動(dòng)車組主變壓器故障模式影響分析*

劉詩佳，楊宏博，王華勝，李杰波

（1 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051；2 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京100081；3 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

動(dòng)車組主變壓器故障模式影響分析*

劉詩佳1，楊宏博2，王華勝3，李杰波3

（1 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051；2 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京100081；3 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

故障模式影響分析是可靠性分析的常用方法，以動(dòng)車組主變壓器為分析對象，按照功能對其組成部件進(jìn)行分組，繪制功能框圖說明主變壓器內(nèi)部能量、物質(zhì)、信號的傳遞過程，逐一分析主變壓器的故障模式、故障原因、故障影響及故障檢測方法，并定性劃分主變壓器故障影響嚴(yán)酷度等級，最后得到故障模式影響分析表格。全面分析了主變壓器的故障情況，對主變壓器設(shè)計(jì)、維修及技術(shù)改造方面均具有指導(dǎo)性作用。

主變壓器；功能框圖；故障模式影響分析

故障模式影響分析（FMEA）是分析產(chǎn)品所有可能的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度予以分類的一種歸類分析方法，其根本目的是從不同角度發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，并采取有效的改進(jìn)和補(bǔ)償措施以提高其可靠性水平。FMEA方法起源于美國，其應(yīng)用從航空航天、艦船、兵器等軍工領(lǐng)域逐漸滲透到機(jī)械、軌道交通、醫(yī)療設(shè)備等民用領(lǐng)域，并取得了顯著的效果。

FMEA是可靠性分析的一個(gè)重要工作項(xiàng)目，同時(shí)也是開展可用性分析、維修性分析和安全性分析的基礎(chǔ)。以動(dòng)車組主變壓器為分析對象，結(jié)合主變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其故障模式、故障影響及嚴(yán)酷度進(jìn)行了分析，對主變壓器維修保養(yǎng)具有指導(dǎo)性作用。

1 主變壓器

主變壓器是動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的重要組成部分，本文所研究的主變壓器除包含傳統(tǒng)意義上由鐵芯、繞組構(gòu)成的器身外，還包括其他附件，主要有冷卻單元、保護(hù)裝置、測量組件及連接組件等，如圖1所示。

圖1 主變壓器的構(gòu)成

主變壓器功能框圖如圖2所示，電能從受電弓等高壓電器接收，通過T型插頭、高壓端子傳遞給繞組和鐵芯，再經(jīng)低壓端子供給牽引變流裝置。主變壓器信號通過電流互感器、溫度傳感器、瓦斯繼電器等測量和保護(hù)組件感受，并發(fā)送至控制模塊，從而主變壓器能夠正常、鎖閉或降功率工作。主變壓器采用油冷的冷卻方式，變壓器油在冷卻回路中循環(huán)流動(dòng)，經(jīng)過熱交換器時(shí)由冷卻風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行風(fēng)冷，油泵為油的循環(huán)提供充足的動(dòng)力，風(fēng)冷后的變壓器油流回油箱中，實(shí)現(xiàn)主變壓器器身的冷卻。

圖2 主變壓器功能框圖

2 故障模式分析

故障模式是故障的表現(xiàn)形式，在故障模式分析時(shí)要注意區(qū)分功能故障和潛在故障。主變壓器的功能故障是指主變壓器或其一部分突然、徹底地喪失了規(guī)定功能的事件或狀態(tài)，如繞組突發(fā)短路、鐵芯多點(diǎn)接地、測量組件運(yùn)行損壞、高壓端子放電及插頭、接線燒損等。

主變壓器潛在故障是指主變壓器或其一部分將不能完成預(yù)定功能的事件或狀態(tài)，是一種指示功能故障，將要發(fā)生的一種可鑒別（人工觀察或儀器檢測）狀態(tài)。主變壓器的潛在故障主要有滲漏油、異聲、機(jī)械磨損或出現(xiàn)裂紋、濾網(wǎng)臟堵及輕瓦斯等。這些故障的出現(xiàn)不會(huì)影響主變壓器的使用性能，但如果繼續(xù)發(fā)展下去，有可能會(huì)使主變壓器喪失功能，轉(zhuǎn)變成后果嚴(yán)重的功能故障。

由于主變壓器采用油冷的冷卻方式，其組成部件最常見的故障模式是滲漏油，主要原因有鑄件本身缺陷，密封、焊接不良等，但滲漏的油都是微量的，不會(huì)影響主變壓器的使用性能。另一類常見故障模式是主變壓器過熱，如果冷卻單元散熱效果差，主變壓器內(nèi)部溫度升高，會(huì)引起絕緣層的劣化與熱解，同時(shí)也會(huì)造成主變壓器油變質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)車組降速運(yùn)行。

3 故障原因分析

主變壓器故障原因應(yīng)根據(jù)具體故障模式具體分析，故障原因主要分兩種，即直接故障原因和間接故障原因。直接故障原因是指由于主變壓器及其組成部件自身的物理、化學(xué)變化等造成主變壓器功能故障或潛在故障的原因，如絕緣老化、干燥劑品質(zhì)差等；間接故障原因是指由于其他產(chǎn)品的故障、環(huán)境因素和人為因素等引起主變壓器故障的原因，如過電壓，線路環(huán)境差，振動(dòng)劇烈，安裝不當(dāng)?shù)取?/p>

還有些故障原因是介于直接原因和間接原因之間的，如部件出現(xiàn)裂紋以及螺栓、接線柱松動(dòng)，部分原因是由于運(yùn)行過程中振動(dòng)比較劇烈的間接故障原因，但也不排除配件自身質(zhì)量差的直接故障原因。

