動車組牽引供電系統故障模式影響與危害分析*

盧碧紅, 張秉海, 曲寶章

(大連交通大學機械工程學院 大連,116028)

動車組牽引供電系統故障模式影響與危害分析*

盧碧紅, 張秉海, 曲寶章

(大連交通大學機械工程學院 大連,116028)

對某動車組(electric multiple unit，簡稱EMU)牽引供電系統故障模式影響與危害度進行研究，提高牽引供電系統的可靠性，進而提高高速列車運行可靠性。采用故障模式、影響及危害度分析(failure mode effect criticality analysis,簡稱FMECA)的方法，提出了牽引供電系統的可靠性框圖，根據FMECA方法對牽引供電系統的16種主要故障展開研究，從故障發生概率及其影響的嚴重程度兩個維度得到牽引供電系統危害性矩陣。通過危害性矩陣分析得出絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, 簡稱IGBT)模塊監控起作用故障、變壓器油泵34-F55跳開故障、制冷風扇故障和變壓器油流故障等4種危害度較高的故障，并提出相應的改進措施。列車現場運行反饋結果表明，該措施保證了牽引供電系統的運用可靠性，研究成果為動車組其他子系統的故障分析、維修決策和壽命管理提供了技術支持。

牽引供電系統； 故障模式、影響及危害度分析； 危害度矩陣； 動車組

引 言

高速鐵路是鐵路未來的發展方向，各國都投入大量人力物力進行高鐵建設。近十年，我國高速列車得到了快速發展，但也暴露一些問題。例如，動車組可靠性故障會造成動車經常性的晚點以及運行安全報警等問題，給高鐵的運營推廣帶來了阻力。牽引供電系統是動車組中最重要的子系統之一，牽引供電系統的可靠性直接影響動車組能否正常運營。

近年來，很多學校和企業在鐵路牽引供電系統方面做出了大量研究。文獻[1]以整條高速鐵路所有牽引變電站的供電系統可靠性和鐵路通過能力為評估對象，研究外部電力系統(發電廠、輸電網、牽引變電站和接觸網)對高速鐵路牽引供電的可靠性，但沒有對高鐵內部的牽引供電系統故障做深入研究。文獻[2]對動車組的牽引供電系統故障進行統計分析，得出接觸網系統的故障占重要比重, 應采取措施減小各種自然因素引起的故障，建立了較為完善的牽引供電系統故障統計表格, 為提高電力牽引供電系統的供電可靠性提供了依據，但沒有涉及故障模式及其影響方面的研究。文獻[3]針對某一地鐵典型牽引供電系統結構，利用故障樹分析(fault tree analysis，簡稱FTA)和故障模式、影響及危害度分析對典型地鐵牽引供電系統可靠性進行分析，在故障樹圖中劃分出系統的最小割集，找出接觸網系統與高壓斷路器、中壓斷路器是該地鐵供電系統的薄弱環節；但是沒有指出故障模式對系統的影響及危害度。文獻[4]提出幾種牽引供電系統的主要故障(高壓電纜故障、雷擊故障和電氣絕緣故障)供電系統靈活性較差并提出解決措施，但沒有指出這幾種故障模式的危害度。

筆者通過運用FMECA對動車組牽引供電系統進行故障模式影響及危害度研究，實現牽引供電系統系統的可靠性增長，提高動車組的運營可靠性。

1 FMECA技術

FMECA起源于美國，FMECA技術在20世紀50年代被首次用于美國戰斗機操作系統的設計分析并取得了較好效果。它是對系統、部件和零件所有可能出現的故障模式進行分析，分析故障模式對上一級或總體的影響以及危害度， 找出故障原因提出改進措施，為維修、壽命管理和研發設計提供依據。FMECA有硬件法和功能法兩種基本方法，硬件法是列出各個硬件產品，對所有潛在的故障模式進行分析，根據硬件產品的功能對每個故障模式進行評價。根據數據掌握的情況，評價又分定性和定量兩種。筆者采用硬件法對牽引供電系統進行分析[5-6]。

2 牽引供電系統結構層次框圖和可靠性框圖

牽引供電系統的主要工作任務是將電力系統的電能轉變成適合動車組使用的電能。由于電能是動車組一切能量的來源，包括動力源、熱源等，所以牽引供電系統是動車組最重要的子系統之一。

