统一牵引供电系统可靠性研究

李海燕，解绍锋，孙镜堤，张 凯



统一牵引供电系统可靠性研究

李海燕，解绍锋，孙镜堤，张 凯

统一牵引供电系统主变电所采用组合式同相供电技术，解决了负序问题，并对无功功率和谐波电流进行了补偿，改善了牵引供电系统的电能质量，同时取消了电分相，可解决采用交流供电制式的城轨交通系统的机车过分相和直流系统杂散电流问题。本文采用GO分析法对统一牵引供电系统的可靠性进行评估，并分析了影响统一牵引供电系统可靠性的关键环节。

统一牵引供电系统；组合式同相供电；GO分析法

0 引言

目前我国电气化铁路采用单相工频交流制，通过牵引网为牵引负荷供电[1]。牵引负荷是一种单相电力负荷，具有单相独立性和不对称性，破坏了系统的三相对称性，产生负序电流[2]，导致电能质量变差。现有的解决方案包括有源滤波器（APF）、混合型有源滤波器和静止无功发生器（SVG）等，通过对电气化铁路中负序与谐波的治理，解决了牵引供电系统中的电能质量问题[3]，但是这些方案均无法解决机车过分相存在的问题。

牵引供电系统中的电分相制约了列车的速度，同时也使得重载情况下负序和谐波问题更为严重。文献[4～6]介绍了解决该问题的技术方案之一—同相供电技术；文献[7]提出了电气化铁路无分相的贯通式同相供电系统，并讨论了其3项关键技术。城轨交通系统采用直流供电系统虽然避免了电分相的问题，但杂散电流的问题也急需解决。

在研究干线铁路同相供电和城市轨道交通工频交流供电的基础上，为了实现干线铁路和城市轨道无分相、不间断供电和彼此互联互通，本文提出一种新型牵引供电系统和干线铁路与城市轨道相统一的牵引供电方式[8]，该新型系统称为统一牵引供电系统。其中干线铁路取消分区所电分相，实现连通供电，省去车载牵引变压器而直接向列车（机车、动车）交直交电传动系统供电；城轨交通实施交流供电，并且进一步使干线铁路与城轨交通实现同相和统一电压等级供电并连通，便于干线铁路与城轨互联互通和乘客换乘。

统一牵引供电系统将干线铁路与城轨交通统一起来，是由较高电压的供电网与较低电压的牵引网相结合的阶梯供电方案。该系统由主变电所和牵引供电网2部分组成，参考城市轨道交通中压网络，主变电所的主牵引母线（单相）额定（相间）电压取35 kV[8]。统一牵引供电系统中采用组合式同相供电技术，组合式同相供电装置中，牵引功率由牵引变压器和同相补偿装置（CPD）共同提供，平衡接线变压器两供电臂使输出的功率相等，可以解决负序问题；同相补偿装置对机车负荷中的无功功率和谐波电流进行补偿。采用组合式同相供电装置可以全面改善牵引供电系统的电能质量。

1 统一牵引供电系统介绍

统一牵引供电系统的原理如图1所示。统一牵引供电系统由主变电所（SSi、SSj）、供电线（PSi、PSj、PRi、PRj）、牵引变压器（Ti）、接触供电线（CSi、CSj、CRi、CRj）以及开闭所（SP）构成。正常情况下SP中开关B打开，开关K闭合，越区供电时开关B闭合。电能从主变电所流向中压（35 kV）供电网，再通过牵引变压器流向低压接触供电线。统一牵引供电系统采用同相供电方案，所有主变电所均从电力系统的同一相取电，由此产生的负序问题通过在主变电所中设置同相补偿装置进行集中补偿解决。

图1 统一牵引供电系统原理

为了促进统一牵引供电系统的工程实践，本文采用GO分析法对其可靠性进行评估。GO法以成功为导向，采用GO法进行系统可靠性分析时不考虑非正常工作状态下的越区供电，即不考虑开闭所的影响。

