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第七章 电力机车电气部分及其故障诊断技术 7．1 电力机车电气部分简介 电力机车是一种十分复杂的大型机电设备，不仅设备本身复杂，而且具有许多其它设备或场合所不具备的特点【13】：①电力机车是一种集机械、电力、电子、微机控制、气动装置等许多部件于一体的机电设备，本身处于运动状态、振动冲击大，作为一个系统来研究十分复杂；②机车上的部件大都是高电压、大电流、大功率，电力电子变流装置与单相不对称牵引供电形成强大的电磁干扰；③运行中灰尘多、温度变化大、工作环境恶劣由于上述原因以及基础研究工作的不足，对电力机车进行故障诊断技术及故障诊断装置的研究，实际上是一个十分庞大复杂的科研项目电力机车电气部分的诊断内容是由电力机车电气部分的组成形式决定的电力机车的电气部分即电力机车的各种电气线路，按其作用的不同，通常分为主电路、辅助电路和控制电路 1．主电路 主电路即电力机车上的高电压、大电流的大功率回路，其任务是从电网上获取电能，通过变压器降压、变流装置变流后，驱动牵引电机工作，它是电力机车上最重要的组成部分，决定性地影响电力机车的性能及经济技术指标。

现代电力机车要求主电路能够方便地实现机车启动、调速、制动，并且要求能方便地对牵引电机的转矩和转速进行调节主电路的主要电气设备包括受电弓、主断路器、主变压器、主变流器、平波电抗器、牵引电机、制动电阻等所以，开展电力机车电气线路的故障诊断研究，重点在主电路上主电路的电压、电流，包括各个主要电气设备的电压、电流等参数，在传统的电力机车控制系统中都已经有专用的传感器进行了检测所以通常无须另外增加电压、电流传感器故障诊断系统可以直接利用原来所获取的参数 2．辅助电路 辅助电路是指机车上的辅助电源与各种辅助电气设备一起构成的电路系统辅助电路主要是为机车上的某些设备的正常工作提供必要的条件，为乘务人员的生活提供方便，改善乘务人员的工作环境和旅客的旅行环境辅助电气设备主要包括：压缩机、通风机、辅助电源、空调器、电热器等新设计生产的电力机车如SS9、SS7D、SS7E等，已经在控制电路中采用了无触点化的专用可编程控制器——机车逻辑控制单元，辅助电器的一些接触器的开闭情况已经反馈回机车逻辑控制单元和微机控制系统，可以为机车电气部分故障诊断提供相应的状态信号 3．控制电路 控制电路是完成机车控制任务的各种电路的总和。

控制电路的作用是根据司机的意愿以及铁路运行的要求，完成对机车的控制作用现代电力机车的控制系统通常可以分为有触点控制电路、电子控制电路和机车微机控制系统3部分有触点控制电路主要是机车的司机控制器(主令电器)、继电器、接触器等所组成特点是控制电压高(DC110V)，负载电流比较大，对于接触器、电空阀等电感性负载，动作瞬间可能产生很强的电磁干扰电子控制电路是利用电子线路完成各种控制、检测、监控任务的电路机车电子控制系统通常将各种功能的电子电路制成印制电路板，采用电子柜的形式电力机车电子系统既有DC ll0V电路，也有48V，24V，15V等电路和各种传感器来的信号，不仅电路本身复杂，也是机车故障集中多发的地方机车微机控制系统一般为用于完成机车的各种工况控制、故障诊断等的专用微机控制系统随着微电子技术和计算机控制技术的不断发展，机车微机控制系统的发展非常迅速，并且在朝着分布式、网络化的方向发展 7．2 电力机车电气部分故障诊断方法 结合我国铁路的实际情况，l．2节介绍了网络化列车监控系统基本技术方案，并在此基础上提出基于列车通信网络的电力机车故障诊断系统本章介绍TCN电力机车电气部分主要部件的故障诊断方法。

