錢建強(qiáng) 葉 丹 陳駿亞

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車段，上海 201800）

0 引言

目前，隨著中國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，與其配套的高速動(dòng)車組配屬數(shù)量與服役年限也在不斷增加。截至2021 年11 月，CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組全路已配屬動(dòng)車組663 列，共814 標(biāo)準(zhǔn)組（8 節(jié)編組）。其中，CRH380B 動(dòng)車組353 列，CRH380BG（耐高寒）動(dòng)車組191 列，CRH30BL 動(dòng)車組（16 節(jié)編組）151 列，CRH380BJ 和CRH380BJ-A 綜合檢測(cè)車各1 列，數(shù)量超過全國(guó)動(dòng)車組配屬數(shù)量的1/5。由于動(dòng)車組運(yùn)行速度快，行駛里程長(zhǎng)，因此對(duì)安全性及可靠性有較高的要求。其中，輔助供電系統(tǒng)是CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組的重要組成部分，負(fù)責(zé)為車載中壓、低壓設(shè)備（包括各散熱及通風(fēng)機(jī)、空調(diào)、蓄電池和充電機(jī)等）提供電源，其可靠性將直接影響動(dòng)車組的運(yùn)行情況。因此研究輔助供電系統(tǒng)核心部件的常見故障對(duì)其可靠性的影響對(duì)進(jìn)一步提升動(dòng)車組運(yùn)行穩(wěn)定性有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 輔助供電系統(tǒng)可靠性建模

1.1 輔助供電系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組正常運(yùn)行時(shí)，車輛通過受電弓從25 kV 接觸網(wǎng)取電，經(jīng)過主斷路器、車頂隔離開關(guān)以及車頂高壓電纜等設(shè)備分別輸送給2 臺(tái)牽引單元的牽引變壓器。牽引變流器將牽引變壓器二次側(cè)交流電整流為3 000 V 的直流電，再通過輔助變流器模塊將其轉(zhuǎn)化為三相AC 440 V/60 Hz 的交流電進(jìn)行輸出，車廂內(nèi)部則使用110 V 直流電進(jìn)行供電。充電機(jī)的用電由AC 440 V/60 Hz 供電母線提供，蓄電池由充電機(jī)供電。與此同時(shí)，DC 110 V 負(fù)載的用電由110 V 直流母線提供，其電源即為充電機(jī)。輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)一個(gè)牽引單元中給輔助變流器供電的牽引變流器發(fā)生故障時(shí)，另外一個(gè)牽引變流器可向另一套輔助變流器供電；同時(shí)，當(dāng)1 個(gè)ACU 故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過冗余操作增大其余5 個(gè)ACU 的出力，以保證輔助負(fù)載全部接入運(yùn)行；當(dāng)2 個(gè)ACU 或1 個(gè)D-ACU 出現(xiàn)故障時(shí)，輔助供電系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入降級(jí)運(yùn)行模式，供暖及空調(diào)系統(tǒng)以平時(shí)功率的50%運(yùn)行。

1.2 輔助供電系統(tǒng)可靠性框圖模型

輔助供電系統(tǒng)的可靠性與全系統(tǒng)各部件穩(wěn)定運(yùn)行有關(guān)。根據(jù)輔助供電系統(tǒng)的基本工作原理和各設(shè)備間的串、并聯(lián)狀態(tài)可以構(gòu)建其可靠性框圖模型，該模型由不同等效單元（A～R）組成，如圖2 所示。

1.3 輔助供電系統(tǒng)可靠性網(wǎng)絡(luò)圖模型

動(dòng)車組操作手冊(cè)明確規(guī)定，當(dāng)列車處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，只能升起1 個(gè)受電弓來獲取電能，2 個(gè)受電弓互為備用系統(tǒng)。因此，在圖2 中，A 單元、B 單元互為熱備。同時(shí)，由于2 組受電弓均能向2 輛車牽引變壓器供電，C 單元即為雙向傳遞，因此對(duì)A 單元或B 單元進(jìn)行分析是等效的，該文選擇對(duì)A 單元受電弓的工作情況進(jìn)行分析。將圖2 簡(jiǎn)化可得等效網(wǎng)絡(luò)圖模型，如圖3 所示。

