CRH3型動車組輔助供電系統可靠性研究

劉建強， 郭懷龍， 杜會謙， 康洪軍， 吳 寧

(1. 北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044； 2. 唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心， 河北 唐山 063035)

自2007年4月18日以來，我國陸續投運了速度等級為200 km/h和300 km/h的動車組，隨著京滬、哈大、京廣高鐵的陸續開通，動車組已成為我國鐵路旅客運輸的重要裝備。由于動車組科技含量高、運行速度快、安全責任重大，其可靠性有嚴格的要求。輔助供電系統是動車組的重要組成部分，其可靠性直接影響動車組的正常穩定運行。系統可靠性評估是根據組成系統的元件可靠性及系統結構圖，運用數理統計和概率論、網絡拓撲理論等方法，對系統可靠性進行相關定性和定量的分析。常用的系統可靠性分析方法有故障樹分析法、可靠性框圖、貝葉斯網絡等。文獻[1]介紹了動車組整車可靠性驗證方法；文獻[2]對動車組制動系統進行可靠性框圖建模并進行可靠性評估；文獻[3]利用可靠性框圖分析列車控制系統的可靠性指標；文獻[4]在建立CRH2型動車組整車故障樹基礎上對動車組可靠性進行蒙特卡羅仿真；文獻[5]利用故障樹法和貝葉斯網絡法對動車組走行部的可靠性進行分析；文獻[6]對CRH2型動車組各子系統進行可靠性框圖建模并分析可靠性指標；文獻[7]利用最小路方法評估配電系統的可靠性；文獻[8]利用最小路集方法對水電站電氣主接線進行可靠性評估；文獻[9]采用基于鄰接矩陣的最小割集方法評估了船舶電網拓撲結構的可靠性。目前，針對動車組系統可靠性方面的研究較少，對動車組輔助供電系統可靠性評估及可靠性優化設計的研究也相對缺乏。

本文提出了CRH3型動車組輔助供電系統可靠性框圖模型，結合最小路集不交化算法，基于武廣高鐵CRH3型動車組輔助供電系統故障統計數據，評估了CRH3型動車組輔助供電系統可靠性，并提出了在輔助供電系統關鍵設備配電網絡中增加熱備冗余支路的可靠性優化方案，計算結果表明所提出的方案能夠進一步提高輔助供電系統可靠性。

1 輔助供電系統可靠性建模

1.1 輔助供電系統構成

CRH3型動車組輔助供電系統組成結構見圖1。

CRH3型動車組正常運行時，受電弓從25 kV接觸網上取電，經由主斷路器、車頂隔離開關、車頂高壓電纜等設備分別輸送給2個牽引單元的牽引變壓器。牽引變壓器將25 kV/50 Hz交流電通過車間的跨接電纜將電能輸送給牽引變流器。輔助變流器從牽引變流器的中間直流環節獲取電能，且所有輔助變流器通過交流供電母線同相位輸出440 V/60 Hz三相交流電，給整列動車組的輔助負載供電。輔助變流器分為單輔助變流器、雙輔助變流器，雙輔助變流器由2個單輔助變流器組成[10]。當一個牽引單元中給單輔助變流器供電的牽引變流器發生故障時，另外一個牽引變流器可向單輔助變流器供電。

1.2 輔助供電系統可靠性模型

輔助供電系統的可靠性依賴于每個部分的可靠性，也依賴于各部分之間的組合方式。在列車輔助供電系統可靠性研究中，通過選定電能的輸入點和輸出點，分析和計算從輸入點到輸出點的可靠性指標。

當CRH3型動車組運行時，優先選擇的受電弓(通常為司機占用端的后弓)從接觸網上獲取電能，通過車頂的高壓電器設備傳輸給2個牽引變壓器，接著將電能輸送給牽引變流器。輔助變流器從牽引變流器的中間直流環節取電，經變換后輸送到交流母線供給所有輔助負載使用。當優先選擇的受電弓正常工作時，另一臺受電弓及其配套的車頂高壓設備處于備用狀態。當出現異常情況，導致優先選擇的受電弓降弓，經優先級配置之后，則備用受電弓及其配套的車頂高壓設備投入工作，并通過牽引變壓器、牽引變流器、輔助變流器等設備給輔助負載供電。根據輔助供電系統的組成結構及邏輯功能關系，構建了輔助供電系統的可靠性框圖模型，見圖2。

