動車組牽引變流器支撐電容全壽命周期可靠性研究

李奪

（中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東省青島市 266000）

直流支撐電容作為動車組牽引變流器設計和應用的關鍵元件，主要起到緩沖交流側和直流側間的電能轉換，平穩中間直流電壓，儲能并提供瞬態能量轉移的作用[1]。在支撐電容運行服役的過程中，在自身因素和外界因素的共同作用下，存在損壞失效的風險，可能發生電氣擊穿導致電容短路引起爆炸，給動車組的正常工作造成了嚴重的安全隱患[2]。而且，動車組上牽引變流器和輔助電源的支撐電容完全是殼體密閉式，內部電氣絕緣結構復雜，若對電容經常拆卸檢查將造成很大的人工和時間成本。

因此，針對正在運行服役的支撐電容，為了確保動車組運行可靠性，同時降低檢修成本，需要開展的牽引變流器和輔助電源支撐電容可靠性研究具有重要的理論意義和工程價值。

1 研究方法

支撐電容在運行過程中，由于電應力與熱效應的作用逐漸老化，但由于金屬薄膜電容器的自愈特性，其性能在長時間范圍內能保存穩定運行，在自愈范圍內，其容值變化較為緩慢，僅以容值的變化情況無法準確評估電容的可靠性，結合試驗結果，發現介質損耗、局部放電量以及電容容值能夠較好地表征電容性能隨里程的變化規律，另外，耐久性試驗過程中容值隨時間衰減與實際運行里程具有較好的對應性，因此基于以上物理量對支撐電容可靠性進行評估，評估流程如圖1所示。

圖1：動車組牽引變流器支撐電容可靠性評估方法及流程圖

2 主要關鍵技術研究

層次分析法（Analytic Hierarchy Process）是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20世紀70年代初，在為美國國防部研究“根據各個工業部門對國家福利的貢獻大小而進行電力分配”課題時，應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法，提出的一種層次權重決策分析方法，是一種定性與定量相結合的系統分析方法[3]。該方法的原理是將復雜問題降級化，分解成小指標，在所有指標間進行對比分析，得到多種解決問題的辦法，由于各個方案所占權重不同，通過分析最后得到最好的問題解決辦法[4]。

表4：特征值和特征向量

2.1 依據指標結構，建立層次模型

首先，根據所要探究的具體問題，選出問題的各項評價指標，評價指標涉及了所評價目標的全方面信息，指標涉及出不同層次、不同維，可分為多個層級。

2.2 依據指標劃分，構造判斷矩陣

利用托馬斯·塞蒂的“1-9 標度法”進行指標層級構建[5]，根據指標層次模型，對每一層中的每個指標進行比較，比較后可確定出相對重要的指標層次詳見表1。

表1：指標層次表

依據上表，構造的成對比較矩陣如下：

其中，用aij表示第i 個因素相對于第J 個因素的比較結果。

通過上述定義可以得知，成對比較矩陣(aij)n×m，滿足下列性質：

(aij)n×m也稱為正互反陣。

2.3 計算權重

組建好判斷矩陣之后，對構造的矩陣實行層次單排序和判斷矩陣一次性檢驗，求解判斷矩陣（標記為A）的最大特征根問題：

2.4 檢測一致性

檢測一致性一共分為3 個步驟。

（1）一致性指標 CI。

注 2.3 以上定理和命題給我們提供了2個是完備空間但不是緊空間的例子。更重要的是,借助定理2.3—2.6,可以確定以下度量空間的完備性。

其中，n 的值為所選因素的個數。

（2）查找相應的一致性指標 RI 所對應的不同矩陣階數，見表2。

表2：平均隨機一致性指標 RI 標準值

通過表2所示，對于1、2 階判斷矩陣都完全具有一致性。當階數超過2 時，判斷矩陣的一致性指標CI 和同階平均隨機一致性指標RI 之比，用檢驗系數CR 表示隨機一致性比率。

（3）計算檢驗系數 CR。

利用層次分析法檢驗判斷矩陣是否具有一致性是在計算CR 的值，也就是隨機一致性比率的值中實現的，表達式如下：

當 CR=0 時，說明矩陣一致性極佳，可以通過檢驗。

當 CR<0.1 時，說明矩陣一致性一般，但是可以通過檢驗。

當 CR ≥0.1 時，說明矩陣的一致性很差，則需要對舉證的元素取值進行調整應對，直到 CR<0.1 才能使判斷矩陣具有滿意一致性。

3 試驗結果分析

圖2：牽引變流器支撐電容可靠性評估模型

3.1 構造成對比較矩陣

對于各個因素間重要性的比較，采取計算數據變化率的方法來定量判斷，即：針對某一里程電容，計算它的實測數據與該電容的出廠初值的變化率，變化率大的因素則相對重要一些。

在電容評估問題中第二層A 的各個因素對目標層Z 的影響兩兩比較的結果如表3。

表3：準則層判斷矩陣

得到成對比較矩陣A 如下：

3.2 計算權向量并給出一致性檢驗

3.3 確定方案層分數

牽引變流器逆變電容方案層分數打分如表5、表6。

表5：牽引變流器油式電容方案層分數

表6：牽引變流器干式電容方案層分數

3.4 計算最終得分評估電容

最后得分Z。

如600 萬公里的牽引變流器逆變電容數據如下：耐久性前后容值衰減5.5%，電容值測試值為1255.62μF，平均局部放電量為330pC，將其計為向量形式如下。

通過方案層分數表可知，耐久性前后容值衰減為差，得分1 分；電容值測試值測試為優，得分3 分；平均放電量測試為差，得分1 分。通過加權求總得分為。

即1

其余電容狀態根據方案層分數統計，查閱附錄D 層次分析法真值表，確定部分結果如表7所示，完整評估結果如附錄E所示。

表7：層次分析法評估結果

4 結論

本文就動車組支撐電容壽命周期可靠性評估提出了有效的評估方法和評估流程，通過分析得出，240 萬里程的電容服役性能較優，其性能隨里程的變化不明顯；480 萬里程牽引變流器逆變電容服役性能有所下降，狀態良好；600 萬公里牽引變流器電容，容值、介損、耐壓、浪涌放電變化明顯，狀態較差，建議采取相應檢修措施。