钟森扬
杭州动车运用所，浙江 杭州 310000
摘要：高速铁路是铁路未来的发展方向，各国都投入大量人力物力进行高铁建设。近十年，我国高速列车得到了快速发展，但也暴露一些问题。例如，动车组可靠性故障会造成动车经常性的晚点以及运行安全报警等问题，给高铁的运营推广带来了阻力。牵引供电系统是动车组中最重要的子系统之一，牵引供电系统的可靠性直接影响动车组能否正常运营。
关键词：主变压器；功能框图；故障模式影响分析
引言：故障模式影响分析（FMECA）是分析产品所有可能的故障模式及其可能产生的影响，并按每个故障模式产生影响的严重程度予以分类的一种归类分析方法，其根本目的是从不同角度发现产品的缺陷与薄弱环节，并采取有效的改进和补偿措施以提高其可靠性水平。FMECA方法起源于美国，其应用从航空航天、舰船、兵器等军工领域逐渐渗透到机械、轨道交通、医疗设备等民用领域，并取得了显著的效果。
一、主变压器应用实际情况
主变压器是动车组牵引系统的重要组成部分，本文所研究的主变压器除包含传统意义上由铁芯、绕组构成的器身外，还包括其他附件，主要有冷却单元、保护装置、测量组件及连接组件等。
主变压器功能框图分析表明，电能从受电弓等高压电器接收，通过Ｔ型插头、高压端子传递给绕组和铁芯，再经低压端子供给牵引变流装置。主变压器信号通过电流互感器、温度传感器、瓦斯继电器等测量和保护组件感受，并发送至控制模块，从而主变压器能够正常锁闭或降功率工作。主变压器采用油冷的冷却方式，变压器油在冷却回路中循环流动，经过热交换器时由冷却风机对其进行风冷，油泵为油的循环提供充足的动力，风冷后的变压器油流回油箱中，实现主变压器器身的冷却[1]。
二、FMECA技术
FMECA起源于美国，FMECA技术在20世纪50年代被首次用于美国战斗机操作系统的设计分析并取得了较好效果。它是对系统、部件和零件所有可能出现的故障模式进行分析，分析故障模式对上一级或总体的影响以及危害度，找出故障原因提出改进措施，为维修、寿命管理和研发设计提供依据。FMECA有硬件法和功能法两种基本方法，硬件法是列出各个硬件产品，对所有潜在的故障模式进行分析，根据硬件产品的功能对每个故障模式进行评价。根据数据掌握的情况，评价又分定性和定量两种。笔者采用硬件法对牵引供电系统进行分析。
二、故障模式分析
故障模式是故障的表现形式，在故障模式分析时要注意区分功能故障和潜在故障。主变压器的功能故障是指主变压器或其一部分突然、彻底地丧失了规定功能的事件或状态，如绕组突发短路、铁芯多点接地、测量组件运行损坏、高压端子放电及插头、接线烧损等。
由于主变压器采用油冷的冷却方式，其组成部件最常见的故障模式是渗漏油，主要原因有铸件本身缺陷，密封、焊接不良等，但渗漏的油都是微量的，不会影响主变压器的使用性能。另一类常见故障模式是主变压器过热，如果冷却单元散热效果差，主变压器内部温度升高，会引起绝缘层的劣化与热解，同时也会造成主变压器油变质，严重时会导致动车组降速运行。
主变压器潜在故障是指主变压器或其一部分将不能完成预定功能的事件或状态，是一种指示功能故障，将要发生的一种可鉴别（人工观察或仪器检测）状态。主变压器的潜在故障主要有渗漏油、异声、机械磨损或出现裂纹、滤网脏堵及轻瓦斯等。这些故障的出现不会影响主变压器的使用性能，但如果继续发展下去，有可能会使主变压器丧失功能，转变成后果严重的功能故障。
三、动车组主变压器故障处理措施
（一）牵引供电系统结构层次框图和可靠性框图
结构层次框图和可靠性框图是FMECA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个部分组成，各子系统是树状结构。某动车组的主电路是通过架设在TCO2车车顶的受电弓从接触网接收AC25KV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。
可靠性框图是为每个寿命事件定义了所有系统功能或功能组合的许多相关和不相关的关系，因此提供了能够用做功能FMEA的相互依赖关系的确定[2]。在一个系统中，任何一个单元（子系统或零部件）发生故障，都会导致整个系统发生故障，这种系统称为串联系统。如果将系统看作一根链条、各单元为链条中的一个环节，则其中任一环节断裂都会引起整个链条的失效。
（二）故障检测方法分析
故障检测方法可为主变压器及其组成部件的维修与测试提供依据，一般分为事前检测与事后检测，对于潜在故障模式，应尽可能设计事前检测。目前主变压器仅在进行规定几级维修和平时库检时，对其进行不同程度的检查与维修，即事前检测，其他均等到发生故障后做事后检测。
最典型的事前检测是定期检测主变压器油，通过分析油中溶解气体的成分、特征气体含量和变化趋势等，可判断主变压器是否存在内部潜在故障及故障的性质。主变压器的事后检测主要有保压试验、无损探伤、电气性能试验、动作性能试验、吊芯检查、功率及电流测试等。
适用于主变压器的故障检测方法还可以分为目视检查、离机检查、原位测试等。组件渗漏油，干燥剂变色，零部件松动及翅片、滤网脏堵等通过目视检查即可发现故障位置及严重程度；绝缘损坏，压力释放阀工作异常，测量组件损坏等故障现场无法处理，只能进行离机检查；油泵、风机不工作、油流继电器损坏可采用原位测试的方法来检测故障。
（三）故障模式严重度等级划分
通常在进行FMECA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[3]，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，如果无明确定义，可按表2定义。A类故障：可能导致系统功能丧失，危及行车安全，可能导致人员伤亡。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。
结束语：
基于FMECA方法，综合分析了某动车组牵引供电系统的故障模式、故障原因、故障影响、故障发生频率以及严重度，并对其危害度进行定性分析，得出本系统危险故障源包括：IGBT模块监控不起作用、变压器油泵34-F55跳开、制冷风扇故障和变压器油流故障等。该方法从故障发生概率及其危害程度两个维度全面判断故障对系统的综合影响程度，通过系统危害矩阵对危害度高的故障制定相应的预防或纠正措施，从而实现牵引供电系统的可靠运行。该方法对动车其他子系统的故障研究提供了技术支持。
参考文献：
[1]刘冰.关于高速动车组主变压器故障模式的分析[J].信息周刊,2019,000(008):1-1.
[2]刘诗佳,杨宏博,王华胜,等.动车组主变压器故障模式影响分析[J].铁道机车车辆,2014(01):73-78.
[3]卢碧红,张秉海,曲宝章.动车组牵引供电系统故障模式影响与危害分析[J].振动、测试与诊断,2016,000(001):97-101.