2.1 牽引供電系統結構層次框圖

結構層次框圖和可靠性框圖是FMECA成功進行的關鍵。結構層次框圖是為了確定或說明一個功能子系統或組件的相對復雜性。它根據需要，按產品的相對復雜層次從比較復雜的(系統)到比較簡單的(零件)進行劃分。

圖1 牽引供電系統結構層次框圖Fig.1 Traction power supply system hierarchy diagram

牽引供電系統主電路主要由高壓電器系統、牽引變壓系統、牽引變流器系統和牽引電機系統4個部分組成, 各子系統是樹狀結構，如圖1所示。某動車組的主電路是通過架設在TC02車車頂的受電弓從接觸網接收AC25 kV的交流電，然后通過布置在車頂和車端的高壓電纜將電能輸送到裝在TC02車下的牽引變壓器，變壓器的副邊感應出4*1 550 V的電壓，并通過車輛間的連接饋線到設在動車車下的變流器單元。變流器單元內部的四象限斬波器將1 550 V的交流電整流為2 700 V～3 600 V的中間直流電壓。中間直流電壓通過PWM變頻單元向牽引電機提供變壓變頻(VVVF)的三相交流電源。其中,限壓電阻接在中間直流電路的兩極，防止出現過高電壓，輔助變流器的輸入也取自中間直流環節。

2.2 牽引供電系統可靠性串聯模型

可靠性框圖是為每個壽命事件定義了所有系統功能或功能組合的許多相關和不相關的關系，因此提供了能夠用做功能FMEA的相互依賴關系的確定[7]。在一個系統中，任何一個單元(子系統或零部件)發生故障，都會導致整個系統發生故障，這種系統稱為串聯系統。如果將系統看作一根鏈條、各單元為鏈條中的一個環節，則其中任一環節斷裂都會引起整個鏈條的失效。

串聯系統的可靠度R等于各子系統可靠度Ri的乘積。當系統的故障規律服從指數分布時，系統故障率λ為各子系統故障率λi之和，其可靠性框圖模型如圖2所示。

圖2 串聯模型Fig.2 Series model

假設各單元壽命服從指數分布，則可靠度計算公式為

(1)

系統可靠度R(t)為各單元可靠度Ri(t)之積

(2)

系統故障率λ為各單元故障率λi(t)之和

(3)

系統平均故障間隔時間(平均壽命)為

MTBF=1/λ

(4)

圖3 牽引供電系統可靠性框圖Fig.3 Traction power supply system reliability block diagram

牽引供電系統可靠性框圖(見圖3)以串聯組合為主，每一個零件或部件的故障都會導致牽引供電系統的故障。可以看出，牽引供電系統的可靠度R(t)不能高于各子系統中最小的可靠度Ri(t),而系統的故障率λ不低于各子系統中最高的故障率λi(t)。筆者目的之一是找出故障率最高的子系統從而提高牽引供電系統的可靠性。

3 主要故障定性分析

3.1 故障模式概率等級劃分原則

定性分析法根據故障模式發生的概率來評價FMECA中所確定的故障模式。將各故障模式出現的概率按一定的規定分成不同的等級。根據EN 50126標準和實際經驗綜合考慮鐵路行業的特點[8]，事件發生的概率定義如表1所示。

表1 故障模式發生概率等級劃分表

3.2 故障模式嚴重度等級劃分

通常在進行FMECA分析時，根據故障對動車組造成的影響將故障進行嚴重等級定義[9-10]，用來評估危險事件發生時可能造成的危害程度。嚴重程度的級別和后果可由使用單位來定義，如果無明確定義，可按表2定義。A類故障：可能導致系統功能喪失，危及行車安全，可能導致人員傷亡。B類故障：影響行車安全，可能導致主要部件性能下降，且不能在短時間內回復。C類故障：不影響行車安全，造成停駛或性能下降，可在短時間內回復。D類故障：一般不會導致停駛或性能下降，不需要更換部件，可在短時間內輕易修復。

表2 嚴重度等級定義

3.3 牽引供電系統故障模式分析

筆者依據車載信息故障數據源統計了某動車組運行某一段時間內牽引供電系統發生的故障，列出牽引供電系統中部分常見的16種故障模式、故障的原因、故障影響、改正措施以及故障發生概率，如表3所示，并根據故障對動車造成的影響進行分析。

