动车组高压电气系统可靠性分析

动车组高压电气系统可靠性分析

乔壮、马洪伟、周胜

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130062

摘要：针对动车组的可靠性分析，实验数据、现场数据的获取都比较困难，这使得部件故障问题难以确定，动车组可靠性分析面临较多阻碍。为此，要对高压电气系统故障问题进行深入研究。

关键词：动车组；可靠性；高压电气系统

引言

随着汽车新技术的应用和人们对舒适性的要求越来越高，汽车电气系统越来越复杂。在进行新车型的开发和改型中，为了更好地验证电气系统的设计方案和可靠性，需要对回路的大负载电器设备进行实车测试，来验证实际环境下其工作参数或指标是否满足设计目标和要求，以保证电气性能的可靠性。

1动车组高压电气系统故障

1.1高压电缆故障

导致高压电缆故障通常是因为高压放电、异物打击导致电缆保护套或绝缘层受损。海南地区的动车组频繁出现问题多是因为当地炎热多雨的气候容易使电缆绝缘层老化，进而影响绝缘强度。为此，在电缆终端绝缘层的设计上应充分保障质量[1]。高压电缆绝缘层是由屏蔽线组成的，屏蔽层和导电铜芯彼此互联并绝缘。依据电磁原理，电流在流过高压母线时，会在母线周边出现交变电磁场，干扰周边的用电系统。屏蔽层会将静电收集起来，从抗静电接地线把静电传至车体，再由转向架、接地刷转到钢轨。当接地线断开时，高压母线静电会堆积在断裂位置，与另一端产生尖端放电。但是，这样放出的电流量较小，不会对设备造成较大的损害。

1.2绝缘子故障

故障发生点集中在一次绕组连接处和一次绕组外层处，而内部一次绕组导线及层间绝缘没有损坏，说明产品内部线圈不存在质量缺陷。而一次绕组外层绝缘被破坏的可能原因是存在高电压作用于匝间及外层层间，造成绝缘损伤，累积到一定程度，高电压引发击穿，造成产品开裂及烧毁。接触网在某特定条件下容易产生谐波过电压，频率为高次(27次、29次或更高次谐波含量比较高)，这种谐波在接触网上持续振荡往往会造成电压互感器过电压或过电流。谐波过电压特性可以由公式(1)计算:el=4.44f×B×Ac×10－4(1)式中，B为铁心磁通密度，e为产品匝间电势;f为运行时的额定频率;Ac为铁心截面积。高频谐波电压的存在会使互感器匝间承受的电压增大，对电压互感器高压绕组产生趋肤效应。过电压最先在电压互感器高压端入线端形成，与接地铁芯之间形成高压场强，容易引发铁芯与高压线圈间绝缘介质的局部放电。电压互感器在长期的谐波过电压作用下，绝缘加速老化，在场强较高处，绝缘最先劣化，容易出现局部放电。当绝缘劣化到一定程度，会形成放电通道，造成高压绕组对地放电，产生电弧，最终形成热破坏，引起互感器炸裂发生。

2动车组网络控制仿真平台的结构

针对不同车型和不同目的而搭建的网络控制仿真试验台有所差别，这里采用一种动车组仿真的实现概述仿真平台的基础框架构成。考虑平台的灵活性和经济性，结合纯硬件仿真和纯软件仿真的优缺点，仿真平台采用半实物仿真的结构［2］。除司机控制台的控制手柄和按钮外，实物设备还包括中央控制单元CCU、司机显示屏HMI、输入输出设备、温度采集设备等。由于场地限制和成本等原因，可用软件仿真代替司机控制台实物。而在仿真系统实现的同时，预留与真实控制单元连接的各种硬线和网络接口，使仿真系统能实现硬件在环的仿真功能，具备对单个子系统控制单元独立测试的能力。仿真平台主要分为车载电气控制柜、PLC开关控制柜、软件仿真控制台3大部分。车载电气控制柜由车载网络设备和输入输出IO连接的开关、继电器等构成的硬线控制回路构成，与实车一样，每节车辆对应1个车辆电气柜，如图2所示。PLC开关控制柜主要实现仿真子系统与网络控制系统之间硬线接口的信号转换，柜内安装PLC控制系统和110V信号驱动继电器，每2辆车的硬线接口集成在1个PLC电气柜中，如图3所示。此外，PLC柜安装有指示灯和控制按钮，显示仿真子系统的一些重要的状态信号，或将手动输入信号通过按钮传送到仿真系统中。软件仿真控制台主要负责智能子系统的功能模拟和仿真。按照牵引单元的分布分别在多台仿真计算机上实现，每台计算机对应1个牵引单元。在仿真计算机上使用ControlBuild仿真软件平台实现对各受控子系统进行功能仿真，包括牵引、制动、辅助、空调、门等多个列车上的受控子系统。仿真控制台通过以太网与PLC电气柜通信，并通过计算机上集成MVB通讯网卡，实现仿真子系统与其他网络设备之间的MVB网络通讯。

