بررسی ساختار کلی سیستم های مترو و روش حفاظتی DDL
مقدمه
سیستم های مترویی ،توسط انرژي الكتريكي تغذيه مي شود . و نيازمند هر دو نوع برق با جريان مستقيم و جريان متناوب ميباشد . شبكه متناوب مترو ، بطور همزمان دو كار انجام ميدهد . يكي تغذيه شبكه جريان مستقيم است كه به موازات شبكه جريان متناوب قرار دارد . و ديگري تأمين برق متناوب مورد نياز براي تجهيزاتي نظير هواكش ها، پله برقي، پمپ هاي تخليه آب مترو و مصارف روشنايي ايستگاهها و تونلها است. شبكه هاي جريان مستقيم در طول خطوط مترو كشيده مي شوند . و عمدتاً تغذيه موتورهاي قطارهاي مترو را بر عهده دارند. همچنين برق اضطراري مترو از نوع DC مي باشد. در اين مقاله به مشخصات عمومي و تراکشن الکتریکی، مترو ميپردازيم . و سپس در مورد روش های حفاظتی سیستم های مترویی ( روش حفاظتی DDL )، توضيحاتي ارائه خواهيم داد.
سيستم حمل و نقل (تراكشن Traction)
بطور كلي سيستم هاي تراكشن را ميتوان به دو دسته تقسيم نمود: دسته اول سيستم هايي هستند كه در هيچ مرحله اي از انرژي الكتريكي استفاده نميكنند. مانند موتورهاي با محركه بخار و يا از محركه احتراق داخلي بهره مي گيرند. و در نهایت دسته دوم سيستم هايي هستند كه در يك يا چند مرحله از انرژي الكتريكي استفاده ميكنند. بطور مثال از محركه ديزل الكتريكي و يا از محركه الكتريكي مستقيم.
تراكشن الكتريكي
نيروي تراكشن الكتريكي معمولاً توسط موتورهاي الكتريكي كه از سيستم توزيع انرژي برق تغذيه مي شود و تأمين ميگردد . تراكشن الكتريكي در مقايسه با تراكشن غير الكتريكي داراي محاسن زيادي است . كه عبارتند از:
1ـ پاكيزگي: چون هيچگونه دودي وجود ندارد و براي قطارهاي زيرزميني و مترو بسيار مناسب هستند.
2ـ گشتاور راه اندازي بالا: چون به هنگام راه اندازي گشتاور زيادي بوجود مي آيد، امكان رسيدن به شتاب هايي وجود دارد .كه خيلي بيشتر از حالتي است كه توسط نيروي محركه بخار بوجود مي آيد. در نتيجه مي توان به سرعتهاي بالاتري دست يافت.
3ـ استفاده از واگن ها: با برقي شدن راه آهن و واگن هاي زيادي كه به منظور حمل و نقل سوخت (بخصوص زغال سنگ) كه براي لوكوموتيوهاي بخاري مورد استفاده قرار مي گيرند، آزاد مي شوند.
4ـ قابليت كاركرد انعطاف پذير: سيستم تراكشن كه در نواحي شهري و حومه شهري مورد استفاده قرار مي گيرد . هنگام صبح و شب داراي ترافيك زيادي است ولي در وسط روز ترافيك سبك مي باشد. بنابراين امكان دارد كه بتوان قطارهاي كوتاهتري را بكار انداخت.
5ـ نگهداري: نه تنها هزينه نگهداري لوكوموتيو برقي حدود 50% لوكوموتيو بخار است بلكه زمان نگهداري آن هم بمراتب كمتر مي باشد. (زمان مراقبت)
6ـ زمان راه اندازي: بر خلاف لوكوموتيوهاي بخار كه نياز به حدود دو ساعت زمان براي گرم شدن دارد، لوكوموتيوهاي برقي بلافاصله مي تواند راه اندازي شود.
7ـ ترمز: در مورد لوكوموتيوهاي برقي اين امكان وجود دارد كه از ترمز بازيابي استفاده شود كه داراي مزاياي زير است:
حدود 20 % تا 30% انرژي مصرف شده به هنگام شتاب گيري در زمان كاستن سرعت و ترمز كردن بازيابي مي شود. نگهداري كمتر از كفشك هاي ترمز، چرخ ها، لاستيك ها و ريل ها.