4 故障影響分析

（1）約定層次的劃分

約定層次是FMEA中規(guī)定的層次，用于明確分析對象和范圍，常用的約定層次有：

①初始約定層次：要進(jìn)行FMEA總的、完整的產(chǎn)品所在約定層次中的最高層次，它是FMEA最終的影響對象。

②約定層次：根據(jù)FMEA的需要，按產(chǎn)品的功能關(guān)系或組成特點(diǎn)進(jìn)行FMEA產(chǎn)品所在的功能層次或結(jié)構(gòu)層次。

③ 最低約定層次：約定層次中最低層的產(chǎn)品所在層次。它決定了FMEA工作深入、細(xì)致的程度。

本文規(guī)定主變壓器的FMEA中，動(dòng)車組為初始約定層次，主變壓器器身、冷卻單元等為約定層次，繞組、鐵芯、油箱等為最低約定層次。

（2）主變壓器故障影響定義

影響指主變壓器的每一個(gè)故障模式對其自身或其他產(chǎn)品的使用、功能和狀態(tài)的影響。當(dāng)分析故障影響時(shí)，通常按預(yù)先定義的約定層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行，并將故障影響劃分為局部影響、高一層影響和最終影響，其定義如表1所示。

表1 故障影響定義

在進(jìn)行最終影響分析時(shí)，當(dāng)所分析的部件在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已采用了冗余設(shè)計(jì)、備用工作方式設(shè)計(jì)或故障檢測與保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)暫不考慮這些設(shè)計(jì)措施，即分析該部件的某一故障模式可能造成的最壞故障影響。

故障影響嚴(yán)酷度等級是根據(jù)故障模式最終可能導(dǎo)致的人員傷亡、任務(wù)失敗、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損害等方面的影響程度確定的。根據(jù)主變壓器故障對其所屬牽引系統(tǒng)及對動(dòng)車組運(yùn)行帶來的后果，將主變壓器故障影響嚴(yán)酷度分為4個(gè)等級，具體如表2所示。

表2 故障影響嚴(yán)酷度等級

5 故障檢測方法分析

故障檢測方法可為主變壓器及其組成部件的維修與測試提供依據(jù)，一般分為事前檢測與事后檢測，對于潛在故障模式，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)事前檢測。目前主變壓器僅在進(jìn)行規(guī)定幾級維修和平時(shí)庫檢時(shí)，對其進(jìn)行不同程度的檢查與維修，即事前檢測，其他均等到發(fā)生故障后做事后檢測。

最典型的事前檢測是定期檢測主變壓器油，通過分析油中溶解氣體的成分、特征氣體含量和變化趨勢等，可判斷主變壓器是否存在內(nèi)部潛在故障及故障的性質(zhì)。主變壓器的事后檢測主要有保壓試驗(yàn)、無損探傷、電氣性能試驗(yàn)、動(dòng)作性能試驗(yàn)、吊芯檢查、功率及電流測試等。

適用于主變壓器的故障檢測方法還可以分為目視檢查、離機(jī)檢查、原位測試等。組件滲漏油，干燥劑變色，零部件松動(dòng)及翅片、濾網(wǎng)臟堵等通過目視檢查即可發(fā)現(xiàn)故障位置及嚴(yán)重程度；絕緣損壞，壓力釋放閥工作異常，測量組件損壞等故障現(xiàn)場無法處理，只能進(jìn)行離機(jī)檢查；油泵、風(fēng)機(jī)不工作、油流繼電器損壞可采用原位測試的方法來檢測故障。

6 故障模式影響分析結(jié)果

根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況，將動(dòng)車組主變壓器按照其結(jié)構(gòu)圖分為5部分進(jìn)行故障模式影響分析，結(jié)果如表3～表7所示。

表3 主變壓器器身的FMEA

表4 主變壓器冷卻單元的FMEA

表5 主變壓器保護(hù)裝置的FMEA

續(xù)表5

表6 主變壓器測量組件的FMEA

表7 主變壓器連接組件的FMEA

8 結(jié)束語

故障模式影響分析屬于單因素分析方法，在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的不同階段，都需要進(jìn)行不同程度、不同層次的FMEA，從而發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，并采取有效的措施予以補(bǔ)償和改進(jìn)。本文通過對主變壓器進(jìn)行FMEA，全面闡述了主變壓器組成部件的故障情況，為主變壓器設(shè)計(jì)、維修及技術(shù)改造等工作提供依據(jù)，對提高動(dòng)車組主變壓器可靠性水平具有重要意義。

［1］ 曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［2］ 時(shí)鐘琪，楊德華.變壓器檢修技術(shù)問答［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］ 胡啟凡.變壓器試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［4］ 郭世明.機(jī)車動(dòng)車牽引交流傳動(dòng)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

Failure Mode Effects Analysis of EMU Traction Transformer

LIU Shijia1，YANG Hongbo2，WANG Huasheng3，LI Jiebo3
（1 College of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051 Shanxi，China；2 Graduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；3 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Failure mode effects analysis is a common method for reliability analysis.In this paper，traction transformer of electric multiple unit is the analysis object.Traction transformer components are grouped according to different functions.Transfer process of energy，material and signal in traction transformer are illustrated by functional block diagram.Modes，causes，effects and detection methods of failures are analyzed，severity are divided into several levels qualitatively.The consequent of this paper is failure mode effects analysis table.The traction transformer failures are in detail analyzed，it plays a guiding role in maintenance and technical alteration.

traction transformer；functional block diagram；failure mode effects analysis

U269.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.15

1008－7842（2014）01－0073－06

*鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2012J005-A）。

9—）女，碩士生（

2013－08－19）