新時期下地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性和安全性分析

李波

（福州地鐵集團有限公司，福建福州350009）

0 引言

牽引供電系統(tǒng)為地鐵的運行提供源源不斷的電能，其是否能安全可靠的運行與地鐵的穩(wěn)定運營和安全運行息息相關(guān)，一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障則導(dǎo)致軌道交通運輸?shù)陌c瘓，甚至危及乘客的生命安全，造成不可估量的損失。針對地鐵牽引供電系統(tǒng)的管理，必須突出安全性和可靠性，通過關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用保證其安全高效運行。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)的內(nèi)容

1.1 外部電源

顧名思義，外部電源即為地鐵牽引供電的電力體系，通常由外部城市電網(wǎng)來供應(yīng)，而依據(jù)外部電源的結(jié)構(gòu)及供電方式的差異，又可以細(xì)分為集中式供電、分散式供電和混合式供電等形式。目前，城市地鐵交通的供電方式以集中式供電為主[1]。

1.2 主變電所

主變電所是處理電壓的重要設(shè)備，一般來說，電壓設(shè)置在110kV，由于不同的城市地鐵結(jié)構(gòu)存在差異性，決定了進(jìn)線電壓的不同，主變電所與使用電壓有較大的差異，自然其所接受的電壓非常高[2]。據(jù)此，在實踐中應(yīng)突出對變壓器電壓的適配性，利用環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)向其他變電所輸送。

1.3 牽引供電系統(tǒng)

該系統(tǒng)的職能在于為地鐵運行提供直流1500V 的電壓。在牽引變電所內(nèi)先將主變送的交流35kV 降壓至1180V，再通過整流器將交流1180V 轉(zhuǎn)換成直流1500V，通過這樣的舉措，為地鐵車輛提供穩(wěn)定的電源，助力地鐵車輛安全穩(wěn)定運行。

1.4 接觸網(wǎng)系統(tǒng)

接觸網(wǎng)作為牽引變電所向地鐵車輛輸送電能的重要媒介，其運行狀態(tài)與地鐵的運輸能力息息相關(guān)。

1.5 電力監(jiān)控系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個地鐵車輛的正常運行。因此，需采取有效措施對地鐵牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，全方位監(jiān)控每個環(huán)節(jié)，電力監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)揮自身的功效采集和管理每個步驟和環(huán)節(jié)。地鐵牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 地鐵牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成

2 外部電源供電方式

2.1 集中供電方式

為保障地鐵運行的穩(wěn)定性，每個地鐵主變電所都具有相互獨立的兩路電源，一路將電壓級電力傳輸?shù)綘恳╇娤到y(tǒng)，一路將電源提供給降壓供電系統(tǒng)。供電方便、維護簡單、計費便捷，可靠性高、可統(tǒng)一調(diào)度管理是集中式供電方式的主要特點，但是也存在一定弊端，即投資費用高。具體如圖2所示。

圖2 集中式供電方式

2.2 分散式供電的方式

這種供電方式的特點在于無須主變電所，通過設(shè)置牽引變電所和降壓變電，依托城市供電體系進(jìn)行電力資源保障，即其供電源于城市電網(wǎng)的區(qū)域變電所。同時，還可以與城市電網(wǎng)建立有效聯(lián)系，提升電網(wǎng)資源的共享能力，使部分區(qū)域的供電可以達(dá)到雙路電源的效果?；诖耍稚⑹焦╇姺绞骄哂衅涮厥庖螅赐瓿晒╇娙萘考白冸娝鶖?shù)量的保障，還要地鐵所在區(qū)域范圍內(nèi)，具有較為發(fā)達(dá)可靠的供電電源、中壓網(wǎng)絡(luò)電壓。另外，由于外部電網(wǎng)對于分散式供電的穩(wěn)定性具有顯著影響，因此需要從可靠性的角度加以改善。

2.3 混合供電方式

這種方式將集中供電和分散供電方式集為一體，綜合了二者的優(yōu)點的同時，也具有一定的復(fù)雜性，混合式供電方式具有靈活、完善的特點，因此更加符合實際外部條件。

3 影響地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性與安全性因素分析

3.1 設(shè)備老化的影響

地鐵牽引供電系統(tǒng)由復(fù)雜的系統(tǒng)所構(gòu)成，其中包含了大量的元器件，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，則會埋下安全隱患。由于地鐵牽引供電系統(tǒng)處于長期的運行狀態(tài)，且需要應(yīng)對各種復(fù)雜的環(huán)境，極易造成設(shè)備的老化，如果在管理環(huán)節(jié)忽視設(shè)備維保，將易引發(fā)諸多的安全和使用問題。基于此，在實踐管理中應(yīng)當(dāng)注重設(shè)備老化問題，采取定期、不定期的方式實施檢測，及時處理設(shè)備老化帶來的問題，避免安全問題的產(chǎn)生。

