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机车车辆整车可靠性指标的探讨
摘要：通过对机车车辆整车的可靠性指标进行探讨，提出了MDBF、MDBFF和上线率作为机车车辆制造企业产品可
靠性指标的建议，为制造企业进一步满足用户要求、开展产品可靠性的研究奠定基础。
关键词：机车车辆；可靠性指标；平均故障间隔距离；平均功能故障间隔距离；基本可靠性；任务可靠性
0引言
随着我国国民经济的快速发展，交通、物流与日俱
增。铁路运输担负了全国货运总量的70%和客运总量的
60%。作为承担铁路运输的装备———机车车辆运用的安
全准点，是保证铁路运输的关键因素之一。因此要求机车
车辆具有很高的可靠性。最新的国际铁路行业标准IRIS
更是明确提出了对RAMS（可靠性、可用性、可维护性和
安全性）的要求。因此提高产品的可靠性，已是铁路装备
制造企业参与国际竞争的关键因素。由于我国对机车车
辆整车可靠性的相关研究还处于初步阶段，目前只能参
照其他系统的可靠性标准，凭经验及大致的统计数据来
提出可靠性的要求，尚未建立成熟的可靠性指标和验收
体系，使得机车车辆整车可靠性管理不尽人意。因此开展
机车车辆可靠性要求的研究，建立科学规范的机车车辆
可靠性指标和验收体系对于机车车辆制造企业具有深刻
的意义。
由于机车车辆整车的可靠性指标及其验证方法极为
复杂，本文仅对其可靠性指标的建立进行探讨，并提出建
议。
1机车车辆整车可靠性指标现状
目前从机车车辆整车的技术文件中可以看到，涉及
到的可靠性指标基本上为机破率、临修率和碎修率。然
而，在具体使用机破率、临修率和碎修率来考核机车车辆
整车的可靠性时将存在着一些问题。
根据IEC60050（191）的定义，可靠性是“产品在规定
的条件下和规定的时间区间（t1，t）2内完成规定功能的能
力”，它的定量化指标———可靠度，就是“产品在规定的条
件下和规定的时间内完成规定的功能的概率”。因此，实
际上讨论可靠性就是讨论故障概率。机车车辆机破率，是
以在用机车车辆总运行公里数除以从时间t=0至时间
t=t1的累计机破故障数量而得到的比率。机车车辆临修
率，是以在用机车车辆总运行公里数除以从时间t=0至
时间t=t1的累计机车非修程入库检修的故障数量而得到
的比率。机车车辆碎修率，是以在用机车车辆总运行公里
数除以从时间t=0至时间t=t1的累计机车非修程不入库
检修的故障数量而得到的比率。这都是一种累积故障概
率（F（）t）。
首先，由于这种累积故障概率考核的是所有在用的
特定机型的机车车辆，那么在用的机车车辆的运行公里
数的大小对累积故障概率的影响很大。运行公里数越大，
累积故障概率越小。同时由于每一台（批）机车车辆投入
运用的时间不同，按照产品故障浴盆曲线的原理，出现的
故障类型和概率是不同的。而我们就特定时间统计所有
机车车辆的运用，就可能出现故障类型和概率的偏差。
其次，可靠性分为固有可靠性和使用可靠性，也可分
为基本可靠性和任务可靠性。机破率、临修率和碎修率，
考核的是固有可靠性、基本可靠性，还是考核使用可靠
性、任务可靠性，必须加以说明，否则容易对可靠性产生
不同的理解，从而采取不同的可靠性保证方案。
第三，机破率的统计，以导致任一列车晚点5 min（以
京广线为例）的设备故障为机破故障。然而，在实际运行
中，当设备故障后，影响列车晚点的因素是多方面的，它
不仅与故障类型、系统的可维修性有关，还与司乘人员的
技术水平、产品设计的冗余等有密切关系。如：机车运行
途中硅机组因电容击穿显示主接地故障，司乘人员隔离
部分电机维持运行，正点到达，未造成机破，但实际上产
品出现了故障；有时，也可能因培训不到位，司乘人员对
产品不熟悉，可能操作不当，使得列车晚点而导致机破，但产品本身却未出现故障。
