高速受電弓與接觸網受流安全的可靠性分析

1、高速受電弓與接觸網受流安全的可靠性分析2009-6-24    北京交通大學電氣學院 供稿    目前，高速鐵路蓬勃快速發(fā)展，并以其穩(wěn)定性、高速度以及舒適性被各界關注。同時也出現(xiàn)了與高速鐵路密切相關的一系列問題，如高速弓網受流穩(wěn)定性，安全性問題等。為了保證高速動車組的穩(wěn)定運行，高速接觸網需要通過與受電弓之間的接觸來提供可靠的電力供應。隨著速度的提高，高速接觸網的動態(tài)變化顯著增大，受電弓與接觸網之間會出現(xiàn)離線現(xiàn)象，受電弓會因為磨損等產生劃痕甚至損壞。因此，需要對高速受流的動態(tài)特性以及進行這種動態(tài)變化的范圍進行研究，以保證受流的

2、安全性。    接觸線與受電弓的相互作用決定供電可靠性和供電質量。其相互作用依賴于受電弓和接觸網的設計方案及大量的參數(shù)。當列車由普通速度提高到高速運行時，受電弓與接觸網的相互作用顯得極為重要，因為電能傳輸是限制實現(xiàn)最高速度的一個因素。評價和預測接觸特性需要通過線路試驗進行計算并確定其客觀標準。通過模擬方法和新的測量方法，對接觸特性的理論研究，已經有所進展和發(fā)現(xiàn)。因為受到對實物進行試驗和試運行范圍局限，所以模擬方法的采用特別有助于開發(fā)新系統(tǒng)并提高性能要求。    受電弓接觸網系統(tǒng)要求通過連續(xù)的，即不中斷的電氣和機械接觸給牽引車輛供電，同

3、時要使接觸線和滑板的磨耗保持盡可能低的程度。電能傳輸系統(tǒng)，特別是接觸網投資高，期望其能達到使用壽命長，維修少的目標要求。檢測既有接觸網接觸特性，可作為評價和檢測接觸網設備的一個方法，同時也是一種檢測局部缺陷的途徑，以便消除缺陷。    鑒于對相關文獻的參考，本文在可靠性工程理論基礎上，對高速下受電弓與接觸網的監(jiān)測及弓網受流的可靠性分析方法進行研究，基于FTA建立了接觸網與受電弓的可靠性模型，提出了一套評價高速弓網關系的可靠性指標體系。弓網受流系統(tǒng)的可靠性模型接觸網的可靠性模型    根據大量統(tǒng)計和國外的經驗，接觸線、承力索和絕緣子等部

4、件的故障分布不符合指數(shù)規(guī)律，故將它們及其相關部件單列，而將符合指數(shù)分布規(guī)律的定位裝置、支持和基礎等合并成一類，得到高速鐵路接觸網失效的故障樹模型，如圖1所示。    由圖1可見，接觸網的各部件之間為串聯(lián)連接。接觸網發(fā)生故障，都將導致牽引供電系統(tǒng)對動車組的供電故障，它是一個邏輯上串聯(lián)的系統(tǒng)。因此整個系統(tǒng)的可靠性指標，如故障率、修復率、修復時間、可用度和不可用度等，均可通過部件的簡單串并聯(lián)公式計算得到。受電弓的可靠性模型    基于FTA同樣建立了受電弓的故障樹，受電弓的各部件單列，認為其符合指數(shù)分布規(guī)律，得到高速鐵路受電弓失效的故障樹模

5、型，如圖2所示。    如圖2可見，受電弓的各部件之間為串聯(lián)連接，受電弓發(fā)生故障，將導致弓網受流系統(tǒng)對動車組的供電故障，由于受電弓與接觸網之間的相互作用，它還會對接觸網產生影響，它是一個邏輯上串聯(lián)的系統(tǒng)。因此整個系統(tǒng)的可靠性指標，如故障率、修復率、修復時間、可用度和不可用度等，均可通過部件的簡單串并聯(lián)公式計算得到。弓網受流的可靠性模型    將圖1和圖2合并得到弓網受流系統(tǒng)的故障樹模型，如圖3所示，接觸網系統(tǒng)與受電弓系統(tǒng)的元件可視為多個元件的串聯(lián)，由圖3可見。不論是受電弓還是接觸網發(fā)生故障都會影響弓網受流，是一個邏輯上的串聯(lián)系統(tǒng)。由于

