Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Điện-ĐTVT-CNTT Nghiên Cứu Điện Áp Hoạt Động Trên Mạng Tiếp Xúc Của Hệ Thống Tàu Điện Ngầm Cho Thiết Kế Đường Ray Dẫn Điện Mới – ROCS Nguyễn Thái Khoa Điện – Điện tử Viễn thông Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam thai.nguyen@ut.edu.vn điện áp, nhu cầu phát triển tải phương pháp vận hành hệ thống Bên cạnh đó, việc chọn lựa cấu trúc cung cấp nguồn cho hệ thống vận hành vĩnh cửu hiệu khó khăn Vì vậy, nghiên cứu cụ thể phân tích hệ thống điện xác cung cấp thông tin quan trọng, khách quan cho việc lập kế hoạch, thiết kế, lắp đặt vận hành hệ thống Tóm tắt - Trong hệ thống tàu điện ngầm, chất lượng điện áp hoạt động vấn đề quan trọng giả định tính tốn kỹ lưỡng thiết kế nhằm đáp ứng tần suất dịch vụ cao Đặc biệt, tải cao điểm thường xuyên ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng, độ tin cậy việc cung cấp nguồn, tính linh hoạt, an toàn hệ thống hiệu khai thác tuyến Để đáp ứng yêu cầu cách tốt nhất, điện áp hoạt động mạng tiếp xúc thỏa hiệp tối ưu kinh tế kỹ thuật hoạt động vĩnh cửu thuộc hệ thống thiết kế Thời gian gần đây, đường ray dẫn điện nghiên cứu động lực học tác động chuyển động tàu nhằm áp dụng thiết kế cho số hệ thống đường sắt giới phạm vi không gian điều kiện hẹp Bài báo nghiên cứu điện áp hoạt động đường ray dẫn điện thiết kế mạng tiếp xúc treo cao cố định – ROCS thuộc hệ thống tàu điện ngầm toàn tuyến Matlab R2017b/Railway Systems phần mềm đáng tin cậy để tiếp cận mô phân tích số liệu cần thiết Kết nghiên cứu cho thấy tính khả thi ROCS với ưu điểm vượt trội kết cấu điện áp hoạt động định mức 750V DC Thiết kế cung cấp điện kéo cho tuyến phụ thuộc vào lực phục vụ theo giai đoạn phát triển, ví dụ như: năm đầu, 10 năm 10 năm tiếp theo…Thông thường giới hạn điện áp 750 V DC đáp ứng cho tuyến có lực từ 24.000 người/giờ/hướng (p/h/d) đến 40.000 p/h/d, điện áp 1.500 V DC cho tuyến có lực từ 30.000 p/h/d đến 60.000 p/h/d điện áp 3.000 V DC cho tuyến có lực lớn Đối với hệ thống 750 V DC chủ yếu dùng mạng tiếp xúc ray thứ ba, mạng tiếp xúc treo cao phổ biến với hai loại 1.500 V DC 3.000 V DC Những năm gần đây, có nhiều nghiên cứu áp dụng ray dẫn điện thiết kế mạng tiếp xúc treo cao cố định – ROCS cho tàu điện ngầm Tuy nhiên, nghiên cứu dừng lại phân tích ưu điểm vượt trội tính chất cấu trúc vật lý, vận tốc vận hành, kinh tế kỹ thuật, chi phí vận hành [1], [2] Vì vậy, nghiên cứu tập trung phân tích vấn đề điện áp hoạt động hệ thống tàu điện ngầm mạng tiếp xúc cố định treo cao theo tiêu chuẩn châu Âu EN 50163, tiêu chuẩn Liên minh Đường sắt Quốc UIC 600 tiêu chuẩn Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC 60850 Hầu hết nghiên cứu phân tích cung cấp nguồn sức kéo điện cho hệ thống đường sắt mô chế rộng rãi, hiệu tiết kiệm chi phí Vì vậy, nghiên cứu này, Matlab R2017b/Railway Systems phần mềm chọn lựa cho việc mô điện áp hoạt động mạng tiếp xúc đại phù hợp với tình hình phát triển chung giới Từ khóa - Tàu điện ngầm, điện áp hoạt động, mạng tiếp xúc ray thứ ba, mạng tiếp xúc treo cao I GIỚI THIỆU Tàu điện ngầm phương