動車組高壓電氣系統(tǒng)可靠性分析

張楊寧 孫偉 鄭世偉

【摘 要】隨著我國鐵路工程的快速發(fā)展，客運(yùn)高速化已成為必然的發(fā)展趨勢。如今，我國高速鐵路運(yùn)營里程不斷增加，動車組運(yùn)行可靠性已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。動車組功能層次、運(yùn)行條件、故障形式較為復(fù)雜，在統(tǒng)計現(xiàn)場數(shù)據(jù)時缺乏規(guī)范性，部件故障問題難以用精確數(shù)值表達(dá)。為此，文章重點(diǎn)論述動車組高壓電氣系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，探析其中的典型故障，提出改善動車組高壓電氣系統(tǒng)故障的建議。

【關(guān)鍵詞】動車組;可靠性;高壓電氣系統(tǒng)

【中圖分類號】U266 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0094-03

1 動車組高壓電氣系統(tǒng)故障

針對動車組的可靠性分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取都比較困難，這使得部件故障問題難以確定，動車組可靠性分析面臨較多阻礙。為此，要對高壓電氣系統(tǒng)故障問題進(jìn)行深入研究。

1.1 受電弓故障

受電弓故障多是高壓放電、異物撞擊導(dǎo)致的，常見的問題有受電弓碳滑板燒傷、碳滑板磨損、受電弓降弓。第一，我國動車組常會被飛鳥撞擊導(dǎo)致故障頻發(fā)。當(dāng)發(fā)生異物撞擊時，風(fēng)路會漏風(fēng)，自動降弓閥致使控制風(fēng)路壓力下降。若泄漏量超出自動降弓閥動作值，會使排風(fēng)口開啟，壓縮空氣被排出，進(jìn)而引發(fā)受電弓下降，導(dǎo)致受電弓和接觸網(wǎng)出現(xiàn)更多的損傷。第二，天氣原因也會造成受電弓、接觸網(wǎng)發(fā)生拉弧放電，受電弓碳滑板的供風(fēng)軟管產(chǎn)生泄漏，使受電弓自動降弓。第三，受電弓材質(zhì)有問題。有一些受電弓的轉(zhuǎn)軸材料很容易折斷;或是弓角突然翹起;或是設(shè)備存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致碳滑板邊緣的碳條和鋁基板接縫存在漏風(fēng)現(xiàn)象。

1.2 高壓電纜故障

導(dǎo)致高壓電纜故障通常是因?yàn)楦邏悍烹?、異物打擊?dǎo)致電纜保護(hù)套或絕緣層受損。海南地區(qū)的動車組頻繁出現(xiàn)問題多是因?yàn)楫?dāng)?shù)匮谉岫嘤甑臍夂蛉菀资闺娎|絕緣層老化，進(jìn)而影響絕緣強(qiáng)度。為此，在電纜終端絕緣層的設(shè)計上應(yīng)充分保障質(zhì)量 [1]。高壓電纜絕緣層是由屏蔽線組成的，屏蔽層和導(dǎo)電銅芯彼此互聯(lián)并絕緣。依據(jù)電磁原理，電流在流過高壓母線時，會在母線周邊出現(xiàn)交變電磁場，干擾周邊的用電系統(tǒng)。屏蔽層會將靜電收集起來，從抗靜電接地線把靜電傳至車體，再由轉(zhuǎn)向架、接地刷轉(zhuǎn)到鋼軌。當(dāng)接地線斷開時，高壓母線靜電會堆積在斷裂位置，與另一端產(chǎn)生尖端放電。但是，這樣放出的電流量較小，不會對設(shè)備造成較大的損害。

