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摘要：牵引系统是动车组的关键系统之一，在保障动车组安全可靠地运行上起着举足轻重的作用。本文阐述了牵引系统的产品结构树及各分系统的功能，论述了牵引供电系统结构层次框图和可靠性框图，并对其主要故障进行了定性分析。
关键词：动车组；牵引供电系统；危害度矩阵
近年来,随着电气化技术的发展,牵引供电技术也取得了较大的进步,并广泛应用到我国动车的供电系统设计中。然而,电力牵引供电系统的不断发展也使得系统的复杂性、技术含量也日益增加,一旦出现问题会引发重大的意外事故,从而给经济和人民的生命财产造成损失。因此,探讨供电系统中存在的问题,并提出妥善的解决措施显得势在必行。
一、牵引供电系统概述
牵引供电系统是动车组运行供电的一种电气化系统,整个系统主要由牵引变电所和牵引网构成。牵引网由接触网、轨道大地、馈电线和回流线等部分构成,它是整个牵引供电系统的电力分布装置;牵引变电所将电力系统中的高压电能进行降压和变流处理后输送给牵引网,为沿路行驶的电力机车提供直接的电能。牵引供电系统为我国动车组提供了充足的电能,为动车电气化奠定了基础。然而,牵引供电系统的飞速发展使得整套系统的复杂程度也达到了前所未有的地步,很多问题也不断涌现出来，它们的存在严重影响到了牵引供电系统的安全性、可靠性,降低了系统的工作效率,甚至提升了动车组运行事故产生的风险。
二、牵引系统的产品结构树及各分系统的功能
牵引系统由数个相对独立的高压设备和牵引单元组成，它将电能转换成机械能，用以提供动车的运行动力，并在动车组再生制动时将机械能转换成电能回馈电网。将动车组牵引系统产品结构层次划分为系统、分系统、装置、组件4种约定级别，建立牵引系统及各分系统的产品结构树。将约定级别定义如下：
1、系统。由可分开工作的两套或多套分系统与其所需的装置、组件、部件及零件所组成，能完成一种或多种使用功能的组合体，如牵引系统。
2、分系统。由装置、组件等组成，能完成系统内某项使用功能，并且是系统的一个重要组成部分。如牵引系统中的牵引传动分系统。
3、装置。由一个或多个单元体和所需的组件、部件及零件连接而成或联合使用，能完成某项使用功能。如牵引电机。
4、组件。由多个零件或多个部件或它们之间的任意组合组成的，能完成某一特定功能，并能拆装的组合体。如牵引电机的测量组件。
牵引系统由高压电器分系统、牵引传动分系统和辅助电源及机组分系统3部分构成。高压电器分系统可将接触网电能传输到车辆的电气系统，并滤掉网侧电流中的有害成分。出现紧急情况时断开主断路器，所有负载将从高压供电系统上切断；动车组的牵引传动采用交—直—交传动技术，牵引传动分系统主要装置包括主变压器、牵引变流器和牵引电机。牵引传动分系统根据车辆运行指令，生成牵引变流器控制信号，牵引时将接触网电能转化为机械能传递到轮轴，再生制动时将机械能转化为电能回送电网；辅助电源及机组分系统由辅助变流器、电池充电机、蓄电池及其他辅助用电设备构成。辅助电源连接在各车厢之间，能够提供三相四线制50HZ、400V交流电源和110V直流电源，供列车辅助交流和直流设备使用。
三、牵引供电系统结构层次框图和可靠性框图
牵引供电系统的主要工作任务是将电力系统的电能转变成适合动车组使用的电能。由于电能是动车组一切能量的来源，包括动力源、热源等，因此牵引供电系统是动车组最重要的子系统之一。
1、牵引供电系统结构层次框图。结构层次框图和可靠性框图是成功进行的关键。结构层次框图是为了确定或说明一个功能子系统或组件的相对复杂性。它根据需要，按产品的相对复杂层次从比较复杂的（系统）到比较简单的（零件）进行划分。牵引供电系统主电路主要由高压电器系统、牵引变压系统、牵引变流器系统和牵引电机系统4部分组成，各子系统是树状结构。例如：某动车组的主电路是通过架设在TC02车车顶的受电弓从接触网接收AC25 kV的交流电，然后通过布置在车顶和车端的高压电缆将电能输送到装在TC02车下的牵引变压器，变压器的副边感应出4＊1550V的电压，并通过车辆间的连接馈线到设在动车车下的变流器单元。变流器单元内部的四象限斩波器将1550V的交流电整流为2700V～3600V的中间直流电压。中间直流电压通过PWM变频单元向牵引电机提供变压变频（VVVF）的三相交流电源。其中，限压电阻接在中间直流电路的两极，防止出现过高电压，辅助变流器的输入也取自中间直流环节。
四、主要故障定性分析
1、故障模式概率等级划分原则。定性分析法根据故障模式发生的概率来评价所确定的故障模式，将各故障模式出现的概率按一定的规定分成不同的等级。根据标准和实际经验综合考虑行业的特点，事件发生的概率定义如表１所示。
2、故障模式严重度等级划分。通常在进行分析时，根据故障对动车组造成的影响将故障进行严重等级定义，用来评估危险事件发生时可能造成的危害程度。严重程度的级别和后果可由使用单位来定义。A类故障：可能导致系统功能丧失，危及行车安全，导致人员伤亡。B类故障：影响行车安全，可能导致主要部件性能下降，且不能在短时间内回复。C类故障：不影响行车安全，造成停驶或性能下降，可在短时间内回复。D类故障：一般不会导致停驶或性能下降，不需要更换部件，可在短时间内轻易修复。
3、牵引供电系统故障模式分析。依据车载信息故障数据源统计某动车组运行一段时间内牵引供电系统发生的故障，列出牵引供电系统中常见的故障模式、故障的原因、故障影响、改正措施以及故障发生概率，如表2所示，并根据故障对动车造成的影响进行分析。
4、牵引供电系统危害度矩阵。根据表2数据将故障模式以严重等级为横轴，事件发生概率为纵轴，做出危害度矩阵。将本案例的几种故障模式分别填到矩阵中得到故障模式分布点。由故障模式分布点向危害性增长线做垂线，在危害性方向上离原点越远，表明该故障模式的危害程度越高。危害度矩阵提供了一种故障危害程度的排列次序，在有限条件下优先处理危害度较高的故障。同时，结合运用现场分别给出改进措施：更换IGBT模块、用软件将高压系统解锁、清理滤网及更换电机定子温度传感器。
五、结语
随着电力电气技术的飞速发展,我国电气水平也得到了不断提升。作为电力系统中的重要部分—牵引供电系统,能为机车提供稳定可靠的电力能源,从而提升动车运行的效率。
参考文献
[1]吴俊勇．牵引供电系统的供电可靠性评估方法[J]．电网技术，2017.
[2]钟永发.牵引供电系统可靠性的探讨[J]．电气化，2016.
[3]李志锋．电力牵引供电系统故障统计分析[J]．工业科技，2016.
论文作者:季弘历
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/2
标签：供电系统论文; 故障论文; 车组论文; 系统论文; 分系统论文; 电能论文; 变流器论文; 《基层建设》2017年第36期论文;