基于波哥大輕軌車輛段支援正線的整流機(jī)組容量選型分析

鄭浩天

摘 ?要：該文基于波哥大輕軌項(xiàng)目對波哥大輕軌車輛段支援正線的整流機(jī)組容量選型進(jìn)行探討分析。根據(jù)EN 50328和EN 50329對整流機(jī)組的要求進(jìn)行分析和論述，首先將規(guī)范中要求的過電流轉(zhuǎn)換為整流機(jī)組容量，然后將規(guī)范中對過電流的描述轉(zhuǎn)換成定量參數(shù)，接著通過對正線及場段的供電仿拆分并開展仿真得到定量參數(shù)值，最后通過對定量參數(shù)的計(jì)算得到場段整流機(jī)組的安裝容量并得到國外監(jiān)理批準(zhǔn)。該文通過上述步驟對波哥大輕軌車輛段支援正線的整流機(jī)組容量進(jìn)行了研究和梳理，以期為今后類似供電方案提供一種計(jì)算方案及相關(guān)案例依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車輛段支援正線；整流機(jī)組容量選型；關(guān)鍵參數(shù)；安裝容量；仿真

中圖分類號：U270.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0104-04

Abstract： Based on the Bogotá Metro Rail project， this paper discusses and analyzes the capacity selection of rectifier units on the main line of Bogotá Metro Rail depot. According to the requirements of EN 50328 and EN 50329 on the rectifier unit， firstly， the overcurrent required in the specification is converted into the capacity of the rectifier unit， then the description of the overcurrent in the specification is converted into quantitative parameters， and then the quantitative parameter values are obtained through the simulation and simulation of the main line and field section. finally， the installation capacity of the field rectifier unit is obtained through the calculation of the quantitative parameters and approved by foreign supervisors. Through the above steps， this paper studies and sorts out the capacity of rectifier units on the main line of Bogotá Metro Rail depot， in order to provide a calculation scheme and related case basis for similar power supply schemes in the future.

Keywords： vehicle depot support main line; capacity selection of rectifier unit; key parameters; installation capacity; simulation

波哥大輕軌項(xiàng)目全長39.66 km，全線共設(shè)17座車站、13座牽引所、1座停車場和1座車輛段，其中EL CORZO車輛段位于PK35附近。根據(jù)客流及運(yùn)營要求，PK26—PK40為郊區(qū)段且發(fā)車間隔為12 min，結(jié)合當(dāng)?shù)卣鞯厍闆r及成本因素，擬采用下述供電方案：正常運(yùn)營時(shí)，EL CORZO車輛段牽引所僅對EL CORZO車輛段牽引系統(tǒng)本身供電；當(dāng)EL CORZO相鄰2個(gè)牽引所任意一個(gè)牽引所故障時(shí)，由車輛段EL CORZO對正線進(jìn)行供電并同時(shí)對車輛段的牽引負(fù)荷進(jìn)行供電。

由于車輛段的牽引模型不同于正線牽引模型，因此無法進(jìn)行車輛段和正線共同建模，為了計(jì)算波哥大輕軌項(xiàng)目EL CORZO車輛段牽引所整流機(jī)組的容量，需要將仿真分為2部分，第一部分是正常工況下車輛段牽引仿真時(shí)的整流機(jī)組容量，另一部分是在車輛段相鄰牽引所故障時(shí)，車輛段支援正線仿真時(shí)的整流機(jī)組容量。最后通過計(jì)算將這2部分仿真結(jié)果進(jìn)行合并。1 ?整流機(jī)組容量選型分析

牽引整流機(jī)組作為城市軌道交通供變電專業(yè)重要的組成部分[1]，其主要作用是將中壓環(huán)網(wǎng)傳輸來的交流電轉(zhuǎn)換為牽引系統(tǒng)直流電供列車運(yùn)營。對于目前城市軌道交通來說，在考慮諧波、功率因素及成本的參數(shù)時(shí)，通常選用24脈波整流機(jī)組[2]。而整流機(jī)組容量作為整流機(jī)組一個(gè)重要參數(shù)，其選擇不能太大，也不能太小，一方面整流機(jī)組的容量選擇應(yīng)能保證整個(gè)供電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行[3]；另一方面整流機(jī)組的容量如果選擇太大則會導(dǎo)致空損增加，太小則會導(dǎo)致整流機(jī)組長期處于過熱狀態(tài)影響整流機(jī)組的使用壽命。

