基于波哥大轻轨车辆段支援正线的整流机组容量选型分析

郑浩天

摘  要：该文基于波哥大轻轨项目对波哥大轻轨车辆段支援正线的整流机组容量选型进行探讨分析。根据EN 50328和EN 50329对整流机组的要求进行分析和论述，首先将规范中要求的过电流转换为整流机组容量，然后将规范中对过电流的描述转换成定量参数，接着通过对正线及场段的供电仿拆分并开展仿真得到定量参数值，最后通过对定量参数的计算得到场段整流机组的安装容量并得到国外监理批准。该文通过上述步骤对波哥大轻轨车辆段支援正线的整流机组容量进行了研究和梳理，以期为今后类似供电方案提供一种计算方案及相关案例依据。

关键词：车辆段支援正线；整流机组容量选型；关键参数；安装容量；仿真

中图分类号：U270.3      文献标志码：A          文章编号：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

波哥大轻轨项目全长39.66 km，全线共设17座车站、13座牵引所、1座停车场和1座车辆段，其中EL CORZO车辆段位于PK35附近。根据客流及运营要求，PK26—PK40为郊区段且发车间隔为12 min，结合当地征地情况及成本因素，拟采用下述供电方案：正常运营时，EL CORZO车辆段牵引所仅对EL CORZO车辆段牵引系统本身供电；当EL CORZO相邻2个牵引所任意一个牵引所故障时，由车辆段EL CORZO对正线进行供电并同时对车辆段的牵引负荷进行供电。

由于车辆段的牵引模型不同于正线牵引模型，因此无法进行车辆段和正线共同建模，为了计算波哥大轻轨项目EL CORZO车辆段牵引所整流机组的容量，需要将仿真分为2部分，第一部分是正常工况下车辆段牵引仿真时的整流机组容量，另一部分是在车辆段相邻牵引所故障时，车辆段支援正线仿真时的整流机组容量。最后通过计算将这2部分仿真结果进行合并。1  整流机组容量选型分析

牵引整流机组作为城市轨道交通供变电专业重要的组成部分[1]，其主要作用是将中压环网传输来的交流电转换为牵引系统直流电供列车运营。对于目前城市轨道交通来说，在考虑谐波、功率因素及成本的参数时，通常选用24脉波整流机组[2]。而整流机组容量作为整流机组一个重要参数，其选择不能太大，也不能太小，一方面整流机组的容量选择应能保证整个供电系统的平稳运行[3]；另一方面整流机组的容量如果选择太大则会导致空损增加，太小则会导致整流机组长期处于过热状态影响整流机组的使用寿命。

根据IEC 60076-1[4]的第5.1.2章节给出整流机组的参考容量为100、125、160、200、250、315、400、500、630、800和1 000 kVA等及其10的整倍数。

因此，首先通过牵引仿真计算出整流机组的计算容量，然后根据上述参考容量对整流机组进行安装容量选型，最后进行验算保证安装容量一定大于计算容量。

而整流机组的容量主要取决于供电系统的牵引负荷，下面通过对牵引负荷仿真结果进行整理并进一步对波哥大轻轨项目的整流机组容量进行讨论和分析。

2  车辆段牵引仿真

根据EN 50328[5]和EN 50329[6]可知，由于本项目属于轻轨项目，其等级为“VI”，即整流机组需要满足额定功率下的不间断运行，1.5倍额定电流连续运行2 h，3倍额定电流连续运行1 min。但是在设备选型过程中不以过电流作为参数指标而是以容量作为参数指标，根据功率公式P=IU，仿真过程中电流与功率是正相关的，因此将规范要求的过电流转换为整流机组容量。

通过上述分析可知，整流机组的选型需要3个部分，因此本文将对这3个数据进行分析。首先是3倍额定功率工作1 min，这里规范没有提出大于3倍额定功率的要求，为了满足规范的第一个要求只需保证功率瞬时最大值一定要小于3倍额定功率，将这个值定义为Max Pmax。其次是1.5倍额定功率工作2 h，结合上条，这里表示在1.5～3倍额定功率最多工作1 min，因此只要60 s持续时间内的最低瞬时功率低于1.5倍额定功率即可满足要求，将这个值定义为Min Pmax（60 s）。最后是额定功率下的不间断运行，即最大功率均方根值小于选型容量即可，将这个值定义为Max Prms。

