變分模態(tài)分解在地鐵車輛熔斷器非短路損壞故障分析

靳行　林建輝　鄧韜

摘要：非短路損壞故障不但增加車輛運(yùn)營經(jīng)濟(jì)成本，而且影響運(yùn)營線路的運(yùn)營計劃。該文針對熔斷器非短路故障頻發(fā)的地鐵車輛，基于NI作為檢測硬件設(shè)計一套故障診斷測試系統(tǒng)，并應(yīng)用Dasylab軟件搭建系統(tǒng)的采集部分，通過對列車運(yùn)營時段的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整體統(tǒng)計分析，應(yīng)用VMD剔除趨勢項，對偏離均值的異常數(shù)據(jù)應(yīng)用VMD分析，最終找到熔斷器非短路故障頻發(fā)原因。結(jié)果表明，該文所設(shè)計的故障診斷測試系統(tǒng)與分析方法是有效并可靠的，可為工程實用提供參考。

關(guān)鍵詞：變分模態(tài)分解;瞬時頻率;熔斷器;故障分析

中圖分類號：U279.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0146–05

Damage fault analysis for non-short-circuit of subway vehicle fuse based on VMD method

JIN Hang， LIN Jianhui， DENG Tao

（State Key Laboatory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： Non-short-circuit damage usually causes the addition of economic cost during vehicles operating， still， this affects the operating line plan or strategy. In this paper， a set of fault diagnosis test system is designed based on NI instruments as hardware-detection for metro-vehicles with frequent non-short-circuit faults in fuses. The data collection of the system have been built by Dasylab software. Under the overall statistical analysis of the test data during train operation， the trend items are eliminated by VMD ， VMD analysis is applied to the anomaly data which has the deviated mean values， to work out the causes of the frequent non- short-circuit faults of the fuse. The results show that the fault diagnosis test system and the designed analysis method in this paper is effective and reliable， which can provide reference for practical engineering.

Keywords： vibrational mode decomposition; instantaneous frequency; fuse; fault analysis

0 引言

為確保地鐵車輛正常運(yùn)營，對地鐵車輛受流器熔斷器非短路熔斷進(jìn)行故障診斷具有重要意義。受流器作為車輛電氣關(guān)鍵部件，電路原理與受電弓相似，作用將電能從導(dǎo)電軌動態(tài)引入車輛的連接裝置，為整個車輛提供電能，受流器熔斷器則對車輛進(jìn)行短路及過流保護(hù)，保障主電路安全[1]。熔斷器非短路情況下?lián)p壞雖不會帶來安全方面問題，但會對列車運(yùn)營與維護(hù)帶來較大壓力[2]，增加車輛運(yùn)營成本，影響運(yùn)營線路的運(yùn)營計劃。第三軌接觸供電車輛電流多采用IEC標(biāo)準(zhǔn)，為直流多采用DC750V或DC1500V[3]。與受電弓供電方式不同，動車轉(zhuǎn)向架兩側(cè)都有一個受流器，列車有多個受流器同時為車輛供電。當(dāng)通過最大斷電區(qū)時，會出現(xiàn)工作受流器減少的情況，因此熔斷器選型時，會參考該不同型號的特性曲線進(jìn)行選擇[4]。車輛出現(xiàn)批量性熔斷器熔斷時，幾乎不可能是常規(guī)的過流保護(hù)熔斷，而國內(nèi)外文獻(xiàn)對此類故障報告較少。