根據(jù)IEC 60076-1[4]的第5.1.2章節(jié)給出整流機(jī)組的參考容量為100、125、160、200、250、315、400、500、630、800和1 000 kVA等及其10的整倍數(shù)。

因此，首先通過牽引仿真計(jì)算出整流機(jī)組的計(jì)算容量，然后根據(jù)上述參考容量對整流機(jī)組進(jìn)行安裝容量選型，最后進(jìn)行驗(yàn)算保證安裝容量一定大于計(jì)算容量。

而整流機(jī)組的容量主要取決于供電系統(tǒng)的牽引負(fù)荷，下面通過對牽引負(fù)荷仿真結(jié)果進(jìn)行整理并進(jìn)一步對波哥大輕軌項(xiàng)目的整流機(jī)組容量進(jìn)行討論和分析。

2 ?車輛段牽引仿真

根據(jù)EN 50328[5]和EN 50329[6]可知，由于本項(xiàng)目屬于輕軌項(xiàng)目，其等級為“VI”，即整流機(jī)組需要滿足額定功率下的不間斷運(yùn)行，1.5倍額定電流連續(xù)運(yùn)行2 h，3倍額定電流連續(xù)運(yùn)行1 min。但是在設(shè)備選型過程中不以過電流作為參數(shù)指標(biāo)而是以容量作為參數(shù)指標(biāo)，根據(jù)功率公式P=IU，仿真過程中電流與功率是正相關(guān)的，因此將規(guī)范要求的過電流轉(zhuǎn)換為整流機(jī)組容量。

通過上述分析可知，整流機(jī)組的選型需要3個(gè)部分，因此本文將對這3個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先是3倍額定功率工作1 min，這里規(guī)范沒有提出大于3倍額定功率的要求，為了滿足規(guī)范的第一個(gè)要求只需保證功率瞬時(shí)最大值一定要小于3倍額定功率，將這個(gè)值定義為Max Pmax。其次是1.5倍額定功率工作2 h，結(jié)合上條，這里表示在1.5～3倍額定功率最多工作1 min，因此只要60 s持續(xù)時(shí)間內(nèi)的最低瞬時(shí)功率低于1.5倍額定功率即可滿足要求，將這個(gè)值定義為Min Pmax（60 s）。最后是額定功率下的不間斷運(yùn)行，即最大功率均方根值小于選型容量即可，將這個(gè)值定義為Max Prms。

2.1 ?正常工況車輛段牽引仿真

波哥大輕軌項(xiàng)目EL CORZO車輛段共有6個(gè)供電饋出回路，其中第1個(gè)供電回路給車輛段的出入段線供電，第2個(gè)供電回路給檢修庫的靜調(diào)電源柜進(jìn)行供電，第3個(gè)供電回路給存車線進(jìn)行供電，第4個(gè)供電回路給試車線進(jìn)行供電，第5個(gè)供電回路給正線上行進(jìn)行供電，第6個(gè)供電回路給正線下行進(jìn)行供電。車輛段正常工況時(shí)，第1—4個(gè)供電饋出斷路器處于常閉狀態(tài)，第5—6個(gè)供電饋出斷路器處于常開狀態(tài)。

在車輛段正常工況模擬仿真中，由于第1和第3個(gè)供電回路跟車輛的運(yùn)營計(jì)劃有關(guān)，因此通過建立仿真模型并按照圖1運(yùn)營模式開展?fàn)恳抡妗?/p>

