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【摘 要】随着我国铁路工程的快速发展，客运高速化已成为必然的发展趋势。如今，我国高速铁路运营里程不断增加，动车组运行可靠性已成为业内关注的重点和难点问题。动车组功能层次、运行条件、故障形式较为复杂，在统计现场数据时缺乏规范性，部件故障问题难以用精确数值表达。为此，文章重点论述动车组高压电气系统的主要构成部分，探析其中的典型故障，提出改善动车组高压电气系统故障的建议。
【关键词】动车组;可靠性;高压电气系统
【中图分类号】U266 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0094-03
1 动车组高压电气系统故障
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。
1.1 受电弓故障
受电弓故障多是高压放电、异物撞击导致的，常见的问题有受电弓碳滑板烧伤、碳滑板磨损、受电弓降弓。第一，我国动车组常会被飞鸟撞击导致故障频发。当发生异物撞击时，风路会漏风，自动降弓阀致使控制风路压力下降。若泄漏量超出自动降弓阀动作值，会使排风口开启，压缩空气被排出，进而引发受电弓下降，导致受电弓和接触网出现更多的损伤。第二，天气原因也会造成受电弓、接触网发生拉弧放电，受电弓碳滑板的供风软管产生泄漏，使受电弓自动降弓。第三，受电弓材质有问题。有一些受电弓的转轴材料很容易折断;或是弓角突然翘起;或是设备存在质量问题，导致碳滑板边缘的碳条和铝基板接缝存在漏风现象。
1.2 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。
1.3 高压互感器故障
高压互感器经常出现灼伤、破损和爆裂情况。互感器的一次、二次绕组是在铁芯上面缠绕的，两者之间有绝缘介质。互感器绝缘物若炸裂，会在断面流出液体。由此可知，互感器线圈位置的绝缘漆处于逐步受热过程，外包树脂材料会避免热量发散而使热量累积后导致绝缘漆融化，最终导致互感器炸裂。分析互感器过热的原因如下：第一，高压互感器本身有缺陷，在浇筑绝缘体时混入杂质，导致高压互感器运行期间发生局部放电;第二，接触网过电压会对互感器的绝缘性能造成破坏，线圈匝短接而出现过大电流;第三，接触网和互感器耦合会造成铁磁谐振，互感器会有过多的热量积聚。
1.4 绝缘子故障
绝缘子故障多是因天气原因导致的。遇到雷电天气时，车顶出现高压放电，绝缘子出现爬电，若此时车顶有异物撞击，就会引发放电，绝缘子被电流灼伤，导致内部金属层受损、质量变差。比如，广州动车段的CRH3068C动车组曾经在2013年1月对D3道进行洗车时发现，受电弓右侧绝缘子发生放电，绝缘子已经变成纯白色，而绝缘子旁边的受电弓风管有接头断裂、碳滑板也被烧伤。因此，当发现绝缘子有爬电痕迹时，需要及时处理。
1.5 隔离开关故障
隔离开关故障有过热损伤和爬电灼伤两种形式。故障发生多因接触弹簧损伤，绝缘子弹簧片发生灼伤，这种情况会导致绝缘片和弹簧片融化。依据车载数据得出，出现这类问题主要是接触弹簧和绝缘片没有很好地接触，造成接触面积缩小 [2]。当受到负载影响时，隔离开关会放电或生热，而后会散发出亮光。此外，起初弹簧片存在设计问题，导致弹簧片和绝缘片不能紧合，也会导致电灼事故发生。
2 改善动车组高压电气系统故障的建议
动车组高压电气系统的可靠性运行与高压部件有关。针对上文提出的电气系统故障，提出如下改善建议。
2.1 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。
2.2 保障高压电缆性能
绝缘子伞裙和电缆防护套被污染，会频繁引发高压电缆事故。为此，需要及时清洁高压电缆，而且要严格管控紧固件的质量，保障接地线性能良好。若高压电缆已经出现较大损伤，要立即更换终端和电缆。从目前的运行情况来看，高压电缆接头很容易发生故障，故可考虑更换压电缆附件材质。
2.3 定期维护高压互感器
高压互感器需要定期维护，保证高压互感器的整洁。日常维修时，要对高压互感器绝缘体进行检查，如果高压互感器发生严重损伤要及时更换。此外，要注意检查低压端电气、车顶密封胶、紧固件的运行狀况。若高压互感器发生爆裂，应当做预防试验并及时替换互感器。