2 輔助供電系統可靠性評估及優化

2.1 輔助供電系統可靠性指標

動車組是大型復雜系統，而輔助供電系統是動車組中至關重要的組成部分。在CRH3型動車組中，輔助供電系統的可靠性評估是基于網絡法進行的，其特點是以傳輸通道(即最小路)能夠連通作為可靠性的判據，并利用最小路集不交化算法計算系統相關可靠性指標。對于可修復元件，考慮正常工作狀態和故障狀態，不考慮計劃檢修引起的停運狀態。

在實際系統中，系統可用即表示至少存在一個最小路集且可用，并且每個單元可用度相互獨立[11]，則系統的可用度As可以表示為

( 1 )

當系統進入穩態工作時，系統故障頻率[12]是平均故障間隔時間與平均修復時間之和的倒數，因此故障頻率fs可以表示為

( 2 )

由式( 1 )、式( 2 )可推導得到系統的其他可靠性指標：

平均故障率

( 3 )

不可用度

( 4 )

平均修復率

( 5 )

平均故障間隔距離

( 6 )

平均修復時間

( 7 )

式中：L為轉換系數，km/h。

2.2 可靠性指標計算

針對武廣高鐵CRH3型動車組運用過程中輔助供電系統發生的故障，本文利用其故障統計數據進行可靠性指標計算。自武廣高速鐵路開通以來，有60列CRH3型動車組投入運營，截至2011年12月31日，所有動車組共走行6 357.883 2萬km。

在CRH3型動車組輔助供電系統中，受電弓碳滑板的使用公里數服從正態分布，而輔助供電系統中其他元件的故障間隔公里數服從指數分布[13-14]。此外，在運行時間內沒有發生故障的元件，利用平方損失下的Bayes估計，結合最小二乘法可得到元件的可靠性指標[15]。據武廣高鐵CRH3型動車組輔助供電系統故障統計數據，計算得到輔助供電系統中各元件的可靠性指標。由于元件可靠性指標數據量龐大，本文僅給出武廣高鐵CRH3型動車組EC01車和TC02車中輔助供電系統各部件的可靠性指標，見表1。

表1 CRH3型動車組EC01和TC02車輔助供電系統部件可靠性指標

2.3 系統可靠性評估

依據輔助供電系統可靠性框圖模型，考慮各部件邏輯功能關系，可將其等效為網絡拓撲圖，見圖3。

設n個元件的平均故障率分別為λ1，λ2，…，λn10-5次·km-1，平均修復時間分別為r1，r2，…，rnh/次，其中武廣高鐵的轉換系數L=258.63 km/h。因此，可以計算等效元件的4個可靠性指標[16]

(1) 串聯等效元件可靠性指標

( 8 )

( 9 )

(10)

(11)

(2) 并聯等效元件可靠性指標(n=2)

平均故障率

(12)

平均修復率

(13)

可用度

(14)

不可用度

(15)

根據輔助供電系統中各元件的可靠性指標，結合串聯等效元件可靠性指標計算式( 8 )～式(11)，可以計算得到輔助供電系統網絡拓撲圖3中等效元件的可靠性指標。所有等效元件的可靠性指標見表2。

表2 輔助供電系統等效元件可靠性指標

為保障動車組的安全穩定運行，同時給乘客提供舒適的乘車環境和優質的乘車服務，需要滿足所有輔助負載的供電要求。從輔助供電系統電能的輸入點到輸出點總計有6條包含單輔助變流器的通路同時正常工作，且每個單輔助變流器僅包含在一個通路中，輔助供電系統輸出的功率能夠滿足所有輔助負載的正常供電要求。本文利用聯絡矩陣方法求取從輸入點到輸出點的所有最小路集，通過邏輯“與”、“或”的分析，可以得到輔助負載正常供電時系統的所有最小路集，進而分析和計算從輸入點到輸出點連通的可靠性指標。

設所有輔助負載正常供電的事件為S，則可得

S=ACDEFGJKLMNPQSTXY+ACDEFGJKLMNPRSTXY+ACDEGHJKLMNPQSTXY+ACDEGHJKLMNPRSTXY+BCDEFGJKLMNPQSTXY+BCDEFGJKLMNPRSTXY+BCDEGHJKLMNPQSTXY+BCDEGHJKLMNPRSTXY

(16)

通過最小路集不交化算法，得到事件S為

S=ACDEFGJKLMNPQSTXY+

(17)