受流器供電為直流，因此受流器電流常規(guī)認(rèn)為是線性的穩(wěn)態(tài)信號，多采用統(tǒng)計的方式來判斷故障。然而在實際工作中，在列車通過斷電區(qū)時，由于工作受流器的數(shù)量不定，電流信號是非穩(wěn)態(tài)非線性的。因此時頻分析可以更有效的判斷分析非穩(wěn)態(tài)信號，常用的時頻分析法有短時傅里葉、小波變換[5]以及近年來最流行的希爾伯特-黃變換[6]（HHT）。2014年，Konstantin Dragomiretskiy與Dominique Zosso首次提出變分模態(tài)分解[7]（variational mode decomposition，VMD），是一種新的信號預(yù)處理方法。作為一種新方法，VMD在提取振動分量、剔除趨勢項具有明顯的優(yōu)勢[8]，國內(nèi)對VMD方法進(jìn)行了研究，高艷豐等[9]將VMD與TEO能量算子相結(jié)合，應(yīng)用在高壓輸電線路雷擊故障行波檢測中，解決了雷擊點和故障點不一致時的故障定位問題。張亞超等[10]將VMD與樣本熵項結(jié)合，有效提高短期風(fēng)電功率多步預(yù)測的準(zhǔn)確性。武英杰等[11]將VMD應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)機(jī)組傳動系統(tǒng)不平衡故障診斷中，對故障診斷起到良好的效果。在齒輪箱故障與滾動軸承故障方面，VMD也有不俗的表現(xiàn)[12-13]。

根據(jù)TRL（technology readinesslevels）[14]判定，針對國內(nèi)某地鐵線路熔斷器非短路故障頻發(fā)，本文在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，完成TRL6，通過現(xiàn)場環(huán)境應(yīng)用檢測設(shè)備收集大量數(shù)據(jù)，對整體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后，應(yīng)用VMD剔除趨勢項，并分析過斷電區(qū)時受流器供電電流情況，最終找到熔斷器非短路故障頻發(fā)原因。結(jié)果表明，受流器受流不均與斷電區(qū)沖擊擾動引起的集膚響應(yīng)，共同作用是導(dǎo)致熔斷器非短路故障的原因。

1 VMD原理與算法

VMD方法在獲取BIMF分量時，與傳統(tǒng)EMD方法原理有相似之處，但其摒棄EMD方法需要循環(huán)篩選極值的處理方法，而是將信號的分解引入到變分模型中進(jìn)行解決，以最優(yōu)解的過程尋找約束變分模型，從而實現(xiàn)信號的分解，在此過程中，每個BIMF分量的中心頻率和帶寬不斷地相互交替迭代更新，最后自適應(yīng)地分解信號的頻帶，得到預(yù)設(shè)尺度的K個窄帶的BIMF分量。變分約束問題為

式中：uk——模態(tài)函數(shù)集;

ωk——每個模態(tài)函數(shù)集的中心頻率;

δ（t）——脈沖單位函數(shù)。

為了解決上述約束最優(yōu)化問題，VMD算法在實施過程中綜合運(yùn)用了二次懲罰項和拉格朗日乘子法的優(yōu)勢，引入了增廣拉格朗日函數(shù)ζ，如式（2）所示。為解決式（2）中最小化問題，用交替方向乘子法進(jìn)行一系列的迭代優(yōu)化找到ζ的極小值點。

式中：α——帶寬參數(shù);

λ（t）——拉格朗日乘子。

VMD算法的分解詳細(xì)過程可參考文獻(xiàn)[7]。首先通過統(tǒng)計分析找到可能引發(fā)故障的數(shù)據(jù)，然后采用VMD分解，得到BIMF后進(jìn)行希爾伯特變換，得到希爾伯特瞬時譜，便于進(jìn)行進(jìn)一步的故障診斷分析。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

檢測試驗對象為某地鐵車輛，為了全面了解車輛狀態(tài)，需要對車輛全部受流器電流、網(wǎng)壓、車輛速度、車輛控制信號、車輛空簧壓力、受流器電火花進(jìn)行在線檢測。

