高速受电弓与接触网受流安全的可靠性分析

    目前，高速铁路蓬勃快速发展，并以其稳定性、高速度以及舒适性被各界关注。同时也出现了与高速铁路密切相关的一系列问题，如高速弓网受流稳定性，安全性问题等。为了保证高速动车组的稳定运行，高速接触网需要通过与受电弓之间的接触来提供可靠的电力供应。随着速度的提高，高速接触网的动态变化显著增大，受电弓与接触网之间会出现离线现象，受电弓会因为磨损等产生划痕甚至损坏。因此，需要对高速受流的动态特性以及进行这种动态变化的范围进行研究，以保证受流的安全性。

    接触线与受电弓的相互作用决定供电可靠性和供电质量。其相互作用依赖于受电弓和接触网的设计方案及大量的参数。当列车由普通速度提高到高速运行时，受电弓与接触网的相互作用显得极为重要，因为电能传输是限制实现最高速度的一个因素。评价和预测接触特性需要通过线路试验进行计算并确定其客观标准。通过模拟方法和新的测量方法，对接触特性的理论研究，已经有所进展和发现。因为受到对实物进行试验和试运行范围局限，所以模拟方法的采用特别有助于开发新系统并提高性能要求。

    受电弓—接触网系统要求通过连续的，即不中断的电气和机械接触给牵引车辆供电，同时要使接触线和滑板的磨耗保持尽可能低的程度。电能传输系统，特别是接触网投资高，期望其能达到使用寿命长，维修少的目标要求。检测既有接触网接触特性，可作为评价和检测接触网设备的一个方法，同时也是一种检测局部缺陷的途径，以便消除缺陷。

    鉴于对相关文献的参考，本文在可靠性工程理论基础上，对高速下受电弓与接触网的监测及弓网受流的可靠性分析方法进行研究，基于FTA建立了接触网与受电弓的可靠性模型，提出了一套评价高速弓网关系的可靠性指标体系。

弓网受流系统的可靠性模型

接触网的可靠性模型

    根据大量统计和国外的经验，接触线、承力索和绝缘子等部件的故障分布不符合指数规律，故将它们及其相关部件单列，而将符合指数分布规律的定位装置、支持和基础等合并成一类，得到高速铁路接触网失效的故障树模型，如图1所示。

    由图1可见，接触网的各部件之间为串联连接。接触网发生故障，都将导致牵引供电系统对动车组的供电故障，它是一个逻辑上串联的系统。因此整个系统的可靠性指标，如故障率、修复率、修复时间、可用度和不可用度等，均可通过部件的简单串并联公式计算得到。

受电弓的可靠性模型

    基于FTA同样建立了受电弓的故障树，受电弓的各部件单列，认为其符合指数分布规律，得到高速铁路受电弓失效的故障树模型，如图2所示。

    如图2可见，受电弓的各部件之间为串联连接，受电弓发生故障，将导致弓网受流系统对动车组的供电故障，由于受电弓与接触网之间的相互作用，它还会对接触网产生影响，它是一个逻辑上串联的系统。因此整个系统的可靠性指标，如故障率、修复率、修复时间、可用度和不可用度等，均可通过部件的简单串并联公式计算得到。

弓网受流的可靠性模型

    将图1和图2合并得到弓网受流系统的故障树模型，如图3所示，接触网系统与受电弓系统的元件可视为多个元件的串联，由图3可见。不论是受电弓还是接触网发生故障都会影响弓网受流，是一个逻辑上的串联系统。

由于接触网系统的投资高，如果接触网发生故障将会导致严重的后果，但受电弓作为一个单独部件，如果受电弓装有自动降弓装置(ADD)，当发生故障时，可以进行降弓操作，从而避免对接触网系统造成影响。

弓网系统可靠性评估

    通过简单元件的串并联公式可以得到接触网和受电弓的可靠性指标，而整个弓网系统可视为这两个子系统的串联。设各部件的故障率和修复率为不同分布的随机变量，根据串联系统可靠性计算公式，可得接触网系统的故障率、修复率、修复时间、系统的可用率和不可用率如下：

    这样，就将弓网系统的可靠性评估问题转化为随机函数的数学期望值的求解问题，利用可靠性，可以实现弓网系统的可靠性评估。

弓网可靠性数据

    以100km长的接触网为一个统计基准，对接触网和受电弓每个部件的失效和维修进行统计。根据宝成线长年的统计结果，对比较离散的接触线、承力索和绝缘子的故障率和修复率用梯形模糊变量描述，其余部件用三角形模糊变量描述，得到接触网故障率、修复率及其模糊分布如表1和表2所示：

    表1数据是一台德国WBL85（250Km/小时）受电弓上的各部件的数量、平均无故障里程数和平均每百万公里故障次数：

    将接触网、受电弓的故障率、修复率等均视为随机模糊函数，利用式①～④接触网的可靠性精确和模糊评估。如表3所示。

    由表3可见，受电弓的故障率要高于接触网系统的故障率，弓网的可用率要高于接触网系统的可用率，是由于接触网系统的无备用所引起的，并且整个弓网受流系统的故障率、修复率、修复时间和可用率等可靠性指标都与接触网的诸项指标非常接近，因此可以得到这样的结论：弓网受流系统的可靠性主要取决于接触网的可靠性。其次，模糊评估与精确评估的误差都在5％以内，可满足工程精度的要求。进一步的分析表明，最终的计算结果对梯形分布的 和 ，以及三角形分布的 较敏感，而对隶属度较低的梯形分布的 和 ，以及三角形分布的 和 不敏感。因此在实际应用中，只要知道了各部件故障率的大致分布，就可以比较精确地计算整个弓网受流系统的各项可靠性指标。这极大地方便了工程应用，特别是对我国投运时间短，尚缺少实际运行经验和可靠性统计数据的高速铁路弓网受流系统，这一优点就显得非常重要。

    综上所述，本文首先基于故障树分析法分别建立了接触网和受电弓的可靠性模型，进而建立了整个弓网受流系统的可靠性模型。在大量调研和统计分析的基础上，用梯形模糊变量来描述接触线、承力索和绝缘子的故障率和修复率，用三角形模糊变量来描述接触网和受电弓其他部件的故障率和修复率，利用可信度理论，实现了弓网受流系统可靠性的模糊评估。计算结果表明，弓网受流系统的可靠性主要取决于接触网的可靠性，而且只要知道了各部件故障率和修复率的大致分布，就可以较准确地计算出整个系统的可靠性指标，误差满足工程精度的要求。特别是对我国投运时间短，尚缺少实际运行经验和可靠性统计数据的高速铁路弓网受流系统，本文提出的方法具有一定的工程实用价值。针对受电弓的自动降弓可靠性对于受流系统可靠性将进行进一步的研究。 ■

                                                                                             （作者：北京交通大学电气学院）