根據表2中各個等效元件的可靠性指標，利用式( 1 )～式( 7 )、式(16)、式(17)可求得輔助供電系統滿足所有輔助負載供電要求的可靠性指標，見表3。

表3 輔助供電系統可靠性指標

由表3可知，從發生故障情況來看，輔助供電系統的平均故障率為1.057 978 61×10-5次/km，平均故障間隔距離為0.945 198 70×105km；從修復情況來看，輔助供電系統的平均修復率為24.385 523 23×10-5次/km，平均修復時間為15.855 831 49 h/次?？梢钥闯?，武廣高鐵上CRH3型動車組輔助供電系統可用度較高，超過了0.95，但發生故障設備所需要的維修時間較長。因此，動車組實際運用過程中需合理確定檢修周期，及時維修故障部件，縮短維修時間，保證輔助供電系統的高可靠性。

3 輔助供電系統可靠性優化

列車輔助供電系統中，變壓器、牽引變流器是其重要組成部分，而牽引變壓器和變流器冷卻系統的正常與否直接決定整個輔助供電系統能否正常工作。在武廣高鐵列車實際運行過程中曾發生多起因牽引變壓器和變流器冷卻系統中冷卻風機配電線路異常導致列車晚點故障，故為進一步優化輔助供電系統的可靠性，需針對相關關鍵設備的配電線路進行優化設計。

在關鍵設備的配電通路中，電能經過導線、開關等部件串聯成的負荷支路進行供電。為了進一步分析關鍵設備配電線路對輔助供電系統可靠性的影響，在對輔助供電系統進行可靠性評估時，需要把關鍵設備配電支路發生故障的影響折算到對應的部件上。因此，可用串聯系統可靠性計算公式進行相關分析。本文只考慮牽引變壓器和變流器冷卻設備配電元件，同時由于配電導線較短暫不考慮其影響。

依據輔助供電系統部件可靠性指標的計算方法，可以得到牽引變壓器、牽引變流器的冷卻設備配電元件的可靠性指標，見表4。

表4 輔助負載配電元件可靠性指標

依據輔助供電系統可靠性評估計算方法，基于牽引變壓器、牽引變流器的冷卻設備配電元件的可靠性指標，可以得到在考慮牽引變壓器和牽引變流器冷卻設備配電元件可靠性參數條件下輔助供電系統滿足所有輔助負載供電要求的可靠性指標，見表5。

表5 考慮配電元件可靠性時輔助供電系統可靠性指標

為了提高牽引變壓器和牽引變流器冷卻設備配電的可靠性，進而提高整個輔助供電系統的可靠性，設計采用增加熱備冗余支路的優化措施提高其可靠性。以CRH3型動車組IC03車牽引變流器冷卻設備為例，給出配電支路的優化電路結構，見圖4。

在圖4中，每個冷卻設備配電支路(實線表示)都增加熱備冗余支路(虛線表示)。當冷卻設備配電支路發生故障的時候，熱備支路迅速投入工作，從而保證牽引變流器正常工作。假設冷卻設備的熱備冗余支路與原支路元件可靠性指標相同，可得到在牽引變壓器和牽引變流器冷卻設備配電電路增加熱備冗余支路條件下輔助供電系統可靠性指標，見表6。武廣高鐵CRH3型動車組輔助供電系統在增加上述配電冗余支路前后的可靠度變化曲線見圖5。

表6 增加配電冗余支路時輔助供電系統可靠性指標

由表5和表6可看出，增加牽引變壓器和牽引變流器冷卻設備配電熱備冗余支路后系統平均故障率明顯下降，平均故障間隔距離增大，可用度增加。由于增加熱備冗余支路，系統中元件數量增多，從而導致系統平均修復率減小，平均故障修復時間增大。由圖5可以看出，增加熱備冗余支路后，輔助供電系統的可靠度顯著提高。依據分析和計算結果，增加牽引變壓器和牽引變流器冷卻設備配電熱備冗余支路有助于增強輔助供電系統的可靠性，為CRH3型動車組輔助供電系統可靠性優化設計提供了理論指導。

4 結論

輔助供電系統是動車組上至關重要的組成部分，為了保證動車組的安全穩定運行，需要從可靠性角度進行研究分析。本文基于CRH3型動車組輔助供電系統各部分組成結構及邏輯功能關系，建立了輔助供電系統的可靠性框圖模型。在此基礎上，結合最小路集不交化算法，基于武廣高鐵CRH3型動車組輔助供電系統故障統計數據，計算評估了輔助供電系統的可靠性，并進一步提出了輔助供電系統可靠性優化設計方案，計算分析結果驗證了所提出優化設計方案的有效性，為CRH3型動車組輔助供電系統的可靠性提高及安全運用提供了科學依據。

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