从上述分析可以看出，机破率、临修率和碎修率难以
真实、全面的反映产品的可靠性，对推动制造企业提高产
品可靠性的作用有限。因此，有必要对机车车辆整车的可
靠性指标加以研究与探讨。
2机车车辆整车可靠性指标
国际电工委员会（IEC）、欧洲标准（EN）均针对轨道
交通制定了可靠性要求，即IEC 62278、EN 50126、EN
50128、EN 50129等。但这些标准仅给出了轨道交通适用
的可靠性典型参数示例，不具有实际的操作指导意义。通
过对比IEEE有关标准和机车车辆实际运行经验，在考虑
机车车辆整车可靠性指标时，建议使用平均功能故障间
隔距离（Mean Distance Between Functional Failure，
MDBFF）、平均故障间隔距离（Mean Distance Between Fail-
ure，MDBF）以及机车车辆上线率（On Line Service Rate）
三个指标来综合衡量机车车辆整车的可靠性。
MDBF作为机车车辆整车基本可靠性的特征量，可
以反映出整车运用对维修人员、维修时间、维修费用、备
品备件需求的要求。一个系统基本可靠度低，即使能够满
足任务可靠度的要求，也会导致系统维护成本高。或者说
通过设备冗余的保证，虽然能够满足任务可靠度，但其后
发生的维修成本也是不可忽视的，由此带来的系统复杂
程度增加，系统基本可靠性也会降低。
从国际轨道交通装备制造企业设立的质量指标来
看，有6项指标属于MDBF要衡量的范围。具体如下：
1）零公里故障：产品到段尚未正式投入运用阶段出
现的故障。
2）早期故障：产品投入运用至定义的最短修程阶段
出现的故障。
3）运行故障：产品在正常运行中出现故障但能到达
目的地。
4）非定期检修：不在规定的修程时间所进行入库检
修和不入库检修。
5）停机故障：产品在运行中突然停机，但因重联或连
挂的原因能够被牵引到达目的地。
6）使命故障：产品在运行中故障而不能到达目的地。
MDBFF作为机车车辆整车任务可靠性的特征量，可
以反映出整车在规定的时间段内或任务段内完成规定功
能的能力。这个特征量与我们现行通用的机破率有近似
之处，但量纲不同。作为制造企业，为了保证整车的任务
可靠，不得不在整车设计中考虑一定的设备冗余，同时又
得兼顾系统的简化，这是一对矛盾。
MDBF和MDBFF两项可靠性指标反映的是机车车
辆在承担运输任务过程中的质量状况，它们均不能反映
机车车辆不承担运输任务时的质量状况。有时，上线运行
的机车车辆质量状况良好，没有出现故障，但在段备用的
机车车辆质量状况却不佳，甚至不能上线运行。虽然
MDBF和MDBFF两项可靠性指标能满足要求，但备用机
车车辆的质量状况却无法满足用户的要求。因此，国际铁
路行业引入了上线率这一指标。机车车辆上线率的定义
是上线运行的机车车辆数与良好的备用机车车辆数之和
除以总机车车辆数。上线率指标客观地反映了制造企业
的服务质量、产品的可维护性和可用性水平，也影响了用
户运输的可靠性，是用户目前关注的焦点之一。因此，机
车车辆整车上线率也应当作为可靠性的指标。
综上所述，可以将MDBF作为基本可靠性指标，衡量
机车车辆整车对维修人员、维修时间、维修费用、备品备
件需求的要求。将MDBFF作为任务可靠性指标，衡量机
车车辆整车完成规定功能的能力。上线率作为整车可靠
性的关联指标。
3 MDBF和MDBFF的测算
由于机车车辆是大型机电产品，不能简单以电子零
部件或机械零部件来测算可靠性数据。虽然零部件本身
故障模式的种类并不多，但成为整机产品后，需考虑的因
素就比较多了，如各零部件所具有的故障模式的组合，由
于零部件的组合而组成的（不是来自零部件的故障）故障
模式的复合。因此从整机来看，形成大量近似函数的复