圖2 輔助供電系統(tǒng)可靠性框圖

圖3 輔助供電系統(tǒng)可靠性網(wǎng)絡(luò)圖

2 輔助供電系統(tǒng)可靠性參數(shù)計(jì)算

2.1 輔助供電系統(tǒng)串聯(lián)可靠性參數(shù)計(jì)算

對(duì)串聯(lián)等效單元來說，可通過個(gè)與停工相關(guān)的串聯(lián)部件參數(shù)計(jì)算故障率λ如公式（1）所示。

式中：λ為部件的故障率。

故障維修時(shí)間r如公式（2）所示。

式中：r為部件的故障維修時(shí)間。

維修率μ如公式（3）所示。

式中：μ為部件的維修率。

可用度A如公式（4）所示。

不可用度Q如公式（5）所示。

2.2 輔助供電系統(tǒng)并聯(lián)可靠性參數(shù)計(jì)算

對(duì)并聯(lián)等效單元來說，可通過個(gè)與停工相關(guān)的并聯(lián)部件參數(shù)計(jì)算故障率λ，如公式（6）所示。

式中：、為部件1、部件2 的故障率；、為部件1、2的故障維修時(shí)間。

故障維修時(shí)間r如公式（7）所示。

維修率μ如公式（8）所示。

式中：、為部件1、部件2 的維修率。

可用度A如公式（9）所示。

不可用度Q如公式（10）所示。

2.3 輔助供電系統(tǒng)關(guān)鍵部件可靠性參數(shù)計(jì)算

根據(jù)第1.3 節(jié)可知，由于牽引變壓器互為熱備，單獨(dú)的牽引變壓器造成輔助供電系統(tǒng)故障的概率較低，因此從原理上來看，輔助供電系統(tǒng)中的高壓輸入設(shè)備（A 單元、B 單元）對(duì)其影響較小。由于當(dāng)EC、EC車牽引變流器故障時(shí)，可以通過閉合耦合開關(guān)分別將IC、IC車牽引變流器擴(kuò)展至TC、TC車的ACU；當(dāng)IC、IC車牽引變流器故障時(shí)，可以通過閉合耦合開關(guān)分別將EC、EC車牽引變流器擴(kuò)展至BC、FC車的D-ACU。因此從原理上來看，輔助供電系統(tǒng)中的牽引變流器（D 單元、E 單元）對(duì)其影響較小。

從原理上來看，輔助變流器單元（L、M、N、O、P 以及Q）對(duì)輔助供電系統(tǒng)的影響較大。

該文搜集整理了2017 年9 月—2020 年8 月中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)配屬CRH380B 和CRH380BL 的所有輔助變流器的主要故障，總計(jì)發(fā)現(xiàn)輔助變流器故障591 起。其中，287 起偶發(fā)或者閃報(bào)故障，經(jīng)過庫內(nèi)檢查后恢復(fù)正常；77 起經(jīng)過復(fù)位或者刷軟件操作后恢復(fù)正常，并未對(duì)輔助變流器內(nèi)相關(guān)元器件進(jìn)行更換。涉及更換輔助變流系統(tǒng)元器件的故障總計(jì)227 起。其中，直接涉及更換PWMI 模塊的故障43 起，涉及更換PWMI 的控制模塊M2500 模塊的故障23 起，更換PWMI 前級(jí)F10 保險(xiǎn)的故障23 起，更換PWMI前后級(jí)接觸器的故障97 起，更換T變壓器1 起，更換散熱風(fēng)扇的故障45 起，更換其他傳感器及板卡的故障20 起。

針對(duì)相關(guān)故障，可使用故障樹分析法將輔助變流器特定故障模式與各種引起故障的原因聯(lián)系起來，構(gòu)成樹狀因果關(guān)系圖。通過分析故障樹可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障原因的各類可能的組合方式，進(jìn)而計(jì)算其對(duì)應(yīng)的發(fā)生概率，從而確定系統(tǒng)的故障概率，并采取糾正措施，以提高系統(tǒng)的可靠性。因此該文針對(duì)動(dòng)車組輔助變流器特定故障模式建立了故障樹，通過故障樹邏輯功能關(guān)系對(duì)故障率等可靠性指標(biāo)進(jìn)行分配，故障樹如圖4 所示。由故障樹可知，頂層輔助變流器的可靠度R如公式（11）所示。

