城市軌道交通三相交流牽引供電系統(tǒng)可靠性研究

摘 要：本文深入研究了城市軌道交通的三相交流牽引供電系統(tǒng)，并概述了該系統(tǒng)的組成和工作原理。采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖的可靠性分析方法對供電系統(tǒng)進行了建模和分析，找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)并提出建議，為提高城市軌道交通的供電系統(tǒng)可靠性提供了重要的理論支持，并為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道；交流牽引供電系統(tǒng)；可靠性研究

中圖分類號：U 12" " " " 文獻標志碼：A

城市軌道交通作為現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著大量的人員輸送任務(wù)。三相牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通的核心組成部分，其作用是為列車提供動力和能源。其穩(wěn)定性、可靠性和安全性直接影響列車的運行效率和乘客的出行體驗[1]。

本文深入研究城市軌道交通的三相交流牽引供電系統(tǒng)，介紹了供電系統(tǒng)的組成和工作原理，并對供電系統(tǒng)進行建模和分析，解決供電系統(tǒng)中的潛在問題。對提高供電系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

1 三相交流牽引供電系統(tǒng)的組成

三相交流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通中常見的一種供電系統(tǒng)形式，利用三相交流電能為列車提供牽引力和動力[2]。三相交流牽引供電系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 可靠性分析方法

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖是一種概率圖模型，能夠描述不同變量間的依賴關(guān)系，并基于先驗概率和條件概率進行推理和分析。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖對城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用進行分析，以此提供可靠性評估和決策支持。通過使用歷史數(shù)據(jù)、專家知識和先驗概率，同時考慮系統(tǒng)中的不確定性和動態(tài)變化，為決策者提供準確的系統(tǒng)可靠性信息，支持系統(tǒng)的優(yōu)化和改進[3]。

3 三相交流牽引供電系統(tǒng)可靠性分析

本文旨在對三相交流牽引供電系統(tǒng)的可靠性進行分析，以此評估和優(yōu)化系統(tǒng)的可靠性和安全性。為決策和規(guī)劃提供支持，提升運行效能并節(jié)約運營成本。

3.1 供電變電所可靠性分析

3.1.1 可靠性模型

以某城市軌道交通供電系統(tǒng)為例。1號和2號進線均采用110kV交流電源。T1和T2均為變壓器，互為備用。CPD1、CPD2和CPD3為3套同相供電補償裝置，2主1備，包括母線（I）、自動隔離開關(guān)（GZ）、手動隔離開關(guān)（GS）、斷路器（DL）、牽引變壓器（T）、電流互感器（LH）和電壓互感器（YH）等。對供電變電所接線圖的串聯(lián)部分進行等效化簡，如圖2所示。

圖中各字母含義見化簡說明。化簡說明見表1。

3.1.2 可靠性分析過程

基于故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，對供電變電所故障的可靠性進行分析。

供電變電所故障為頂事件S，通過或門與中間事件A1、A2和I3連接。

中間事件A1通過與門與中間事件B1、B2、B3、B4、B5和B6連接，B1～B6分別對應(yīng)6種工況。

工況1：主牽引變壓器T1故障，同相供電補償裝置CPD1故障，T2、CPD2和CPD3正常。工況2：主牽引變壓器T1故障，同相供電補償裝置CPD2故障，T2、CPD1和CPD3正常。工況3：主牽引變壓器T1故障，同相供電補償裝置CPD3故障，T2、CPD1和CPD2正常。工況4：主牽引變壓器T2故障，同相供電補償裝置CPD1故障，T1、CPD2和CPD3正常。工況5：主牽引變壓器T2故障，同相供電補償裝置CPD2故障，T1、CPD1和CPD3正常。工況6：主牽引變壓器T2故障，同相供電補償裝置CPD3故障，T1、CPD1和CPD2正常。

中間事件A2通過或門與事件B7、B8連接；B7和B8分別對應(yīng)α供電臂和β供電臂故障。

中間事件B1～B8通過與門或門與子事件或底事件連接，底事件為化簡說明表中各替代部分串聯(lián)組合的故障。

根據(jù)上述分析，梳理對應(yīng)關(guān)系繪制供電變電所的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

其中或門節(jié)點包括B1～B6、C7～C10、D1、D2和S。與門節(jié)點包括A1、A2、B7、B8和C1～C4。

3.1.3 可靠性分析結(jié)論

供電變電所電氣設(shè)備的可靠性參數(shù)見表2。

結(jié)合圖3和表2的可靠性數(shù)據(jù)，可以定量計算當供電變電所正常運行時，變電所故障可靠性指標為平均正常工作概率為0.99996。故障率為0.103；平均工作時間為85215.5h。

