动力集中动车组供电系统设计可靠性提升分析与研究

张小叶 张奕奕

摘 要：针对国内西北地区因HXD1D型客运机车真空断路器故障时常发生机破的问题，为提升时速160公里动力集中动车组运用可靠性，从设计源头避免因主断路器故障导致的机破，分别从部件本身的设计优化及网侧电路的方案优化，开展可靠性提升分析与研究工作。针对网侧电路的方案优化，采用可靠性建模与预计的分析方法，在方案设计阶段对不同备选方案分别建立可靠性框图模型，并分别进行可靠性计算，对不同方案进行可靠性权衡分析，提前影响设计，为供电系统网侧电路优选设计方案提供依据。

关键词：动力集中;动车组;动力车;供电系统;真空主断路器;可靠性;提升;建模;预计

0 引言

高速铁路是铁路未来的发展方向，各国都投入大量人力物力进行高铁建设。近十几年来，我国高速列车得到了快速发展，但也暴露出一些问题。例如，动车组可靠性故障会造成动车经常性的晚点以及运行安全报警等问题，给高铁的运营推广带来了阻力。牵引供电系统作为动车组中最重要的子系统之一，担负着为列车供电的使命。动力车网侧电路的主要功能是从网侧获取电能，作为网侧回路的关键部件真空主断路器，其作用是当牵引变压器在二次侧以后的电路中发生故障时，能迅速、安全、准确地断开过电流。所以真空主断路器设计的可靠性不仅影响乘客乘车的舒适度，更直接影响动车组能否正常运营。

可靠性建模与预计作为可靠性分析的一种常用方法，可以尽早的参与到产品设计中来，在方案设计阶段，对不同的设计方案进行比较，为设计决策提供依据。

本文以某动力集中动车组动力车供电系统中真空断路器可靠性设计为例，说明可靠性建模与预计在产品方案设计阶段的应用，对比分析不同方案供电系统网侧电路的可靠性预计结果，及时评估与预测不同设计方案的可靠性提升情况，为方案选择提供指导。阐述了利用可靠性建模与预计分析结果指导方案设计的重要性，强调在产品性能设计的同时，关注可靠性设计，对于提高产品的可靠性具有重要意义。

1 可靠性建模与预计分析方法概述

1.1 可靠性建模定义、目的及方法

可靠性模型是对系统及其组成单元之间的可靠性/故障逻辑关系的描述。

目前主流的可靠性建模与分析方法有可靠性框图法、故障树法、Markov模型法等。可靠性框图法是通过对功能框图以串联、并联等方式进行连线布置，可以直观地表示组成系统的各单元与系统之间的关系。该方法直观易懂，所以本文采用可靠性框图法进行可靠性建模。

1.2 可靠性预计定义、目的及方法

可靠性预计是为了估计产品在给定的工作条件下的可靠性而进行的工作。它根据组成产品的单元可靠性来推算产品是否满足规定的可靠性要求。

可靠性预计方法有很多种，不同的产品、不同的研制阶段应使用不同的可靠性预计方法。在工程上常用的预计方法有相似产品法、评分预计法等。因为有相似产品的可靠性数据作为基础，所以本文采用相似产品法进行可靠性预计。

1.3 可靠性建模與预计的程序

可靠性建模与预计的一般程序如下：

1）产品功能描述;2）产品结构分解;3）可靠性模型构建;4）可靠性模型数据输入;5）可靠性计算。

2 160公里动力集中动车组动力车供电系统网侧电路方案设计

2.1 原方案设计

时速160公里动力集中动车组动力车原主断路器设计方案为单主断方案，网侧电路如图1所示，该方案仅配置一个主断路器，如果主

断路器发生故障，整列动车组将丧失牵引动力而导致机破，进而影响旅客列车的正常运营。

2.2 新设计方案

为解决因主断路器导致机破的单点故障问题，项目组从两个方面开展了可靠性提升分析与研究工作。

一方面，从真空主断路器部件本身进行设计优化，并开展可靠性验证试验，提升主断路器本身的本质可靠性和安全性;另一方面，开展网侧电路主断路器设计冗余方案分析，即采用双主断方案，新的设计方案见图2所示。

