地铁交流牵引供电设备时变故障率分析

地铁交流牵引供电设备时变故障率分析

李诺为

成都地铁运营有限公司 成都 610000

摘要：地铁运输系统是城市发展规划的重要基础工程，是保证城市交通运输体系顺利运行的重要组成部分。电气牵引系统作为地铁列车的电力供给方式，其和其所搭载的控制系统对列车顺利运行起到了至关重要的作用。牵引供电设备故障率是开展地铁交流牵引供电系统可靠性评估的数据支撑．针对牵引供电系统可靠性评估中因假定牵引供电设备故障率恒定不变带来的评估误差问题，文章主要针对城市轨道交通牵引供电系统和电力技术进行分析。

关键词：地铁；交流牵引；供电设备；时变故障率

引言

在城轨交通系统中，地铁是非常重要的内容，能够有效解决城市交通系统的拥堵问题。在近些年地下路网获得完善的同时，地铁事业同样获得了良好的发展。其中地铁的供电系统是列车运行动力的主要供给来源，是地铁能否安全运行、正常运行的根本保障。不断创新技术手段，同时还要重视关键技术，如牵引供电系统，不断优化改善，才能确保电力技术的应用功能充分发挥，保障城市轨道交通安全发展。

1电气牵引系统

地铁列车电气牵引指的是电流从地铁接触网通过受电弓输送到列车设备中，电动机将电能转化为行进的机械能牵引力，驱动地铁列车前行。地铁列车的电气牵引控制系统主要包括了牵引电气设备以及电路控制系统。其中传统的电路控制系统中主要使用模拟电路控制器，而随着计算机技术不断发展，大部分地铁列车电气牵引系统已经逐渐淘汰模拟电路控制器，而是用微型计算机控制系统。牵引力系统中的电气设备包括了：列车电机组、高压箱、传动控制设备、受电弓、牵引逆变器等；电路控制系统包括了：控制电流、主电气回路、辅助电路等。

2电气牵引控制系统

2.1牵引控制

在地铁列车实际运行过程中，从安全角度考虑，列车的运行速度会受到限制。当列车的速度超过设定允许的标准速度时，牵引系统就自动的减少地铁列车的牵引作用或者切断牵引力，列车速度随之降低，当地铁列车的运行速度降低到标准速度后，系统由于重新提高牵引力或者重新连接牵引系统。在牵引控制具体执行的过程中，根据列车运行状态，制动设备发出操作变化信息，传输到牵引逆变器中，接收指令后，牵引逆变器配合制动控制设备根据指令信息，进行相应的牵引作用变化。此外，即使有些老旧的地铁系统没有搭载自动控制系统，地铁列车的限速、提速功能仍可以发挥作用。