貝葉斯反向推理公式可以計算供電變電所故障的條件概率，如公式（1）所示。

P（X=1|S=1）=" （1）

經(jīng)計算，當供電變電所不能向電纜正常供電時，P（I3=1|S=1）=16.34121%，P（I4=1|S=1）=16.34121%。說明牽引母線I3和補償母線I4的條件概率最大。I3和I4均無備用，一旦發(fā)生故障將直接影響整個變電所的供電。因此，當評估供電變電所可靠性時需要將其視為最薄弱的環(huán)節(jié)。

P（CPD1/2/3=1|S=1）=0.314%，與其他元件相比條件概率較高，是評估供電變電所可靠性時較薄弱的環(huán)節(jié)。

3.2 接觸網(wǎng)可靠性分析

本文以剛性接觸網(wǎng)為研究對象，以錨段為單位對接觸網(wǎng)的可靠性進行分析。剛性接觸網(wǎng)的一個錨段由接觸線、懸掛支撐裝置、中錨線夾、匯流排和匯流排終端組成。

單錨段可靠性框圖如圖4所示。

通過接觸網(wǎng)設(shè)備可靠性參數(shù)和串聯(lián)計算公式，可以得到單錨段的可靠性指標：正常工作概率為0.99993，故障率為0.237次/年。

3.3 牽引變電所可靠性分析

3.3.1 可靠性模型

以某城市軌道交通供電系統(tǒng)為例，牽引變電所采用的是單相變壓器。該變電所的原邊直接從35kV的電纜取電，而副邊通過降壓轉(zhuǎn)換后與接觸網(wǎng)進行連接。1#和2#進線互為備用。對牽引變電所接線圖的串聯(lián)部分進行等效化簡，如圖5所示。

圖中各字母含義見表3。

3.3.2 牽引變電所可靠性分析

3.3.2.1 可靠性分析過程

本文采用故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，對牽引變電所故障的可靠性進行分析。根據(jù)牽引變電所接線化簡圖，可以看出在正常運行狀態(tài)下有4條對稱饋線。

牽引變電所故障指牽引變電所的兩個供電臂α和β同時發(fā)生故障。牽引變電所故障為頂事件S，通過或門與中間事件Sα和Sβ連接。由于α供電臂故障和β供電臂故障相同，因此不再贅述β供電臂故障。

α供電臂故障分2種工況：α供電臂上行線和α供電臂下行線故障。中間事件Sα通過或門與中間事件A1、A2和I3連接。說明A1通過與門與中間事件B1和B2連接。事件A2通過與門與中間事件B3和B4連接。

根據(jù)上述分析，梳理對應(yīng)關(guān)系繪制牽引變電所的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖如圖6所示。

其中或門節(jié)點包括S、B1、B2、B3、D1和D2。與門節(jié)點包括A1、A2、C1和C2。

3.3.2.2 可靠性分析結(jié)論

根據(jù)圖6和表2，定量計算正常運行時全所可靠性指標：平均正常工作概率為0.9999。故障率為0.2021。平均工作時間為41365.76h。

利用公式（1），可以計算當牽引變電所的兩個供電臂同時發(fā)生故障時，各設(shè)備故障的條件概率。

根據(jù)計算，P（I3=1|S=1）=17.9678%，為母線和電壓互感器組成的串聯(lián)單元I3的條件概率最大。因為電壓互感器有冗余設(shè)計，而母線I3無冗余設(shè)計。所以一旦牽引母線發(fā)生故障，將直接影響整個牽引變電所的供電?？梢哉J為牽引母線是牽引變電所可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)。

3.4 系統(tǒng)可靠性分析

系統(tǒng)可靠性框圖如圖7所示。

城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)的可靠性為3個子系統(tǒng)的可靠性串聯(lián)。根據(jù)上述3個子系統(tǒng)的可靠性的分析可知：提高供電變電所可靠性的關(guān)鍵是提高母線和元件的可靠性。采用冗余的方法簡單有效。牽引變電所提高可靠性方法和中心變電所類似。

由于接觸網(wǎng)可靠性最低，影響整個供電系統(tǒng)的可靠性。因此要提高基礎(chǔ)網(wǎng)的可靠性，需要提高錨段每部分的可靠性。

4 結(jié)論

本文對城市軌道交通的三相交流牽引供電系統(tǒng)的組成和工作原理進行了深入研究。針對供電系統(tǒng)建立了可靠性模型，并采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖對可靠性進行評估。識別出了供電系統(tǒng)的關(guān)鍵故障事件，并提出了提高系統(tǒng)可靠性的建議。這些研究成果為相關(guān)領(lǐng)域的進一步研究和應(yīng)用提供了重要的參考價值。

參考文獻

[1]李潔，解紹鋒，陳禎怡.城軌三相交流牽引供電系統(tǒng)中心變電所可靠性分析[J].電氣化鐵道，2021，32（5）：80-85.

[2]陳禎怡.城市軌道交通三相交流牽引供電系統(tǒng)供電能力研究[D].成都：西南交通大學，2021.

[3]蔣俊.城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)可靠性研究[D].成都：西南交通大學，2019.