tiện giao thông công cộng đường sắt đô thị chun chở khối lượng lớn có lịch sử hình thành phát triển gần 130 năm, có mặt 204 thành phố 64 quốc gia, có Việt Nam Đây tải đặc biệt, triết lý vận hành phụ thuộc vào thời gian ngày, mật độ dân cư tốc độ phát triển đô thị Song cung cấp điện kéo hệ thống cố định, an tồn, tin cậy, có tuổi thọ tối thiểu 30 năm hoạt động liên tục tiết kiệm chi phí Do đó, thiết kế cần phải kết hợp thỏa đáng trang thiết bị, cấu trúc hệ thống, nguồn cung cấp, cấp 83 Nguyễn Thaí II MÔ TẢ HỆ THỐNG Mạng tiếp xúc treo cao cố định – ROCS hệ thống sử dụng ray dẫn điện có cấu trúc hình kết cấu lắp đặt hình ROCS ứng dụng lần đường hầm Sittenberg Áo vào năm 1984 áp dụng thiết kế năm gần cho hệ thống đường sắt 25 kV/50 Hz, 15 kV/16,7 Hz, 750 V DC đến 3.000 V DC vị trí hạn chế nhà ga, đường hầm [2]-[6] Nó sử dụng thay cho mạng tiếp xúc ray thứ ba mạng tiếp xúc treo cao dây mềm nhờ ưu điểm vượt trội với đặc trưng: Thanh dẫn điện làm hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn BS EN 573-3:2009 Thanh dẫn khung định hình theo yêu cầu với chiều dài từ 10 m đến 12 m, chiều cao từ 80 mm đến 110 mm tiết diện từ 2.202 mm2 đến 2.223 mm2 Hình Kết cấu lắp đặt giá đỡ công xôn (console) ngang Dây tiếp xúc làm đồng theo tiêu chuẩn EN 50149 có tiết diện từ 80 mm2 đến 193 mm2 với hình dáng bình thường (1) Thanh dẫn điện (4) Chốt neo (2) Sứ cách điện (5) Vòm hầm/dầm treo (3) Giá đỡ/cơ cấu treo (6) Cơ cấu cố định giới hạn độ cao Cấu trúc đơn giản, đa dạng ứng dụng cấu trúc lắp đặt, phù hợp với điều kiện sử dụng vị trí lắp đặt Cấu trúc đơn giản tiết kiệm chi phí lắp đặt, thay bảo trì Đường dây cố định, không xảy tượng võng đùn dây dẫn, giảm nguy hư hỏng, đứt dây Hình Cấu trúc ray dẫn điện: Trước đùn dây tiếp xúc (trái) sau đùn dây tiếp xúc (phải) Không cần thiết bị căng dây tự động, thuận lợi vị trí cuối phân đoạn Cấu trúc bao gồm thành phần: Thanh dẫn, dây tiếp xúc, giá đỡ công xôn (console) tay đòn cách điện đầu, ngang cách điện hai đầu, khớp nối, hệ co giãn nhiệt, giao tiếp phân đoạn, kết nối cấp nguồn sứ cách điện Các ưu điểm khuyết điểm hệ thống ROCS [1]-[3] sau: Không cần bù căng dây, võng dây dẫn tự nhiên, khơng có điểm nối chéo đầu cuối căng dây, khơng có chồng chéo dây tiếp xúc Diện tích mặt cắt ngang lớn, tăng khả mang dòng điện, giảm số lượng trạm điện kéo cần thiết, tăng lực phục vụ tuyến A Ưu điểm ROCS Có thể thay phân đoạn mài mòn nhiều dễ dàng Tiết kiệm khơng gian kích thước đường hầm, thơng quan giải phóng mặt chi phí xây dựng Đơn giản vị trí giao cắt điểm đầu cuối đường ray, ga depot 84 Nghiên cứu điện áp hoạt động mạng tiếp xúc hệ thống tàu điện ngầm… Thanh dẫn điện nhôm sơn phủ bảo vệ chống tác động ô – xy hóa mơi trường ngồi đáng kể so với lợi ích mặt kinh tế kỹ thuật lâu dài mang lại Tiêu chuẩn vật liệu rõ ràng, dễ sử dụng C Thông số kỹ thuật ROCS, Thông số kỹ thuật ROCS mô tả bảng I B Khuyết điểm ROCS Chi phí ban đầu lớn, thiết kế phụ thuộc vào nhà cung cấp Tuy nhiên, khuyết điểm không BẢNG I THÔNG SỐ KỸ THUẬT THANH CỨNG TREO CAO SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ TÀU