2.2传动控制

一是直流传动控制。直流传动控制的列车使用的电机为直流牵引电机，根据牵引电源的性质，直流传动控制系统可以分为直流-直流系统和交流-直流牵引系统。直流-直流牵引系统是一种传统的牵引装置，其工作电源为直流电源，该系统的压力调节使用电阻调节方式，这种调节方式在列车频繁的调速过程消耗了大量的电能，并且无法实现无级变速。交流-直流牵引系统使用的牵引电机为直流电机，其工作电源为交流电网提供的交流电。该系统的核心设备为可以将交流电变为直流电的整流调节设备。列车运行时，通过改变整流器的控制就可以实现直流电压的调节，进而实现电机转速的调整，完成列车的调速。二是交流传动控制。依托于半导体电子交流技术的发展，地铁列车的牵引电气传动逐渐使用变流牵引的交流传动方式。逆变器将直流电变为交流电作为交流牵引电机使用。而变为交流电后，通过交流电变频器即可通过调节交流电电压和频率实现电机转速的调节。使用逆变器变电后，车辆的主电路就不需要搭载有触点的反向开关和制动转化开关，简化的主电路线路。交流牵引电机设备结构组成简单、转子无需配备绝缘层、无需引线，因此相比于直流牵引电机，交流牵引电机设备的生产成本较低。此外，交流牵引电机可以应用在空气湿度大、空气粉尘含量高的恶劣环境，工作性能稳定，使用寿命长。交流传动技术借助参数识别技术、异步电机控制技术、故障诊断技术的综合应用，强化对电流影响的控制，在面对复杂的运行工况，通过交流传动技术可以保证电力系统稳定运行。三是制动控制。众多设备中，制动设备是最重要的设备之一，地铁列车减速、加速、停车都是通过制动装置完成的，制动装置高效的响应、运行是保证列车安全运行的重要保障。在地铁列车牵引运行过程中，牵引力控制系统的作用至关重要，只有科学、合理的设计电气控制系统，才能有效的对地铁列车进行制动。目前我国城市地铁列车使用的制动形式主要以机械制动、电阻制动和再生制动为主。所谓的机械制动主要依靠压缩空气实现制动，而电阻制动则依赖轨道电磁制动，而再生制动可以有效的将动能转化为电能进行能量循环使用。在列车的实际运行中，三种制动方式和发挥出的功效差别较大，通常来说，在进行列车制动控制时，一般按照先再生制动，随机电阻制动，最后进行机械制动的步骤顺序。但是在列车的实际运行过程中，综合考虑制动效率和制动过程的能量损耗，在每个制动步骤中，一般不会使用单独的制动方式，需要将多种制动方式耦合使用达到正向协同作用，提高制动效果，减少制动过程中的能量损耗。根据地铁运行经验总结来看，地铁列车设计的制动方式主要为电阻制动和再生制动，而机械制动方式主要起到辅助的作用。

3地铁交流牵引供电设备时变故障率分析

分析变压器可靠性和故障率函数的时变趋势，可分别拟合出变压器可靠度函数、不可靠度函数、故障率函数和失效概率密度函数时变曲线图进行分析研究。变压器在投运使用前会经历一系列的试验，如冲击试验等，但由于缺乏投运前期变压器的试验数据，故本文只拟合出变压器在其偶发故障期和设备老化期内的故障率时变曲线。随着投运时间的增加，变压器可靠度曲线先是基本不变，而后逐渐降低，表示随着服役时间的增长，变压器可靠度逐渐下降．变压器故障率曲线由基本不变而后逐渐升高，表示变压器的故障率随服役时间经历了由基本不变到逐步累积的过程，且服役时间越长，变压器发生故障的可能性越大．变压器失效概率密度曲线由基本保持不变到逐步增加再到逐步下降，且在第１６５月左右达到最大值，表明变压器故障率函数变化率的变化趋势是由基本保持不变到逐步增加再到逐步下降，且在变压器运行至第１６５月时，变压器故障率的变化率达到最高，此时变压器故障率增长速度达到最快，变压器故障率递增趋势十分明显，变压器可靠度的降低速度也达到最快，故推断出变压器处于老化运行期．

结束语

（１）基于牵引供电设备的实际运营数据，采用两参数威布尔模型可求得牵引供电设备故障率时变参数，且随着服役时间的增加，故障样本不断更新，牵引供电设备故障率时变参数也不断随之修正。（２）以变压器为例，对其故障率时变特性进行分析研究。变压器运行至第１６５月时故障率增长速度达到最快，递增趋势十分明显，可靠度的降低速度也达到最快，推断出变压器处于老化运行期。（３）通过对牵引供电设备故障率模型的构建和参数求解，解决了以往研究中默认牵引供电设备故障率恒定不变的问题，为开展地铁交流牵引变电所的可靠性评估提供了数据支撑和条件保证，同时降低了地铁交流牵引供电设备故障率带来的可靠性分析误差，在实际应用中有更好的准确性和适用性．

参考文献

［１］蒋俊。城市轨道交通交流牵引供电系统可靠性研究［Ｄ］。成都：西南交通大学，２０１９．

［２］陈绍宽，毛保华，何天健，等。基于事故树分析的铁路牵引供电系统可靠性评价［Ｊ］。铁道学报，２００６，２８（６）：１２３－１２９．

［３］胡建军，许洪斌，高孝旺，等。威布尔分布随机载荷下齿轮弯曲疲劳试验分析［Ｊ］。重庆大学学报（自然科学版），２０１２，３５（１１）：３４－３９．