城市轨道交通三相交流牵引供电系统可靠性研究

摘 要：本文深入研究了城市轨道交通的三相交流牵引供电系统，并概述了该系统的组成和工作原理。采用贝叶斯网络图的可靠性分析方法对供电系统进行了建模和分析，找出系统中的薄弱环节并提出建议，为提高城市轨道交通的供电系统可靠性提供了重要的理论支持，并为相关领域的研究和应用提供了参考。

关键词：城市轨道；交流牵引供电系统；可靠性研究

中图分类号：U 12" " " " 文献标志码：A

城市轨道交通作为现代城市交通系统的重要组成部分，承担着大量的人员输送任务。三相牵引供电系统是城市轨道交通的核心组成部分，其作用是为列车提供动力和能源。其稳定性、可靠性和安全性直接影响列车的运行效率和乘客的出行体验[1]。

本文深入研究城市轨道交通的三相交流牵引供电系统，介绍了供电系统的组成和工作原理，并对供电系统进行建模和分析，解决供电系统中的潜在问题。对提高供电系统的可靠性具有重要意义。

1 三相交流牵引供电系统的组成

三相交流牵引供电系统是城市轨道交通中常见的一种供电系统形式，利用三相交流电能为列车提供牵引力和动力[2]。三相交流牵引供电系统组成如图1所示。

2 可靠性分析方法

贝叶斯网络图是一种概率图模型，能够描述不同变量间的依赖关系，并基于先验概率和条件概率进行推理和分析。利用贝叶斯网络图对城市轨道交通系统中的应用进行分析，以此提供可靠性评估和决策支持。通过使用历史数据、专家知识和先验概率，同时考虑系统中的不确定性和动态变化，为决策者提供准确的系统可靠性信息，支持系统的优化和改进[3]。

3 三相交流牵引供电系统可靠性分析

本文旨在对三相交流牵引供电系统的可靠性进行分析，以此评估和优化系统的可靠性和安全性。为决策和规划提供支持，提升运行效能并节约运营成本。

3.1 供电变电所可靠性分析

3.1.1 可靠性模型

以某城市轨道交通供电系统为例。1号和2号进线均采用110kV交流电源。T1和T2均为变压器，互为备用。CPD1、CPD2和CPD3为3套同相供电补偿装置，2主1备，包括母线（I）、自动隔离开关（GZ）、手动隔离开关（GS）、断路器（DL）、牵引变压器（T）、电流互感器（LH）和电压互感器（YH）等。对供电变电所接线图的串联部分进行等效化简，如图2所示。

图中各字母含义见化简说明。化简说明见表1。

3.1.2 可靠性分析过程

基于故障树的贝叶斯网络方法，对供电变电所故障的可靠性进行分析。

供电变电所故障为顶事件S，通过或门与中间事件A1、A2和I3连接。

中间事件A1通过与门与中间事件B1、B2、B3、B4、B5和B6连接，B1～B6分别对应6种工况。

工况1：主牵引变压器T1故障，同相供电补偿装置CPD1故障，T2、CPD2和CPD3正常。工况2：主牵引变压器T1故障，同相供电补偿装置CPD2故障，T2、CPD1和CPD3正常。工况3：主牵引变压器T1故障，同相供电补偿装置CPD3故障，T2、CPD1和CPD2正常。工况4：主牵引变压器T2故障，同相供电补偿装置CPD1故障，T1、CPD2和CPD3正常。工况5：主牵引变压器T2故障，同相供电补偿装置CPD2故障，T1、CPD1和CPD3正常。工况6：主牵引变压器T2故障，同相供电补偿装置CPD3故障，T1、CPD1和CPD2正常。

中间事件A2通过或门与事件B7、B8连接；B7和B8分别对应α供电臂和β供电臂故障。

中间事件B1～B8通过与门或门与子事件或底事件连接，底事件为化简说明表中各替代部分串联组合的故障。

根据上述分析，梳理对应关系绘制供电变电所的贝叶斯网络图如图3所示。

其中或门节点包括B1～B6、C7～C10、D1、D2和S。与门节点包括A1、A2、B7、B8和C1～C4。

3.1.3 可靠性分析结论

供电变电所电气设备的可靠性参数见表2。

结合图3和表2的可靠性数据，可以定量计算当供电变电所正常运行时，变电所故障可靠性指标为平均正常工作概率为0.99996。故障率为0.103；平均工作时间为85215.5h。