3.2 外部環(huán)境的影響

外部環(huán)境指經(jīng)濟、自然等非人為因素，會對地鐵牽引供電系統(tǒng)造成直接影響，尤其是長期的運行狀態(tài)下，受各類外部環(huán)境因素的干擾，使地鐵牽引供電系統(tǒng)管理壓力增加，難以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境而導(dǎo)致故障產(chǎn)生。隨著系統(tǒng)信息化、智能化發(fā)展，地鐵牽引供電系統(tǒng)也變得更加復(fù)雜，但其系統(tǒng)的外部抗干擾能力仍然較弱，因此必須要在實際的應(yīng)用場景下，注重對復(fù)雜環(huán)境的分析，將各類因素納入管理范疇，以安全性、可靠性為管理核心，做好外部干擾因素的整體防范。

3.3 維修計劃的影響

地鐵牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用離不開維修計劃的保障，只有真正保證高質(zhì)量的維保，才能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵牽引供電系統(tǒng)的持續(xù)安全運行。當(dāng)?shù)罔F牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者存在潛在問題時，均需要利用維修計劃的制定加以解決，以避免引發(fā)更加嚴(yán)重的后果，為此企業(yè)需要加強各項標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的制定，切實從安全可靠的層面出發(fā)，有效落實地鐵牽引供電系統(tǒng)的維修計劃。

4 地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性和安全性分析方法

4.1 地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性分析方法

地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性，屬于地鐵網(wǎng)絡(luò)中最核心的內(nèi)容，在開展可靠性分析時，可以選用故障模式后果法、故障樹分析法及可靠框圖法等方式。如目前常用的方法為可靠框圖法，用以理清地鐵供電關(guān)系，基于結(jié)構(gòu)模型用于表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在框圖之下實施科室的分析，這種方式能夠廣泛應(yīng)用于大部分系統(tǒng)檢測。在該分析方法下又可細(xì)分為并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種，以并聯(lián)結(jié)構(gòu)為核心的分析中，其可靠度分析公式為：

式（1）中：Rs(t)表示系統(tǒng)可靠度；Ri(t)表示各部分可靠度，i=1，2，3，……，n。

在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，每個環(huán)節(jié)都相扣的，一旦一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，則會埋下安全隱患，出現(xiàn)系統(tǒng)故障，基于此，系統(tǒng)可靠性公式如下：

式（2）中：Rs(t)表示系統(tǒng)可靠度；Ri(t)則表示各部分可靠度，i=1，2，3，……，n。

4.2 地鐵牽引供電系統(tǒng)安全性分析方法

綜合評判法屬于最常用的安全分析法，能夠滿足對多種因素的整體評價，構(gòu)建因素即影響因素的集合，以U 進(jìn)行表示，公式為：

從影響因素來看，涉及系統(tǒng)的每一個單元，因此其評價集選擇如下：

式

（4）中：V 主要實施安全性的評價，如絕對安全以v1表示，很安全以v2表示，安全以v3表示，比較安全以v4表示，不安全以v5表示。以敏感性分析擬合權(quán)重，并結(jié)合專業(yè)評判及歷史數(shù)據(jù)綜合分析。

4.3 改善地鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性和安全性的方法

比較常用的方法以可靠性框圖法分析為主，基于提升可靠性角度可以分為三個階段：一階段在外部電源的設(shè)計階段，牽引供電系統(tǒng)必須滿足系統(tǒng)的可靠性要求，并保持適當(dāng)?shù)膫溆萌萘俊５罔F牽引供電系統(tǒng)的外部電源以高壓線路為主，其優(yōu)勢在于比普通供電防護性更高，能夠滿足地鐵車輛持續(xù)運行的需求，降低了故障產(chǎn)生的概率。二階段在項目的建設(shè)安裝階段，建設(shè)方應(yīng)選用高度可靠的牽引供電設(shè)備，嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，確保設(shè)備的安裝質(zhì)量。三階段是在設(shè)備調(diào)試階段，根據(jù)合理的調(diào)試程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行檢測，開展設(shè)備質(zhì)量技術(shù)分析，重點對牽引供電系統(tǒng)運行情況提出優(yōu)化建議。

從提高安全性方面來說，首先，對于牽引供電系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)定時進(jìn)行相應(yīng)的檢查才能加強設(shè)備的安全性，使設(shè)備穩(wěn)定地運行。其次，工作人員還要重視設(shè)備的保養(yǎng)，根據(jù)設(shè)備的維修手冊標(biāo)準(zhǔn)定期做好設(shè)備維護工作，保障設(shè)備運行的安全性。最后，工作人員對設(shè)備進(jìn)行檢查時，除了發(fā)現(xiàn)故障外，還要認(rèn)真剖析產(chǎn)生故障的根本原因，然后針對同類型的故障形成預(yù)防性措施，主動排除設(shè)備的安全隱患。通過檢查、定期維護、故障排查、預(yù)防性措施，提高牽引供電系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié)語

綜上所述，要確保地鐵牽引供電系統(tǒng)的可持續(xù)運行，需要以牽引供電系統(tǒng)可靠性和安全性分析為前提，掌握更先進(jìn)的管理和維護檢測技術(shù)，當(dāng)故障產(chǎn)生時實施針對性處理。尤其是要加強分析方法的研究，能夠快速發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，通過預(yù)防性措施，消除安全隱患，進(jìn)一步減少地鐵車輛運行問題的產(chǎn)生，保證居民的安全出行。