基于波哥大輕軌車輛段支援正線的整流機組容量選型分析

鄭浩天

摘 ?要：該文基于波哥大輕軌項目對波哥大輕軌車輛段支援正線的整流機組容量選型進行探討分析。根據EN 50328和EN 50329對整流機組的要求進行分析和論述，首先將規范中要求的過電流轉換為整流機組容量，然后將規范中對過電流的描述轉換成定量參數，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值，最后通過對定量參數的計算得到場段整流機組的安裝容量并得到國外監理批準。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組容量進行了研究和梳理，以期為今后類似供電方案提供一種計算方案及相關案例依據。

關鍵詞：車輛段支援正線；整流機組容量選型；關鍵參數；安裝容量；仿真

中圖分類號：U270.3 ? ? ?文獻標志碼：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

波哥大輕軌項目全長39.66 km，全線共設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。根據客流及運營要求，PK26—PK40為郊區段且發車間隔為12 min，結合當地征地情況及成本因素，擬采用下述供電方案：正常運營時，EL CORZO車輛段牽引所僅對EL CORZO車輛段牽引系統本身供電；當EL CORZO相鄰2個牽引所任意一個牽引所故障時，由車輛段EL CORZO對正線進行供電并同時對車輛段的牽引負荷進行供電。

由于車輛段的牽引模型不同于正線牽引模型，因此無法進行車輛段和正線共同建模，為了計算波哥大輕軌項目EL CORZO車輛段牽引所整流機組的容量，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的整流機組容量，另一部分是在車輛段相鄰牽引所故障時，車輛段支援正線仿真時的整流機組容量。最后通過計算將這2部分仿真結果進行合并。1 ?整流機組容量選型分析

牽引整流機組作為城市軌道交通供變電專業重要的組成部分[1]，其主要作用是將中壓環網傳輸來的交流電轉換為牽引系統直流電供列車運營。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時，通常選用24脈波整流機組[2]。而整流機組容量作為整流機組一個重要參數，其選擇不能太大，也不能太小，一方面整流機組的容量選擇應能保證整個供電系統的平穩運行[3]；另一方面整流機組的容量如果選擇太大則會導致空損增加，太小則會導致整流機組長期處于過熱狀態影響整流機組的使用壽命。

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

因此，首先通過牽引仿真計算出整流機組的計算容量，然后根據上述參考容量對整流機組進行安裝容量選型，最后進行驗算保證安裝容量一定大于計算容量。

而整流機組的容量主要取決于供電系統的牽引負荷，下面通過對牽引負荷仿真結果進行整理并進一步對波哥大輕軌項目的整流機組容量進行討論和分析。

2 ?車輛段牽引仿真

根據EN 50328[5]和EN 50329[6]可知，由于本項目屬于輕軌項目，其等級為“VI”，即整流機組需要滿足額定功率下的不間斷運行，1.5倍額定電流連續運行2 h，3倍額定電流連續運行1 min。但是在設備選型過程中不以過電流作為參數指標而是以容量作為參數指標，根據功率公式P=IU，仿真過程中電流與功率是正相關的，因此將規范要求的過電流轉換為整流機組容量。

通過上述分析可知，整流機組的選型需要3個部分，因此本文將對這3個數據進行分析。首先是3倍額定功率工作1 min，這里規范沒有提出大于3倍額定功率的要求，為了滿足規范的第一個要求只需保證功率瞬時最大值一定要小于3倍額定功率，將這個值定義為Max Pmax。其次是1.5倍額定功率工作2 h，結合上條，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持續時間內的最低瞬時功率低于1.5倍額定功率即可滿足要求，將這個值定義為Min Pmax（60 s）。最后是額定功率下的不間斷運行，即最大功率均方根值小于選型容量即可，將這個值定義為Max Prms。

2.1 ?正常工況車輛段牽引仿真

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

在車輛段正常工況模擬仿真中，由于第1和第3個供電回路跟車輛的運營計劃有關，因此通過建立仿真模型并按照圖1運營模式開展牽引仿真。

對于靜調電源柜和試車線回路，根據運營計劃，在早高峰發車時是沒有工作計劃的即第2個和第4個供電回路沒有負荷。但是，如圖1所示的運營時刻表示的是所有車輛均按照計劃開展營運工作，在實際運營中也可能存在某車輛因為某些原因需要維修或者需要調試，此時車輛段高峰時刻發出的車輛將低于圖中運營時刻表中的車輛。

圖1 ?車輛段高峰時刻擬開展的運營時刻圖

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行建模，同時對第2個靜調電源柜供電回路加固定負荷模塊，第4個試車線供電回路加一個固定的車輛調試時最大負荷功率模塊。這樣的仿真結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果進行梳理得到表1。

