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（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 山東省青島市 266000）

直流支撐電容作為動(dòng)車(chē)組牽引變流器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的關(guān)鍵元件，主要起到緩沖交流側(cè)和直流側(cè)間的電能轉(zhuǎn)換，平穩(wěn)中間直流電壓，儲(chǔ)能并提供瞬態(tài)能量轉(zhuǎn)移的作用[1]。在支撐電容運(yùn)行服役的過(guò)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(fēng)險(xiǎn)，可能發(fā)生電氣擊穿導(dǎo)致電容短路引起爆炸，給動(dòng)車(chē)組的正常工作造成了嚴(yán)重的安全隱患[2]。而且，動(dòng)車(chē)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(nèi)部電氣絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若對(duì)電容經(jīng)常拆卸檢查將造成很大的人工和時(shí)間成本。

因此，針對(duì)正在運(yùn)行服役的支撐電容，為了確保動(dòng)車(chē)組運(yùn)行可靠性，同時(shí)降低檢修成本，需要開(kāi)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(jià)值。

1 研究方法

支撐電容在運(yùn)行過(guò)程中，由于電應(yīng)力與熱效應(yīng)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(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)能保存穩(wěn)定運(yùn)行，在自愈范圍內(nèi)，其容值變化較為緩慢，僅以容值的變化情況無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估電容的可靠性，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)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(guī)律，另外，耐久性試驗(yàn)過(guò)程中容值隨時(shí)間衰減與實(shí)際運(yùn)行里程具有較好的對(duì)應(yīng)性，因此基于以上物理量對(duì)支撐電容可靠性進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估流程如圖1所示。

圖1：動(dòng)車(chē)組牽引變流器支撐電容可靠性評(píng)估方法及流程圖

2 主要關(guān)鍵技術(shù)研究

層次分析法（Analytic Hierarchy Process）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初，在為美國(guó)國(guó)防部研究“根據(jù)各個(gè)工業(yè)部門(mén)對(duì)國(guó)家福利的貢獻(xiàn)大小而進(jìn)行電力分配”課題時(shí)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，提出的一種層次權(quán)重決策分析方法，是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法[3]。該方法的原理是將復(fù)雜問(wèn)題降級(jí)化，分解成小指標(biāo)，在所有指標(biāo)間進(jìn)行對(duì)比分析，得到多種解決問(wèn)題的辦法，由于各個(gè)方案所占權(quán)重不同，通過(guò)分析最后得到最好的問(wèn)題解決辦法[4]。

表4：特征值和特征向量

2.1 依據(jù)指標(biāo)結(jié)構(gòu)，建立層次模型

首先，根據(jù)所要探究的具體問(wèn)題，選出問(wèn)題的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及了所評(píng)價(jià)目標(biāo)的全方面信息，指標(biāo)涉及出不同層次、不同維，可分為多個(gè)層級(jí)。

2.2 依據(jù)指標(biāo)劃分，構(gòu)造判斷矩陣

利用托馬斯·塞蒂的“1-9 標(biāo)度法”進(jìn)行指標(biāo)層級(jí)構(gòu)建[5]，根據(jù)指標(biāo)層次模型，對(duì)每一層中的每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較，比較后可確定出相對(duì)重要的指標(biāo)層次詳見(jiàn)表1。

表1：指標(biāo)層次表

依據(jù)上表，構(gòu)造的成對(duì)比較矩陣如下：

其中，用aij表示第i 個(gè)因素相對(duì)于第J 個(gè)因素的比較結(jié)果。

通過(guò)上述定義可以得知，成對(duì)比較矩陣(aij)n×m，滿足下列性質(zhì)：

(aij)n×m也稱(chēng)為正互反陣。

2.3 計(jì)算權(quán)重

組建好判斷矩陣之后，對(duì)構(gòu)造的矩陣實(shí)行層次單排序和判斷矩陣一次性檢驗(yàn)，求解判斷矩陣（標(biāo)記為A）的最大特征根問(wèn)題：