3.4 牽引供電系統危害度矩陣

根據表3數據將故障模式以嚴重等級為橫軸，事件發生概率為縱軸，做出危害度矩陣如圖4所示，對角線表示危害性增長方向線。將本案例的16種故障模式分別填到矩陣中得到故障模式分布點。由故障模式分布點向危害性增長線做垂線，在危害性方向上離原點越遠，表明該故障模式的危害程度越高。危害度矩陣提供了一種故障危害程度的排列次序，在有限條件下優先處理危害度較高的故障[11]。

從危害度矩陣可以看出，1，9，11和8這4種故障危害度較高，分別對應IGBT模塊監控不起作用故障、變壓器油泵34-F55跳開故障、制冷風扇故障和變壓器油流故障。結合運用現場分別給出改進措施：更換IGBT模塊、用軟件將高壓系統解鎖、清理濾網及更換電機定子溫度傳感器。列車現場運行反饋結果表明，上述措施保證了牽引供電系統的運行可靠性。

圖4 牽引供電系統危害度矩陣Fig.4 Harm degree matrix of traction power supply system

子系統名稱序號故障模式故障原因故障影響出現次數百分比/%事件發生概率嚴重度等級風險級別改正措施牽引控制系統1IGBT模塊監控不起作用牽引系統失效,真空斷路器斷開6.11偶爾發生A不可容忍更換IGBT模塊2MVB-PD通信故障TCU的MVB-PD通信故障牽引丟失3.24偶爾發生B不希望切除牽引限速運行3硬短路點火太頻繁硬短路點火太頻繁牽引切除運行0.76很少發生B不希望切除牽引限速運行4變流器接地故障牽引變流器接地故障影響運營秩序0.38很少發生B不希望切除牽引限速運行受電弓5受電弓接觸片斷裂受電弓碳條故障整列車真空斷路器斷開,所有受電弓降弓4.77偶爾發生B不希望受電弓升弓被閉鎖直至靜止狀態6受電弓故障受電弓故障無法繼續行駛2.48偶爾發生C不希望換弓行駛7受電弓處漏風受電弓漏風無法繼續運行0.95很少發生C不希望將其切除維持運行變壓器冷卻單元8變壓器油流故障變壓器冷卻液流量故障斷開VCB真空斷開路器無法閉合5.92偶爾發生A不可容忍9變壓器油泵34-F55跳開變壓器油泵34-F55跳開主斷斷開0.38很少發生A不希望用軟件將高壓系統解鎖10冷卻水泵故障冷卻水泵故障一個牽引單元失效2.67偶爾發生C不希望復位11制冷風扇故障制冷風扇故障變壓器輸出降低,高壓單元故障1.72偶爾發生A不可容忍清理濾網車頂主斷路器12真空斷路器故障真空斷路器故障牽引丟失4.20偶爾發生C不希望主斷路器解鎖復位13BN1電路斷路器斷開真空短路器故障牽引丟失0.76很少發生C容忍的牽引電機通風機14牽引電機風扇接通狀態異常牽引系統故障牽引丟失4.96偶爾發生B不希望復位變流器冷卻單元15冷卻循環故障冷卻液壓力為負值一個牽引單元失效2.10偶爾發生C不希望清洗冷卻系統濾網牽引電機16牽引電機溫度超限牽引電機溫度傳感器故障牽引功率降低10.02很可能發生B不希望更換溫度傳感器

4 結束語

基于FMECA方法，綜合分析了某動車組牽引供電系統的故障模式、故障原因、故障影響、故障發生頻率以及嚴重度，并對其危害度進行定性分析，得出本系統危險故障源包括：IGBT模塊監控不起作用、變壓器油泵34-F55跳開、制冷風扇故障和變壓器油流故障等。該方法從故障發生概率及其危害程度兩個維度全面判斷故障對系統的綜合影響程度，通過系統危害矩陣對危害度高的故障制定相應的預防或糾正措施，從而實現牽引供電系統的可靠運行。該方法對動車其他子系統的故障研究提供了技術支持。

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2014-01-27；修回日期：2014-06-25

U279； TM922; TH17

盧碧紅，女，1961年11月生，博士、教授。主要研究方向為軌道交通裝備質量與RAMS工程。曾發表《虛擬數控車削加工精度預測研究》(《機械工程學報》2002年第38卷第2期)等論文。 E-mail: bhlu@djtu.edu.cn