動車組高壓電氣系統可靠性分析

張楊寧 孫偉 鄭世偉

【摘 要】隨著我國鐵路工程的快速發展，客運高速化已成為必然的發展趨勢。如今，我國高速鐵路運營里程不斷增加，動車組運行可靠性已成為業內關注的重點和難點問題。動車組功能層次、運行條件、故障形式較為復雜，在統計現場數據時缺乏規范性，部件故障問題難以用精確數值表達。為此，文章重點論述動車組高壓電氣系統的主要構成部分，探析其中的典型故障，提出改善動車組高壓電氣系統故障的建議。

【關鍵詞】動車組;可靠性;高壓電氣系統

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

1 動車組高壓電氣系統故障

針對動車組的可靠性分析，實驗數據、現場數據的獲取都比較困難，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，要對高壓電氣系統故障問題進行深入研究。

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致故障頻發。當發生異物撞擊時，風路會漏風，自動降弓閥致使控制風路壓力下降。若泄漏量超出自動降弓閥動作值，會使排風口開啟，壓縮空氣被排出，進而引發受電弓下降，導致受電弓和接觸網出現更多的損傷。第二，天氣原因也會造成受電弓、接觸網發生拉弧放電，受電弓碳滑板的供風軟管產生泄漏，使受電弓自動降弓。第三，受電弓材質有問題。有一些受電弓的轉軸材料很容易折斷;或是弓角突然翹起;或是設備存在質量問題，導致碳滑板邊緣的碳條和鋁基板接縫存在漏風現象。

1.2 高壓電纜故障

導致高壓電纜故障通常是因為高壓放電、異物打擊導致電纜保護套或絕緣層受損。海南地區的動車組頻繁出現問題多是因為當地炎熱多雨的氣候容易使電纜絕緣層老化，進而影響絕緣強度。為此，在電纜終端絕緣層的設計上應充分保障質量 [1]。高壓電纜絕緣層是由屏蔽線組成的，屏蔽層和導電銅芯彼此互聯并絕緣。依據電磁原理，電流在流過高壓母線時，會在母線周邊出現交變電磁場，干擾周邊的用電系統。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，再由轉向架、接地刷轉到鋼軌。當接地線斷開時，高壓母線靜電會堆積在斷裂位置，與另一端產生尖端放電。但是，這樣放出的電流量較小，不會對設備造成較大的損害。

1.3 高壓互感器故障

高壓互感器經常出現灼傷、破損和爆裂情況。互感器的一次、二次繞組是在鐵芯上面纏繞的，兩者之間有絕緣介質?；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散而使熱量累積后導致絕緣漆融化，最終導致互感器炸裂。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，導致高壓互感器運行期間發生局部放電;第二，接觸網過電壓會對互感器的絕緣性能造成破壞，線圈匝短接而出現過大電流;第三，接觸網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導致的。遇到雷電天氣時，車頂出現高壓放電，絕緣子出現爬電，若此時車頂有異物撞擊，就會引發放電，絕緣子被電流灼傷，導致內部金屬層受損、質量變差。比如，廣州動車段的CRH3068C動車組曾經在2013年1月對D3道進行洗車時發現，受電弓右側絕緣子發生放電，絕緣子已經變成純白色，而絕緣子旁邊的受電弓風管有接頭斷裂、碳滑板也被燒傷。因此，當發現絕緣子有爬電痕跡時，需要及時處理。

1.5 隔離開關故障

隔離開關故障有過熱損傷和爬電灼傷兩種形式。故障發生多因接觸彈簧損傷，絕緣子彈簧片發生灼傷，這種情況會導致絕緣片和彈簧片融化。依據車載數據得出，出現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]。當受到負載影響時，隔離開關會放電或生熱，而后會散發出亮光。此外，起初彈簧片存在設計問題，導致彈簧片和絕緣片不能緊合，也會導致電灼事故發生。

2 改善動車組高壓電氣系統故障的建議

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

2.1 提升受電弓檢修質量

為了更好地保障受電弓的使用壽命，應當動態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。在對動車組進行一級、二級檢修時，可實施受電弓測試設備靜態檢測，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惡劣、復雜的工作環境，可督促供應商廠家對部件質量進行優化，并采用新技術、新材料提升絕緣子、碳滑板、空氣軟管的機械性能和電氣性能。

2.2 保障高壓電纜性能

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

2.3 定期維護高壓互感器

高壓互感器需要定期維護，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行檢查，如果高壓互感器發生嚴重損傷要及時更換。此外，要注意檢查低壓端電氣、車頂密封膠、緊固件的運行狀況。若高壓互感器發生爆裂，應當做預防試驗并及時替換互感器。