圖4 輔助變流器故障樹

式中：R為預(yù)充電單元、PWMI、濾波電路、冷卻風(fēng)機(jī)以及控制單元的可靠度。

假設(shè)預(yù)充電單元、整流器、中間環(huán)節(jié)、逆變器以及冷卻單元的故障模式相互獨(dú)立，且故障規(guī)律服從指數(shù)分布，則有R=e（λ為不同子部件故障率；e 為自然常數(shù)；為展開階數(shù)），將其帶入公式（11）并化簡(jiǎn)，得到公式（12）。

由公式（11）和公式（12）可計(jì)算得不同元件的故障率分配指標(biāo)。

經(jīng)過參數(shù)統(tǒng)計(jì)，輔助變流器（指單輔助變流器，將雙輔助變流器記為2 臺(tái)單輔助變流器）故障率見表1。

表1 輔助變流器故障率

2.4 輔助供電系統(tǒng)等效單元可靠性指標(biāo)

根據(jù)輔助供電系統(tǒng)中各元件的可靠性指標(biāo)，并結(jié)合等效元件可靠性指標(biāo)計(jì)算公式，可以計(jì)算A～R 單元的等效可靠性指標(biāo)，見表2。

表2 輔助供電系統(tǒng)等效單元可靠性指標(biāo)

3 不同工作模式下輔助供電系統(tǒng)可用性計(jì)算

3.1 輔助供電系統(tǒng)正常工作模式計(jì)算

當(dāng)輔助供電系統(tǒng)正常工作時(shí)，6 套ACU 均投入工作，可保證所有輔助負(fù)載正常接入。設(shè)輔助供電系統(tǒng)正常工作為事件，則發(fā)生情況如公式（13）所示。

式中：～為A～R 正常工作事件；-為A～R 單元故障工作事件。

將表2 的全部數(shù)據(jù)代入公式（1）～公式（10）及公式（13），可得輔助供電系統(tǒng)正常工作時(shí)的可靠性指標(biāo)，見表3。

表3 輔助供電系統(tǒng)正常工作模式可靠性指標(biāo)

3.2 輔助供電系統(tǒng)非正常工作模式計(jì)算

當(dāng)輔助供電系統(tǒng)非正常工作時(shí)，1 套ACU 故障，5 套ACU投入工作，系統(tǒng)通過冗余操作增大其余5 個(gè)ACU 的出力，保證所有輔助負(fù)載正常接入。設(shè)輔助供電系統(tǒng)非正常工作為事件，則發(fā)生情況如公式（14）所示。

將表2 的全部數(shù)據(jù)代入公式（1）～公式（10）及公式（14），可得輔助供電系統(tǒng)非正常工作時(shí)的可靠性指標(biāo)，見表4。

表4 輔助供電系統(tǒng)非正常工作模式可靠性指標(biāo)

3.3 輔助供電系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行工作模式計(jì)算

當(dāng)輔助供電系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行時(shí)，2 套ACU 故障，4 套ACU投入工作，輔助供電系統(tǒng)進(jìn)入降級(jí)運(yùn)行模式，系統(tǒng)將主要供暖裝置及空調(diào)系統(tǒng)的功率降低至1/2。設(shè)輔助供電系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行為事件，則發(fā)生情況如公式（15）所示。

將表2 的全部數(shù)據(jù)代入公式（1）～公式（10）及公式（15），可得輔助供電系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行時(shí)的可靠性指標(biāo)，見表5。

表5 輔助供電系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行工作模式可靠性指標(biāo)

4 結(jié)論

通過上述分析和計(jì)算，該文得出的結(jié)論如下：1）現(xiàn)有CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的故障原因主要集中在牽引變流器的整流器、中間直流環(huán)節(jié)、冷卻單元以及輔助變流器的預(yù)充電電路、PWMI、濾波電路、控制單元和冷卻單元。但基于其擴(kuò)展邏輯設(shè)計(jì)，其主要故障集中在輔助變流器中。2）目前，CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定性較高，正常工作時(shí)的可用度指標(biāo)超過0.978，百萬公里平均故障率僅為0.101 10次·km，在可用度與可靠性方面均有提升。3）通過幾種工作模式的對(duì)比可知，當(dāng)輔助供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，各輔助變流器采用不同的冗余供電方式，包括非正常工作模式和降級(jí)運(yùn)行工作模式，在保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行的同時(shí)，還可以提高系統(tǒng)的可用度，并降低平均故障率。