基于统计数据分析的动车组牵引变压器状态检修

刘永乐， 曲 昕， 赵 慧

（大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028）

0 引言

动车组牵引变压器运行的可靠性直接关系着动车组的安全运行。合理完善的检修方法是变压器可靠运行的有力保障。过去变压器的传统检修方法是计划式检修［1］，在实际工作中既可能由于维修不及时，影响行车安全，又可能存在过度维修，而造成检修费用的浪费。因此如何对动车组变压器进行预防式故障检测成为我国在动车组发展中急需解决的重要问题。国内外研究者在变压器的故障检测分析研究中做出了不懈努力。广泛应用的如利用人工神经网络在变压器数据样本和多个故障状态之间建立联系［2］；改进标准的BP算法，建立变压器故障检测BP网络模型［3］；运用模糊推理算法建立预备模糊诊断系统用于变压器故障检测［4］；提出灰色聚类模型分析方法［5］和模型诊断及专家系统方法［6］用于变压器绝缘故障诊断等都取得不错的效果。

目前我国普遍应用变压器油色谱分析法［7］，分析其气体含量，然后将其与临界值比较判断是否存在故障。在实际工作中此做法存在缺点：①由于变压器的设计、制造等条件不同，故使用同一临界值判断不符合实际；②没有理论依据的取样分析法容易造成较大的误差。设备的工作状态受到各种因素影响，常常难以建立与影响因素联系的关系解析式。通过对数据的统计发现这类关系式的建立，需要利用数理统计方法。数理统计方法在各个领域都有应用。在农业应用中，运用回归和方差分量分析方法计算遗传力；在工业应用中，运用抽样检验改良工艺流程；在医药学应用中，确定一种药物对治疗某种疾病是否有效；在社会、经济应用领域中，运用抽样调查对社会现象的定量化发展趋势进行研究等［8］。

根据动车组牵引变压器的实际情况建立动态诊断方法，一方面提高检测结论的可靠性，另一方面避免无理论依据的取样方法造成的误差［9］。所以提出用u检验方法用于动车组牵引变压器故障诊断。计算变压器在正常工作下，内部一种气体的均值，把其它状态下的该气体均值μ1 与μ0 进行比较。如果二者近似相等说明处于正常状态，反之故障状态。

1 变压器故障检测

动车组牵引变压器故障检测常用仪表：

（1）兆欧表或绝缘测定器。用于绝缘电阻检测，诊断变压器由于机械、电场、温度、化学等作用及潮湿污秽等影响程度，是变压器能否投运的主要参考判据之一。

（2）油气色谱分析仪。用于检测变压器油中各种气体含量以发现变压器内部的某些潜伏性故障［10］。通过采用选择性渗透膜、半导体微传感器等为基本元件，利用计算机技术构建专家系统，对变压器油中气体成分进行识别判断。

2 状态检修

随着检测技术和信息技术的不断提高，动车组在检修形式上逐渐开展状态检修。根据提供的设备状态信息，判断设备是否异常，在故障发生前进行检修。状态检修可以减少不必要的检修工作，节约工作时间和费用［11］。状态检修依据设备状态进行监测，然后按照设备的运行状态来安排检修的一种决策方法（或策略）。因为状态检修是以设备当前的实际工作情况为依据，通过先进的状态检测和诊断方法、可靠性评估手段以及寿命预测手段，判断设备的状态，识别故障的早期征兆，对故障位置及严重程度、发展趋势做出判断，并根据分析诊断结果，在设备性能下降到一定程度或故障将要发生前主动实施检修。所以，状态检修的针对性强、经济合理。

通过油气色谱分析的原理［12］，检测变压器油中各种气体含量，并根据气体含量的变化，通过提出的u检测方法，来判断变压器的工作状态。

基于状态检修的变压器故障检测流程如图1。

图1 基于u检验方法的状态检修流程图

3 u检测方法

当变压器处于正常状态时，其中气体含量x 是一个随机变量，通过大量数据可以证明，x 近似的服从正态分布，即x ～N（μ，σ2）。通过一段时间的运行检测，可以得到动车组变压器正常运行时某一气体的一系列数据x1，x2，x3，…，xn作为样本，可以计算出该样本均值¯x 和标准差S1。然后又检测得到另一组数据y1，y2，y3，…，yn作为另一样本，计算均值¯y 和标准差S2。样本之间相互独立，基于u检验法判断在检测被测样本数据时变压器是否处于正常。在计算前给出两种假设，假设H0：μ0 ＝μ1，备择假设H1：μ0 ≠μ1。在给定显著水平α下，查看正态分布表得μα 。

若

第一样本的均值（作为标准样本）

第二样本的均值（被检验样本）

第一样本标准差（标准样本）

第二样本标准差（被检验样本）

这种方法是具有实际意义的，u检验适宜样本数量大的计算，而且比临界值法准确率高。正常动车组运行时两组样本均值相差不会太大，变压器一旦有异常情况出现，气体的含量就会增加或减少，均值出现较大的差值，通过u检验可以判断出来。作为标准样本的第一组数据也不是一直不变的，随着时间的推移，这组数据需要重新测取，以便反映实际的运行情况。作为被检测样本，第二组数据是最近时间的数据，因为结果是要检测第二组数据测取时变压器所处的状态。两组样本测取数据的时间间隔最好要相同。

4 试验举例

某动车组牵引变压器在正常工作时，u检验可以对样本的多个数据进行检测，但是在此方便计算只测取少量的数据。变压器正常工作时的H2气体含量数据：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（单位：10－6），变压器工作时最新测量的H2气体含量数据（被测样本）：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（单位：10－6）。如选用显著水平α＝0．05，根据以上公式可计算出u值，同时查u分布表可得μα ＝1．96，进行比较。

通过计算得：¯x ＝9．943；¯y ＝9．963；S1＝0．555；S2＝0．417；μα ＝1．96；μ＝1．25。μ＜μα ＝1．96，接收假设H0，所以此时的变压器处于正常工作状态。

此变压器经过一段时间的使用后，变压器工作时最新测量的H2气体含量数据（被测样本）：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（单位：10－6）。

通过计算得：¯x＝9．943；¯z＝13．017；S1＝0．555；S3＝1．619；μα ＝1．96；μ＝9．852。μ＞μα ＝1．96，拒绝假设H0，接受备选假设H1，此时的变压器处于工作异常状态。

5 结语

首先对动车组变压器的故障检修进行分析研究，发现临界值法在实际工作中存在很多不足。结合变压器的特性，运用数理统计方法中的u检验法对变压器进行状态故障检修。u检验法有成熟的理论基础，方法简单、可靠、实用，且易于理解，比临界值法准确率高，可用于状态检修。此方法比临界值法计算麻烦，但是可用计算分析判断，为动车组的检修提供便利。

［1］王忠凯．动车组运用检修计划优化方法的研究［D］．北京：中国铁道科学研究院，2012．

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