參考GB/T25890-2010《軌道交通地面裝置直流開關(guān)設(shè)備》[15]與JJF1087-2002《直流大電流測量過程控制技術(shù)規(guī)范》[16]相關(guān)技術(shù)及車輛設(shè)計合同參數(shù)，對故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，整體系統(tǒng)設(shè)計思路需確保不影響車輛正常運(yùn)營的情況下，對車輛相關(guān)參數(shù)進(jìn)行收集。當(dāng)列車牽引速度70km/h時，列車牽引最大電流為7200A，全列車有8臺受流器同時參與工作時，考慮10%的電流負(fù)擔(dān)的不平衡，每個受流器通過電流990A;車輛通過斷軌區(qū)域時，最多3個受流器脫離三軌，此時每個受流器通過電流約1584A。因此電流傳感器線性量程采用2000A。同理，電壓、空簧壓力、速度及紫外傳感器根據(jù)車輛情況選擇相應(yīng)量程，所有傳感器安裝于車下。基于實際工程考慮，采用NI9218通用模擬輸入模塊完成A/D轉(zhuǎn)換，單通道支持最大采樣頻率51.2kS/s，通過網(wǎng)線與試驗計算連接，試驗計算機(jī)放置與司機(jī)室，便于試驗人員對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察。

軟件部分應(yīng)用Dasylab將NI采集數(shù)據(jù)保存試驗計算機(jī)中。使用到Analog Input模塊采集NI傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)過Digita filt模塊進(jìn)行抗混疊濾波，F(xiàn)ormula Interpreter模塊進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，最后通過Write Data模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

3 檢測結(jié)果分析

3.1 熔斷器故障原因猜測

故障診斷的一般方法都是通過猜測-驗證-確認(rèn)的方式進(jìn)行，因此在本文案例中，通過供貨商提供的X-Ray檢驗報告，發(fā)現(xiàn)故障熔斷器內(nèi)部熔體排布均勻，不存在焊接點脫落，熔體斷裂不良等情況，如圖1所示。

進(jìn)一步在顯微鏡下觀察熔體，發(fā)現(xiàn)部分狹徑存在拉伸變形，如圖2所示。

非短路損壞時熔斷器只有少數(shù)“狹徑”熔斷，而短路損壞時則為熔斷器所有“狹徑”全部熔斷。根據(jù)X-Ray與顯微鏡狀態(tài)可以初步猜測是熔斷器在非短路情況損壞。

3.2 熔斷器電流統(tǒng)計結(jié)果

對車輛總電流有效值與空簧壓力進(jìn)行聯(lián)合統(tǒng)計，如圖3所示，空簧壓力與受流器電流總體上相關(guān)（1bar=105Pa），客流高峰時段空簧壓力增大，受流器制動電流明顯增大，但是牽引電流有效值幅度變化不明顯，電流有效值滿足車輛設(shè)計要求，低于7200A。

由于地鐵車輛運(yùn)行存在早晚高峰情況，因此對早晚高峰時段所測受流器電流不同工況有效值進(jìn)行統(tǒng)計。定義靠近1車方向為前端，靠近6車方向為后端，面朝行進(jìn)方向定義左右兩側(cè)。車輛上行時，前端為行進(jìn)方向，如圖4所示，早高峰時，主要為右側(cè)受流器供電。當(dāng)經(jīng)過岔道時，右側(cè)受流器短暫時間與三軌斷開，左側(cè)受流器承擔(dān)供電工作，因此左側(cè)受流器全程受流有效值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于右側(cè)受流器全程有效值。車輛在運(yùn)行過程中，右側(cè)受流器有效值3車、4車牽引有效電流明顯大于2車、5車，牽引電流負(fù)載的不平衡最大27%。

晚高峰時段，車輛后端為行進(jìn)方向，供電三軌在車輛左側(cè)與受流器接觸，如圖5所示，2車前后端牽引電流負(fù)載的不平衡高達(dá)35%。由此可見，車輛受流器間電流負(fù)載的不平衡超出設(shè)計考慮上限10%。

如圖6所示對單個受流器進(jìn)行分析，存在3個電流瞬時峰值大于1500A的位置，根據(jù)地鐵車輛線路圖與公里標(biāo)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)1500A峰值均出現(xiàn)在斷電區(qū)附近。