1.3 高壓互感器故障

高壓互感器經(jīng)常出現(xiàn)灼傷、破損和爆裂情況?；ジ衅鞯囊淮?、二次繞組是在鐵芯上面纏繞的，兩者之間有絕緣介質(zhì)?；ジ衅鹘^緣物若炸裂，會在斷面流出液體。由此可知，互感器線圈位置的絕緣漆處于逐步受熱過程，外包樹脂材料會避免熱量發(fā)散而使熱量累積后導(dǎo)致絕緣漆融化，最終導(dǎo)致互感器炸裂。分析互感器過熱的原因如下：第一，高壓互感器本身有缺陷，在澆筑絕緣體時混入雜質(zhì)，導(dǎo)致高壓互感器運(yùn)行期間發(fā)生局部放電;第二，接觸網(wǎng)過電壓會對互感器的絕緣性能造成破壞，線圈匝短接而出現(xiàn)過大電流;第三，接觸網(wǎng)和互感器耦合會造成鐵磁諧振，互感器會有過多的熱量積聚。

1.4 絕緣子故障

絕緣子故障多是因天氣原因?qū)е碌?。遇到雷電天氣時，車頂出現(xiàn)高壓放電，絕緣子出現(xiàn)爬電，若此時車頂有異物撞擊，就會引發(fā)放電，絕緣子被電流灼傷，導(dǎo)致內(nèi)部金屬層受損、質(zhì)量變差。比如，廣州動車段的CRH3068C動車組曾經(jīng)在2013年1月對D3道進(jìn)行洗車時發(fā)現(xiàn)，受電弓右側(cè)絕緣子發(fā)生放電，絕緣子已經(jīng)變成純白色，而絕緣子旁邊的受電弓風(fēng)管有接頭斷裂、碳滑板也被燒傷。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)絕緣子有爬電痕跡時，需要及時處理。

1.5 隔離開關(guān)故障

隔離開關(guān)故障有過熱損傷和爬電灼傷兩種形式。故障發(fā)生多因接觸彈簧損傷，絕緣子彈簧片發(fā)生灼傷，這種情況會導(dǎo)致絕緣片和彈簧片融化。依據(jù)車載數(shù)據(jù)得出，出現(xiàn)這類問題主要是接觸彈簧和絕緣片沒有很好地接觸，造成接觸面積縮小 [2]。當(dāng)受到負(fù)載影響時，隔離開關(guān)會放電或生熱，而后會散發(fā)出亮光。此外，起初彈簧片存在設(shè)計問題，導(dǎo)致彈簧片和絕緣片不能緊合，也會導(dǎo)致電灼事故發(fā)生。

2 改善動車組高壓電氣系統(tǒng)故障的建議

動車組高壓電氣系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行與高壓部件有關(guān)。針對上文提出的電氣系統(tǒng)故障，提出如下改善建議。

2.1 提升受電弓檢修質(zhì)量

為了更好地保障受電弓的使用壽命，應(yīng)當(dāng)動態(tài)管理受電弓的部件壽命。在檢修受電弓時，要檢查弓角、碳滑板、氣囊、氣管、軟連線和緊固件。每隔1個月要更換1次碳滑板。在對動車組進(jìn)行一級、二級檢修時，可實(shí)施受電弓測試設(shè)備靜態(tài)檢測，并判斷受電弓升降弓時間、接觸壓力時間和工作高度，及時排除隱患。為了讓受電弓能適應(yīng)惡劣、復(fù)雜的工作環(huán)境，可督促供應(yīng)商廠家對部件質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，并采用新技術(shù)、新材料提升絕緣子、碳滑板、空氣軟管的機(jī)械性能和電氣性能。

2.2 保障高壓電纜性能

絕緣子傘裙和電纜防護(hù)套被污染，會頻繁引發(fā)高壓電纜事故。為此，需要及時清潔高壓電纜，而且要嚴(yán)格管控緊固件的質(zhì)量，保障接地線性能良好。若高壓電纜已經(jīng)出現(xiàn)較大損傷，要立即更換終端和電纜。從目前的運(yùn)行情況來看，高壓電纜接頭很容易發(fā)生故障，故可考慮更換壓電纜附件材質(zhì)。

