CRH380B平台动车组辅助供电系统不同模式对其可靠性影响的研究

钱建强 叶 丹 陈骏亚

（中国铁路上海局集团有限公司上海动车段，上海 201800）

0 引言

目前，随着中国高速铁路的飞速发展，与其配套的高速动车组配属数量与服役年限也在不断增加。截至2021 年11 月，CRH380B 平台动车组全路已配属动车组663 列，共814 标准组（8 节编组）。其中，CRH380B 动车组353 列，CRH380BG（耐高寒）动车组191 列，CRH30BL 动车组（16 节编组）151 列，CRH380BJ 和CRH380BJ-A 综合检测车各1 列，数量超过全国动车组配属数量的1/5。由于动车组运行速度快，行驶里程长，因此对安全性及可靠性有较高的要求。其中，辅助供电系统是CRH380B 平台动车组的重要组成部分，负责为车载中压、低压设备（包括各散热及通风机、空调、蓄电池和充电机等）提供电源，其可靠性将直接影响动车组的运行情况。因此研究辅助供电系统核心部件的常见故障对其可靠性的影响对进一步提升动车组运行稳定性有较强的指导意义。

1 辅助供电系统可靠性建模

1.1 辅助供电系统构成

当CRH380B 平台动车组正常运行时，车辆通过受电弓从25 kV 接触网取电，经过主断路器、车顶隔离开关以及车顶高压电缆等设备分别输送给2 台牵引单元的牵引变压器。牵引变流器将牵引变压器二次侧交流电整流为3 000 V 的直流电，再通过辅助变流器模块将其转化为三相AC 440 V/60 Hz 的交流电进行输出，车厢内部则使用110 V 直流电进行供电。充电机的用电由AC 440 V/60 Hz 供电母线提供，蓄电池由充电机供电。与此同时，DC 110 V 负载的用电由110 V 直流母线提供，其电源即为充电机。辅助供电系统结构如图1 所示。

图1 辅助供电系统结构

当一个牵引单元中给辅助变流器供电的牵引变流器发生故障时，另外一个牵引变流器可向另一套辅助变流器供电；同时，当1 个ACU 故障时，系统会通过冗余操作增大其余5 个ACU 的出力，以保证辅助负载全部接入运行；当2 个ACU 或1 个D-ACU 出现故障时，辅助供电系统会进入降级运行模式，供暖及空调系统以平时功率的50%运行。

1.2 辅助供电系统可靠性框图模型

辅助供电系统的可靠性与全系统各部件稳定运行有关。根据辅助供电系统的基本工作原理和各设备间的串、并联状态可以构建其可靠性框图模型，该模型由不同等效单元（A～R）组成，如图2 所示。

1.3 辅助供电系统可靠性网络图模型

动车组操作手册明确规定，当列车处于运行状态时，只能升起1 个受电弓来获取电能，2 个受电弓互为备用系统。因此，在图2 中，A 单元、B 单元互为热备。同时，由于2 组受电弓均能向2 辆车牵引变压器供电，C 单元即为双向传递，因此对A 单元或B 单元进行分析是等效的，该文选择对A 单元受电弓的工作情况进行分析。将图2 简化可得等效网络图模型，如图3 所示。

图2 辅助供电系统可靠性框图

图3 辅助供电系统可靠性网络图

2 辅助供电系统可靠性参数计算

2.1 辅助供电系统串联可靠性参数计算

对串联等效单元来说，可通过个与停工相关的串联部件参数计算故障率λ如公式（1）所示。

式中：λ为部件的故障率。

故障维修时间r如公式（2）所示。

式中：r为部件的故障维修时间。

维修率μ如公式（3）所示。

式中：μ为部件的维修率。

可用度A如公式（4）所示。

不可用度Q如公式（5）所示。

2.2 辅助供电系统并联可靠性参数计算

对并联等效单元来说，可通过个与停工相关的并联部件参数计算故障率λ，如公式（6）所示。

式中：、为部件1、部件2 的故障率；、为部件1、2的故障维修时间。

故障维修时间r如公式（7）所示。

维修率μ如公式（8）所示。

式中：、为部件1、部件2 的维修率。

可用度A如公式（9）所示。

不可用度Q如公式（10）所示。

2.3 辅助供电系统关键部件可靠性参数计算

根据第1.3 节可知，由于牵引变压器互为热备，单独的牵引变压器造成辅助供电系统故障的概率较低，因此从原理上来看，辅助供电系统中的高压输入设备（A 单元、B 单元）对其影响较小。由于当EC、EC车牵引变流器故障时，可以通过闭合耦合开关分别将IC、IC车牵引变流器扩展至TC、TC车的ACU；当IC、IC车牵引变流器故障时，可以通过闭合耦合开关分别将EC、EC车牵引变流器扩展至BC、FC车的D-ACU。因此从原理上来看，辅助供电系统中的牵引变流器（D 单元、E 单元）对其影响较小。