3 真空断路器部件设计优化

原方案采用的是TDV10（01）真空断路器，这种真空断路器在运用过程中发生高压灌胶层中放电，硅凝胶被击穿，真空包烧损，并对低压部分放电的问题。经过模拟分析、X射线探伤及试验验证等，对真空断路器高压绝缘结构进行如下优化改进，改进前后如图3、图4所示。

（1）在全新的真空开关管外壁上增加硅橡胶层提高其绝缘能力，不再采用硅凝胶。（2）真空开关管和绝缘子内壁之间不再灌胶，降低热胀冷缩的影响。（3）在绝缘子和底板之间增加硅橡胶波纹管，保证真空开关管外侧气隙的绝缘效果。（4）由BVAC.N99真空断路器的真空开关管外壳中部包硅橡胶，包胶最小厚度2 mm，调整为真空开关管外壳整体包硅橡胶，包胶最小厚度5 mm。

将改进方案与原方案、BVAC.N99真空断路器成熟技术方案进行对比分析：

（1）与原方案相比，改进方案将硅橡胶层与绝缘子分离，最大限度的降低了因不同材质热膨胀系数不同对低温环境下应用产生的影响。（2）与BVAC.N99方案相比，包胶使用的硅橡胶厂家不同，包胶范围和厚度有差异，性能参数一致。

4 不同方案供电系统网侧电路机破故障可靠性建模与预计分析

4.1 供电系统功能描述及结构分解

供电系统主要功能为动车组供电。主要由受电弓、真空断路器、避雷器、高压隔离开关、高压电压互感器、高压电流互感器、接地电流互感器、高压电缆、牵引变压器等组成。

供电系统的结构分解如表1所示。

4.2 原设计方案网侧电路可靠性建模与预计

原设计方案网侧电路的可靠性模型如图5所示。

图5中各个单元的可靠性输入数据如表2所示：

原设计方案网侧电路机破可靠性预计结果如下：

4.3 新设计方案网侧电路可靠性建模与预计

新设计方案网侧电路可靠性模型如图6所示。

图6中各个单元的可靠性输入数据也如表2所示。

新设计方案网侧电路机破可靠性预计结果如下：

λ2=0.038 6次/每百萬公里

4.4 不同方案可靠性对比分析及结论

两种方案主断路器及原边电路可靠性对比分析如表3所示：

结论：

1）改进后的主断路器故障率由原来的0.065次/百万公里下降到0.012次/百万公里，故障率下降81.5%。2）新方案网侧电路故障率由原来的0.098 2次/百万公里降低到0.038 6次/百万公里，故障率下降60.7%。

综上所述，通过对时速160公里动力集中动车组动力车主断路器部件本身的设计优化及网侧电路设计方案的改进，有效提升了动车组运用可靠性和安全性。

同时，该案例也告诉我们，在设计初期把产品设计和RAMS分析有机结合，可以及时评估与预测不同设计方案的可靠性提升情况，从而从设计源头保证动车组的运用可靠性，对降低整车全寿命周期成本、避免“两张皮”问题，有着事半功倍的效果。

5 结束语

可靠性建模与预计是一种事前行为，因为设计缺陷在投入现场使用后就不能弥补，所以及时的通过建模预计其可靠性比事后精确地获取其可靠性更为重要。

可靠性建模与预计工作本身并不能提高产品的可靠性，但它是产品设计和设计改进过程中必不可少的一项工作，通过将可靠性预计工作尽早的参与到设计工作中，不仅可以为设计决策提供指导，还可以尽早发现设计的薄弱环节及其对产品的影响，然后制定相应的对策，提高产品质量及可靠性，进而提高产品可用度，降低全寿命周期成本，最终实现用户满意度及企业竞争力的提高。

参考文献：

[1]李良巧.可靠性工程师手册[M].中国人民大学出版社，2012.

[2]GB/T 7827-1987，可靠性预计程序[S].

[3]李先领.HXD1G型机车列车供电系统设计电力机车与城轨车辆，2017，40（4）：47-49.

[4]卢碧红.动车组牵引供电系统故障模式影响与危害分析[J].振动.测试与诊断，2016，36（1）：97-101+200.