭弧室中弧根的演变对其开断性能有重要的影响。该文搭建实验平台,采用高速相机拍摄了磁场作用下金属栅片式直流接触器开断过程中的弧根转移过程,并基于磁流体动力学理论,建立空气电弧数学模型,对电弧等离子体鞘层进行假设,并且在计算中耦合分断回路方程。通过对温度场、电流密度、电导率和气压分布的仿真分析,得到分断过程中弧根转移产生的根本原因,在现有的仿真条件下研究分断速度、差异外施横向磁场对弧根演变规律的影响。结果表明:在一定范围内,灭弧室入口区磁场大于栅片区时,弧根转移加速,熄弧时间缩短;由于灭弧室入口两侧气流漩涡的存在,当分断速度较小时,阳极弧根运动至引弧片时会出现停滞现象,该停滞现象随着分断速度的增大而消失,并且燃弧时间缩短,仿真与实验观测结果较为一致。本文的研究对提高直流接触器分断能力,优化灭弧室结构具有一定的意义。

基于经验模态分解及维格纳威尔分布的电缆双端故障定位算法

快速准确地得到配电网故障位置,对配电网系统安全稳定运行、快速恢复供电具有重要意义。提出一种基于经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)和维格纳威尔分布(Wigner Ville distribution,WVD)的电缆双端故障定位方案。通过对测量得到的故障行波进行EMD分解,实现对故障高频成分的提取与噪声的消除。将得到的一阶本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)进行WVD分离,将故障信号的能量在时间及频率坐标系下表述出来。通过计算故障行波的瞬时能量曲线峰值,确定故障初始行波波头的到达时刻。仿真及实验结果表明,所提方案能够准确地确定故障初始行波波头的到达时刻,使电缆双端行波同步。与需要同步时钟的双端定位方法比较,具有较高的定位精度。在实际工程中有良好的应用前景。

采用小波熵的串联型故障电弧检测方法

电力电子技术已广泛应用电力系统,一些电气设备正常工作时的电流特性与故障电弧电流的典型特性相似,当设备或线路发生串联型故障电弧时,使得故障电弧的可靠诊断与检测十分困难。在多分辨分析快速小波变换及基于非参数自适应估计理论的Birge-Massart策略阀值求解的基础上引入小波熵概念,提出一种利用小波熵来反应故障电弧电流信号的能量分布,并由此提取故障电弧电流中瞬变信号的方法,实现对故障电弧电流信号中低能量瞬变信号的有效提取,从而为串联型故障电弧的诊断提供依据。

电工钢片旋转损耗特性分析与损耗模型修正

高效、超高效电动机的设计关键是降低各项损耗。然而,无论是使用高质量的电工钢材料还是改进电机结构降低铁耗都离不开对电工钢材料复杂磁特性的准确把握。为深入研究实际工况下电工钢片损耗特性,利用先进的电工钢片旋转磁特性测量装置,研究了无取向电工钢片单位铁损特性及其与磁化方式、磁化轨迹的关系。从提高旋转损耗计算精度和工程实用性角度,提出了修正的椭圆损耗计算模型和修正的正交分解损耗模型,验证了修正模型对近乎实际工况下铁损计算的有效性。研究表明,修正的损耗计算模型降低了实施矢量磁滞模型与有限元耦合计算旋转铁耗的复杂程度,满足了工程精度要求。由于修正模型的系数充分拟合了旋转特性测量数据,所以降低了模型应用过程中对旋转磁特性测量装置的依赖,提高了模型的实用性。

磁吹直流空气断路器弧根跃迁及对开断特性的影响研究

直流空气断路器的弧根跃迁与其开断特性有着密切的关系。该文搭建实验平台,采用高速摄像机拍摄电弧演变过程,得到清晰的弧根跃迁图像,观测弧根跃迁过程中的“双弧根”现象。基于磁流体动力学理论,建立二维磁吹直流空气电弧模型。模型中赋入鞘层条件,通过耦合外电路模块模拟实验工况,对开断过程中电弧温度场、气流场及弧根跃迁现象进行分析。在此基础上,完成磁场、烧蚀金属蒸气浓度变化对弧根跃迁及开断特性影响的仿真研究。结果表明:磁场强弱会改变弧柱高温区的运动轨迹,影响前后侧的气流场分布,改变局部区域电导率,产生弧根的停滞与跃迁现象,显著影响断路器的开断性能。外施50m T磁场会发生弧根跃迁现象,弧根跃迁可以减少烧蚀,加速开断,其本质成因是通过“双弧根”完成的。“双弧根”现象是由于引弧板表面电导率增大,在其表面形成新的导电斑点形成的。烧蚀产生的金属蒸气不总是阻碍熄弧,当灭弧室中铜蒸气浓度达到50%~60%时,出现弧根跃迁,减少燃弧时间,有利于开断。

铁心表面局部磁特性检测系统设计与实现

电机定子铁心轭部、变压器铁心T型结合部存在大量旋转磁通,旋转磁化产生的损耗大于交变损耗,准确测量铁心局部区域的旋转磁化特性是研究旋转损耗的前提和基础。该文搭建了铁心表面局部磁通密度B信号和磁场强度H信号磁特性检测系统,设计并制作了B-H矢量传感器。该传感器由一对B探针和一个高精度霍尔元件组成,其中B探针的测量精度由标准线圈测试实验进行校准。基于LabVIEW虚拟仪器编写了采集B信号和H信号的计算机程序,并以一台单相变压器铁心模型为例,测量了铁心拐角区域两个垂直方向的B信号和H信号,分析了铁心的旋转磁化特性,为进一步降低铁心损耗,实现铁心结构优化设计提供了有效的实验测试方法。