ĐIỆN NGẦM Thông số kỹ thuật cứng treo cao Thành phần Đơn vị Giá trị Điện áp DC [V] 750 ÷ 3.000 Dịng định mức [A] 4.000 ÷ 2.000 Dịng ngắn mạch [kA] 4,5 Thời gian ngắn mạch [ns] 60 Nhiệt độ môi trường [0C] − 40 Nhiệt độ dẫn [0C] 90 Khoảng cách giá đỡ [m] 12 ÷ 14 Chiều cao dẫn [mm] 80, 110, 130 Tiết diện dẫn [mm2 ] 2.200 ÷ 2.400 Dây tiếp xúc EN 50149 [mm2 ] 80 ÷ 161 Trọng lượng [kg/m] 5,7 ÷ 6,1 III THIẾT KẾ HỆ THỐNG Các thông số cần thiết sử dụng cho thiết kế mạng tiếp xúc ROCS kiểm tra đánh giá điện áp hoạt động mơ tả tóm tắt số liệu sở bảng II bảng III, sau: BẢNG II THÔNG SỐ TẢI HỆ THỐNG Thông số tải hệ thống Thành phần Đơn vị Giá trị Điện áp DC [Vdc] 750 Chiều dài tuyến [km] 20 Số trạm khách (ST) [xi] 20 Số trạm điện kéo (TPS) [yi] 10 Khoảng cách DTPS (st) [km] 2,0 Khoảng cách DST (st) [km] 1,0 Tần suất phút [p/h/d] 30.000 Tần suất phút [p/h/d] 40.000 Tần suất 2,5 phút [p/h/d] 48.000 Tần suất phút [p/h/d] 60.000 Gia tốc tăng tốc [m/s2] 1,0 Vận tốc trung bình [km/h] 35 85 Nguyễn Th Thơng số tải hệ thống Đơn vị Giá trị Tàu toa (7 người/m2) [p/t] 2.000 Trọng tải (đầy tải) [tấn] 350 Công suất PTPS [kW] 2·3.000 [A] 6.000 Thành phần Dịng cực đại cho phép BẢNG III THƠNG SỐ HỆ THỐNG SỨC KÉO Thơng số hệ thống phân phối dịng điện kéo Thành phần Đơn vị Giá trị Điện áp DC [Vdc] 750 ROCS 2214, CuETP 150 [A] 4.000 ROCS 2214, CuETP 150 [Ω/km] 0,0119 (khổ đơn) ROCS 2214, CuETP 150 [Ω/km] 0,00595 (khổ đôi) [Ω/km] 0,03 (khổ đơn) [Ω/km] 0,075 (khổ đôi) [Ω] 0,0015 Trở kháng nguồn (3000kVA 8% điện kháng máy biến áp) [Ω] 0,015 (1 bộ) Trở kháng nguồn (3000kVA 8% điện kháng máy biến áp) [Ω] 0,0075 (2 song song) Trở kháng nguồn (3000kVA 8% điện kháng máy biến áp) [Ω] 0,005 (3 song song) Dòng cực đại cho phép [A] 6.000 Ray UIC60 20 C Ray UIC60 20 C Cáp DC 100m, 500mm thác trung bình 35 km/h, gia tốc tăng tốc 1,0 m/s2, tần suất dịch vụ 2,5 phút/tàu/hướng Khi đó, có 04 tàu xuất phạm vi cung cấp nguồn trạm điện kéo hai hướng Có hai trường hợp xảy ra: IV KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Nghiên cứu mơ phần mềm Matlab R2017b/Railway Systems phân tích điện áp hoạt động hệ thống tàu điện ngầm với thiết kế dẫn điện – ROCS Nghiên cứu thực lực vận tải lớn hệ thống 750V DC, theo số liệu bảng II bảng III Kết tóm tắt với trường hợp sau: 1) Trường hợp 1: 04 tàu với vận tốc không đổi, sụt áp đầu nguồn 26 V, sụt áp lớn tàu cuối phân đoạn công suất 39,45 V điện áp tiếp xúc nhỏ 710,55 V DC, kết hình Như vậy, trường hợp điện áp hoạt động thấp 710,55 V DC lớn giá trị tiêu chuẩn 500 V DC, hệ thống làm việc bình thường A Trường hợp hoạt động bình thường Trong trường hợp này, phạm vi cung cấp nguồn trạm điện kéo có bán kính 1.000 m khoảng cách ga dừng 1.000 m, vận tốc khai Hình Điện áp hoạt động bình thường trường hợp 86 Nghiên cứu điện áp hoạt động mạng tiếp xúc hệ thống tàu điện ngầm… điện áp tiếp xúc nhỏ 578,3 V DC, kết hình mơ tả cho trường hợp có 02 tàu tăng tốc Như trường hợp hoạt động bình thường có 02 tàu tăng tốc, điện áp tiếp xúc nhỏ 578,3 V DC lớn tiêu chuẩn điện áp tiếp xúc nhỏ 500 V DC, hệ thống làm việc tốt 2) Trường