2 统一牵引供电系统各部分可靠性分析

2.1 同相补偿装置可靠性分析

统一牵引供电系统中主变电所采用单相组合式同相供电系统，在主变电所中设置负序补偿装置，对负序问题进行集中治理。组合式同相供电是将以负序补偿为核心的对称补偿技术和单相变压器的功能相结合，负序补偿量根据实际情况设置，单相主变压器和负序补偿装置在结构上相互独立。图2为直接供电方式下单相组合式同相供电系统结构示意图。

图2 直供方式下单相组合式同相供电系统结构

主变电所内110 kV/35 kV主牵引变压器（TT）和同相补偿装置（CPD）是主要的供电设备。CPD由牵引匹配变压器（TMT）、交直交变流器（ADA）和高压匹配变压器（HMT）构成。对于单相组合式同相供电系统，其同相补偿装置为单相结构。正常运行时，为供电网供电的任务由主变压器（TT）和同相补偿装置（CPD）共同完成，TT和HMT构成一种特殊的Scott接线，其中主变压器担负主要的供电任务，同相供电装置担负次要供电任务及实现负序补偿，原理详见文献[7]。

根据文献[9]可以得到TMT、隔离开关和断路器的故障率参数，通过计算得到各设备的可靠度和平均无故障工作时间（表1）。

表1 各设备可靠度和平均无故障工作时间

根据文献[10]可知交直交变流器单元的故障率ADA= 31 880 Fit，平均无故障工作时间ADA= 3.136 7×104h。

在得到上述各设备可靠性参数的基础上，将同相补偿装置看作是上述设备相互串联组成的模型，然后计算其可靠性参数。

考虑同相供电装置中每个设备均正常的情况下，计算其可靠度为

式中，kn为协调控制器的可靠度，其故障率kn= 2×10-7次/h。

同相供电装置的平均无故障工作时间CPD为1.963 8×104h，故障率CPD为50 921 Fit。

2.2 主变电所主接线可靠性评估

图3为典型的主变电所电气主接线图。1#进线和2#进线均为110 kV进线电源，互为备用以满足主变电所供电的连续性；图中将主变压器T和高压匹配变压器HMT作为一个整体进行考虑，T1（HMT1）和T2（HMT2）互为备用，正常情况下左侧主变压器投入工作，发生故障时，右侧备用主变压器投入工作；BLG为同相补偿变流器ADA单元；BLG模块后面接2个牵引匹配变压器TMTT和TMTF；HMT、BLG、TMT共同构成一套同相补偿装置，主变电所主接线中共设2套同相补偿装置，互为备用，接于补偿母线K。正常工作时，2组进线、主变压器、同相补偿装置均一主一备投入运行，隔离开关G23、断路器DL19均断开；当现用的外部电源故障时，隔离开关G23、断路器DL19合闸，由另一回外部电源进行供电。设正常运行时T1（HMT1）、BLG1、1TMTT和1TMTF为一组投入工作，T2（HMT2）、BLG2、2TMTT和2TMTF为一组作为备用，则当左边一组出现故障时，右边一组才会投入工作。

主变电所引出4条馈线为供电网供电，每条馈线断路器均采用100%备用方式。此处，定义主变电所正常工作状态为4条馈线均能正常为供电网供电。

图3 主变电所主接线图

根据主接线图画出GO图如图4所示，图中各操作符说明如表2所示。

图4 主变电所主接线GO图

主变电所主接线中主要电气设备可靠性参数如表3所示，对于主变电所内的其他设备如输电线、避雷器、熔断器等，其故障率相比主要设备低很多，可以简化计算。

表2 主变电所主接线GO图操作符说明

表3 主变主接线基本元件可靠性参数

根据各操作符的结构、组成元件及参数，计算得到各操作符的等效可靠性参数（表4）。

表4 主变GO图各操作符可靠性参数

根据上述数据，按照GO法的计算原理计算主变电所可靠性特征量，计算结果如表5 所示。

表5 主变电所可靠性特征量计算结果

2.3 供电网可靠性分析

在统一牵引供电系统中，供电网电压等级为35 kV，采用交联聚乙烯单芯电缆，每根电缆长度为1 km，不足1 km的部分近似按1 km计算。供电线采用2根单芯电缆分别作为供电线和回流线，考虑到2根电缆同时发生故障的概率很小，因此只需设置1根备用电缆即可。正常工作时2根电缆投入工作，1根电缆备用，采用50%备用方式。