贝叶斯反向推理公式可以计算供电变电所故障的条件概率，如公式（1）所示。

P（X=1|S=1）=" （1）

经计算，当供电变电所不能向电缆正常供电时，P（I3=1|S=1）=16.34121%，P（I4=1|S=1）=16.34121%。说明牵引母线I3和补偿母线I4的条件概率最大。I3和I4均无备用，一旦发生故障将直接影响整个变电所的供电。因此，当评估供电变电所可靠性时需要将其视为最薄弱的环节。

P（CPD1/2/3=1|S=1）=0.314%，与其他元件相比条件概率较高，是评估供电变电所可靠性时较薄弱的环节。

3.2 接触网可靠性分析

本文以刚性接触网为研究对象，以锚段为单位对接触网的可靠性进行分析。刚性接触网的一个锚段由接触线、悬挂支撑装置、中锚线夹、汇流排和汇流排终端组成。

单锚段可靠性框图如图4所示。

通过接触网设备可靠性参数和串联计算公式，可以得到单锚段的可靠性指标：正常工作概率为0.99993，故障率为0.237次/年。

3.3 牵引变电所可靠性分析

3.3.1 可靠性模型

以某城市轨道交通供电系统为例，牵引变电所采用的是单相变压器。该变电所的原边直接从35kV的电缆取电，而副边通过降压转换后与接触网进行连接。1#和2#进线互为备用。对牵引变电所接线图的串联部分进行等效化简，如图5所示。

图中各字母含义见表3。

3.3.2 牵引变电所可靠性分析

3.3.2.1 可靠性分析过程

本文采用故障树的贝叶斯网络方法，对牵引变电所故障的可靠性进行分析。根据牵引变电所接线化简图，可以看出在正常运行状态下有4条对称馈线。

牵引变电所故障指牵引变电所的两个供电臂α和β同时发生故障。牵引变电所故障为顶事件S，通过或门与中间事件Sα和Sβ连接。由于α供电臂故障和β供电臂故障相同，因此不再赘述β供电臂故障。

α供电臂故障分2种工况：α供电臂上行线和α供电臂下行线故障。中间事件Sα通过或门与中间事件A1、A2和I3连接。说明A1通过与门与中间事件B1和B2连接。事件A2通过与门与中间事件B3和B4连接。

根据上述分析，梳理对应关系绘制牵引变电所的贝叶斯网络图如图6所示。

其中或门节点包括S、B1、B2、B3、D1和D2。与门节点包括A1、A2、C1和C2。

3.3.2.2 可靠性分析结论

根据图6和表2，定量计算正常运行时全所可靠性指标：平均正常工作概率为0.9999。故障率为0.2021。平均工作时间为41365.76h。

利用公式（1），可以计算当牵引变电所的两个供电臂同时发生故障时，各设备故障的条件概率。

根据计算，P（I3=1|S=1）=17.9678%，为母线和电压互感器组成的串联单元I3的条件概率最大。因为电压互感器有冗余设计，而母线I3无冗余设计。所以一旦牵引母线发生故障，将直接影响整个牵引变电所的供电。可以认为牵引母线是牵引变电所可靠性最薄弱的环节。

3.4 系统可靠性分析

系统可靠性框图如图7所示。

城市轨道交通交流牵引供电系统的可靠性为3个子系统的可靠性串联。根据上述3个子系统的可靠性的分析可知：提高供电变电所可靠性的关键是提高母线和元件的可靠性。采用冗余的方法简单有效。牵引变电所提高可靠性方法和中心变电所类似。

由于接触网可靠性最低，影响整个供电系统的可靠性。因此要提高基础网的可靠性，需要提高锚段每部分的可靠性。

4 结论

本文对城市轨道交通的三相交流牵引供电系统的组成和工作原理进行了深入研究。针对供电系统建立了可靠性模型，并采用贝叶斯网络图对可靠性进行评估。识别出了供电系统的关键故障事件，并提出了提高系统可靠性的建议。这些研究成果为相关领域的进一步研究和应用提供了重要的参考价值。

参考文献

[1]李洁，解绍锋，陈祯怡.城轨三相交流牵引供电系统中心变电所可靠性分析[J].电气化铁道，2021，32（5）：80-85.

[2]陈祯怡.城市轨道交通三相交流牵引供电系统供电能力研究[D].成都：西南交通大学，2021.

[3]蒋俊.城市轨道交通交流牵引供电系统可靠性研究[D].成都：西南交通大学，2019.