سيستم هاي حركت راه آهن شهري
صرف نظر از سيستم هاي سنتي در مورد وسايلي كه روي راه آهن يا هواي فشرده حركت مي كنند، مي توان سيستم هاي زير را نام برد:
1ـ سيستم آلوگ: نقليه از دو طرف به يك تير بشكل I سوار است و هدايت آن بوسيله چرخهايي است كه محور عمودي داشته و از دو جهت به جدار عمودي تير متكي هستند. (ALWEG)
2ـ سيستم سارفژ: نقليه به يك تير لوله اي شكل آويزان است. اين تير در قسمت زيرين باز بوده و چرخهاي هدايت كننده در داخل تير قرار مي گيرند. (SURFAGE)
3ـ ترن هوائي: نقليه مانند سيستم آلوگ روي تيري كه به شكل T وارونه است، سوار مي شود ولي در
اين مورد بوسيله فشار هوا هدايت و حمل ميگردد.
4ـ اوربا: مانند سيستم سارفژ نقليه به يك تير آوريخته است ولي در اين جا هدايت و حمل آن از طريق تقليل فشار هوا مي باشد.
5ـ اتوبوس هوائي: شبيه اتوبوس است ولي چرخهاي هدايت كننده آن كه محور عمودي دارند به يك ريل واقع در محور مسير در زير سطح حركت متكي هستند.
تغذيه موتورهاي قطار مترو
بطور كلي تغذيه وسايل حمل و نقل برقي به دو روش اصلي انجام مي شود:
روش اول اخذ برق از سيستم هاي هوائي است. در اين روش خطوط هادي برق به موازات خطوط آهن و در بالاي قطارها كشيده مي شود. قطارها بوسيله شاخكهاي مخصوصي همواره در تماس با هادي بوده و برق را دريافت میکنند. اين شيوه از برق رساني دراتوبوسهاي برقي مورد استفاده ميگيرد.
روش دوم تغذيه از طريق ريلهاي زميني است كه خود به سه نوع تقسيم مي شوند. نوع اول اخذ برق از بالاي ريل است كه سيستمي قديمي مي باشد. بعنوان مثال در خطوط مترو شهر پاريس كه با لوازم سنتي مجهز است از اين سيستم استفاده مي شود. اين روش از حفاظت خوبي برخوردار نيست و بعلاوه ارتفاع تونلهاي زير زميني را افزايش مي دهد كه مقرون به صرفه نيست. نوع دوم اخذ برق از پهلو است. اين سيستم در متروهايي كه جديداً ساخته شده است بكار گرفته شده نظير متروهايي كه داراي قطارهايي با چرخ های لاستيكي مي باشند.
روش سوم دريافت برق از زير و توسط يك ريل اضافي به نام ريل مثبت مي باشد. در اين سيستم حفاظت قسمت فوقاني ريل تامين مي شود تا از وقوع حوادث در ايستگاهها جلوگيري بعمل آيد وگرنه ممكن است بعلت سقوط اشياء. احياناً توليد اتصالي شود يا جرقه موجب آتش سوزي گردد و يا در قطعاتي از خط كه روباز باشند روي قسمت مفيد ميله انتقال برق با برف و يخ متراكم پوشيده شود.
نحوه عمل سيستم برق گيري
نحوه عمل سيستم برق گيري از زير بدين ترتيب است كه قطب مثبت جريان يكسو شده برق با ولتاژي
در حدود 720 ولت به ريل سوم متصل مي شود و بالشتكهايي از جنس هادي الكتريسيته كه روي شاسي
واگنها بسته شده اند برق را به قطار متصل مي كنند. ريل سوم به موازات ريل هاي اصلي راه آهن و در تمام
طول مسير كشيده شده است. از ريل هاي اصلي بعنون قطب منفي استفاده مي شود. ريل سوم به قطعات
مساوي چندين متري تقسيم شده است كه بين آنها اتصالات عايق قرار گرفته است. هر قطعه به طور جداگانه
از پست هاي يكسو كننده برق دريافت مي كنند. هر دو قطعه مجاور از دو پست مختلف تغذيه مي شوند.
بدين ترتيب در شرايطي كه يك پست فرعي به هر علت از كار بيافتد تنها برخي از قطعات ريل سوم كه به طور يك در ميان يا دو در ميان و يا حتي چند در ميان قرار گرفته اند بدون برق مي شوند و ساير قطعات كه از پست هاي ديگر تغذيه مي شوند داراي برق هستند. از آنجا كه طول قطارها همواره تعدادي از قطات ريل سوم را مي پوشاند بنابراين به هنگام از كار افتادن يكي از پست ها از طريق قطعات غير وابسته به آن پست برق موردنياز موتورهاي خود را دريافت مي دارد. اين مكانيزم يكي ديگر از روشهاي بكار گرفته براي افزايش ضريب اطمينان در سيستم برق رساني مترو مي باشد.
