地下鉄輸送: 電源システム 

地下鉄交通: 電力供給システムの重要な役割

地下鉄輸送の安全性と容量は、電力供給システムの信頼性に直接依存します。私たちの実務では、変電所の故障により地下鉄線が 40 分間停止し、15,000 人以上の乗客が失われ、運営会社の経済的損失が数百万ルーブルに達するという状況に遭遇しました。ここで重要なパラメータは、電圧の存在だけでなく、周波数の安定性と、最新のマイクロプロセッサのトレイン保護に損傷を与える可能性がある高調波歪みがないことです。このシステムは、運転間隔が90秒に短縮される朝夕のラッシュアワーのピーク負荷時でも、途切れることなく電力を供給する必要があります。

地下鉄やライトレールシステムのインフラ設計では、限られた空間の特定の条件を考慮する必要があります。高湿度、通過する列車からの振動、限られたトンネルスペースにより、機器には厳しい要件が求められます。ダイオードブリッジを備えた整流器に基づく従来のソリューションから、アクティブ力率補正を備えたパルスコンバータへの移行傾向が見られます。これにより、無効エネルギー消費を 25 ～ 30% 削減し、換気コストの削減に重要なトンネル内の発熱を削減することができます。変電所のタイプを選択する段階での間違いにより、5 ～ 7 年の運用後に高価な近代化が必要になることがよくあります。

変電所と配電ネットワークのアーキテクチャ

地下鉄輸送用の電力供給システムの基礎は、都市の高電圧ネットワークのエネルギーを 750 V または 825 V 標準の直流に変換する変電所です。最新のプロジェクトでは、接触レールの各セクションに両面電源を備えた回路を使用することをお勧めします。これにより、事故を局所的に特定し、冗長性を確保することが可能になります。設計時には、線路区間に沿った電圧降下を考慮する必要があります。変電所間の距離が設計値（通常、太線の場合は2〜2.5km）を超えると、加速中の列車の速度が15％低下する可能性があり、交通スケジュールに違反します。当社のエンジニアは、定期的な間隔と車両の質量を考慮して、現在の負荷を常に詳細に計算します。

低圧開閉装置は、パンタグラフが接触レールと擦れるときに発生する導電性金属粉塵の影響に耐えるため、IP54 以上に保護されている必要があります。地下鉄の状況でオープンキャビネットを使用することは重大な間違いであり、ショートや火災を繰り返し引き起こしています。私たちは、バスセクション全体をシャットダウンすることなく電源ユニットをホットスワップできる機能を備えたモジュラー設計の使用を強く主張しています。これにより、システムの回復時間が数時間から 15 ～ 20 分に短縮されます。これは、ピーク時のトラフィック スケジュールを維持するために重要です。

自動制御およびディスパッチ システム (SCADA) は、インフラストラクチャ全体の中枢頭脳の役割を果たします。電流と電圧の主要パラメータだけでなく、電源変圧器の温度、絶縁状態、機器の振動レベルもリアルタイムで監視する必要があります。このデータを列車運行管理システムと統合することで、ブレーキ時のエネルギー回生モードの最適化が可能になります。電車がブレーキをかけると、エネルギーがグリッドに戻されます。その時点でエネルギーを消費する他の列車が近くにない場合、ネットワーク内の電圧が急激に上昇し、保護装置が動作する可能性があります。最新のインバーター変電所は、余剰エネルギーを都市の AC ネットワークにダンピングして戻すことができ、電力を最大 20% 節約できます。

変電所の位置の選択は、多くの場合、技術的要件と都市計画上の制限との間の妥協点になります。理想的な位置は電気アームの中心ですが、密集した都市部ではこれが常に可能であるとは限りません。このような場合には、ブースターステーションを使用したり、リターンレールの部分を強化したりして、接地電位を下げます。この側面を無視すると、迷走電流により地下通信 (パイプライン、通信ケーブル) の腐食が促進されます。当社のクライアントの 1 つは、牽引電流排水システムの不適切な構成によって引き起こされたパイプの貫通腐食により、市の水道事業体からの請求に直面しました。

高電圧 DC 回路における接触信頼性ももう 1 つのボトルネックです。接触面が酸化すると接触抵抗が増加し、局所的な過熱や火災の原因となります。接続の定期的なサーモグラフィーは、少なくとも四半期に 1 回、高湿度の地域では毎月実行する必要があります。バスバーの接触面に銀コーティングを使用することは、そのようなソリューションのコストが高いため、重要なコンポーネントでのみ正当化されますが、長期的には緊急停止のリスクが軽減されます。定期メンテナンスごとにボルト接合部の超音波検査を使用することをお勧めします。

技術基準と機器認証 GOST および IEC

国際基準および国内基準への準拠は官僚的な手続きではなく、乗客と従業員の安全を保証するものです。ロシアおよび CIS 市場にとって重要な文書は、地下鉄の変電所の要件を規定する GOST R 52763-2007 です。この規格または国際的に同等の IEC 62271 への準拠証明書を持たない機器は、地下構造物での使用が許可されません。これらの規格の違いは、気候の影響をテストする方法にあります。GOST では、大陸性気候の特徴である、より広範囲の温度と湿度の下でのパフォーマンスのテストが必要です。これらの違いを無視したサプライヤーは、最初の冬に機器が故障する危険性があります。

EAC (ユーラシア適合) 認証は、単一関税同盟に供給されるすべての電気システムコンポーネントに必須です。適合宣言を取得するプロセスには、サンプルの実験室試験だけでなく、生産の分析も含まれます。これは、製造業者が有効な ISO 9001 品質管理システムを備えている必要があることを意味します。メーカーからのこのような証明書がないと、自動的に機器を合法的に稼働させることができなくなります。私たちは、認証費用を節約しようとした結果、すでに設置されているシステムの解体や監督当局からの罰金につながり、最終的にプロジェクトのコストが 40% 増加したケースを観察しました。