2.3 定期維護(hù)高壓互感器

高壓互感器需要定期維護(hù)，保證高壓互感器的整潔。日常維修時，要對高壓互感器絕緣體進(jìn)行檢查，如果高壓互感器發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷要及時更換。此外，要注意檢查低壓端電氣、車頂密封膠、緊固件的運(yùn)行狀況。若高壓互感器發(fā)生爆裂，應(yīng)當(dāng)做預(yù)防試驗(yàn)并及時替換互感器。

2.4 提高車頂絕緣子檢查頻率

動車組車頂常用的絕緣子材料是聚酯類、硅橡膠復(fù)合類。聚酯類絕緣子要在表面噴涂防污閃材料，并做好日常維護(hù)。若污垢無法處理，應(yīng)當(dāng)加入中性水做清潔。硅橡膠復(fù)合絕緣子具有較強(qiáng)的抗污閃性能，硅橡膠雖然抗撕裂性較好，但是結(jié)構(gòu)柔軟，機(jī)械性能不高。在車輛高速行駛時，傘裙舞邊有可能折斷、撕裂。惡劣天氣發(fā)生時，絕緣子閃絡(luò)頻率偏高。因此，不僅要對車頂絕緣子做維護(hù)，還應(yīng)做好相應(yīng)的日常檢查工作，同時要采取措施提高絕緣子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其能夠適應(yīng)極端天氣。

2.5 定期處理隔離開關(guān)

隔離開關(guān)很少會產(chǎn)生故障，通常是出現(xiàn)灼傷損傷。因此，要注意對隔離開關(guān)進(jìn)行定期維護(hù)，避免隔離開關(guān)產(chǎn)生高壓系統(tǒng)放電。在檢修時需要注意緊固件、絕緣子傘裙、軟連線是否牢固。此外，要定期檢查隔離閘刀磨損情況和外觀情況，若損傷嚴(yán)重需要及時更換。

3 動車組高壓電氣系統(tǒng)可靠性分析

動車組的系統(tǒng)較為復(fù)雜，而高壓電氣系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵組成部分。依據(jù)可靠性理論，復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)生故障是隨機(jī)的。在發(fā)生故障之后需及時修復(fù)和更換。為此，應(yīng)當(dāng)引入和實(shí)施可靠性指標(biāo)進(jìn)行計算 [3]。

3.1 可靠性建模分析

可靠性模型的構(gòu)建是為了對產(chǎn)品可靠性做估算而建立的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)研究所需，常見的可靠性分析有可靠性框圖、故障模式、故障樹分析法?？煽啃钥驁D是針對復(fù)雜產(chǎn)品實(shí)施的功能模式，運(yùn)用方框?qū)M成部分故障進(jìn)行說明，這是可靠性分析最常用的方式，能用來表現(xiàn)并聯(lián)、串聯(lián)。并聯(lián)是指系統(tǒng)各單元產(chǎn)生故障后，系統(tǒng)將會出現(xiàn)故障;串聯(lián)是指系統(tǒng)各單元中的任一單元產(chǎn)生故障，引發(fā)系統(tǒng)故障?？梢愿鶕?jù)動車組高壓電氣系統(tǒng)的實(shí)際情況決定。

3.2 CRH2動車組

CRH2動車組該動車組是運(yùn)用現(xiàn)代化動力驅(qū)動的電動車組，其高壓電氣系統(tǒng)由受電弓、高壓隔離開關(guān)、高壓電纜接頭、特高壓電纜、保護(hù)接地開關(guān)構(gòu)成。運(yùn)用這一系列裝置，動車組將在受電弓接受25 kV的單相交流電，再由真空斷路器和牽引變壓器相連。依據(jù)可靠性理論，可將這一動車組組成結(jié)構(gòu)、電能傳輸關(guān)系描述如圖1所示。