在研究统一牵引供电系统接触网的电压等级时，在供电网电压等级为35 kV的情况下，分别选取接触回路不同电压等级对电压损失进行计算。根据最大电压损失要求、综合经济性与接触网现有电压等级等因素选取接触回路电压等级为6 kV。

以成都地铁某线路为实例进行供电网可靠性计算。该地铁线路中设置1个主变电所，下面带12个牵引变电所，各牵引所之间距离和供电臂长度等参数以及其50%备用方式下的供电网结构如图5所示。

图5 成都地铁某线路50%备用方式下的供电网结构

根据文献[11]，考虑实际施工中人为因素对电缆可靠性影响较大，取电缆故障率= 0.6，电缆平均维修时间= 3.28 h。

以牵引变电所3到牵引变电所4之间的电缆为例，单根电缆简化为串联等效结构，其等效可靠性参数为

= 1 /R= 3.283 7 h （3）

3根电缆中至少要2根电缆同时正常工作，供电网才能正常工作，因此3根电缆组成一个3取2门。根据单根电缆计算结果可计算得牵引所3、4之间3根电缆的等效可靠性参数（表6）。

表6 牵引所3、4之间电缆整体可靠性（50%备用方式）

同理可计算其他各牵引所之间以及牵引所与开闭所之间的电缆可靠性参数，全程电缆可视为各牵引变电所之间和牵引变电所与开闭所之间的电缆串联构成，可求出全程电缆的可靠性参数（表7）。

表7 全程电缆可靠性参数

2.4 全线牵引变电所整体可靠性分析

统一牵引供电系统中，牵引变电所采用单相牵引变压器，从35 kV电缆供电线进线，然后通过单相变压器将电压降为6 kV馈出到接触线。典型的牵引变电所电气主接线如图6所示。

图6 牵引变电所主接线图

根据牵引变电所电气主接线图画出GO图进行可靠性分析的步骤和方法均与主变电所相同，不再赘述。根据GO图和电气元件的可靠性参数对牵引变电所的可靠性进行计算，计算所得牵引变电所可靠性结果如表8所示。

表8 牵引变电所可靠性特征量计算结果

由图5所示电缆50%备用方式下供电网结构图可知，主变电所下设置12个牵引变电所，考虑牵引变电所具有一定的过负荷能力，在分析统一牵引供电系统可靠性时，认为12个牵引变电所中只要有任意2个牵引变电所故障系统即停止工作，不会再有新的故障发生，即可认为12个牵引变电所组成一个12取11门，根据GO法取门的计算公式和单个牵引变电所的可靠性参数可得整个牵引变电所模块的可靠性特征量如表9所示。

表9 牵引变电所模块可靠性特征量

2.5 接触网可靠性分析

接触网的可靠性参数可以参考文献[12]获得，接触网的可靠性分析与供电网的可靠性分析相似，先求出牵引变电所之间的接触网的可靠性参数，进而求出整个接触网的可靠性参数。以牵引所1、2之间的接触网为例，计算得其可靠性参数如表10所示。

表10 牵引所1、2之间接触网的可靠性参数

将各牵引所之间以及牵引所与开闭所之间的接触网段视为串联结构，计算得各牵引网段的可靠性参数后，再经过串联计算得到全线接触网的可靠性参数如表11所示。

表11 接触网整体可靠性参数

3 运用GO法的系统可靠性分析

统一牵引供电系统由主变电所、供电网、全线牵引变电所和接触网4个部分串联而成，根据前面对各个部分的可靠性分析结果，按照GO法对统一牵引供电系统进行GO运算，计算得统一牵引供电系统可靠性特征量如表12所示。