hợp 2: Trong 04 tàu, có 02 tàu khởi động tăng tốc rời ga Nếu tàu rời ga trạm điện kéo, sụt áp lớn trạm điện áp tiếp xúc 659 V DC, hai phân đoạn bên trái bên phải khơng có tàu chạy Nếu tàu rời ga phân đoạn, sụt áp lớn 171,7 V DC Hình Điện áp hoạt động bình thường trường hợp B Trường hợp hoạt động cố hỏng 01 trạm điện kéo điện áp thấp cho phép 500 V DC, hệ thống làm việc bình thường Trong trường hợp cố, trạm liền kề có phạm vi cung cấp lớn km Trong phạm vi km, luôn xuất 03 tàu/hướng 01 tàu/hướng chế độ tăng tốc Do đó, sụt áp lớn xảy trường hợp sau: 2) Trường hợp 2: Mỗi hướng có 01 tàu tăng tốc vị trí ga xa cuối phạm vi cung cấp km Ở hướng đi, 01 tàu rời trạm điện kéo khỏi phạm vi cung cấp nguồn để chuyển sang nhận nguồn từ trạm khác Hướng lại, tàu di chuyển gần nguồn hơn, sụt áp giảm dần gần trạm thoát khỏi vùng điện áp xấu sau thời gian tăng tốc Khi đó, tàu tăng tốc sụt áp lớn cuối đường dây 303,4293 V DC điện áp tiếp xúc nhỏ 446,5707 V DC, kết hình Mặc dù, kết mơ cho thấy, sau thời gian tăng tốc 9,72 giây sụt áp 78,5834 V DC điện áp tiếp xúc 671,4167 V DC (hình 7), trước trình tăng tốc sụt áp lớn 30% gây nên điện áp tiếp xúc thấp 500 V DC 1) Trường hợp 1: Mỗi hướng có tàu gần trạm điện kéo chế độ tăng tốc rời khỏi ga Lúc này, phân đoạn bên phải (2km), sụt áp lớn 129,6626 V DC xảy tàu cách trạm điện kéo 1.908 m điện áp tiếp xúc nhỏ 620,3374 V DC, kết hình Phía đối diện, phân đoạn bên trái tàu tăng tốc ga cách trạm điện kéo km, điện áp tiếp xúc nhỏ 565,3 V DC có xu hướng tăng dần tàu gần trạm điện kéo Như vậy, trường hợp điện áp tiếp xúc thấp 565,3 V DC lớn Hình Điện áp hoạt động cố trường hợp Hình Điện áp hoạt động cố trường hợp Như vậy, điện áp tiếp xúc thấp kéo dài thời gian tăng tốc nhỏ điện áp thấp 500 V DC, vi phạm tiêu chuẩn điện áp Điều không đảm bảo chất lượng điện áp hoạt động, 87 Nguyễn Thaí độ tin cậy cung cấp nguồn hệ thống hoạt động cố vụ 2,5 phút/tàu/hướng khả chuyên chở lớn tuyến 48.000 người/giờ/hướng theo cấp điện áp định mức 750 V DC không khả thi sụt áp lớn 300 V DC, sau 9,72 giây điện áp tiếp xúc suy giảm không đáng kể 10,1%, đạt tiêu chuẩn chất lượng EN 50163, UIC 600 IEC 60850 Trong trường hợp tải cao điểm, trạm sử dụng ba chỉnh lưu nguồn kết nối song song đảm bảo khả tải 450% 10 giây, theo tiêu chuẩn EN 50388 – 12, IEC 61850 Tuy nhiên, nguồn cung cấp từ phía cho hệ thống với tần suất dịch Hình Điện áp hoạt động cố sau chế độ tăng tốc trường hợp Hình Điện áp hoạt động cố với tần suất dịch vụ phút/tàu/hướng C Trường hợp hoạt động tần suất dịch vụ Systems Qua đó, đa dạng trường hợp tải cho phút/tàu/hướng cố hỏng trạm điện kéo điện áp hoạt động tàu vào khung cao điểm Trong đó, trường hợp cố với tần suất Tác giả phân tích so sánh trường hợp cố có dịch vụ phút/tàu/hướng, phạm vi cung cấp thể xảy đến khả đánh giá lực điện áp trạm điện kéo hướng xuất hoạt động tuyến 02 tàu 01 tàu chế độ tăng tốc Cũng Ngoài ưu điểm vượt trội cấu trúc vật lý tương tự, hướng có 01 tàu tăng tốc vị trí ga xa so với mạng tiếp xúc trước, hệ thống ROCS đáp cuối phạm vi cung cấp km Ở hướng đi, ứng tốt cho điện áp hoạt