2.4 檢測(cè)一致性

檢測(cè)一致性一共分為3 個(gè)步驟。

（1）一致性指標(biāo) CI。

注 2.3 以上定理和命題給我們提供了2個(gè)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(gè)數(shù)。

（2）查找相應(yīng)的一致性指標(biāo) RI 所對(duì)應(yīng)的不同矩陣階數(shù)，見(jiàn)表2。

表2：平均隨機(jī)一致性指標(biāo) RI 標(biāo)準(zhǔn)值

通過(guò)表2所示，對(duì)于1、2 階判斷矩陣都完全具有一致性。當(dāng)階數(shù)超過(guò)2 時(shí)，判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI 和同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 之比，用檢驗(yàn)系數(shù)CR 表示隨機(jī)一致性比率。

（3）計(jì)算檢驗(yàn)系數(shù) CR。

利用層次分析法檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有一致性是在計(jì)算CR 的值，也就是隨機(jī)一致性比率的值中實(shí)現(xiàn)的，表達(dá)式如下：

當(dāng) CR=0 時(shí)，說(shuō)明矩陣一致性極佳，可以通過(guò)檢驗(yàn)。

當(dāng) CR<0.1 時(shí)，說(shuō)明矩陣一致性一般，但是可以通過(guò)檢驗(yàn)。

當(dāng) CR ≥0.1 時(shí)，說(shuō)明矩陣的一致性很差，則需要對(duì)舉證的元素取值進(jìn)行調(diào)整應(yīng)對(duì)，直到 CR<0.1 才能使判斷矩陣具有滿意一致性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2：牽引變流器支撐電容可靠性評(píng)估模型

3.1 構(gòu)造成對(duì)比較矩陣

對(duì)于各個(gè)因素間重要性的比較，采取計(jì)算數(shù)據(jù)變化率的方法來(lái)定量判斷，即：針對(duì)某一里程電容，計(jì)算它的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與該電容的出廠初值的變化率，變化率大的因素則相對(duì)重要一些。

在電容評(píng)估問(wèn)題中第二層A 的各個(gè)因素對(duì)目標(biāo)層Z 的影響兩兩比較的結(jié)果如表3。

表3：準(zhǔn)則層判斷矩陣

得到成對(duì)比較矩陣A 如下：

3.2 計(jì)算權(quán)向量并給出一致性檢驗(yàn)

3.3 確定方案層分?jǐn)?shù)

牽引變流器逆變電容方案層分?jǐn)?shù)打分如表5、表6。

表5：牽引變流器油式電容方案層分?jǐn)?shù)

表6：牽引變流器干式電容方案層分?jǐn)?shù)

3.4 計(jì)算最終得分評(píng)估電容

最后得分Z。

如600 萬(wàn)公里的牽引變流器逆變電容數(shù)據(jù)如下：耐久性前后容值衰減5.5%，電容值測(cè)試值為1255.62μF，平均局部放電量為330pC，將其計(jì)為向量形式如下。

通過(guò)方案層分?jǐn)?shù)表可知，耐久性前后容值衰減為差，得分1 分；電容值測(cè)試值測(cè)試為優(yōu)，得分3 分；平均放電量測(cè)試為差，得分1 分。通過(guò)加權(quán)求總得分為。

即1

其余電容狀態(tài)根據(jù)方案層分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)，查閱附錄D 層次分析法真值表，確定部分結(jié)果如表7所示，完整評(píng)估結(jié)果如附錄E所示。

表7：層次分析法評(píng)估結(jié)果

4 結(jié)論

本文就動(dòng)車(chē)組支撐電容壽命周期可靠性評(píng)估提出了有效的評(píng)估方法和評(píng)估流程，通過(guò)分析得出，240 萬(wàn)里程的電容服役性能較優(yōu)，其性能隨里程的變化不明顯；480 萬(wàn)里程牽引變流器逆變電容服役性能有所下降，狀態(tài)良好；600 萬(wàn)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(tài)較差，建議采取相應(yīng)檢修措施。