合，其形式变得复杂。
实际测算中，可以用威布尔概率纸测算故障概率直
线的斜率，以获得形状参数m来确定故障的性质（m=1，
偶然性故障；m>1，耗损性故障）。
用指数分布来概算故障率λs，系统的每个单元都服
从指数分布，则单元可靠度R（i）t=e-λit
系统可靠度R（st）=e-λ1te-λ2te-λ3t……e-λnt=e-λst
系统故障率λs=λi
平均故障间隔时间MTBF=1/λs
考虑到传统上机车车辆故障是按照运行公里数进行
统计，加之机车车辆在段备用的时间对平均故障间隔时
间将产生影响，因此建议采用平均无故障间隔距离
（MDBF）来代替平均故障间隔时间进行可靠性的概算，仍
然要统计1/λs。
以配属三个机务段的某车型某年十月份的故障统
计，来测算该车的MDBF和MDBFF，可以看出其与机破、
临修的差异，如表1和表2所示。通时，RC回路中的冲击电流过大（为电容器最大工作电
流的2.55倍），使电容器加速老化，出现降级或损坏。电
阻的功率为最大工作功率的1.55倍，不能满足电阻的工
作要求。
2）采用改造后参数（R=12.4Ω，C=18μF），在整流桥
90°开放，晶闸管导通时，电容的放电电流的峰值只为改
造前取值的1/3，电阻的功率也比改造前参数取值下降
100 W左右。晶闸管关断时，电容器的放电电流峰值为改
造前的1/2，更好地改善了整流元件的工作条件。
3）改造后，在整流桥90°导通时，电容器的极限工
作电流值只为最大工作电流的1.2倍，电阻的极限工作
功率为最大工作功率的1.4倍。考虑到整流桥90°换向
为瞬时发热，电阻有一定的散热时间，电阻出现烧损的可
能性较小。
4结语
2007年底在新乡机务段和准格尔机务段，按照上述
改造方案各试改了5台SS4改型机车，运行至今没有再
次出现RC回路电阻和电容烧损击穿问题。说明该改造
方案能解决SS4改型机车RC回路电阻和电容烧损击穿
故障。并且该改造方案简单，改造成本低，适合在其他SS4
改型机车进行批量改造。
参考文献：
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[2]蒋家久.电力机车牵引绕组阻尼电路参数匹配对设备安全的影响
[2][J].铁道机车车辆，2005（4）.
电气化铁路中SVC负序补偿应用技术研究 摘要：随着电气化铁路的迅速发展，电铁牵引负荷产生的负序分量及高次谐波，除对牵引供电系统造成危害外，还会造成电力系统负序及谐波污染[1]，因而，电铁的负序及谐波危害已成为制约我国电气化铁路发展的重要因素。结合电气化铁路给电网带来的影响，着重探讨电铁负序补偿中SVC的使用问题。根据国外一些发达国家如日本、澳大利亚等国成功将SVC技术应用在电气化铁路的无功和负序补偿案例以及国内SVC负序补偿应用实例，对SVC负序补偿原理及运行方式进行了研究分析，对SVC在电铁负序治理中的应用前景做了初步探讨，以期提高电力系统运行的经济效益和社会效益。 关键词：电气化铁路；负序补偿；SVC 0 引言 世界上第一条用电力机车作为牵引动力的电气化铁路于1879年在德国柏林建成。中国于1961年建成第一条电气化铁路———宝成铁路的宝鸡至凤州段。电气化铁路问世后发展很快，法国、日本、德国等国家已形成以电气化铁路为主的铁路运输业，大部分货运量由电气铁路完成。电气化机车上不设原动机，其电力由牵引供电系统提供。该系统由牵引变电所和接触网构成，来自高压输电线路的高压电经牵引变电所降压整流后，送至铁路架空接触网，电气机车通过滑线弓受电，牵引机车行驶。由于电力机车运营可以使铁路运输成本降低30%～40%，因此越来越成为发展的方向。