2.4 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。 2.5 定期处理隔离开关
隔离开关很少会产生故障，通常是出现灼伤损伤。因此，要注意对隔离开关进行定期维护，避免隔离开关产生高压系统放电。在检修时需要注意紧固件、绝缘子伞裙、软连线是否牢固。此外，要定期检查隔离闸刀磨损情况和外观情况，若损伤严重需要及时更换。
3 动车组高压电气系统可靠性分析
动车组的系统较为复杂，而高压电气系统是其中的关键组成部分。依据可靠性理论，复杂系统发生故障是随机的。在发生故障之后需及时修复和更换。为此，应当引入和实施可靠性指标进行计算 [3]。
3.1 可靠性建模分析
可靠性模型的构建是为了对产品可靠性做估算而建立的数学模型。依据研究所需，常见的可靠性分析有可靠性框图、故障模式、故障树分析法。可靠性框图是针对复杂产品实施的功能模式，运用方框对组成部分故障进行说明，这是可靠性分析最常用的方式，能用来表现并联、串联。并联是指系统各单元产生故障后，系统将会出现故障;串联是指系统各单元中的任一单元产生故障，引发系统故障。可以根据动车组高压电气系统的实际情况决定。
3.2 CRH2动车组
CRH2动车组该动车组是运用现代化动力驱动的电动车组，其高压电气系统由受电弓、高压隔离开关、高压电缆接头、特高压电缆、保护接地开关构成。运用这一系列装置，动车组将在受电弓接受25 kV的单相交流电，再由真空断路器和牵引变压器相连。依据可靠性理论，可将这一动车组组成结构、电能传输关系描述如图1所示。
3.3 CRH3动车组
CRH3动车组是用电力牵引实施交流传动，它是4动4拖，并由2个牵引单元构成。CRH3动车组的气动外形较好，最高试运营速度为400 km/h。动车的两端是司机室，两列动车组可联挂运行。该动车组的高压电气设备分为主断路器、受电弓、绝缘子、高压互感器、高压电缆、主断路器、牵引变压器等。其中，受电弓在2、7号车的车顶安装，并用单弓受流。依据可靠性理论方法，以该型号动车组的高压电气系统构成情况做分析，得出图2的可靠性框图 [4]。
3.4 CRH5动车组
CRH5动车组是8辆编组组成，3辆是拖车，5辆是动车。其中，拖车是3、5、6号车，动车是1、2、4、7、8号车。动车组运营期间多是短编组2列（8辆）车做运营，或者是长编组1列（16辆）做运营。动车组的高压电气系统由接触网得到单相交流电（25 kV、50 Hz），以此牵引更多的设施或设备，并做高压系统控制、保护及检测。这些电路系统是由网侧检测装置、主断路器、受电弓及避雷器组成。依据可靠性理论，并依据系统电能传输和组成构成，得出可靠性框图如图3所示。
3.5 动车组高压电气系统可靠性分析软件
可靠性分析中，软件可分成文件、可靠性分析和事故报告查询3个部分。文件即上文提出的可靠性框图和布置图;可靠性分析有单一车型和混合车型，这两类车型的可靠性分析有元件和系统两种;事故报告查询即对事故报告进行检索、添加与删除。
依据故障数据情况，单一或混合车型动车组的系统、部件均用可靠性指标进行计算，公里可靠数、平均故障率均能用计算结果导出 [5]。在事故报告查询方面，是对动车组近段时间的事故报告做收录，并依据配属局段、车型、损伤部件、事故类型和发生情况做存储，以此实现事故报告的查询和检索。若有新事故报告发生，可进行实时添加或删除。为了更好地处理这些问题，可靠性框图将运用C#语言进行存储和展示。计算元件的可靠性时，首先选择元件，然后输入行公里数和故障次数，由此计算、预览和导出可靠性指标。系统可靠性计算是参考统计值计算或建模计算。统计值计算是按照公式计算指标，而建模计算是选择适合的车型，并通过系统可靠性公式进行计算。事故报告是摘选其中的故障部件、车型和实践等词汇进行事故报告信息存储。
4 结语
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]陈文波.基于高压电气系统的高压电机与电氣开关自动化测试系统设计[J].粘接，2020，44（10）：126-130.
[2]吴锐志.电力系统中高压电气试验的检测与研究[J].工程技术研究，2020（16）：107-108.
[3]翟亮.电力系统高压电气试验的问题分析[J].电子技术，2020，49（8）：110-111.
