城市軌道交通三相交流牽引供電系統可靠性研究

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，并概述了該系統的組成和工作原理。采用貝葉斯網絡圖的可靠性分析方法對供電系統進行了建模和分析，找出系統中的薄弱環節并提出建議，為提高城市軌道交通的供電系統可靠性提供了重要的理論支持，并為相關領域的研究和應用提供了參考。

關鍵詞：城市軌道；交流牽引供電系統；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代城市交通系統的重要組成部分，承擔著大量的人員輸送任務。三相牽引供電系統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，介紹了供電系統的組成和工作原理，并對供電系統進行建模和分析，解決供電系統中的潛在問題。對提高供電系統的可靠性具有重要意義。

1 三相交流牽引供電系統的組成

三相交流牽引供電系統是城市軌道交通中常見的一種供電系統形式，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組成如圖1所示。

2 可靠性分析方法

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

3 三相交流牽引供電系統可靠性分析

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

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（GZ）、手動隔離開關（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絡方法，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組合的故障。

根據上述分析，梳理對應關系繪制供電變電所的貝葉斯網絡圖如圖3所示。

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

3.1.3 可靠性分析結論

供電變電所電氣設備的可靠性參數見表2。

結合圖3和表2的可靠性數據，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節。

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節。

3.2 接觸網可靠性分析

本文以剛性接觸網為研究對象，以錨段為單位對接觸網的可靠性進行分析。剛性接觸網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。

通過接觸網設備可靠性參數和串聯計算公式，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，而副邊通過降壓轉換后與接觸網進行連接。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絡方法，對牽引變電所故障的可靠性進行分析。根據牽引變電所接線化簡圖，可以看出在正常運行狀態下有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。

根據上述分析，梳理對應關系繪制牽引變電所的貝葉斯網絡圖如圖6所示。

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

3.3.2.2 可靠性分析結論

根據圖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生故障時，各設備故障的條件概率。

根據計算，P（I3=1|S=1）=17.9678%，為母線和電壓互感器組成的串聯單元I3的條件概率最大。因為電壓互感器有冗余設計，而母線I3無冗余設計。所以一旦牽引母線發生故障，將直接影響整個牽引變電所的供電。可以認為牽引母線是牽引變電所可靠性最薄弱的環節。

3.4 系統可靠性分析

系統可靠性框圖如圖7所示。

城市軌道交通交流牽引供電系統的可靠性為3個子系統的可靠性串聯。根據上述3個子系統的可靠性的分析可知：提高供電變電所可靠性的關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。

由于接觸網可靠性最低，影響整個供電系統的可靠性。因此要提高基礎網的可靠性，需要提高錨段每部分的可靠性。

4 結論

本文對城市軌道交通的三相交流牽引供電系統的組成和工作原理進行了深入研究。針對供電系統建立了可靠性模型，并采用貝葉斯網絡圖對可靠性進行評估。識別出了供電系統的關鍵故障事件，并提出了提高系統可靠性的建議。這些研究成果為相關領域的進一步研究和應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可靠性研究[D].成都：西南交通大學，2019.