电力机车是波动性很大的大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系统供电来说，电铁牵引负荷具有非线形、不对称和波动性的特点，将产生三相不平衡的负序及高次谐波电流注入电网[1]，使得旋转电机转子发热、电力变压器使用寿命缩短、输电线路送电能力降低，继电保护装置误动及安全自动装置不能正常投切等诸多影响电网运行的不利因素。因此，必须对电铁机车对电力系统的影响有足够的重视并采取应对措施[2-3]。目前关于电铁谐波治理的技术已经趋于成熟[4]，但对于负序的治理仍存在很多问题，传统上广泛使用的关于减小电铁负序分量的方法大多是合理安排机车及系统机组运行方式，尽量削弱电铁负序分量对电网的影响，此方法虽能在一定程度上控制电铁对电力系统的影响，但仍存在诸如列车运行方式临时变化、电力系统机组检修等问题，影响治理效果。根据电铁负荷给电网带来的负序影响，着重对SVC负序补偿基本原理及运行方式进行了研究分析；将国内外应用SVC治理电铁负序分量的案例做了综述；最后对SVC在电铁负序治理中的应用前景做了初步探讨。 1 电铁负荷负序分量对电网的影响 1.1 负序分量对电网的影响[2] 1.1.1 对旋转电机的影响 1）汽轮发电机转子为敏感部位，因为汽轮发电机转子负序温升比定子大，存在局部高温突出部位，国内曾发生过向电铁供电的汽轮发电机转子部件嵌装面过热受损的事故；另一方面，当负序电流流过发电机时，产生负序旋转磁场、负序同步转矩，使发电机产生附加振动。 2）对邻近牵引变电所而远离电源的异步电动机，其定子绕组为敏感部位。同时还将在电动机中产生一反向旋转磁场，此反向磁场对电动机转子起制动作用，影响其出力。在谐波和负序电流的共同影响下，国内曾发生多起定子绕组过热烧毁事故。 1.1.2 对电力变压器的影响负序电流造成电力系统三相电流不对称，使得变压器的额定出力不足（即变压器容量利用率下降）。 1.1.3 对输电线路的影响流过电力网的负序电流，只是降低了电力线路的输送能力，并不作功。 1.1.4 对继电保护和自动装置的影响对各种以负序滤波器为启动元件的保护及自动装置干扰：由于保护按负序（基波）量整定，整定值小、灵敏度高。滤波器为启动元件时，实际运行中已引起下列保护和自动装置误动。 1）发电机的负序电流保护误动。2）变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动。3）母线差动保护的负序电压闭锁元件误动。4）自动故障录波装置的负序启动元件的误启动，导致无故障记录而浪费记录胶卷。在频繁误动时，可能造成未能及时装好新胶卷而导致发生故障时无记录。 1.2 负序分量影响的标准[5] 我国有关同步发电机承受不平衡电流允许值的规定如下：1）在按额定负荷连续运行时，汽轮发电机三相电流之差不超过额定值的10％，水轮发电机和同步调相机三相之差不超过额定值的20％，同时任何一相的电流不得大于额定值。2）在低电压额定负荷连续运行时，各相电流之差可以大于上面的规定值，但应根据实验确定数值。对于100 MW及以下汽轮发电机，当三相负荷不对称时，若每相电流均不超过额定值，且负序分量与额定电流之比不超过8％，应能连续运行，100 MW以上的发电机，一般认为负序分量与额定电流之比不超过5％。 2 SVC负序补偿基本原理及运行方式[6-8] SVC全称为“静止型动态无功补偿器”，主要用于补偿用户母线上的无功功率，其通过连续调节其自身无功功率来实现的，一般SVC由并联电感和电容两个回路组成，其中感性回路为动态回路，其感性无功功率可连续分相调整，使得整个装置无功功率的大小和性质发生变化，分相控制的依据为三相平衡原理。用Qs表示系统总无功功率，QF为用户负荷的无功功率，QL为晶闸管控制电抗器（TCR）的无功功率，QC为电容器无功功率，上述平衡过程可以用公式（1）来表达：Qs=QF+QL-QC=常数=0 （1）如图1所示，A为系统工作点。