客运专线牵引供电系统可靠性分析与评估

论文摘要

新形势下,我国高速客运专线正处于日新月异的跨越式发展阶段,到2020年将达到1.6万公里。牵引供电系统(TPS)作为高速客运专线的重要子系统,为动车组的持续运行提供动力来源,所以牵引供电系统的可靠直接关系到铁路运输的稳定与安全。牵引供电系统可靠性研究能够为铁路运营决策、维修计划的制定提供重要的理论依据,进而能够为铁路的安全运营、稳定运输保驾护航。鉴于牵引供电系统可靠性研究的重要意义,重点围绕牵引供电系统的结构组成、维修因素、继电保护及软件开发四个主题展开关联研究,致力于发现维修和保护与牵引供电系统可靠性的定量关系,以提高牵引供电系统的可靠性,更好地为客运专线服务。系统阐述了牵引供电系统可靠性的研究意义、研究现状,从现有文献中寻找了相关研究的重要切入点：考虑维修和考虑保护的牵引供电系统可靠性研究。针对牵引供电系统的结构特点,将3F技术(即综合故障模式及后果分析(FMEA)、故障树分析(FTA)和故障报告、分析及纠正措施系统(FRACAS)等三项技术)引入到牵引供电系统的可靠性研究中,分别进行了TPSFMEA、TPSFTA、TPSFRACAS等三项工作,论述了牵引供电系统3F(3TPSF)技术的综合应用。3TPSF技术是一个相互作用的有机组合,可以理顺故障事件的前因后果,有效地积累系统的可靠性数据,防止类似事件的再现,不失为一种研究牵引供电系统可靠性的实用方法。维修是影响牵引供电系统可靠性的重要因素之一,为说明维修对牵引供电系统可靠性的定量影响,选定以牵引变电所电气主接线为研究对象。首先,针对基本串并联系统的可靠性,详细阐述了其理论分析过程及特征结果；然后,在基本系统分析的基础上,建立了牵引变电所电气主接线的不可维修和可维修可靠性模型,给出了两种模型的平均无故障工作时间(MTTF)和平均首次故障前工作时间(MTTFF)的计算策略；最后,通过对比分析不可维修与可维修两种模型的MTTF和MTTFF的计算结果以及三种电气主接线的计算结果,得出如下结论：可维修模型的MTTFF值始终大于可维修模型的MTTF值,可维修模型的MTTFF值始终大于不可维修模型的MTTFF值,可维修模型的MTTF值与不可维修模型的MTTF值的比较则取决于部件维修率的大小。这些结论对牵引供电系统的可靠性规划、设计以及维修策略和标准的制定都有指导意义。继电保护系统作为牵引供电系统安全运行的第一道防线,而且如今高速客运专线的继电保护都采用多功能数字保护装置。为说明继电保护系统与牵引供电系统的内在联系,以数字保护的基本功能为出发点,考虑了保护系统故障的四种起因：硬件、软件、辅助设备和人为失误,在此基础上建立了保护系统／牵引供电系统部件可靠性模型,另外,还考虑了对系统起重要影响的检测和维修过程中的人为失误、定期检修效率、自检的不同可靠性水平、近后备保护误动和断路器失效,并区分了定检和自检分别在检测拒动和误动两种故障模式时的不同。通过算例定量分析了硬、软件故障如何影响系统可靠性,定检周期、自检周期对系统可靠性的影响,计算了保持系统最大正常工作概率的条件下的最佳定检周期和自检周期。所建立的模型能验证多种问题与系统可靠性的关系,满足了多种因素的分析需要。为了更方便、更快捷地进行牵引供电系统的可靠性分析,以现有文献应用成熟的FMEA和FTA为理论依据,研制了一套“客运专线牵引供电系统可靠性评估和数据管理平台”,可以实现牵引供电系统的FTA的建树分析和FMEA的建表分析以及对相关设备的可靠性数据进行有效的管理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 课题的研究意义
• 1.3 课题的研究现状
• 1.3.1 可靠性国内外研究现状
• 1.3.2 电力系统可靠性国内外研究现状
• 1.3.3 牵引供电系统可靠性国内外研究现状
• 1.3.4 继电保护系统可靠性国内外研究现状
• 1.4 论文的研究内容
• 第2章 基于3F技术的牵引供电系统可靠性分析
• 2.1 引言
• 2.2 3F技术概述
• 2.3 牵引供电系统结构组成
• 2.3.1 牵引变电所结构组成
• 2.3.2 接触网结构组成
• 2.4 牵引供电系统FMEA
• 2.4.1 牵引变电所FMEA
• 2.4.2 接触网FMEA
• 2.5 牵引供电系统FTA
• 2.5.1 牵引变电所FTA
• 2.5.2 接触网FTA
• 2.6 牵引供电系统FRACAS
• 2.7 牵引供电系统3F技术的综合运用
• 2.8 小结
• 第3章 考虑维修因素的牵引供电系统可靠性分析
• 3.1 引言
• 3.2 两组件基本系统可靠性理论分析
• 3.2.1 可修系统
• 3.2.2 不可修系统
• 3.2.3 可修系统和不可修系统MTTF和MTTFF的比较
• 3.3 牵引变电所电气主接线的可靠性模型
• 3.3.1 牵引变电所电气主接线
• 3.3.2 牵引变电所电气主接线不可维修时的可靠性模型
• 3.3.3 牵引变电所电气主接线可维修时的可靠性模型
• 3.4 牵引变电所电气主接线可靠性分析
• 3.4.1 牵引变电所电气主接线不可维修模型分析
• 3.4.2 牵引变电所电气主接线可维修模型的可靠性分析
• 3.5 算例分析
• 3.5.1 牵引变电所电气主接线计算结果对比分析
• 3.5.2 三种牵引变电所电气主接线计算结果对比分析
• 3.6 小结
• 第4章 考虑数字保护功能的牵引供电系统可靠性分析
• 4.1 引言
• 4.2 牵引供电系统数字保护
• 4.2.1 牵引供电系统数字保护的特点
• 4.2.2 牵引供电系统数字保护的故障分类
• 4.4 数字保护系统/被保护的牵引供电系统部件的可靠性建模
• 4.4.1 简单模型
• 4.4.2 详细模型
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 保护系统硬软件故障的影响
• 4.5.2 保护系统定检效率的影响
• 4.5.3 保护系统自检效率的影响
• 4.5.4 人为误操作的影响
• 4.5.5 最佳的自检和定检周期
• 4.6 小结
• 第5章 牵引供电系统可靠性评估与数据管理软件
• 5.1 引言
• 5.2 软件结构模块
• 5.2.1 客运专线牵引供电系统数据管理模块
• 5.2.2 客运专线牵引供电系统故障树建模与分析模块
• 5.2.3 客运专线牵引供电系统故障树图库模块
• 5.3 软件功能及使用
• 5.3.1 客运专线牵引供电系统故障树建模与分析功能
• 5.3.2 客运专线牵引供电系统数据管理功能
• 5.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果