động thiết kế với cấp 01 tàu rời xa trạm điện kéo, khỏi phạm vi cung điện áp định mức 750 V DC, lực chuyên chở từ cấp nguồn để chuyển sang nhận nguồn từ trạm 24.000 người/giờ/hướng đến 40.000 người/giờ khác Hướng lại, tàu di chuyển gần nguồn /hướng nguồn cung cấp từ hướng Phần mềm hơn, sụt áp giảm dần gần trạm thoát khỏi Matlab sử dụng mô phương pháp tiếp vùng điện áp xấu sau thời gian tăng tốc Tại đây, sụt cận khoa học tối ưu chi phí nghiên cứu thiết kế áp vị trí xa 242,7625 V DC điện áp tiếp cung cấp điện tàu điện ngầm xúc 507,2375 V DC kết hình Trong TÀI LIỆU THAM KHẢO trường hợp này, sụt áp lớn tàu tăng tốc vị trí xa nguồn cung cấp điện áp tiếp xúc [1] M K Mak “Adoption of Overhead Rigid Conductor Rail System in MTR Extensions”, Journal of 507,2375 V DC lớn điện áp tiếp xúc nhỏ International Council on Electrical Engineering, vol cho phép 500 V DC, đáp ứng yêu cầu thiết 2, no.4, pp 463-466, 2014 DOI: kế Như vậy, thiết kế với tần suất dịch vụ 10.5370/JICEE.2012.2.4.463 phút/tàu/hướng lực chuyên ch lờn n [2] S Aỗkba, M T Sửylemez Energy loss comparison 40.000 người/giờ/hướng between 750 VDC and 1500 VDC power supply systems using rail power simulation”, in Computers in Railways IX, WIT Transactions on The Built Environment, vol.74, 2004 V KẾT LUẬN Bài báo phân tích lực đường ray dẫn điện cho hệ thống ROCS thiết kế mô phần mềm Matlab R2017b/Railway 88 Nghiên cứu điện áp hoạt động mạng tiếp xúc hệ thống tàu điện ngầm… [3] S J Bae, K D Jang, K W Lee, Y C Park “A Study on Characteristics of Overhead Rigid Conductor System for Developing the High-speed System up to 250km/h”, Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, vol.64, no.3, pp.492-497, 2015 DOI: 10.5370/KIEE.2015.64.3.492 [5] M Shimizu, T Kobayashi, A Oya “Development of Transition Structures between Overhead Rigid Conductor Line and Catenary-Type Contact Line” QR of RTRI, vol 49, no.2, pp.103-107, 2008 DOI: 10.2219/rtriqr.49.103 [6] C Vera, J Paulin, B Suarez, P Rodriguez, “Improved design of an overhead rail current conductor for application in underground lines”, in The Eight International Conference on Maintenance & Renewal of Permanent Way; Power & Signaling; Structures & Earthworks, 29-30 June, 2005, London, UK, 2005 [4] A Oya et al., “Application of Overhead Rigid Conductor Line to Mountain Tunnel of Conventional Lines”, in 2005 IEEE International Conference on Industrial Technology, 14-17 December 2005, Hong Kong, China, IEEE, 2005 89 ... vol.74, 2004 V KẾT LUẬN Bài báo phân tích lực đường ray dẫn điện cho hệ thống ROCS thiết kế mô phần mềm Matlab R2017b/Railway 88 Nghiên cứu điện áp hoạt động mạng tiếp xúc hệ thống tàu điện ngầm? ?? [3]... trường hợp 86 Nghiên cứu điện áp hoạt động mạng tiếp xúc hệ thống tàu điện ngầm? ?? điện áp tiếp xúc nhỏ 578,3 V DC, kết hình mơ tả cho trường hợp có 02 tàu tăng tốc Như trường hợp hoạt động bình thường... TẢ HỆ THỐNG Mạng tiếp xúc treo cao cố định – ROCS hệ thống sử dụng ray dẫn điện có cấu trúc hình kết cấu lắp đặt hình ROCS ứng dụng lần đường hầm Sittenberg Áo vào năm 1984 áp dụng thiết kế năm