从原理上来看，辅助变流器单元（L、M、N、O、P 以及Q）对辅助供电系统的影响较大。

该文搜集整理了2017 年9 月—2020 年8 月中国铁路上海局集团配属CRH380B 和CRH380BL 的所有辅助变流器的主要故障，总计发现辅助变流器故障591 起。其中，287 起偶发或者闪报故障，经过库内检查后恢复正常；77 起经过复位或者刷软件操作后恢复正常，并未对辅助变流器内相关元器件进行更换。涉及更换辅助变流系统元器件的故障总计227 起。其中，直接涉及更换PWMI 模块的故障43 起，涉及更换PWMI 的控制模块M2500 模块的故障23 起，更换PWMI 前级F10 保险的故障23 起，更换PWMI前后级接触器的故障97 起，更换T变压器1 起，更换散热风扇的故障45 起，更换其他传感器及板卡的故障20 起。

针对相关故障，可使用故障树分析法将辅助变流器特定故障模式与各种引起故障的原因联系起来，构成树状因果关系图。通过分析故障树可以发现系统故障原因的各类可能的组合方式，进而计算其对应的发生概率，从而确定系统的故障概率，并采取纠正措施，以提高系统的可靠性。因此该文针对动车组辅助变流器特定故障模式建立了故障树，通过故障树逻辑功能关系对故障率等可靠性指标进行分配，故障树如图4 所示。由故障树可知，顶层辅助变流器的可靠度R如公式（11）所示。

图4 辅助变流器故障树

式中：R为预充电单元、PWMI、滤波电路、冷却风机以及控制单元的可靠度。

假设预充电单元、整流器、中间环节、逆变器以及冷却单元的故障模式相互独立，且故障规律服从指数分布，则有R=e（λ为不同子部件故障率；e 为自然常数；为展开阶数），将其带入公式（11）并化简，得到公式（12）。

由公式（11）和公式（12）可计算得不同元件的故障率分配指标。

经过参数统计，辅助变流器（指单辅助变流器，将双辅助变流器记为2 台单辅助变流器）故障率见表1。

表1 辅助变流器故障率

2.4 辅助供电系统等效单元可靠性指标

根据辅助供电系统中各元件的可靠性指标，并结合等效元件可靠性指标计算公式，可以计算A～R 单元的等效可靠性指标，见表2。

表2 辅助供电系统等效单元可靠性指标

3 不同工作模式下辅助供电系统可用性计算

3.1 辅助供电系统正常工作模式计算

当辅助供电系统正常工作时，6 套ACU 均投入工作，可保证所有辅助负载正常接入。设辅助供电系统正常工作为事件，则发生情况如公式（13）所示。

式中：～为A～R 正常工作事件；-为A～R 单元故障工作事件。

将表2 的全部数据代入公式（1）～公式（10）及公式（13），可得辅助供电系统正常工作时的可靠性指标，见表3。

表3 辅助供电系统正常工作模式可靠性指标

3.2 辅助供电系统非正常工作模式计算

当辅助供电系统非正常工作时，1 套ACU 故障，5 套ACU投入工作，系统通过冗余操作增大其余5 个ACU 的出力，保证所有辅助负载正常接入。设辅助供电系统非正常工作为事件，则发生情况如公式（14）所示。

将表2 的全部数据代入公式（1）～公式（10）及公式（14），可得辅助供电系统非正常工作时的可靠性指标，见表4。

表4 辅助供电系统非正常工作模式可靠性指标

3.3 辅助供电系统降级运行工作模式计算

当辅助供电系统降级运行时，2 套ACU 故障，4 套ACU投入工作，辅助供电系统进入降级运行模式，系统将主要供暖装置及空调系统的功率降低至1/2。设辅助供电系统降级运行为事件，则发生情况如公式（15）所示。

将表2 的全部数据代入公式（1）～公式（10）及公式（15），可得辅助供电系统降级运行时的可靠性指标，见表5。

表5 辅助供电系统降级运行工作模式可靠性指标

4 结论

通过上述分析和计算，该文得出的结论如下：1）现有CRH380B 平台动车组辅助供电系统的故障原因主要集中在牵引变流器的整流器、中间直流环节、冷却单元以及辅助变流器的预充电电路、PWMI、滤波电路、控制单元和冷却单元。但基于其扩展逻辑设计，其主要故障集中在辅助变流器中。2）目前，CRH380B 平台动车组辅助供电系统整体工作稳定性较高，正常工作时的可用度指标超过0.978，百万公里平均故障率仅为0.101 10次·km，在可用度与可靠性方面均有提升。3）通过几种工作模式的对比可知，当辅助供电系统发生故障时，各辅助变流器采用不同的冗余供电方式，包括非正常工作模式和降级运行工作模式，在保证系统继续运行的同时，还可以提高系统的可用度，并降低平均故障率。