為了驗證熔斷器電流是否超過熔斷特性曲線，對1ms電流有效值大于500A進(jìn)行分段統(tǒng)計，每50A電流統(tǒng)計區(qū)間，如圖7所示為3車后端右側(cè)上行早高峰電流有效持續(xù)時間統(tǒng)計結(jié)果，最大瞬時電流為2358A（根據(jù)采樣間隔0.1ms），由于只是峰值電流，持續(xù)時間低于1ms，1ms取有效電流為1546A。對所有大于800A電流做統(tǒng)計，最大持續(xù)時間為950ms，電流有效值為884.5A。

結(jié)果表明，車輛正常運(yùn)營狀況下，受流器電流大小與持續(xù)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔斷標(biāo)準(zhǔn)，不足以使熔斷器出現(xiàn)熔斷。

此外，紫外傳感器顯示，車輛全程并無明顯的火花，因此這里忽略展示。

3.3 VMD對峰值電流的分析

由圖6可知，找到峰值區(qū)間段，峰值部分?jǐn)?shù)據(jù)做VMD分解，層數(shù)K=4。為了得到較好的帶寬，帶寬系數(shù)α等于采樣頻率的兩倍。經(jīng)過VMD分解后，發(fā)現(xiàn)VMD很好地將直流電趨勢分解在第一層，同時第二、三、四層分別為交變電流項。峰值處明顯存在一個瞬時交變電流，如圖8所示。

剔除直流電趨勢項，對其余BIMF2-BIMF4做希爾伯特時頻譜，如圖9所示，在電流瞬時峰值處，牽引直流電包含明顯的瞬時交變電流，在100Hz以下的調(diào)頻條幅信號中，能量幅值與圖8一致，瞬時譜中在峰1.4769s處有效值720A，瞬時頻率為44.8Hz，對應(yīng)的BIMF1穩(wěn)定的質(zhì)量電流為961A。實際上受流器與三軌間是存在一定間隙的，尤其在進(jìn)出斷電區(qū)附近，近似一個可變電容。從而組成一個簡單的單頻回路。由于間隙的存在因此沖擊擾動是普遍的，這種沖擊擾動隨機(jī)性極強(qiáng)，有時很嚴(yán)重，有時又很輕微。通過VMD的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛通過斷電區(qū)時，沖擊擾動的破壞非常嚴(yán)重。

綜上分析引起車輛熔斷器故障頻發(fā)的原因由以

下2點：

1）車輛牽引過程中，由于牽引電流受流器分布不均勻，導(dǎo)致個別受流器電流偏大。

2）當(dāng)通過斷電區(qū)時，受流器與三軌間隙導(dǎo)致產(chǎn)生交流電流沖擊擾動，由于交變電流引起的集膚效應(yīng)長期作用。

在兩者共同作用下，熔斷器狹徑拉伸變形，熔斷器特性曲線將逐漸退化，引起的熔斷器少數(shù)“狹徑”熔斷非短路損壞。為了避免非短路損壞的再次發(fā)生，需要對受流器電流分配進(jìn)行重新調(diào)整，并重新設(shè)計車輛ATO，盡量采用惰行通過斷電區(qū)。

4 結(jié)束語

本文針對受流器熔斷器非短路損壞問題，詳細(xì)闡述了實驗系統(tǒng)設(shè)計到分析過程。提出了一種是應(yīng)用于受流器故障的診斷方案

1）應(yīng)用NI作為A/D硬件采集，使用Dasylab收集分析數(shù)據(jù)。

2）應(yīng)用統(tǒng)計的方法，觀察數(shù)據(jù)整體，然后應(yīng)用利用VMD分解的方法，剔除趨勢項，對局部瞬時頻率進(jìn)行分析。

所用分析數(shù)據(jù)均為某地鐵車輛實測的客觀準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，方法與結(jié)論不僅解決實際故障原因，降低車輛維護(hù)成本。對未來車輛牽引線路設(shè)計與故障診斷提供了先驗性的結(jié)論，是為列車安全運(yùn)營提供了有力的保障。

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（編輯：徐柳）