3改善动车组高压电气系统故障的建议

3.1提升受电弓检修质量

为了更好地保障受电弓的使用寿命，应当动态管理受电弓的部件寿命。在检修受电弓时，要检查弓角、碳滑板、气囊、气管、软连线和紧固件。每隔1个月要更换1次碳滑板。在对动车组进行一级、二级检修时，可实施受电弓测试设备静态检测，并判断受电弓升降弓时间、接触压力时间和工作高度，及时排除隐患。为了让受电弓能适应恶劣、复杂的工作环境，可督促供应商厂家对部件质量进行优化，并采用新技术、新材料提升绝缘子、碳滑板、空气软管的机械性能和电气性能。

3.2电气系统单负载测试方案的实施

在进行单负载测试时，利用CSM电性能测试设备，其由4部分组成：计算机的硬件资源、模块化的采集硬件、可配置的传感器和应用软件。如图1所示。CSM电性能测试设备采用PC机作为硬件平台，CSM数据采集模块作为硬件实时接口，软件采用测控领域广为流行的Vsignalyzer软件，它具有广泛的适用性，可以用于测试多种高低压车载电子电气系统，提供与车载电子电气系统交互的实时接口，模拟信号输入、模拟信号输出、数字I／O、CAN通信接口、电阻输出。

3.3提高车顶绝缘子检查频率

动车组车顶常用的绝缘子材料是聚酯类、硅橡胶复合类。聚酯类绝缘子要在表面喷涂防污闪材料，并做好日常维护。若污垢无法处理，应当加入中性水做清洁。硅橡胶复合绝缘子具有较强的抗污闪性能，硅橡胶虽然抗撕裂性较好，但是结构柔软，机械性能不高。在车辆高速行驶时，伞裙舞边有可能折断、撕裂。恶劣天气发生时，绝缘子闪络频率偏高。因此，不仅要对车顶绝缘子做维护，还应做好相应的日常检查工作，同时要采取措施提高绝缘子结构强度，使其能够适应极端天气。

3.4列车网络控制系统仿真软件的应用

仿真模型能够清晰反映输入输出电气参数在子系统、子系统部件、传统电路中的变化过程和机理，能够完成子系统、子系统部件及控制系统运行所需各组成部分的内部工作过程的、输入输出量的、控制逻辑的以及外部特性的动态仿真。各系统模型之间，模型内部子系统之间、子系统部件之间的所有输入输出及实时参数变化与真实运行系统相符。各系统模型及内部各个子系统、部件模型，可根据外部接口需要通过更改相应参数而达到要求。同时，在仿真过程中，通过预先定义和在线定义的方式可实时查看网络控制系统中各变量和仿真系统中各变量的值。

结束语

动车组高压电气系统由多个部件构成，每个部件的系统故障是不同的。因此，需要对系统的主要部件故障问题做探究。本文分析了系统存在的故障和危害程度，提出了相应的改善建议。通过相关分析构建了可靠性框图，调查得出动车组的高压电气系统故障与动车组维护机制相关，因此要注意加强对高压电气系统的日常维护，确保系统的可靠性。

参考文献

[1]杨国文.出口巴西动车组车辆电气系统[J].铁道车辆,2013,51(03):24-27+45-46.