负荷工作时产生感性无功QF，补偿装置中的电容器组提供固定的容性无功QC，一般情况下后者大于前者，多余的容性无功由TCR平衡。当用户负荷QF变化时，SVC控制系统调节TCR电流从而改变QL值以跟踪，实时抵消负荷无功，动态维持系统的无功平衡。最简单的TCR装置组成和工作原理如图2所示：TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联。晶闸管在电源电压的正负半周轮流工作，当晶闸管的控制角α在90°~180°之间时，晶闸管受控导通（控制角为90°时完全导通，180°时完全截止）。在系统电压基本不变的前提下，增大控制角将减小TCR电流，减小装置的感性无功功率；反之减小控制角将增大TCR电流，增大装置的感性无功。就电流的基波分量而言，TCR装置相当于一个可调电纳。其等效电纳为：式中，α为晶闸管导通角；L为电抗器电感值；ω为网压的角频率。对于不对称负荷，应采用分相调节，根据瞬时电压和电流求出所需的补偿电纳。TCR分相调节的理论基础为司坦麦兹（STEINMETZ）理论，在此理论指导下，SVC能够将负荷补偿为纯有功的三相平衡系统。司坦麦兹（STEINMETZ）理论有多种表达形式，本文给出一种常用的补偿电纳公式：r分别为△连接的补偿电抗器电纳值；V为系统电压有效值为系统电压（线电压）瞬时值；ia(I)，ib(I)，ic(I)为系统电流瞬时值；T为采样周期，一般为10 ms。根据以上补偿理论，将一个理想的补偿网络与负荷相连就可以把任何不平衡的三相负荷变换成一个平衡的三相有功负荷，而不会改变电源和负荷间的有功功率交换，能够取得良好的电能质量治理效果。 3 SVC在电铁负序治理中的应用 3.1 国外电铁SVC应用情况 日本东海道新干线西相模牵引变，根据牵引变接入电网点检出的无功电流和负序电流，由负荷特性计算补偿电路SVC所需无功电流的数值，对TCR中的晶闸管触发信号加以控制，从而对有功功率的不平衡与负序进行补偿。澳大利亚昆士兰铁路将总容量为600 MV·A的套SVC根据需要分别装设在沿途各牵引变的低压侧，将一套340 MV·A的SVC装设在更高一级电压等级的电网。补偿后，负序电压由补偿前的4.5%下降到0.8％。英法海底隧道采用了ABB提供的SVC以解决负荷平衡问题，通过SVC补偿后，不平衡度小于0.1％。 3.2 国内电铁SVC应用情况 2000年10月，神朔电气化铁路（神华集团）开通，单相供电牵引所产生巨大负序电流，引起三相供电系统的不平衡，给邻近神木电厂（属神华集团）发电机组（2×100 MW）稳发、满发以及整个陕北电网的稳定和安全运行带来严峻考验。2000年11月至12月神木发电公司2台发电机组由于负序原因被迫停运，损失发电量超过1×108 kW·h。2001年330 kV神木变投运后，供电质量得到了一定的改善。根据实测，330 kV神木变2台主变并列运行时，神木发电公司单机组运行，发电机中负序电流可达到额定电流的15%（规定值＜8%，2 台机组同时运行时发电机中负序电流也可达到8%的临界值)。为保证发电公司能正常发电，330 kV主变只能采用分列运行方式，1台供神木发电公司发电进网，1台供电铁牵引站送电。在该方式下，单机组发电时，发电机中的负序电流仍时有超过8%的现象发生。由于电铁的影响，神木发电公司在运行中还经韩宏飞等：电气化铁路中SVC 负序补偿应用技术研究Vol.25 No.6常出现发电变差动保护误动、循环水泵电机过负荷等故障。2002年，经过多方考虑神华集团公司斥巨资在神朔电铁供电线路上加装静止型动态无功补偿装置（SVC）以治理电铁牵引站对电网所产生的污染，包括抑制谐波、提高功率因数、快速连续无功调节、抑制电压波动和闪变、解决三相不对称等问题。