要准确、可靠地诊断出电力机车电气系统的故障，除了要硬件系统提供充分的诊断信息来源外，还必须根据电力机车电气系统的故障信息特征，研究相应的故障诊断方法故障诊断有多种实现方法，传统的故障诊断与控制完全糅合在一起的，推理判断与数据也是搀杂在一起的，这种方式使得故障模式的修改和诊断方案的移植受到极大的限制，不具有通用性本系统结合电力机车电气系统的故障特点，采用故障诊断专家系统思想，很好地解决了这问题专家系统指的是一个智能的计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题也就是说专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某个领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题一般应用程序把问题求解的知识隐含地编入程序，而专家系统则把其应用领域问题的求解知识单独组成一个实体，即为知识库知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的，将知识组织成三级：数据、知识库和控制由于专家系统中的知识库和推理机是相对独立的，知识库内的知识的表示是明显的，因此专家系统的知识库的修正和扩充比较灵活、方便。

7．2．1电力机车电气部分故障诊断系统结构及特点 电力机车电气部分适合并应该开展故障诊断的设备包括受电弓(弓网关系)、主变压器、牵引变流器、牵引电机、辅助电机系统、电气控制系统、微机及电子控制系统、控制电源和辅助电源等8大部分根据图1-ll基于TCN的电力机车故障诊断系统的结构，如果将上述各部分分别研究构成各自的故障诊断子系统，再通过二级MVB或其它类型的现场总线将各子系统与电气故障诊断系统的主机构成基于TCN的电力机车电气故障诊断系统，网络结构如图5—1所示【3】 电气故障诊断系统作为TCN的一个子系统，既可以通过网关与WTB网络连接，构成列车故障诊断监控系统，也可以通过机车内部的MVB与电力机车其它部分的故障诊断系统连接，构成基于MVB的电力机车故障诊断系统系统采用分级结构，由两级或三级构成，如系统级诊断、部件级诊断，部件级还可以有下一级子系统各子系统能够完成的诊断在子系统内部完成，并存储诊断数据，最后将诊断结果向上一级通报子系统不能够完成的诊断，送上一级系统完成这样简化了系统的结构并减少了实时数据的传送量，同时适应不同的子系统对处理速度的不同要求记录的故障数据通过转储接口转储到地面计算机用于地面分析、统计等。

图5—1所示的基于TCN的电力机车电气故障诊断系统，其结构与第6章介绍的机车走行部故障诊断系统基本相同，由车载的机车电气部分故障诊断装置和地面分析处理计算机两部分组成地面分析处理是在地面计算机上通过转储的记录数据再现故障工况，分析查找故障原因和形成各种管理数据库和统计报表，主要面向维修人员和管理部门；车载的机车电气部分故障诊断装置由机车静止时的自检、实时故障诊断、故障记录和信号监控以及显示和记录数据转储等几个部分组成： (1)机车静止时的自检可用于机车出勤前的例行检查，检查内容包括各子系统内部工作状态自检、机车给定和特性计算检查、主电路回路构成检查、辅助回路状态检查、传感器通道检查以及整流柜各桥臂触发检查等 (2)实时故障诊断实时诊断各种传感器通道、各子系统、系统级间通信等故障，机车各种保护动作如：电枢过流、过压、励磁过流、网压欠压、过压、小齿轮弛缓、变压器次边短路及电机电流失控等保护，对系统不能感知的故障，可以通过操作人员请求进入诊断方式，发生故障时提供故障信息，诊断结果为简明、实用的故障处理建议 (3)故障记录和信号监控发生故障时，记录故障发生前及故障发生后一定时间范围内的相关数字及模拟量信号，为再现故障工况、分析查找故障原因提供依据。