2.1  正常工况车辆段牵引仿真

波哥大轻轨项目EL CORZO车辆段共有6个供电馈出回路，其中第1个供电回路给车辆段的出入段线供电，第2个供电回路给检修库的静调电源柜进行供电，第3个供电回路给存车线进行供电，第4个供电回路给试车线进行供电，第5个供电回路给正线上行进行供电，第6个供电回路给正线下行进行供电。车辆段正常工况时，第1—4个供电馈出断路器处于常闭状态，第5—6个供电馈出断路器处于常开状态。

在车辆段正常工况模拟仿真中，由于第1和第3个供电回路跟车辆的运营计划有关，因此通过建立仿真模型并按照图1运营模式开展牵引仿真。

对于静调电源柜和试车线回路，根据运营计划，在早高峰发车时是没有工作计划的即第2个和第4个供电回路没有负荷。但是，如图1所示的运营时刻表示的是所有车辆均按照计划开展营运工作，在实际运营中也可能存在某车辆因为某些原因需要维修或者需要调试，此时车辆段高峰时刻发出的车辆将低于图中运营时刻表中的车辆。

图1  车辆段高峰时刻拟开展的运营时刻图

因此考虑各种因素的情况下，在仿真建模中，依然按照满额车辆进行建模，同时对第2个静调电源柜供电回路加固定负荷模块，第4个试车线供电回路加一个固定的车辆调试时最大负荷功率模块。这样的仿真结果能够完全覆盖未来可能存在的任何工况。

按照上面的输入条件开展仿真建模并对仿真结果进行梳理得到表1。

表1中R1代表2个整流机组的输出功率，这里不考虑整流机组的功率不平衡情况，则单个整流机组均方根值功率为450/2=225 kW，最大功率为5 613/2=2 806.5 kW。

由于整流机组在工作时呈现的是一种波动状态，为了寻找整流机组60 s持续时间内的最低瞬时功率，选取整流机组最大瞬时功率生成功率-持续时间关系图，如图2所示。

在03：50：00—06：19：17的早高峰期间，整流机组最大功率的功率和持续时间关系如图2所示。由于仿真软件的仿真步长为1 s，因此横坐标持续时间是从1作为起始坐标，整流机组在第1 s时的功率为5 613 kW，随着持续时间增加，整流机组瞬时功率逐渐降低，其中在第10 s，整流机组瞬时功率降为4 895 kW；在第60 s，整流机组瞬时功率降为2 250 kW，在第100 s，整流机组瞬时功率降为1 780 kW。

图2  正常工况车辆段整流机组最大瞬时功率-持续时间关系图

综上，单个整流机组60 s持续时间内的最低瞬时功率Min Pmax（60 s）=2 250/2=1 125 kW。

对于车辆段本身来说，4个供电分区之间也存在相互支援，但是本文的研究重点为整流机组的输出功率，4个供电分区在故障工况相互支援时，仅仅是其负荷分布发生了变化，但是折算到整流机组并不会发生变化（忽略传输损耗），因此EL CORZO车辆段牵引所的整流机组在场段的负荷仅考虑正常工况负荷即可。

2.2  相邻牵引所故障车辆段支援供电牵引仿真

由于本项目牵引所布点的顺序为TPSS-05，SER-EL CORZO，COM-06，因此这里分为2种情况，一种是TPSS-05牵引所故障退出时，SER-EL CORZO场段牵引所支援供电，另一种是当COM-06故障退出时，SER-EL CORZO场段牵引所支援供电。

在EL CORZO车辆段支援正线时，第1—4个供电馈出断路器处于常开状态，第5—6个供电馈出断路器处于常闭/常开状态，仅当TPSS-05或COM-06牵引所故障退出时，第5—6个供电馈出断路器处于常闭状态，其余均为常开状态。同时由于本项目末端站为单整流机组设置，因此在正线仿真中为了区分末端站，将整流机组分开建模即R1和R2。

正线仿真中共分为5种工况，其中第1个为正常工况（Base），场段不对正线进行支援供电，然后为4种大双边供电的故障工况（E1—E4），即模拟某1座牵引所故障退出时，相邻牵引所支援供电时的情景。其中故障工况2（E2）为TPSS-05（EL CORZO的正线左邻所）牵引所故障退出时，SER-EL CORZO场段牵引所支援供电的情景；故障工况3（E3）为COM-06（EL CORZO的正线右邻所）牵引所故障退出时，SER-EL CORZO场段牵引所支援供电的情景。

则通过建模并将仿真结果整理成表2、表3。

通过表2可知，当TPSS-05故障时（E2），场段单台整流机组的均方根值功率为686 kW；而当COM-06故障时（E3），场段单台整流机组的均方根值功率为773 kW。而在设备选型时选取二者中的最大值，即相邻牵引所故障车辆段支援供电时，车辆段牵引变电所单台整流机组均方根值为773 kW。