神朔SVC工程与2002年5月底投入运行，并于2002年8月10日完成竣工验收移交。其间西北电力试验研究院受用户委托对该工程进行了实际跟踪测试，证明该设备性能稳定、运行安全可靠、各项指标均为优良、补偿效果良好，完全达到并优于用户要求，方案实施后取得了预期效果。该装置在国内首次实现了110 kV电铁供电线上对多座电铁牵引负荷的整体动态实时补偿，首开电铁与电网补偿综合治理的成功先例。 4 结语 SVC装置在电气化铁道中应用的主要问题是资金问题。随着我国电网建设的进一步发展以及电气化铁路大规模的建设，对SVC在电铁中的应用提出了更高要求，迫切需要设计、生产出性能最佳、价格便宜的SVC装置。辽宁某厂家生产的SVC，于1997年通过了辽宁省科委及原国家计委重点工业性试验项目鉴定，实现了国产化；中国电力科学研究院生产的SVC于2004年在鞍山红一变投入运行，也实现了国产化；在我国冶金、煤炭、化工、电铁等行业中使用的SVC，国产的占绝大多数。国产SVC实用化程度进一步提高，国产的SVC装置除具备SVC的常规特点外，还具有无水冷却（热管自冷技术），出厂前进行全载、全压试验，运行中可以进行远程实时监控运行等特征。近10 a来，国产SVC装置的安全运行实践证明了国产SVC装置技术经济指标的优越性和先进性。经辽宁该厂家建议，由全国电压/电流等级和频率标准化技术委员会牵头制定的中华人民共和国国家标准《静止式动态无功功率补偿装置（SVC）功能特性导则》和《静止式动态无功功率补偿装置（SVC）现场试验导则》报批稿已经上报，必将促进SVC的进一步发展。目前，国产SVC的规模化生产能力不仅完全可以满足我国电力系统和各行业的需要，而且还具有出口能力。目前该厂家生产的我国第一套应用于电气化铁路的高压大功率静止无功发生器亦进入最后调试阶段，此套装置将发往上海铁路局用于电气化铁路电能质量治理。首套电铁系统专用静补装置的问世，标志着我国成为世界上少数几个掌握该技术的国家。目前国产SVC已占领了国内电气化铁路系统、冶金行业绝大部分市场份额，成为世界上SVC的主要制造商之一，2006年的装机数量更是首次超过瑞士ABB与德国西门子SIEMENS，跃居全球第一，国内厂家精心研制的高压动态无功补偿装置（SVC）已具有国际同期先进水平。可以预见，随着国产SVC技术水平的进一步成熟、性价比的进一步提高，SVC在我国电气化铁路建设中必将发挥重要作用，为促进我国铁路建设实现跨越式发展提供有力保障。 [参考文献]: [1] 林建钦,杜永宏. 电力系统谐波危害及防止对策[J].电网与清洁能源，2009，25（02）：28-31. 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高级经济师包括的专业很多，考试时可自选一个专业进行考试。主要有以下专业：农业、工商管理、商业、金融、财政税收、保险、运输、人力资源管理、房地产、邮电、旅游、建筑12个专业，其中运输分为水路、铁路、公路、民航4个子专业。
高级经济师实行全国统一组织、统一大纲、统一命题的考试制度。高级经济师考试安排：高级考试在1天内分为上午、下午2个批次，各专业类别具体考试时间和批次划分视报名情况另行确定。报考条件：1.博士研究生学历（博士学位），取得经济师（或相近专业中级专业技术资格，下同）资格后，从事本专业工作2年以上；2.硕士研究生学历（硕士学位），取得经济师资格之后，从事本专业工作4年以上；3.大学本科学历（学士学位），取得经济师资格之后，从事本专业工作5年以上；4.取得大学专科学历后从事本专业工作15年（或取得大学专科学历且累计从事本专业工作20年）以上，取得经济师资格之后，从事本专业工作5年以上。
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