[4]王长华.过电压对电力机车高压电气设备的影响[J].黑龙江科学，2018（24）：114-115.
[5]张书奇.列车高压设备的电磁兼容研究[D].大连：大连交通大学，2018.
【关键词】动车组;可靠性;高压电气系统
【中图分类号】U266 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0094-03
1 动车组高压电气系统故障
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。
1.1 受电弓故障
受电弓故障多是高压放电、异物撞击导致的，常见的问题有受电弓碳滑板烧伤、碳滑板磨损、受电弓降弓。第一，我国动车组常会被飞鸟撞击导致故障频发。当发生异物撞击时，风路会漏风，自动降弓阀致使控制风路压力下降。若泄漏量超出自动降弓阀动作值，会使排风口开启，压缩空气被排出，进而引发受电弓下降，导致受电弓和接触网出现更多的损伤。第二，天气原因也会造成受电弓、接触网发生拉弧放电，受电弓碳滑板的供风软管产生泄漏，使受电弓自动降弓。第三，受电弓材质有问题。有一些受电弓的转轴材料很容易折断;或是弓角突然翘起;或是设备存在质量问题，导致碳滑板边缘的碳条和铝基板接缝存在漏风现象。
1.2 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。
1.3 高压互感器故障
高压互感器经常出现灼伤、破损和爆裂情况。互感器的一次、二次绕组是在铁芯上面缠绕的，两者之间有绝缘介质。互感器绝缘物若炸裂，会在断面流出液体。由此可知，互感器线圈位置的绝缘漆处于逐步受热过程，外包树脂材料会避免热量发散而使热量累积后导致绝缘漆融化，最终导致互感器炸裂。分析互感器过热的原因如下：第一，高压互感器本身有缺陷，在浇筑绝缘体时混入杂质，导致高压互感器运行期间发生局部放电;第二，接触网过电压会对互感器的绝缘性能造成破坏，线圈匝短接而出现过大电流;第三，接触网和互感器耦合会造成铁磁谐振，互感器会有过多的热量积聚。
1.4 绝缘子故障
绝缘子故障多是因天气原因导致的。遇到雷电天气时，车顶出现高压放电，绝缘子出现爬电，若此时车顶有异物撞击，就会引发放电，绝缘子被电流灼伤，导致内部金属层受损、质量变差。比如，广州动车段的CRH3068C动车组曾经在2013年1月对D3道进行洗车时发现，受电弓右侧绝缘子发生放电，绝缘子已经变成纯白色，而绝缘子旁边的受电弓风管有接头断裂、碳滑板也被烧伤。因此，当发现绝缘子有爬电痕迹时，需要及时处理。
1.5 隔离开关故障
隔离开关故障有过热损伤和爬电灼伤两种形式。故障发生多因接触弹簧损伤，绝缘子弹簧片发生灼伤，这种情况会导致绝缘片和弹簧片融化。依据车载数据得出，出现这类问题主要是接触弹簧和绝缘片没有很好地接触，造成接触面积缩小 [2]。当受到负载影响时，隔离开关会放电或生热，而后会散发出亮光。此外，起初弹簧片存在设计问题，导致弹簧片和绝缘片不能紧合，也会导致电灼事故发生。
2 改善动车组高压电气系统故障的建议
动车组高压电气系统的可靠性运行与高压部件有关。针对上文提出的电气系统故障，提出如下改善建议。
2.1 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。
2.2 保障高压电缆性能
绝缘子伞裙和电缆防护套被污染，会频繁引发高压电缆事故。为此，需要及时清洁高压电缆，而且要严格管控紧固件的质量，保障接地线性能良好。若高压电缆已经出现较大损伤，要立即更换终端和电缆。从目前的运行情况来看，高压电缆接头很容易发生故障，故可考虑更换压电缆附件材质。
2.3 定期维护高压互感器
高压互感器需要定期维护，保证高压互感器的整洁。日常维修时，要对高压互感器绝缘体进行检查，如果高压互感器发生严重损伤要及时更换。此外，要注意检查低压端电气、车顶密封胶、紧固件的运行狀况。若高压互感器发生爆裂，应当做预防试验并及时替换互感器。
2.4 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。 2.5 定期处理隔离开关