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。若污垢無法處理，應當加入中性水做清潔。硅橡膠復合絕緣子具有較強的抗污閃性能，硅橡膠雖然抗撕裂性較好，但是結構柔軟，機械性能不高。在車輛高速行駛時，傘裙舞邊有可能折斷、撕裂。惡劣天氣發生時，絕緣子閃絡頻率偏高。因此，不僅要對車頂絕緣子做維護，還應做好相應的日常檢查工作，同時要采取措施提高絕緣子結構強度，使其能夠適應極端天氣。

2.5 定期處理隔離開關

隔離開關很少會產生故障，通常是出現灼傷損傷。因此，要注意對隔離開關進行定期維護，避免隔離開關產生高壓系統放電。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，若損傷嚴重需要及時更換。

3 動車組高壓電氣系統可靠性分析

動車組的系統較為復雜，而高壓電氣系統是其中的關鍵組成部分。依據可靠性理論，復雜系統發生故障是隨機的。在發生故障之后需及時修復和更換。為此，應當引入和實施可靠性指標進行計算 [3]。

3.1 可靠性建模分析

可靠性模型的構建是為了對產品可靠性做估算而建立的數學模型。依據研究所需，常見的可靠性分析有可靠性框圖、故障模式、故障樹分析法。可靠性框圖是針對復雜產品實施的功能模式，運用方框對組成部分故障進行說明，這是可靠性分析最常用的方式，能用來表現并聯、串聯。并聯是指系統各單元產生故障后，系統將會出現故障;串聯是指系統各單元中的任一單元產生故障，引發系統故障?？梢愿鶕榆嚱M高壓電氣系統的實際情況決定。

3.2 CRH2動車組

CRH2動車組該動車組是運用現代化動力驅動的電動車組，其高壓電氣系統由受電弓、高壓隔離開關、高壓電纜接頭、特高壓電纜、保護接地開關構成。運用這一系列裝置，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。依據可靠性理論，可將這一動車組組成結構、電能傳輸關系描述如圖1所示。

3.3 CRH3動車組

CRH3動車組是用電力牽引實施交流傳動，它是4動4拖，并由2個牽引單元構成。CRH3動車組的氣動外形較好，最高試運營速度為400 km/h。動車的兩端是司機室，兩列動車組可聯掛運行。該動車組的高壓電氣設備分為主斷路器、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。依據可靠性理論方法，以該型號動車組的高壓電氣系統構成情況做分析，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。動車組運營期間多是短編組2列（8輛）車做運營，或者是長編組1列（16輛）做運營。動車組的高壓電氣系統由接觸網得到單相交流電（25 kV、50 Hz），以此牽引更多的設施或設備，并做高壓系統控制、保護及檢測。這些電路系統是由網側檢測裝置、主斷路器、受電弓及避雷器組成。依據可靠性理論，并依據系統電能傳輸和組成構成，得出可靠性框圖如圖3所示。

3.5 動車組高壓電氣系統可靠性分析軟件

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兩種;事故報告查詢即對事故報告進行檢索、添加與刪除。

依據故障數據情況，單一或混合車型動車組的系統、部件均用可靠性指標進行計算，公里可靠數、平均故障率均能用計算結果導出 [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，并依據配屬局段、車型、損傷部件、事故類型和發生情況做存儲，以此實現事故報告的查詢和檢索。若有新事故報告發生，可進行實時添加或刪除。為了更好地處理這些問題，可靠性框圖將運用C#語言進行存儲和展示。計算元件的可靠性時，首先選擇元件，然后輸入行公里數和故障次數，由此計算、預覽和導出可靠性指標。系統可靠性計算是參考統計值計算或建模計算。統計值計算是按照公式計算指標，而建模計算是選擇適合的車型，并通過系統可靠性公式進行計算。事故報告是摘選其中的故障部件、車型和實踐等詞匯進行事故報告信息存儲。

4 結語

動車組高壓電氣系統由多個部件構成，每個部件的系統故障是不同的。因此，需要對系統的主要部件故障問題做探究。本文分析了系統存在的故障和危害程度，提出了相應的改善建議。通過相關分析構建了可靠性框圖，調查得出動車組的高壓電氣系統故障與動車組維護機制相關，因此要注意加強對高壓電氣系統的日常維護，確保系統的可靠性。

參 考 文 獻

[1]陳文波.基于高壓電氣系統的高壓電機與電氣開關自動化測試系統設計[J].粘接，2020，44（10）：126-130.

[2]吳銳志.電力系統中高壓電氣試驗的檢測與研究[J].工程技術研究，2020（16）：107-108.

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

[4]王長華.過電壓對電力機車高壓電氣設備的影響[J].黑龍江科學，2018（24）：114-115.

[5]張書奇.列車高壓設備的電磁兼容研究[D].大連：大連交通大學，2018.