3.3 CRH3動車組

CRH3動車組是用電力牽引實(shí)施交流傳動，它是4動4拖，并由2個牽引單元構(gòu)成。CRH3動車組的氣動外形較好，最高試運(yùn)營速度為400 km/h。動車的兩端是司機(jī)室，兩列動車組可聯(lián)掛運(yùn)行。該動車組的高壓電氣設(shè)備分為主斷路器、受電弓、絕緣子、高壓互感器、高壓電纜、主斷路器、牽引變壓器等。其中，受電弓在2、7號車的車頂安裝，并用單弓受流。依據(jù)可靠性理論方法，以該型號動車組的高壓電氣系統(tǒng)構(gòu)成情況做分析，得出圖2的可靠性框圖 [4]。

3.4 CRH5動車組

CRH5動車組是8輛編組組成，3輛是拖車，5輛是動車。其中，拖車是3、5、6號車，動車是1、2、4、7、8號車。動車組運(yùn)營期間多是短編組2列（8輛）車做運(yùn)營，或者是長編組1列（16輛）做運(yùn)營。動車組的高壓電氣系統(tǒng)由接觸網(wǎng)得到單相交流電（25 kV、50 Hz），以此牽引更多的設(shè)施或設(shè)備，并做高壓系統(tǒng)控制、保護(hù)及檢測。這些電路系統(tǒng)是由網(wǎng)側(cè)檢測裝置、主斷路器、受電弓及避雷器組成。依據(jù)可靠性理論，并依據(jù)系統(tǒng)電能傳輸和組成構(gòu)成，得出可靠性框圖如圖3所示。

3.5 動車組高壓電氣系統(tǒng)可靠性分析軟件

可靠性分析中，軟件可分成文件、可靠性分析和事故報告查詢3個部分。文件即上文提出的可靠性框圖和布置圖;可靠性分析有單一車型和混合車型，這兩類車型的可靠性分析有元件和系統(tǒng)兩種;事故報告查詢即對事故報告進(jìn)行檢索、添加與刪除。

依據(jù)故障數(shù)據(jù)情況，單一或混合車型動車組的系統(tǒng)、部件均用可靠性指標(biāo)進(jìn)行計算，公里可靠數(shù)、平均故障率均能用計算結(jié)果導(dǎo)出 [5]。在事故報告查詢方面，是對動車組近段時間的事故報告做收錄，并依據(jù)配屬局段、車型、損傷部件、事故類型和發(fā)生情況做存儲，以此實(shí)現(xiàn)事故報告的查詢和檢索。若有新事故報告發(fā)生，可進(jìn)行實(shí)時添加或刪除。為了更好地處理這些問題，可靠性框圖將運(yùn)用C#語言進(jìn)行存儲和展示。計算元件的可靠性時，首先選擇元件，然后輸入行公里數(shù)和故障次數(shù)，由此計算、預(yù)覽和導(dǎo)出可靠性指標(biāo)。系統(tǒng)可靠性計算是參考統(tǒng)計值計算或建模計算。統(tǒng)計值計算是按照公式計算指標(biāo)，而建模計算是選擇適合的車型，并通過系統(tǒng)可靠性公式進(jìn)行計算。事故報告是摘選其中的故障部件、車型和實(shí)踐等詞匯進(jìn)行事故報告信息存儲。

4 結(jié)語

動車組高壓電氣系統(tǒng)由多個部件構(gòu)成，每個部件的系統(tǒng)故障是不同的。因此，需要對系統(tǒng)的主要部件故障問題做探究。本文分析了系統(tǒng)存在的故障和危害程度，提出了相應(yīng)的改善建議。通過相關(guān)分析構(gòu)建了可靠性框圖，調(diào)查得出動車組的高壓電氣系統(tǒng)故障與動車組維護(hù)機(jī)制相關(guān)，因此要注意加強(qiáng)對高壓電氣系統(tǒng)的日常維護(hù)，確保系統(tǒng)的可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳文波.基于高壓電氣系統(tǒng)的高壓電機(jī)與電氣開關(guān)自動化測試系統(tǒng)設(shè)計[J].粘接，2020，44（10）：126-130.

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[3]翟亮.電力系統(tǒng)高壓電氣試驗(yàn)的問題分析[J].電子技術(shù)，2020，49（8）：110-111.

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