ساختار قطار شهری
در کشورهای مختلف جهان به منظور تغذیه سیستم حمل و نقل جریان مستقیم، سطوح ولتاژ مختلفی از قبیل ۶۰۰ و ۶۵۰ و ۷۵۰ و ۱۵۰۰ و ۳۰۰ ولت استفاده می شود. سیستم تغذیه یکی از قسمت های مهم قطار شهری محسوب می شود که نه تنها قطارها بلکه سایر زیر مجموعه ها و خدمات از قبیل سیستم ارسال سیگنال، روشنایی، تهویه، سیستم اتفاء حریق و … را تغذیه می کند. در متروهای با سطح ولتاژ پایین (حدود ۷۵۰ ولت) انتقال توان از ایستگاه به قطار از طریق ریل سوم انجام می شود ولی در متروهای با سطح ولتاژ بالا عموما انتقال توان از طریق شبکه بالاسری، پانتوگراف و ریل ها صورت می گیرد.در سیستم حمل و نقل جریان مستقیم به دلیل سطح ولتاژ کم خط ، الزام به استفاده از روش حفاظتی DDL شده است .
ساختار الکتریکی
در سیستم قطار شهری تبریز ولتاژ ۱۵۰۰ ولت از شبکه قدرت محلی ۲۰ کیلو ولت تامین شده
و از طریق پانتوگراف وارد واگن های قطار می شود مطابق شکل الف، ولتاژ ۲۰ کیلو ولت شبکه
قدرت از طریق دو ترانسفورماتور سه سیم پیچه در ایستگاه به سطح ولتاژ پایین تر تبدیل شده
و از طریق یکسوسازها سطح ولتاژ مورد نیاز خط تامین شده و به خط تغذیه متصل می گردد.
ایستگاه دارای ترانسفورماتورها و یکسوسازها، ایستگاه کششی نامیده می شود.
شکل الف :شماتیک سیستم قطار شهری
ایستگاه کششی از طریق دو کلید مدار شکن به هر یک از خطوط وصل می شود
و بین دو اتصال تغذیه ای هر ایستگاه، یک کلید بای پس قرار داده می شود. ولتاژ
جریان مستقیم از طریق پانتوگراف ها وارد قطار می شود و ولتاژهای سه فاز مورد
نیاز موتورهای آسنکرون از طریق اینورترهای منبع ولتاژ تامین می شوند. کنترل
موتورها به روش شار ثابت انجام می شود و نیز بخشی از توان ورودی قطار صرف
تامین توان مصارف داخلی می شود که متناسب با کاربرد، سطح ولتاژ مورد نیاز
آنها نیز ایجاد می شود. هر قطار شامل ۵ واگن است که دو واگن ابتدا و انتها فاقد موتور هستند.
خطای اتصال کوتاه
وقوع اتصال کوتاه از مسایل مهم حفاظتی است که باید مورد بررسی قرار گیرد. شکل موج جریان اتصال کوتاه متناسب با فاصله آن از ایستگاه امپدانس خطا و لحظه بروز آن تغییر می کند. در سیستم قطار شهری دو نوع اتصال کوتاه ممکن است اتفاق بیفتد. مورد اول اتصال کوتاه در دو سر خط تغذیه است که اتصال کوتاه خارجی نامیده می شود. این خطا عمدتا به شکل بروز جرقه بین خط تغذیه و ریل رخ می دهد . احتمال بروز این خطا بطور مستقیم بین خط و ریل بسیار کم است. مورد دوم، بروز اتصال کوتاه در دو سر خازن موجود در قسمت فیلتر داخل قطار و قبل از مبدل است که اتصال کوتاه داخلی نامیده می شود.
روش حفاظتی DDL
در سیستم حمل و نقل جریان مستقیم به دلیل سطح ولتاژ کم خط تغذیه نسبت به امپدانس خط و توان انتقالی از آن، جریان خطای اتصال کوتاه دور از ایستگاه می تواند در حدود جریان راه اندازی و حتی جریان کاری خط تغذیه باشد. بنابراین حفاظت اضافه جریانی قادر به تشخیص صحیح یا به موقع آن نیست. به همین دلیل برای حفاظت خط در این محدوده از جریان خطا روش حفاظتی جدیدی با عنوان (DDL) ارائه شده است ( روش حفاظتی DDL )که هم اکنون در سیستم های حمل و نقل جریان مستقیم استفاده می شود.