對于靜調(diào)電源柜和試車線回路，根據(jù)運(yùn)營計(jì)劃，在早高峰發(fā)車時(shí)是沒有工作計(jì)劃的即第2個(gè)和第4個(gè)供電回路沒有負(fù)荷。但是，如圖1所示的運(yùn)營時(shí)刻表示的是所有車輛均按照計(jì)劃開展?fàn)I運(yùn)工作，在實(shí)際運(yùn)營中也可能存在某車輛因?yàn)槟承┰蛐枰S修或者需要調(diào)試，此時(shí)車輛段高峰時(shí)刻發(fā)出的車輛將低于圖中運(yùn)營時(shí)刻表中的車輛。

圖1 ?車輛段高峰時(shí)刻擬開展的運(yùn)營時(shí)刻圖

因此考慮各種因素的情況下，在仿真建模中，依然按照滿額車輛進(jìn)行建模，同時(shí)對第2個(gè)靜調(diào)電源柜供電回路加固定負(fù)荷模塊，第4個(gè)試車線供電回路加一個(gè)固定的車輛調(diào)試時(shí)最大負(fù)荷功率模塊。這樣的仿真結(jié)果能夠完全覆蓋未來可能存在的任何工況。

按照上面的輸入條件開展仿真建模并對仿真結(jié)果進(jìn)行梳理得到表1。

表1中R1代表2個(gè)整流機(jī)組的輸出功率，這里不考慮整流機(jī)組的功率不平衡情況，則單個(gè)整流機(jī)組均方根值功率為450/2=225 kW，最大功率為5 613/2=2 806.5 kW。

由于整流機(jī)組在工作時(shí)呈現(xiàn)的是一種波動狀態(tài)，為了尋找整流機(jī)組60 s持續(xù)時(shí)間內(nèi)的最低瞬時(shí)功率，選取整流機(jī)組最大瞬時(shí)功率生成功率-持續(xù)時(shí)間關(guān)系圖，如圖2所示。

在03：50：00—06：19：17的早高峰期間，整流機(jī)組最大功率的功率和持續(xù)時(shí)間關(guān)系如圖2所示。由于仿真軟件的仿真步長為1 s，因此橫坐標(biāo)持續(xù)時(shí)間是從1作為起始坐標(biāo)，整流機(jī)組在第1 s時(shí)的功率為5 613 kW，隨著持續(xù)時(shí)間增加，整流機(jī)組瞬時(shí)功率逐漸降低，其中在第10 s，整流機(jī)組瞬時(shí)功率降為4 895 kW；在第60 s，整流機(jī)組瞬時(shí)功率降為2 250 kW，在第100 s，整流機(jī)組瞬時(shí)功率降為1 780 kW。

圖2 ?正常工況車輛段整流機(jī)組最大瞬時(shí)功率-持續(xù)時(shí)間關(guān)系圖

綜上，單個(gè)整流機(jī)組60 s持續(xù)時(shí)間內(nèi)的最低瞬時(shí)功率Min Pmax（60 s）=2 250/2=1 125 kW。

對于車輛段本身來說，4個(gè)供電分區(qū)之間也存在相互支援，但是本文的研究重點(diǎn)為整流機(jī)組的輸出功率，4個(gè)供電分區(qū)在故障工況相互支援時(shí)，僅僅是其負(fù)荷分布發(fā)生了變化，但是折算到整流機(jī)組并不會發(fā)生變化（忽略傳輸損耗），因此EL CORZO車輛段牽引所的整流機(jī)組在場段的負(fù)荷僅考慮正常工況負(fù)荷即可。

2.2 ?相鄰牽引所故障車輛段支援供電牽引仿真

由于本項(xiàng)目牽引所布點(diǎn)的順序?yàn)門PSS-05，SER-EL CORZO，COM-06，因此這里分為2種情況，一種是TPSS-05牽引所故障退出時(shí)，SER-EL CORZO場段牽引所支援供電，另一種是當(dāng)COM-06故障退出時(shí)，SER-EL CORZO場段牽引所支援供電。