表12 统一牵引供电系统可靠性特征量

由接触网可靠性特征量计算结果可以看出，接触网本身可靠性相对其他部分来说较低，接触网串联在统一牵引供电系统中会降低系统整体可靠性。统一牵引供电系统剔除接触网部分的可靠性之后，得出其余部分可靠性的计算结果如表13所示。

表13 统一牵引供电系统可靠性（不含接触网）

对表12和表13数据进行对比可知，由于接触网在统一牵引供电系统中属于串联模块，且接触网可靠性较系统中其他部分的可靠性低很多，因此其可靠性对统一牵引供电系统的整体可靠性影响很大，考虑接触网，整个统一牵引供电系统的可靠性大大降低。由此看出，接触网因其结构特殊且无备用，是整个统一牵引供电系统中最薄弱的环节。

4 结论

统一牵引供电系统中的组合式同相供电装置解决了负序问题，对无功和谐波电流进行补偿，改善了牵引网电能质量；采用贯通式同相供电解决了干线铁路中的过分相问题；采用交流供电系统解决了城轨交通系统中的直流问题。本文将GO分析法引入到统一牵引供电系统的可靠性评估中，针对系统中的主要装置和系统均建立了GO图，进行了可靠性评估，找出了影响统一牵引供电系统可靠性的关键环节，对统一牵引供电系统的工程应用具有一定参考价值。

[1] 曹建猷. 电气化铁道牵引供电系统[M]. 北京：中国铁道出版社，1983.

[2] 李群湛，贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都：西南交通大学出版社，2007.

[3] 崔胜杰.贯通同相供电方案运行方式研究[D]. 西南交通大学，2017.

[4] 李群湛，贺建闽.电气化铁路的同相供电系统与对称补偿技术[J]. 电力系统自动化，1996（4）：9-11+28.

[5] 解绍锋，李群湛，贺建闽，等. 同相供电系统对称补偿装置控制策略研究[J]. 铁道学报，2002，24（2）：109-113.

[6] 陈民武，李群湛，魏光. 新型同相牵引供电系统设计与评估[J]. 中国铁道科学，2009，30（5）：76-82.

[7] 李群湛. 论新一代牵引供电系统及其关键技术[J]. 西南交通大学学报，2014，49（4）：559-568.

[8] 李群湛. 论干线铁路与城市轨道统一牵引供电方式[J]. 中国科学，2018.

[9] 林飞. 牵引供电系统可靠性指标体系与可靠性分析[D]. 西南交通大学，2006.

[10] 徐浩. 组合式同相供电系统可靠性研究[D]. 西南交通大学，2015.

[11] 蔡雨昌. 电气化铁路新型电缆供电系统可靠性研究[D]. 西南交通大学，2016.

[12] 赵健. 基于GO法的交流牵引供电系统可靠性研究[D]. 西安理工大学，2010.

The combined type co-phase power supply technology adopted by the main substation under unified traction power supply system is able to solve problems of negative sequence and compensate the reactive power and harmonic current, improve the energy quality of traction power supply system, cancel the electrical phase break, and is able to solve the problems of locomotive’s passing through the phase break and stray current caused by the DC system. The paper assesses the reliability of unified traction power supply system by means of GO analyzing method, and analyzes the key links influencing the reliability of unified traction power supply system.

Unified traction power supply system; combined type co-phase power supply; GO analyzing method

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.003

U223.5+1

A

1007-936X(2018)06-0009-06

李海燕.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生，研究方向为电能质量分析与控制；

解绍锋.西南交通大学电气工程学院，教授；

孙镜堤，张 凯.西南交通大学电气工程学院,硕士研究生。

国家自然科学基金（编号：51877182）。