隔离开关很少会产生故障，通常是出现灼伤损伤。因此，要注意对隔离开关进行定期维护，避免隔离开关产生高压系统放电。在检修时需要注意紧固件、绝缘子伞裙、软连线是否牢固。此外，要定期检查隔离闸刀磨损情况和外观情况，若损伤严重需要及时更换。
3 动车组高压电气系统可靠性分析
动车组的系统较为复杂，而高压电气系统是其中的关键组成部分。依据可靠性理论，复杂系统发生故障是随机的。在发生故障之后需及时修复和更换。为此，应当引入和实施可靠性指标进行计算 [3]。
3.1 可靠性建模分析
可靠性模型的构建是为了对产品可靠性做估算而建立的数学模型。依据研究所需，常见的可靠性分析有可靠性框图、故障模式、故障树分析法。可靠性框图是针对复杂产品实施的功能模式，运用方框对组成部分故障进行说明，这是可靠性分析最常用的方式，能用来表现并联、串联。并联是指系统各单元产生故障后，系统将会出现故障;串联是指系统各单元中的任一单元产生故障，引发系统故障。可以根据动车组高压电气系统的实际情况决定。
3.2 CRH2动车组
CRH2动车组该动车组是运用现代化动力驱动的电动车组，其高压电气系统由受电弓、高压隔离开关、高压电缆接头、特高压电缆、保护接地开关构成。运用这一系列装置，动车组将在受电弓接受25 kV的单相交流电，再由真空断路器和牵引变压器相连。依据可靠性理论，可将这一动车组组成结构、电能传输关系描述如图1所示。
3.3 CRH3动车组
CRH3动车组是用电力牵引实施交流传动，它是4动4拖，并由2个牵引单元构成。CRH3动车组的气动外形较好，最高试运营速度为400 km/h。动车的两端是司机室，两列动车组可联挂运行。该动车组的高压电气设备分为主断路器、受电弓、绝缘子、高压互感器、高压电缆、主断路器、牵引变压器等。其中，受电弓在2、7号车的车顶安装，并用单弓受流。依据可靠性理论方法，以该型号动车组的高压电气系统构成情况做分析，得出图2的可靠性框图 [4]。
3.4 CRH5动车组
CRH5动车组是8辆编组组成，3辆是拖车，5辆是动车。其中，拖车是3、5、6号车，动车是1、2、4、7、8号车。动车组运营期间多是短编组2列（8辆）车做运营，或者是长编组1列（16辆）做运营。动车组的高压电气系统由接触网得到单相交流电（25 kV、50 Hz），以此牵引更多的设施或设备，并做高压系统控制、保护及检测。这些电路系统是由网侧检测装置、主断路器、受电弓及避雷器组成。依据可靠性理论，并依据系统电能传输和组成构成，得出可靠性框图如图3所示。
3.5 动车组高压电气系统可靠性分析软件
可靠性分析中，软件可分成文件、可靠性分析和事故报告查询3个部分。文件即上文提出的可靠性框图和布置图;可靠性分析有单一车型和混合车型，这两类车型的可靠性分析有元件和系统两种;事故报告查询即对事故报告进行检索、添加与删除。
依据故障数据情况，单一或混合车型动车组的系统、部件均用可靠性指标进行计算，公里可靠数、平均故障率均能用计算结果导出 [5]。在事故报告查询方面，是对动车组近段时间的事故报告做收录，并依据配属局段、车型、损伤部件、事故类型和发生情况做存储，以此实现事故报告的查询和检索。若有新事故报告发生，可进行实时添加或删除。为了更好地处理这些问题，可靠性框图将运用C#语言进行存储和展示。计算元件的可靠性时，首先选择元件，然后输入行公里数和故障次数，由此计算、预览和导出可靠性指标。系统可靠性计算是参考统计值计算或建模计算。统计值计算是按照公式计算指标，而建模计算是选择适合的车型，并通过系统可靠性公式进行计算。事故报告是摘选其中的故障部件、车型和实践等词汇进行事故报告信息存储。
4 结语
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]陈文波.基于高压电气系统的高压电机与电氣开关自动化测试系统设计[J].粘接，2020，44（10）：126-130.
[2]吴锐志.电力系统中高压电气试验的检测与研究[J].工程技术研究，2020（16）：107-108.
[3]翟亮.电力系统高压电气试验的问题分析[J].电子技术，2020，49（8）：110-111.
[4]王长华.过电压对电力机车高压电气设备的影响[J].黑龙江科学，2018（24）：114-115.
[5]张书奇.列车高压设备的电磁兼容研究[D].大连：大连交通大学，2018.