在EL CORZO車輛段支援正線時(shí)，第1—4個(gè)供電饋出斷路器處于常開狀態(tài)，第5—6個(gè)供電饋出斷路器處于常閉/常開狀態(tài)，僅當(dāng)TPSS-05或COM-06牽引所故障退出時(shí)，第5—6個(gè)供電饋出斷路器處于常閉狀態(tài)，其余均為常開狀態(tài)。同時(shí)由于本項(xiàng)目末端站為單整流機(jī)組設(shè)置，因此在正線仿真中為了區(qū)分末端站，將整流機(jī)組分開建模即R1和R2。

正線仿真中共分為5種工況，其中第1個(gè)為正常工況（Base），場段不對正線進(jìn)行支援供電，然后為4種大雙邊供電的故障工況（E1—E4），即模擬某1座牽引所故障退出時(shí)，相鄰牽引所支援供電時(shí)的情景。其中故障工況2（E2）為TPSS-05（EL CORZO的正線左鄰所）牽引所故障退出時(shí)，SER-EL CORZO場段牽引所支援供電的情景；故障工況3（E3）為COM-06（EL CORZO的正線右鄰所）牽引所故障退出時(shí)，SER-EL CORZO場段牽引所支援供電的情景。

則通過建模并將仿真結(jié)果整理成表2、表3。

通過表2可知，當(dāng)TPSS-05故障時(shí)（E2），場段單臺整流機(jī)組的均方根值功率為686 kW；而當(dāng)COM-06故障時(shí)（E3），場段單臺整流機(jī)組的均方根值功率為773 kW。而在設(shè)備選型時(shí)選取二者中的最大值，即相鄰牽引所故障車輛段支援供電時(shí)，車輛段牽引變電所單臺整流機(jī)組均方根值為773 kW。

通過表3可知，當(dāng)TPSS-05故障時(shí)（E2），場段單臺整流機(jī)組的最大值功率為2 245 kW；而當(dāng)COM-06故障時(shí)（E3），場段單臺整流機(jī)組的最大值功率為3 056 kW。而在設(shè)備選型時(shí)選取二者中的最大值，即相鄰牽引所故障車輛段支援供電時(shí)，車輛段牽引變電所單臺整流機(jī)組最大值為3 056 kW。

由于整流機(jī)組在工作時(shí)呈現(xiàn)的是一種波動狀態(tài)，為了尋找整流機(jī)組60 s持續(xù)時(shí)間內(nèi)的最低瞬時(shí)功率，選取故障工況3整流機(jī)組最大瞬時(shí)功率生成功率-持續(xù)時(shí)間關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 ?車輛段支援正線時(shí)整流機(jī)組最大瞬時(shí)功率-持續(xù)時(shí)間關(guān)系圖

在05：00：00—05：12：00的早高峰期間，選取COM-06故障時(shí)（E3），場段整牽引所支援正線的工況，其EL CORZO場段牽引所單臺整流機(jī)組（R1）的最大功率的功率和持續(xù)時(shí)間關(guān)系如圖3所示。由于仿真軟件的仿真步長為1 s，因此橫坐標(biāo)持續(xù)時(shí)間是從1作為起始坐標(biāo)，則單臺整流機(jī)組在第1 s時(shí)的功率為3 ?056 ?kW，隨著持續(xù)時(shí)間增加，整流機(jī)組瞬時(shí)功率逐漸降低，其中在第10 s，整流機(jī)組瞬時(shí)功率降為2 530 kW；在第60 s，整流機(jī)組瞬時(shí)功率降為1 650 kW，在第100 s，整流機(jī)組瞬時(shí)功率降為1 460 kW。

綜上，最大功率所在周期內(nèi)，單個(gè)整流機(jī)組60 s持續(xù)時(shí)間內(nèi)的最低瞬時(shí)功率Min Pmax（60 s）=1 650 kW。

