基于GO法的廣州某地鐵同相牽引供電系統(tǒng)可靠性分析

趙云云 李海燕 靳守杰 馬堅生

(1.廣州地鐵設計院股份有限公司，510010，廣州；2.西南交通大學電氣工程學院，611756，成都；3.廣州地鐵集團有限公司，510330，廣州 ∥ 第一作者，高級工程師)

針對城市軌道交通普遍采用的直流供電系統(tǒng)存在雜散電流的問題[1]，采用傳統(tǒng)鐵路的交流供電系統(tǒng)即可解決，但是存在過分相時影響列車速度和負序電流等電能質(zhì)量問題[2]，該問題可通過同相牽引供電技術(shù)解決[3-4]。因此，城市軌道交通可以采用無電分相的同相交流供電系統(tǒng)。

廣州某地鐵線路是國內(nèi)城市軌道交通領域采用同相牽引供電技術(shù)的第一條線路，由于該線路為客運線，因此，對供電系統(tǒng)可靠性的要求更高。本文將運用GO法(一種以成功為導向的系統(tǒng)概率分析方法)，結(jié)合理論與實際線路運營數(shù)據(jù)，評估同相牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

1 GO法的基本原理與特點

GO法通過將系統(tǒng)圖或工程圖翻譯成GO圖來進行計算，從而獲得系統(tǒng)的最終概率[5]。與其他幾種常用的可靠性分析方法相比，GO法中的GO模型與系統(tǒng)實際元器件一一對應，具有結(jié)構(gòu)簡潔、思路清晰、算法簡單、對系統(tǒng)復雜度不敏感等優(yōu)點，更加適用于復雜可維修系統(tǒng)的可靠性研究[6]。

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)是典型的復雜可維修系統(tǒng)，因此，本文選擇GO法進行城市軌道交通同相牽引供電系統(tǒng)的可靠性評估。

2 廣州某地鐵線路概況

廣州某地鐵線路的原牽引供電系統(tǒng)設計方案示意如圖1所示。全線共設置4個傳統(tǒng)牽引變電所(SS)，相鄰牽引變電所之間設置1個分區(qū)所(SP)，采用交流供電系統(tǒng)。這種設計方案存在過分相影響列車速度與安全的問題。

圖1 廣州某地鐵線路原牽引供電系統(tǒng)示意圖

在調(diào)研國內(nèi)外交流牽引供電系統(tǒng)應用的基礎上，結(jié)合城市軌道交通線路運行的特殊性要求，以及綜合考慮技術(shù)指標和經(jīng)濟指標，采用如圖2所示無電分相的同相牽引供電系統(tǒng)新方案[7]。全線設置4個SS，采用交流供電系統(tǒng)。牽引變電所采用組合式同相牽引供電，分區(qū)所采用新型雙邊供電，徹底取消電分相，采用電力電子過分相技術(shù)，降低電分相對列車運行的影響。牽引網(wǎng)采用分段供電與測控技術(shù)可實現(xiàn)故障測距[2]。

圖2 廣州某地鐵線路同相牽引供電系統(tǒng)示意圖

該地鐵線路的同相牽引供電方案分為3種。方案1中，全線設置4個牽引變電所，分別為SS1、SS2、SS3、SS4。正常運行情況下，SS2為全線供電，SS1、SS3、SS4 3個牽引變電所作為備用；當SS2處于檢修或故障情況下，SS1、SS3、SS4 3個牽引變電所為全線供電。牽引變電所取消變電所處電分相，采用組合式同相牽引供電技術(shù)，在SS2到3個備用牽引所之間設置3處分區(qū)所。正常運行情況下，分區(qū)所按新型雙邊供電方式運行；在SS2處于檢修或故障情況下，3處分區(qū)所按照雙邊供電方式運行。

方案2中，正常運行情況下SS2給全線供電，SS1、SS3和SS4作為備用。牽引變電所取消變電所處電分相，采用組合式同相牽引供電技術(shù)，在SS2所在位置設置分區(qū)所，分區(qū)所按照單邊供電方式運行。由于分區(qū)所處于3個牽引變電所交匯之處，需要在3個供電臂之間設置K1和K2兩組電力電子過分相設備。在SS2處于檢修或故障情況下，SS1、SS3和SS4為全線供電。分區(qū)所按照單邊供電方式運行。電力電子過分相設備在正常和非正常情況下均需投入運行。此外，在正線和SS2(停車場)之間另需設置1組電力電子過分相裝置。此方案可以取消分區(qū)所處電分相。

