動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 機電工程學院，山西太原030051；2 中國鐵道科學研究院 研究生部，北京100081；3 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

動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 機電工程學院，山西太原030051；2 中國鐵道科學研究院 研究生部，北京100081；3 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

故障模式影響分析是可靠性分析的常用方法，以動車組主變壓器為分析對象，按照功能對其組成部件進行分組，繪制功能框圖說明主變壓器內部能量、物質、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，對主變壓器設計、維修及技術改造方面均具有指導性作用。

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）是分析產品所有可能的故障模式及其可能產生的影響，并按每個故障模式產生影響的嚴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現產品的缺陷與薄弱環節，并采取有效的改進和補償措施以提高其可靠性水平。FMEA方法起源于美國，其應用從航空航天、艦船、兵器等軍工領域逐漸滲透到機械、軌道交通、醫療設備等民用領域，并取得了顯著的效果。

FMEA是可靠性分析的一個重要工作項目，同時也是開展可用性分析、維修性分析和安全性分析的基礎。以動車組主變壓器為分析對象，結合主變壓器的結構特點，對其故障模式、故障影響及嚴酷度進行了分析，對主變壓器維修保養具有指導性作用。

1 主變壓器

主變壓器是動車組牽引系統的重要組成部分，本文所研究的主變壓器除包含傳統意義上由鐵芯、繞組構成的器身外，還包括其他附件，主要有冷卻單元、保護裝置、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組件感受，并發送至控制模塊，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流動，經過熱交換器時由冷卻風機對其進行風冷，油泵為油的循環提供充足的動力，風冷后的變壓器油流回油箱中，實現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形式，在故障模式分析時要注意區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、徹底地喪失了規定功能的事件或狀態，如繞組突發短路、鐵芯多點接地、測量組件運行損壞、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定功能的事件或狀態，是一種指示功能故障，將要發生的一種可鑒別（人工觀察或儀器檢測）狀態。主變壓器的潛在故障主要有滲漏油、異聲、機械磨損或出現裂紋、濾網臟堵及輕瓦斯等。這些故障的出現不會影響主變壓器的使用性能，但如果繼續發展下去，有可能會使主變壓器喪失功能，轉變成后果嚴重的功能故障。

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，主變壓器內部溫度升高，會引起絕緣層的劣化與熱解，同時也會造成主變壓器油變質，嚴重時會導致動車組降速運行。

3 故障原因分析

主變壓器故障原因應根據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、干燥劑品質差等；間接故障原因是指由于其他產品的故障、環境因素和人為因素等引起主變壓器故障的原因，如過電壓，線路環境差，振動劇烈，安裝不當等。

還有些故障原因是介于直接原因和間接原因之間的，如部件出現裂紋以及螺栓、接線柱松動，部分原因是由于運行過程中振動比較劇烈的間接故障原因，但也不排除配件自身質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：要進行FMEA總的、完整的產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FMEA的需要，按產品的功能關系或組成特點進行FMEA產品所在的功能層次或結構層次。

③ 最低約定層次：約定層次中最低層的產品所在層次。它決定了FMEA工作深入、細致的程度。

本文規定主變壓器的FMEA中，動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故障模式對其自身或其他產品的使用、功能和狀態的影響。當分析故障影響時，通常按預先定義的約定層次結構進行，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

在進行最終影響分析時，當所分析的部件在系統設計中已采用了冗余設計、備用工作方式設計或故障檢測與保護設計時，應暫不考慮這些設計措施，即分析該部件的某一故障模式可能造成的最壞故障影響。

故障影響嚴酷度等級是根據故障模式最終可能導致的人員傷亡、任務失敗、經濟損失和環境損害等方面的影響程度確定的。根據主變壓器故障對其所屬牽引系統及對動車組運行帶來的后果，將主變壓器故障影響嚴酷度分為4個等級，具體如表2所示。

表2 故障影響嚴酷度等級

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，一般分為事前檢測與事后檢測，對于潛在故障模式，應盡可能設計事前檢測。目前主變壓器僅在進行規定幾級維修和平時庫檢時，對其進行不同程度的檢查與維修，即事前檢測，其他均等到發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部潛在故障及故障的性質。主變壓器的事后檢測主要有保壓試驗、無損探傷、電氣性能試驗、動作性能試驗、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、離機檢查、原位測試等。組件滲漏油，干燥劑變色，零部件松動及翅片、濾網臟堵等通過目視檢查即可發現故障位置及嚴重程度；絕緣損壞，壓力釋放閥工作異常，測量組件損壞等故障現場無法處理，只能進行離機檢查；油泵、風機不工作、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果

根據實際運用情況，將動車組主變壓器按照其結構圖分為5部分進行故障模式影響分析，結果如表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 主變壓器保護裝置的FMEA

續表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 結束語

故障模式影響分析屬于單因素分析方法，在產品壽命周期內的不同階段，都需要進行不同程度、不同層次的FMEA，從而發現產品的缺陷與薄弱環節，并采取有效的措施予以補償和改進。本文通過對主變壓器進行FMEA，全面闡述了主變壓器組成部件的故障情況，為主變壓器設計、維修及技術改造等工作提供依據，對提高動車組主變壓器可靠性水平具有重要意義。

［1］ 曾聲奎.可靠性設計與分析［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［2］ 時鐘琪，楊德華.變壓器檢修技術問答［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］ 胡啟凡.變壓器試驗技術［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［4］ 郭世明.機車動車牽引交流傳動技術［M］.北京：機械工業出版社，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計劃項目（2012J005-A）。

9—）女，碩士生（

2013－08－19）