2.3 ?場段整流機(jī)組容量計(jì)算及選型分析

通過運(yùn)營計(jì)劃可知，在場段支援正線時(shí)，場段依然正常運(yùn)營。在場段整流機(jī)組容量選擇中，需要同時(shí)考慮2.1中前兩種的結(jié)果，其中功率均方根值可以直接疊加，但是瞬時(shí)值不能直接疊加需要考慮同時(shí)系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)同時(shí)系數(shù)為0.7。則當(dāng)EL CORZO車輛段牽引所支援正線且場段內(nèi)正常運(yùn)營時(shí)，其最大功率均方根值Max Prms為225 kW（僅場段正常運(yùn)營時(shí)）+773 kW（僅場段支援正線時(shí)）=998 kW；其60 s持續(xù)時(shí)間內(nèi)最低瞬時(shí)功率Min Pmax（60 s）為（1 125 kW（僅場段正常運(yùn)營時(shí)）+1 650 kW（僅場段支援正線時(shí)））×0.7（同時(shí)系數(shù)）=1 942.5 kW；其最大瞬時(shí)功率Max Pmax為（2 806.5 kW（僅場段正常運(yùn)營時(shí)）+3 056 kW（僅場段支援正線時(shí)））×0.7（同時(shí)系數(shù)）=4 103.75 kW。

將上述結(jié)果整理得到表4。

表4 ?場段牽引所整流機(jī)組功率結(jié)果

通過表4，根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)考慮功率均方根值參數(shù)時(shí)，單臺整流機(jī)組的計(jì)算容量為998/1=998 kW；當(dāng)考慮60 s持續(xù)時(shí)間內(nèi)最低瞬時(shí)功率參數(shù)時(shí)，單臺整流機(jī)組的計(jì)算容量為1 942.5/1.5=1 295 kW；當(dāng)考慮最大瞬時(shí)功率參數(shù)時(shí)，單臺整流機(jī)組的計(jì)算容量為4 103.75/3=1 368 kW。當(dāng)需要同時(shí)滿足上述3個(gè)參數(shù)時(shí)，選取最大計(jì)算容量為1 368 kW，則單臺整流機(jī)組的安裝容量至少為1 600 kW。

3 ?結(jié)論

一般國內(nèi)軌道交通項(xiàng)目中的車輛段牽引所在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮支援正線的情況，這是因?yàn)殡m然國內(nèi)車輛段規(guī)模較大，但考慮到設(shè)備的維護(hù)時(shí)，需要盡可能減少設(shè)備種類型號，因此一般直接采用正線整流機(jī)組的容量即可。而波哥大輕軌項(xiàng)目由于波哥大各種原因必須考慮車輛段牽引所支援正線的供電方案。由于場段牽引所本身較為獨(dú)立，且供電模型與正線供電模型在建立時(shí)有較大的區(qū)別，一般很難放入同一個(gè)供電模型中，而本文通過分別對場段及支援正線的工況進(jìn)行建模并對場段變壓器容量進(jìn)行計(jì)算得出單臺整流機(jī)組的安裝容量至少為1 600 kW。另一方面，為了滿足設(shè)備和備品備件的互換性，減少設(shè)備類型，最終根據(jù)正線整流機(jī)組設(shè)備容量計(jì)算確定場段最終的整流機(jī)組容量為單臺2 000 kW，并最終得到國外監(jiān)理的認(rèn)可和批復(fù)。

本文主要探討了基于波哥大輕軌車輛段支援正線的整流機(jī)組容量選型，以期為今后類似供電方案提供一種計(jì)算方案及案例依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張飛.城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)有關(guān)技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（20）：106-107.

[2] 董海燕，田銘興，杜斌祥，等.地鐵24脈波整流機(jī)組的仿真及諧波電流分析[J].電源技術(shù)，2011，35（5）：593-594，611.

[3] 謝方.城市軌道交通直流供電整流機(jī)組研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[4] Power transformers-Part 1： General. IEC 60076-1 2011 [J].

[5] Railway Applications-Fixed installations-Electronic power convertors for substations.BS EN 50328-2003 [Z].

[6] Railway Applications-Fixed installations-Traction transformers. BS EN 50329-2003 [Z].