方案3中，列車正常運行情況下，SS1、SS3和SS4運行；SS2作為備用，且SS2只作為1個牽引變電所的備用。當3個牽引變電所中的2個或2個以上發(fā)生故障或檢修時，SS2無法滿足正常供電要求。在SS2所在位置設置分區(qū)所，分區(qū)所按照單邊供電方式運行，由于分區(qū)所為3個牽引變電所交匯之處，需要在3個供電臂之間設置K1和K2兩組電力電子過分相設備，電力電子過分相設備在正常和非正常情況下均需投入運行。此方案中，SS2的容量等于SS1、SS3和SS4 3個牽引所中的最大容量，方案1、2中SS2的容量為SS1、SS3和SS4 3個牽引所容量之和。

在牽引供電系統(tǒng)中，牽引變電所和接觸網(wǎng)在可靠性邏輯關(guān)系上是串聯(lián)的，因此，可以認為所有的牽引變電所組合成的牽引變電所層與接觸網(wǎng)層串聯(lián)。對于同一條線路，不同方案對應的架空剛性接觸網(wǎng)的長度是相同的。同相牽引供電方案中方案1、2和方案3是兩個不同的系統(tǒng)，因此，需對同相牽引供電方案進行兩次可靠性分析。

3 廣州某地鐵線路原牽引供電方案的系統(tǒng)可靠性分析

廣州某地鐵線路原供電方案采用傳統(tǒng)牽引變電所。傳統(tǒng)牽引變電所常見的電氣主接線圖及其可靠性參數(shù)可以由文獻[8]獲得。傳統(tǒng)牽引供電方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,當供電系統(tǒng)正常工作時，這4個牽引變電所同時投入工作，相鄰2個牽引變電所的供電臂之間用分區(qū)所隔開。牽引供電系統(tǒng)具備一定的故障供電，即越區(qū)供電能力。當某個牽引變電所發(fā)生故障或需停電檢修時，此變電所所供電的供電臂，通過閉合分區(qū)所的開關(guān)，由兩側(cè)相鄰的牽引變電所負責供電，這種供電方式稱為“越區(qū)供電”。當出現(xiàn)越區(qū)供電時，傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)正常工作時最多只允許1個牽引變電所出現(xiàn)故障而越區(qū)供電，則4個牽引變電所構(gòu)成1個4取3門。通過4取3門的算法可計算得到傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)中牽引變電所正常工作的部分可靠性參數(shù)：故障率為0.000 657 24次/年，平均維修時間為3.000 2 h，正常工作概率為99.999 977 49%。

在原牽引供電方案和同相牽引供電方案中，接觸網(wǎng)均采用架空剛性接觸網(wǎng)。剛性接觸網(wǎng)在電氣化鐵路中運用較少，且關(guān)于其可靠性參數(shù)的文獻較少，因此本文采用文獻[9]中地鐵剛性接觸網(wǎng)的參數(shù)來進行計算。由文獻[9]得到錨段長度為243 m的地鐵剛性接觸網(wǎng)GZ20錨段的供電可靠性指標：失效概率為6.507×10-5，年平均停電時間為0.57 h，年可用度為99.993 4%，故障頻率為0.236 67次/年。由文獻[10]可得到分區(qū)所的可靠性參數(shù)。

根據(jù)圖1各區(qū)段接觸網(wǎng)距離參數(shù)以及分區(qū)所數(shù)量，可以計算得到原牽引供電方案接觸網(wǎng)的可靠性參數(shù)：故障率為109.787 79次/年，平均維修時間為2.118 4 h，正常工作概率為97.413 75%。

將牽引變電所與接觸網(wǎng)串聯(lián)，計算得到原牽引供電方案的系統(tǒng)可靠性，如表1所示。

表1 原牽引供電方案的系統(tǒng)可靠性計算結(jié)果

4 同相牽引供電方案的系統(tǒng)可靠性分析

類似于SS1—SS4 4個組合式牽引變電所結(jié)構(gòu)，同相牽引供電系統(tǒng)只在饋線部分存在差別，因此，可參考文獻[8]進行變電所模塊計算。參考文獻[11]，結(jié)合各牽引變電所的饋線結(jié)構(gòu)，通過計算得到同相牽引供電系統(tǒng)主要電氣設備的可靠性參數(shù)，如表2所示。