基于LSTM的交流接触器剩余寿命预测

交流接触器在各种低压控制线路中应用极为频繁,因此对其进行剩余寿命预测可以大幅提高电力控制系统的运行稳定性。针对目前交流接触器剩余寿命预测没有充分利用其退化过程前后状态之间联系的问题,提出了一种基于长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的交流接触器剩余寿命预测方法。首先,通过交流接触器全寿命试验平台获取其整个生命周期的退化数据,从中提取出能够反映其运行状态的特征参数;其次,采用灰色关联分析(grey relation analysis,GRA)法和皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient,PCC)法剔除多维参量的冗余信息,进行特征选择,并将其结果作为预测模型的输入样本;最后进行LSTM预测模型训练。试验结果表明,相比传统循环神经网络(recurrent neural network,RNN),基于LSTM的剩余寿命预测模型能够充分利用全寿命周期时序序列数据的前后关联信息,对交流接触器剩余寿命预测有更高的准确性。

机械应力下电工钢片磁滞与磁致伸缩回环滞后特性模拟

机械应力会影响电机铁心材料的磁滞回环特性和磁致伸缩回环特性,进而影响电机损耗与振动等运行性能,为此需要在电工产品设计阶段有效模拟电工钢片磁滞-磁致伸缩应变-机械应力的耦合关系下的磁特性。基于磁畴能量极小值的原理,该文提出改进的磁畴结构模型(ADSM)实现电工钢片在机械应力下磁滞与磁致伸缩回环滞后特性表征。引入磁滞能量密度函数描述磁滞和磁致伸缩回环滞后效应,引入磁弹性能考虑机械应力对磁特性的影响,使用多个晶粒磁特性的平均值来表示多晶结构电工钢片的磁特性,最后通过模型结果与实验测量数据对比,验证了该改进的ADSM较传统模型更能有效地表征电工钢片的磁滞与磁致伸缩滞后特性,为准确计算铁心的损耗与振动性能奠定基础。

耦合磁场直流空气断路器栅片特性对灭弧性能的影响研究

栅片材料与结构对断路器的灭弧性能有着重要的影响。该文建立了永磁体作用下灭弧室内磁场的计算模型与电弧磁流体动力学(MHD)模型,实现了两者的耦合。在此基础上,对永磁体作用下栅片材料与栅片结构对电弧动态特性的影响进行了仿真,同时考虑电源极性的影响,得出了永磁体作用下灭弧室内磁场的空间分布、电磁耦合作用下灭弧室内温度分布与气流分布,提取了灭弧室内平均温度与电弧燃弧时间等关键参数,讨论了栅片材料与栅片结构对电弧特性的影响。结果表明,外施磁场作用下铁栅片会造成灭弧室内磁短路现象。相同仿真条件下,含铁栅片的灭弧室燃弧时间最长;动触头作为阳极更有利于弧根跃迁,燃弧时间缩短;当分断电流相同时,铜-绝缘栅片对电弧的冷却效果最佳;栅片倾角可以改变气流场分布,从而影响燃弧时间。

旋转磁化下电工钢片的磁致伸缩特性

电工钢片的磁致伸缩效应会使大容量电机定子铁心发生形变加剧电机振动噪声。近年来,随着实验测试技术的不断发展,国外已开展电工钢片磁致伸缩的测量与特性研究工作,国内还处于起步阶段。为深入研究旋转磁化下电工钢片的磁致伸缩效应,开发了基于三轴应变测量的单片电工钢片旋转磁致伸缩测量系统,研究了椭圆磁化轨迹在不同轴比、倾斜角及磁通密度下电工钢片磁致伸缩主应变矢量周期变化情况,建立了可供分析电机铁心磁致伸缩效应的数据库文件,并以三维插值曲面的形式描述了旋转磁化与磁致伸缩的关系。研究了一种计算电机定子铁心磁致伸缩效应的数值分析方法,以环形铁心模型为例实验验证了计算方法的有效性。研究表明,电工钢片的旋转磁致伸缩形变大于交变磁致伸缩,且随着磁化轨迹圆形程度的增加而增大。上述实验数据及旋转磁致伸缩特性分析为减小电机铁心的振动噪声研究提供了参考。

基于多尺度磁畴能量模型的电工钢片磁滞各向异性模拟

电工钢片磁滞特性的准确表征影响着变压器等电工产品电磁仿真结果的可靠性。随着电工产品服役工况复杂程度的增加,相较于侧重数学公式推演的唯象磁滞模型,物理磁滞模型具有物理概念明确、参数辨识过程简单,以及更适用于复杂工况的优势而逐渐引起国内外学者的关注。该文提出采用多尺度磁畴能量模型表征电工钢片的磁滞各向异性。引入磁滞能量密度函数表述磁化历史对当前磁化状态的影响,从磁矩旋转的角度更有效地描述与解释磁滞各向异性,用晶粒磁行为的平均值代表多晶体磁特征,实现从磁畴、晶粒到多晶的多尺度磁滞特性表征。同时,通过克尔显微镜对各向异性磁化过程磁畴动态变化进行观测,结合宏观磁滞回环解释电工钢片磁各向异性。最后,利用实验测量的磁滞回环验证了多尺度磁畴能量模型的有效性。研究结果表明,在保证一定计算精度的前提下,引入磁滞能量的多尺度磁畴能量模型简化了传统磁畴模型参数辨识过程,提高了计算效率,有助于推进物理磁滞模型的工程应用。