基于GO法的广州某地铁同相牵引供电系统可靠性分析

2021-06-29赵云云李海燕靳守杰马坚生

城市轨道交通研究 2021年6期

赵云云李海燕靳守杰马坚生

(1.广州地铁设计院股份有限公司，510010，广州；2.西南交通大学电气工程学院，611756，成都；3.广州地铁集团有限公司，510330，广州 ∥ 第一作者，高级工程师)

针对城市轨道交通普遍采用的直流供电系统存在杂散电流的问题[1]，采用传统铁路的交流供电系统即可解决，但是存在过分相时影响列车速度和负序电流等电能质量问题[2]，该问题可通过同相牵引供电技术解决[3-4]。因此，城市轨道交通可以采用无电分相的同相交流供电系统。

广州某地铁线路是国内城市轨道交通领域采用同相牵引供电技术的第一条线路，由于该线路为客运线，因此，对供电系统可靠性的要求更高。本文将运用GO法(一种以成功为导向的系统概率分析方法)，结合理论与实际线路运营数据，评估同相牵引供电系统的可靠性。

1 GO法的基本原理与特点

GO法通过将系统图或工程图翻译成GO图来进行计算，从而获得系统的最终概率[5]。与其他几种常用的可靠性分析方法相比，GO法中的GO模型与系统实际元器件一一对应，具有结构简洁、思路清晰、算法简单、对系统复杂度不敏感等优点，更加适用于复杂可维修系统的可靠性研究[6]。

城市轨道交通牵引供电系统是典型的复杂可维修系统，因此，本文选择GO法进行城市轨道交通同相牵引供电系统的可靠性评估。

2 广州某地铁线路概况

广州某地铁线路的原牵引供电系统设计方案示意如图1所示。全线共设置4个传统牵引变电所(SS)，相邻牵引变电所之间设置1个分区所(SP)，采用交流供电系统。这种设计方案存在过分相影响列车速度与安全的问题。

图1 广州某地铁线路原牵引供电系统示意图

在调研国内外交流牵引供电系统应用的基础上，结合城市轨道交通线路运行的特殊性要求，以及综合考虑技术指标和经济指标，采用如图2所示无电分相的同相牵引供电系统新方案[7]。全线设置4个SS，采用交流供电系统。牵引变电所采用组合式同相牵引供电，分区所采用新型双边供电，彻底取消电分相，采用电力电子过分相技术，降低电分相对列车运行的影响。牵引网采用分段供电与测控技术可实现故障测距[2]。

图2 广州某地铁线路同相牵引供电系统示意图

该地铁线路的同相牵引供电方案分为3种。方案1中，全线设置4个牵引变电所，分别为SS1、SS2、SS3、SS4。正常运行情况下，SS2为全线供电，SS1、SS3、SS4 3个牵引变电所作为备用；当SS2处于检修或故障情况下，SS1、SS3、SS4 3个牵引变电所为全线供电。牵引变电所取消变电所处电分相，采用组合式同相牵引供电技术，在SS2到3个备用牵引所之间设置3处分区所。正常运行情况下，分区所按新型双边供电方式运行；在SS2处于检修或故障情况下，3处分区所按照双边供电方式运行。

方案2中，正常运行情况下SS2给全线供电，SS1、SS3和SS4作为备用。牵引变电所取消变电所处电分相，采用组合式同相牵引供电技术，在SS2所在位置设置分区所，分区所按照单边供电方式运行。由于分区所处于3个牵引变电所交汇之处，需要在3个供电臂之间设置K1和K2两组电力电子过分相设备。在SS2处于检修或故障情况下，SS1、SS3和SS4为全线供电。分区所按照单边供电方式运行。电力电子过分相设备在正常和非正常情况下均需投入运行。此外，在正线和SS2(停车场)之间另需设置1组电力电子过分相装置。此方案可以取消分区所处电分相。

方案3中，列车正常运行情况下，SS1、SS3和SS4运行；SS2作为备用，且SS2只作为1个牵引变电所的备用。当3个牵引变电所中的2个或2个以上发生故障或检修时，SS2无法满足正常供电要求。在SS2所在位置设置分区所，分区所按照单边供电方式运行，由于分区所为3个牵引变电所交汇之处，需要在3个供电臂之间设置K1和K2两组电力电子过分相设备，电力电子过分相设备在正常和非正常情况下均需投入运行。此方案中，SS2的容量等于SS1、SS3和SS4 3个牵引所中的最大容量，方案1、2中SS2的容量为SS1、SS3和SS4 3个牵引所容量之和。

在牵引供电系统中，牵引变电所和接触网在可靠性逻辑关系上是串联的，因此，可以认为所有的牵引变电所组合成的牵引变电所层与接触网层串联。对于同一条线路，不同方案对应的架空刚性接触网的长度是相同的。同相牵引供电方案中方案1、2和方案3是两个不同的系统，因此，需对同相牵引供电方案进行两次可靠性分析。