حفاظت سیستم در بقیه موارد بر عهده سیستم حفاظتی مدار شکن های بین باس ایستگاه و خط تغذیه می باشد. در این روش با استفاده از شبیه سازی های متعدد کامپیوتری، الگوهای جریان کشیده شده از ایستگاه ها در حالات راه اندازی، شتاب گیری و اتصال کوتاه مقایسه می شوند و با در نظر گرفتن حاشیه امنیت مناسب محدوده تنظیمات آن انتخاب شده و به سیستم حفاظتی مربوطه اعمال می شوند.
هدف از این مقایسه ها تعیین محدوده پارامترهایی از قبیل شدت تغییرات لحظه ای جریان خط تغذیه، میزان تغییر دامنه جریان خط و اختلاف زمانی این تغییرات است، بطوریکه تمام الگوهای ممکن برای جریان خطا، جریان راه اندازی و حالت کار عادی سیستم قابل تشخیص از هم باشند و عملکرد مناسب و سریع از سوی سیستم حفاظتی صورت گیرد. فلوچارت الگوریتم عملکرد این سیستم حفاظتی در شکل ب ارائه شده است.
شکل ب : فلوچارت الگوریتم عملکرد در روش حفاظتی DDL
بررسی شیب لحظه ای در روش حفاظتی DDL سیستم های مترویی :
در این روش حفاظتی DDL ، اگر شیب جریان کشیده شده از خط از حد بالای تنظیم شده بالاتر رود،
سیستم حفاظتی شروع به عمل می کند، به این صورت که مقدار جریان اولیه ثبت می شود و تا
یک بازه تاخیر زمانی (T∆ ) شیب جریان اندازه گیری شده و در سه حالت الگوی جریان اتصال کوتاه
تشخیص داده شده و فرمان قطع کلیدها صادر می شود:
- اگر شیب لحظه ای جریان تا اتمام زمان تاخیر، بیشتر از حد بالای تنظیم شده بوده و میزان افزایش
جریان (i∆) از یک حد مورد نظر بیشترشود، در لحظه اتمام زمان تاخیر، فرمان عمل حفاظتی صادر می شود.
- اگر شیب لحظه ای جریان بین حد بالا و پایین آن بوده و شرط افزایش جریان بعد از اتمام زمان
تاخیر برقرار شود، در لحظه برقراری شرط دوم، فرمان عمل حفاظتی صادر می شود.
- اگر شیب لحظه های جریان کمتر از حد پایین آن شده و شرط افزایش جریان برقرار نباشد، یک تاخیر
پزمانی ثانویه (T∆ ) نیز اعمال می گردد.اگر تا اتمام آن، شرط افزایش جریان برقرار شود و كل زمان سپری شده
بیشتر از تاخیر اولیه باشد، فرمان حفاظتی صادر می شود.
نتیجه گیری
همزمان با رشد اقتصاد و توسعه شهرها سیستم قطار شهری نیز به سرعت توسعه پیدا کرده است.
هم اکنون پیاده سازی و استفاده از سیستم قطار شهری وارد برنامه ریزی های شهرهای بزرگ شده است.
با توجه به این نکته که سیستم قطار شهری ، در ارتباط شهر و منابع ملی می باشد .عملکرد مطمئن و
مناسب از نیازهای اساسی این سیستم محسوب می شود.
در نتیجه تحقیق در زمینه عملکرد دینامیکی سیستم و روش حافظتی و مسایل مربوط به آنها بسیار مهم
و ارزشمند است.
رفتار دینامیکی سیستم در حین راه اندازی و بروز اتصال کوتاه بطور خلاصه ، بررسی شده است. روش های
حفاظتی اضافه جریان قدیمی ، قادر به حفاظت کامل سیستم حمل ونقل جریان مستقیم نمی باشند .
و نیازمند ارائه یک روش حفاظتی جدید می باشیم تا جریان خطای اتصال کوتاه دور از ایستگاه را از جریان
راه اندازی قطار تشخیص دهد. روش حفاظتی جدید با عنوان DDL معرفی گردیده است و الگوریتم این روش
حفاظتی DDL ارائه شده است .
منابع
1_ R. Mathew, F. Flinders, W. Oghana; “Locomotive “Total System” Simulation Using Simulink”, Electrical Railways in United Europe, 27-30 March 1995, Conference Publication No.405, IEE 1995.
2_ CS. Chang, A. Khambadkone, Zhao Xu, “Modeling and Simulation of DC Transit System with VSI-fed Induction Motor Driven”, IEEE PEDS 2001 INDONESIA, pp. 881-885
3_ IEC, EN50163
1_ تبديل انرژي الكترومكانيكي حسن گيوي
2_تكنولوژي برق شعاري نژاد
3_ ماشينهاي الكتريكي جريان مستقيم طالقاني