通过表3可知，当TPSS-05故障时（E2），场段单台整流机组的最大值功率为2 245 kW；而当COM-06故障时（E3），场段单台整流机组的最大值功率为3 056 kW。而在设备选型时选取二者中的最大值，即相邻牵引所故障车辆段支援供电时，车辆段牵引变电所单台整流机组最大值为3 056 kW。

由于整流机组在工作时呈现的是一种波动状态，为了寻找整流机组60 s持续时间内的最低瞬时功率，选取故障工况3整流机组最大瞬时功率生成功率-持续时间关系图，如图3所示。

图3  车辆段支援正线时整流机组最大瞬时功率-持续时间关系图

在05：00：00—05：12：00的早高峰期间，选取COM-06故障时（E3），场段整牵引所支援正线的工况，其EL CORZO场段牵引所单台整流机组（R1）的最大功率的功率和持续时间关系如图3所示。由于仿真软件的仿真步长为1 s，因此横坐标持续时间是从1作为起始坐标，则单台整流机组在第1 s时的功率为3  056  kW，随着持续时间增加，整流机组瞬时功率逐渐降低，其中在第10 s，整流机组瞬时功率降为2 530 kW；在第60 s，整流机组瞬时功率降为1 650 kW，在第100 s，整流机组瞬时功率降为1 460 kW。

综上，最大功率所在周期内，单个整流机组60 s持续时间内的最低瞬时功率Min Pmax（60 s）=1 650 kW。

2.3  场段整流机组容量计算及选型分析

通过运营计划可知，在场段支援正线时，场段依然正常运营。在场段整流机组容量选择中，需要同时考虑2.1中前两种的结果，其中功率均方根值可以直接叠加，但是瞬时值不能直接叠加需要考虑同时系数，根据经验设同时系数为0.7。则当EL CORZO车辆段牵引所支援正线且场段内正常运营时，其最大功率均方根值Max Prms为225 kW（仅场段正常运营时）+773 kW（仅场段支援正线时）=998 kW；其60 s持续时间内最低瞬时功率Min Pmax（60 s）为（1 125 kW（仅场段正常运营时）+1 650 kW（仅场段支援正线时））×0.7（同时系数）=1 942.5 kW；其最大瞬时功率Max Pmax为（2 806.5 kW（仅场段正常运营时）+3 056 kW（仅场段支援正线时））×0.7（同时系数）=4 103.75 kW。

将上述结果整理得到表4。

表4  场段牵引所整流机组功率结果

通过表4，根据规范要求，当考虑功率均方根值参数时，单台整流机组的计算容量为998/1=998 kW；当考虑60 s持续时间内最低瞬时功率参数时，单台整流机组的计算容量为1 942.5/1.5=1 295 kW；当考虑最大瞬时功率参数时，单台整流机组的计算容量为4 103.75/3=1 368 kW。当需要同时满足上述3个参数时，选取最大计算容量为1 368 kW，则单台整流机组的安装容量至少为1 600 kW。

3  结论

一般国内轨道交通项目中的车辆段牵引所在设计时不考虑支援正线的情况，这是因为虽然国内车辆段规模较大，但考虑到设备的维护时，需要尽可能减少设备种类型号，因此一般直接采用正线整流机组的容量即可。而波哥大轻轨项目由于波哥大各种原因必须考虑车辆段牵引所支援正线的供电方案。由于场段牵引所本身较为独立，且供电模型与正线供电模型在建立时有较大的区别，一般很难放入同一个供电模型中，而本文通过分别对场段及支援正线的工况进行建模并对场段变压器容量进行计算得出单台整流机组的安装容量至少为1 600 kW。另一方面，为了满足设备和备品备件的互换性，减少设备类型，最终根据正线整流机组设备容量计算确定场段最终的整流机组容量为单台2 000 kW，并最终得到国外监理的认可和批复。

本文主要探讨了基于波哥大轻轨车辆段支援正线的整流机组容量选型，以期为今后类似供电方案提供一种计算方案及案例依据。

参考文献：

[1] 张飞.城市轨道交通直流牵引供电系统有关技术研究[J].工程建设与设计，2018（20）：106-107.

[2] 董海燕，田铭兴，杜斌祥，等.地铁24脉波整流机组的仿真及谐波电流分析[J].电源技术，2011，35（5）：593-594，611.

[3] 谢方.城市轨道交通直流供电整流机组研究[D].成都：西南交通大学，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].