6、接觸網系統(tǒng)的投資高，如果接觸網發(fā)生故障將會導致嚴重的后果，但受電弓作為一個單獨部件，如果受電弓裝有自動降弓裝置(ADD)，當發(fā)生故障時，可以進行降弓操作，從而避免對接觸網系統(tǒng)造成影響。弓網系統(tǒng)可靠性評估    通過簡單元件的串并聯(lián)公式可以得到接觸網和受電弓的可靠性指標，而整個弓網系統(tǒng)可視為這兩個子系統(tǒng)的串聯(lián)。設各部件的故障率和修復率為不同分布的隨機變量，根據串聯(lián)系統(tǒng)可靠性計算公式，可得接觸網系統(tǒng)的故障率、修復率、修復時間、系統(tǒng)的可用率和不可用率如下：    這樣，就將弓網系統(tǒng)的可靠性評估問題轉化為隨機函數(shù)的數(shù)學期望值的求解問題，利用可

7、靠性，可以實現(xiàn)弓網系統(tǒng)的可靠性評估。弓網可靠性數(shù)據    以100km長的接觸網為一個統(tǒng)計基準，對接觸網和受電弓每個部件的失效和維修進行統(tǒng)計。根據寶成線長年的統(tǒng)計結果，對比較離散的接觸線、承力索和絕緣子的故障率和修復率用梯形模糊變量描述，其余部件用三角形模糊變量描述，得到接觸網故障率、修復率及其模糊分布如表1和表2所示：    表1數(shù)據是一臺德國WBL85（250Km/小時）受電弓上的各部件的數(shù)量、平均無故障里程數(shù)和平均每百萬公里故障次數(shù)：    將接觸網、受電弓的故障率、修復率等均視為隨機模糊函數(shù)，利用

8、式接觸網的可靠性精確和模糊評估。如表3所示。    由表3可見，受電弓的故障率要高于接觸網系統(tǒng)的故障率，弓網的可用率要高于接觸網系統(tǒng)的可用率，是由于接觸網系統(tǒng)的無備用所引起的，并且整個弓網受流系統(tǒng)的故障率、修復率、修復時間和可用率等可靠性指標都與接觸網的諸項指標非常接近，因此可以得到這樣的結論：弓網受流系統(tǒng)的可靠性主要取決于接觸網的可靠性。其次，模糊評估與精確評估的誤差都在5以內，可滿足工程精度的要求。進一步的分析表明，最終的計算結果對梯形分布的 和 ，以及三角形分布的 較敏感，而對隸屬度較低的梯形分布的 和 ，以及三角形分布的 和 不敏感。因此在實際應用中，只要

9、知道了各部件故障率的大致分布，就可以比較精確地計算整個弓網受流系統(tǒng)的各項可靠性指標。這極大地方便了工程應用，特別是對我國投運時間短，尚缺少實際運行經驗和可靠性統(tǒng)計數(shù)據的高速鐵路弓網受流系統(tǒng)，這一優(yōu)點就顯得非常重要。    綜上所述，本文首先基于故障樹分析法分別建立了接觸網和受電弓的可靠性模型，進而建立了整個弓網受流系統(tǒng)的可靠性模型。在大量調研和統(tǒng)計分析的基礎上，用梯形模糊變量來描述接觸線、承力索和絕緣子的故障率和修復率，用三角形模糊變量來描述接觸網和受電弓其他部件的故障率和修復率，利用可信度理論，實現(xiàn)了弓網受流系統(tǒng)可靠性的模糊評估。計算結果表明，弓網受流系統(tǒng)的可靠

10、性主要取決于接觸網的可靠性，而且只要知道了各部件故障率和修復率的大致分布，就可以較準確地計算出整個系統(tǒng)的可靠性指標，誤差滿足工程精度的要求。特別是對我國投運時間短，尚缺少實際運行經驗和可靠性統(tǒng)計數(shù)據的高速鐵路弓網受流系統(tǒng)，本文提出的方法具有一定的工程實用價值。針對受電弓的自動降弓可靠性對于受流系統(tǒng)可靠性將進行進一步的研究。