表2 同相牽引供電方案的系統(tǒng)可靠性計算結(jié)果

4.1 同相牽引供電方案1的系統(tǒng)可靠性

同相牽引供電方案1中，牽引變電所給接觸網(wǎng)正常供電，因此，方案1和方案2中的牽引變電所層正常工作的可靠性，即為SS2正常工作或者3個備用牽引變電所同時正常工作的可靠性。同相牽引供電方案1中牽引變電所層的可靠性計算結(jié)果：故障率為0.000 000 004 8次/年，平均維修時間為0.751 76 h，正常工作概率為99.999 999 64%。

方案1中，5組分段裝置和3個分區(qū)所與接觸網(wǎng)串聯(lián)，其中，每組分段裝置均由2個斷路器、2個隔離開關(guān)、1個電流互感器和1個電壓互感器所組成。接觸網(wǎng)的可靠性參數(shù)計算結(jié)果：故障率為98.686 9次/年，平均維修時間為2.353 8 h，正常工作概率為97.416 75%。

通過上述計算結(jié)果可知，由于分區(qū)所的可靠性較低，雖貫通供電方案中的接觸網(wǎng)相較于原牽引供電方案多5組電分段，但是少3個分區(qū)所，所以貫通供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)的可靠性仍然高于原牽引供電方案接觸網(wǎng)的可靠性。將方案1中牽引變電所層的可靠性計算結(jié)果與接觸網(wǎng)的可靠性計算結(jié)果串聯(lián)，可得到方案1的系統(tǒng)可靠性參數(shù)，如表3所示。

4.2 同相牽引供電方案2的系統(tǒng)可靠性

方案2與方案1的牽引變電所層可靠性計算結(jié)果相同。方案2中5組電分段、2套電力電子過分相裝置及1個分區(qū)所與接觸網(wǎng)串聯(lián)。單個IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的失效率為187/(109h)，可靠度為0.999 987 02。通過計算得到方案2接觸網(wǎng)的可靠性：故障率為92.388 3次/年，平均維修時間為2.465 9 h，正常工作概率為97.465 26%。

方案2同相牽引供電系統(tǒng)的可靠性，如表3所示。

4.3 同相牽引供電方案3的系統(tǒng)可靠性

方案3中，當同相牽引供電系統(tǒng)中任意兩個牽引變電所出現(xiàn)故障時，無論是兩個主變電所同時出現(xiàn)故障，還是1個主變電所和1個備用變電所同時出現(xiàn)故障，其供電能力都不能滿足系統(tǒng)的要求而認為系統(tǒng)故障。因此，同相牽引供電系統(tǒng)正常工作的條件是4個牽引變電所中至少有3個正常工作。

表4為牽引變電所的可靠性特征量。由表4可知，4個牽引變電所的可靠性差值非常小，可以近似認為4個牽引變電所可靠性相同，因此，方案3中4個牽引變電所組成一個4取3門。根據(jù)GO法，可計算得到至少3個牽引變電所正常工作的可靠性：故障率為0.000 033 825次/年，平均維修時間為3.055 96 h，正常工作概率為99.999 998 82%。

方案3中接觸網(wǎng)的可靠性與方案2相同。通過計算得到方案3的系統(tǒng)可靠性，如表3所示。由表3可知，方案2和方案3中，由于接觸網(wǎng)的可靠性在牽引供電系統(tǒng)的可靠性中占主導地位，兩供電方案的牽引變電所層的可靠性差別不能在牽引供電系統(tǒng)整體可靠性中體現(xiàn)，因此，表3中方案2與方案3的可靠性基本相同。

表3 3種同相牽引供電方案的系統(tǒng)可靠性計算結(jié)果

通過上述計算結(jié)果可知，由于原牽引供電方案的牽引變電所層的正常工作概率比同相牽引供電方案低兩個數(shù)量級，因此，同相牽引供電的系統(tǒng)可靠性比原供電方案的系統(tǒng)可靠性高。

5 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)，同相牽引供電系統(tǒng)的可靠性更高。該系統(tǒng)取消了電分相，采用交流供電，同時解決了過分相問題和雜散電流問題。接觸網(wǎng)采用的分段供電和檢測技術(shù)，可以縮短故障維修時間，進一步提高牽引網(wǎng)的供電可靠性。因此，采用同相牽引供電技術(shù)方案，在解決既有問題的同時，供電系統(tǒng)的可靠性也有所提升。