有选择性地设置监控信号，确定当发生哪些故障时需要记录相关信号 (4)显示利用现有的TFT彩色液晶显示器，以汉字图形清晰、直观的方式显示，诊断显示和正常工况显示复用即故障时给出故障信息，司机通过按键可调出故障处理提示停车时可以查阅故障档案和记录参数或曲线 (5)转储将记录数据转储到地面计算机，可以采用项目组已有的IC卡技术、USB技术或是利用GPS技术、无线列调进行的数话同传技术7．2．2电力机车电气部分故障的诊断方式 为使系统实现完善的、准确的自诊断能力，必须有充分的信息来源，而在机车控制诊断系统中控制应该是最主要的功能，诊断只是更好地使用机车的辅助手段为了诊断功能的需要而增加大量传感器或辅助接点，使系统复杂化的做法是不可取的为解决这一矛盾，将机车故障检测和诊断系统的诊断方案定位在自动诊断和人机交互式诊断相结合的方式，并以交互式诊断方式为主其主要作用在于指导操作人员及时快速地处理机车运行过程中出现的问题，为分析和处理故障提供正确的思路，从而提高诊断系统的实用性【109-111】 1．自动诊断方式 对有足够的信息量，系统能够作出准确判断的故障，采用自动诊断对于这一类故障，司机认为有必要直接给出故障信息，并通过按键查阅故障说明及处理提示。

如机车的轮轴速度信号，由于控制系统采集了4个轮对的速度信号，因而可以通过软件处理准确地判断出1个速度信号故障的情况，作出自动诊断当然，由于没有更多的信息量，不能确定故障的具体部位是在传感器本身、布线还是速度信号调整电路上等尽管如此，这种诊断还是非常有效和必要的：首先，如果不能及时发现存在问题，故障的积累往往会造成严重的后果；其次，尽管一个速度信号故障不会影响机车的主要性能，但机车的转性能就会降低，司机必须给予特别的关注，对应每一种故障司机应该关注的事项在故障处理提示中都应给出 2．交互式诊断方式 交互式诊断中包含两种方式：一种是系统发现了故障，但由于信息量不够充分，从而诊断系统请求进入交互式诊断方式，对此操作人员可以选择“进入”或“忽略”；另一种是操作人员发现有故障而诊断系统却不知道有故障存在时，操作人员可以主动进入交互式诊断方式如机车的“无压无流”是造成晚点或“机破”的主要原因之一无压无流”是指机车完全给不出牵引力或制动力的状态，在这种情况下，司机认为应该有动力但实际上没有原因有很多：可能是设备故障，也可能是司机操作不当引起的此时，进入交互式诊断，诊断系统就能够给出原因，可能是一种，也可能有多种，以提示司机进行相应的处理。

此外，在交互式诊断方式中，本系统还设置有机车故障树的遍历方式，即在屏幕按键的控制下，可以查询故障树的每—个节点这种方式可以用于乘务员或维修人员的故障分析培训7．2．3电力机车电气部分故障的专家诊断系统模型 机车检修工程师在检修机车故障的时候，总是根据故障现象和他所掌握的知识，逐步缩小查找的范围，直到找到故障部位【32-34】因此，故障诊断过程实际上就是根据故障表象，确定故障范围的过程，范围从大到小，逐步定位到真正的故障点从这个过程可以看出诊断过程可以归结为模式识别过程，而分类过程则是典型的模式识别过程分类任务的数据抽象过程对应着诊断任务的征兆提取过程，而模式匹配过程对应着状态识别过程，分类任务的最终模式对应着诊断任务的最终状态，分类对象对应着诊断对象，因此诊断问题可以通过分类方法来解决【110-116】 1．诊断模型的层次分类法 层次分类法的基本思想是将分类的对象由高层次的普遍模式向低层次的具体专门模式逐层分类层次越高的模式概念越抽象、越普遍，层次越低的模式概念越具体、越专一，高层次模式是低层次模式的进一步抽象层次分类方法示意如图5—2所示具体来说，越高其覆盖故障的范围越广，层次越低越具有针对性。

分类步骤如下：根据给定的事例，首先将其同第一层的模式相匹配，假设找到这一事例所属的模式为，，则分类继续在，内进行，而不再考虑其它模式；如果在，内可将分类事例继续分类到，则这一事例的所属的模式就是；如果还有子模式，则可在内继续分类。