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

由于整流機組在工作時呈現的是一種波動狀態，為了尋找整流機組60 s持續時間內的最低瞬時功率，選取整流機組最大瞬時功率生成功率-持續時間關系圖，如圖2所示。

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

圖2 ?正常工況車輛段整流機組最大瞬時功率-持續時間關系圖

綜上，單個整流機組60 s持續時間內的最低瞬時功率Min Pmax（60 s）=2 250/2=1 125 kW。

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

2.2 ?相鄰牽引所故障車輛段支援供電牽引仿真

由于本項目牽引所布點的順序為TPSS-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，SER-EL CORZO場段牽引所支援供電，另一種是當COM-06故障退出時，SER-EL CORZO場段牽引所支援供電。

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

正線仿真中共分為5種工況，其中第1個為正常工況（Base），場段不對正線進行支援供電，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，相鄰牽引所支援供電時的情景。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，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，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果整理成表2、表3。

通過表2可知，當TPSS-05故障時（E2），場段單臺整流機組的均方根值功率為686 kW；而當COM-06故障時（E3），場段單臺整流機組的均方根值功率為773 kW。而在設備選型時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，車輛段牽引變電所單臺整流機組均方根值為773 kW。

通過表3可知，當TPSS-05故障時（E2），場段單臺整流機組的最大值功率為2 245 kW；而當COM-06故障時（E3），場段單臺整流機組的最大值功率為3 056 kW。而在設備選型時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，車輛段牽引變電所單臺整流機組最大值為3 056 kW。

由于整流機組在工作時呈現的是一種波動狀態，為了尋找整流機組60 s持續時間內的最低瞬時功率，選取故障工況3整流機組最大瞬時功率生成功率-持續時間關系圖，如圖3所示。

圖3 ?車輛段支援正線時整流機組最大瞬時功率-持續時間關系圖

在05：00：00—05：12：00的早高峰期間，選取COM-06故障時（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組（R1）的最大功率的功率和持續時間關系如圖3所示。由于仿真軟件的仿真步長為1 s，因此橫坐標持續時間是從1作為起始坐標，則單臺整流機組在第1 s時的功率為3 ?056 ?kW，隨著持續時間增加，整流機組瞬時功率逐漸降低，其中在第10 s，整流機組瞬時功率降為2 530 kW；在第60 s，整流機組瞬時功率降為1 650 kW，在第100 s，整流機組瞬時功率降為1 460 kW。

綜上，最大功率所在周期內，單個整流機組60 s持續時間內的最低瞬時功率Min Pmax（60 s）=1 650 kW。

2.3 ?場段整流機組容量計算及選型分析

通過運營計劃可知，在場段支援正線時，場段依然正常運營。在場段整流機組容量選擇中，需要同時考慮2.1中前兩種的結果，其中功率均方根值可以直接疊加，但是瞬時值不能直接疊加需要考慮同時系數，根據經驗設同時系數為0.7。則當EL CORZO車輛段牽引所支援正線且場段內正常運營時，其最大功率均方根值Max Prms為225 kW（僅場段正常運營時）+773 kW（僅場段支援正線時）=998 kW；其60 s持續時間內最低瞬時功率Min Pmax（60 s）為（1 125 kW（僅場段正常運營時）+1 650 kW（僅場段支援正線時））×0.7（同時系數）=1 942.5 kW；其最大瞬時功率Max Pmax為（2 806.5 kW（僅場段正常運營時）+3 056 kW（僅場段支援正線時））×0.7（同時系數）=4 103.75 kW。

將上述結果整理得到表4。

表4 ?場段牽引所整流機組功率結果

通過表4，根據規范要求，當考慮功率均方根值參數時，單臺整流機組的計算容量為998/1=998 kW；當考慮60 s持續時間內最低瞬時功率參數時，單臺整流機組的計算容量為1 942.5/1.5=1 295 kW；當考慮最大瞬時功率參數時，單臺整流機組的計算容量為4 103.75/3=1 368 kW。當需要同時滿足上述3個參數時，選取最大計算容量為1 368 kW，則單臺整流機組的安裝容量至少為1 600 kW。

3 ?結論

一般國內軌道交通項目中的車輛段牽引所在設計時不考慮支援正線的情況，這是因為雖然國內車輛段規模較大，但考慮到設備的維護時，需要盡可能減少設備種類型號，因此一般直接采用正線整流機組的容量即可。而波哥大輕軌項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立，且供電模型與正線供電模型在建立時有較大的區別，一般很難放入同一個供電模型中，而本文通過分別對場段及支援正線的工況進行建模并對場段變壓器容量進行計算得出單臺整流機組的安裝容量至少為1 600 kW。另一方面，為了滿足設備和備品備件的互換性，減少設備類型，最終根據正線整流機組設備容量計算確定場段最終的整流機組容量為單臺2 000 kW，并最終得到國外監理的認可和批復。

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組容量選型，以期為今后類似供電方案提供一種計算方案及案例依據。

參考文獻：

[1] 張飛.城市軌道交通直流牽引供電系統有關技術研究[J].工程建設與設計，2018（20）：106-107.

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

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