3 广州某地铁线路原牵引供电方案的系统可靠性分析

广州某地铁线路原供电方案采用传统牵引变电所。传统牵引变电所常见的电气主接线图及其可靠性参数可以由文献[8]获得。传统牵引供电方案系统结构如图1所示,当供电系统正常工作时，这4个牵引变电所同时投入工作，相邻2个牵引变电所的供电臂之间用分区所隔开。牵引供电系统具备一定的故障供电，即越区供电能力。当某个牵引变电所发生故障或需停电检修时，此变电所所供电的供电臂，通过闭合分区所的开关，由两侧相邻的牵引变电所负责供电，这种供电方式称为“越区供电”。当出现越区供电时，传统牵引供电系统正常工作时最多只允许1个牵引变电所出现故障而越区供电，则4个牵引变电所构成1个4取3门。通过4取3门的算法可计算得到传统牵引供电系统中牵引变电所正常工作的部分可靠性参数：故障率为0.000 657 24次/年，平均维修时间为3.000 2 h，正常工作概率为99.999 977 49%。

在原牵引供电方案和同相牵引供电方案中，接触网均采用架空刚性接触网。刚性接触网在电气化铁路中运用较少，且关于其可靠性参数的文献较少，因此本文采用文献[9]中地铁刚性接触网的参数来进行计算。由文献[9]得到锚段长度为243 m的地铁刚性接触网GZ20锚段的供电可靠性指标：失效概率为6.507×10-5，年平均停电时间为0.57 h，年可用度为99.993 4%，故障频率为0.236 67次/年。由文献[10]可得到分区所的可靠性参数。

根据图1各区段接触网距离参数以及分区所数量，可以计算得到原牵引供电方案接触网的可靠性参数：故障率为109.787 79次/年，平均维修时间为2.118 4 h，正常工作概率为97.413 75%。

将牵引变电所与接触网串联，计算得到原牵引供电方案的系统可靠性，如表1所示。

表1 原牵引供电方案的系统可靠性计算结果

4 同相牵引供电方案的系统可靠性分析

类似于SS1—SS4 4个组合式牵引变电所结构，同相牵引供电系统只在馈线部分存在差别，因此，可参考文献[8]进行变电所模块计算。参考文献[11]，结合各牵引变电所的馈线结构，通过计算得到同相牵引供电系统主要电气设备的可靠性参数，如表2所示。

表2 同相牵引供电方案的系统可靠性计算结果

4.1 同相牵引供电方案1的系统可靠性

同相牵引供电方案1中，牵引变电所给接触网正常供电，因此，方案1和方案2中的牵引变电所层正常工作的可靠性，即为SS2正常工作或者3个备用牵引变电所同时正常工作的可靠性。同相牵引供电方案1中牵引变电所层的可靠性计算结果：故障率为0.000 000 004 8次/年，平均维修时间为0.751 76 h，正常工作概率为99.999 999 64%。

方案1中，5组分段装置和3个分区所与接触网串联，其中，每组分段装置均由2个断路器、2个隔离开关、1个电流互感器和1个电压互感器所组成。接触网的可靠性参数计算结果：故障率为98.686 9次/年，平均维修时间为2.353 8 h，正常工作概率为97.416 75%。

通过上述计算结果可知，由于分区所的可靠性较低，虽贯通供电方案中的接触网相较于原牵引供电方案多5组电分段，但是少3个分区所，所以贯通供电系统的接触网的可靠性仍然高于原牵引供电方案接触网的可靠性。将方案1中牵引变电所层的可靠性计算结果与接触网的可靠性计算结果串联，可得到方案1的系统可靠性参数，如表3所示。

4.2 同相牵引供电方案2的系统可靠性

方案2与方案1的牵引变电所层可靠性计算结果相同。方案2中5组电分段、2套电力电子过分相装置及1个分区所与接触网串联。单个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的失效率为187/(109h)，可靠度为0.999 987 02。通过计算得到方案2接触网的可靠性：故障率为92.388 3次/年，平均维修时间为2.465 9 h，正常工作概率为97.465 26%。

方案2同相牵引供电系统的可靠性，如表3所示。

4.3 同相牵引供电方案3的系统可靠性

方案3中，当同相牵引供电系统中任意两个牵引变电所出现故障时，无论是两个主变电所同时出现故障，还是1个主变电所和1个备用变电所同时出现故障，其供电能力都不能满足系统的要求而认为系统故障。因此，同相牵引供电系统正常工作的条件是4个牵引变电所中至少有3个正常工作。

表4为牵引变电所的可靠性特征量。由表4可知，4个牵引变电所的可靠性差值非常小，可以近似认为4个牵引变电所可靠性相同，因此，方案3中4个牵引变电所组成一个4取3门。根据GO法，可计算得到至少3个牵引变电所正常工作的可靠性：故障率为0.000 033 825次/年，平均维修时间为3.055 96 h，正常工作概率为99.999 998 82%。

方案3中接触网的可靠性与方案2相同。通过计算得到方案3的系统可靠性，如表3所示。由表3可知，方案2和方案3中，由于接触网的可靠性在牵引供电系统的可靠性中占主导地位，两供电方案的牵引变电所层的可靠性差别不能在牵引供电系统整体可靠性中体现，因此，表3中方案2与方案3的可靠性基本相同。