地下施設における防火要件は非常に厳しいです。すべてのケーブル線と電気機器は、難燃性材料 (ng-LS または ng-HF のマークが付いている) で作られている必要があります。火災が発生した場合、避難中の人々の感電を防ぐために、電源システムは 0.5 秒以内に緊急エリアの電源を自動的に遮断する必要があります。特殊な高速 DC スイッチの代わりに標準の産業用サーキット ブレーカーを使用することは受け入れられません。従来のサーキットブレーカーのシャットダウン時間は数秒かかることがありますが、これはアーク放電が発生して絶縁体が発火するには十分な時間です。

電車内のデジタル電子機器の数が増加するにつれて、電磁両立性 (EMC) はますます差し迫った問題になっています。信号、通信、自動列車制御システムは、サイリスタ コンバータによって発生する高周波干渉に敏感です。 EN 50121 規格は、放射干渉の制限を定義します。機器が EMC テストに合格しない場合、誤警報やドライバーとディスパッチャーの通信が失われる可能性があります。サプライヤーには、単なるメーカーの宣言ではなく、認定試験所からの EMC テスト報告書を要求することをお勧めします。

環境規制もテクノロジーの選択に影響を与えます。古い水銀整流器は毒性のため使用が全面的に禁止されています。最新のシリコンおよびトランジスタコンバータは安全ですが、耐用年数が終わったら適切に廃棄する必要があります。さらに、変電所の動作時や変電所のファンからの騒音レベルは、特に変電所が住宅地にある場合や住宅の建物の近くに換気口がある場合には、衛生基準を超えてはなりません。防音ケーシングと防振基礎の使用は、建築許可を取得するための前提条件です。

エネルギー変換技術の比較分析

AC から DC への変換テクノロジーの選択によって、システム全体の効率と信頼性が決まります。以下は、現代の地下鉄輸送で使用される 3 つの主要なタイプの変電所の比較です。

ダイオード整流器は、そのシンプルさと初期コストの低さにより、依然として最も一般的なソリューションです。ただし、その主な欠点は、制動エネルギーをネットワークに戻すことができないため、交通量が多く、列車の量が多い路線では経済的に実行できません。使用できるエネルギーは制動抵抗器で熱に変換され、トンネル内の温度が上昇し、換気システムの負荷が増加します。この技術は、乗客数が少ない路線や運行間隔が長い路面電車路線にのみお勧めします。

サイリスタコンバータは黄金比を代表します。これらにより、出力電圧をスムーズに調整し、回生モードを部分的に実装することができます。ただし、大量の高調波が生成されるため、高価なフィルタ装置の設置が必要になります。さらに、サイリスタはスイッチング過電圧に敏感であり、複雑な冷却システムが必要です。私たちの実践では、保護が正しく設定されていなかった場合、市内ネットワークで雷の過電圧が発生した際に絶縁破壊によりサイリスタユニットが故障するケースがありました。

IGBT インバーター (絶縁ゲート トランジスタ) は将来のテクノロジーであり、新しい設計の標準になりつつあります。理想的な電流形状、高い力率、完全なエネルギー回収を実現します。初期コストは高くなりますが、エネルギーの節約とトンネルの冷却コストの削減によって元は取れます。唯一の重大な欠点は修理が難しいことです。IGBT モジュールの交換には高度な資格を持つ人材と特別な機器が必要です。ただし、電気料金が高額な大都市にとっては、これが唯一の正しい解決策です。

テクノロジーを選択するときは、技術的特性だけでなく、運用地域でのスペアパーツの入手可能性も考慮する必要があります。加減抵抗器制御方式の車両を車両とする旧路線の場合、IGBT変電所を設置すると負荷抵抗特性の違いにより運転が不安定になる場合があります。このような場合、インフラと車両の両方を包括的に近代化する必要があります。機器の交換を決定する前に、既存のシステムの監査を実施することをお勧めします。

運用上の問題とその防止方法

地下鉄輸送の電源システムの動作中に、過酷な環境や周期的な負荷に関連して、多くの特有の問題が発生します。最も一般的なものの 1 つは、DC ケーブルの絶縁の劣化です。水分、油分、金属粉塵などに常にさらされると、絶縁抵抗が低下し、漏れ電流が発生します。漏れ電流が保護設定を超えると、セクションの誤ったシャットダウンが発生し、動作が麻痺します。メグオーム計を使用して絶縁抵抗を定期的に監視し、連続絶縁監視装置 (CIMD) を設置することで、このような事故を防ぐことができます。

導体レールやパンタグラフの腐食も深刻な問題です。電気化学プロセスは迷走電流によって強化され、金属を破壊し、接触抵抗を増加させてスパークを引き起こします。スパークにより、接触面が焼損し、絶縁体が導電性炭素堆積物で汚染されます。この現象に対処するには、摩擦を軽減し、金属を酸化から保護する潤滑剤を接触レールに使用する必要があります。ただし、間違ったタイプの潤滑剤を使用すると集電が損なわれる可能性があるため、材料の選択は車両メーカーの推奨に基づいて行う必要があります。

夏場の電源変圧器の過熱により、緊急停止が発生することがよくあります。地下深くに位置する変電所の換気では、特に供給シャフトが瓦礫で詰まっていたり、都市開発の変化により生産性が低下している場合には、熱を除去できないことがよくあります。変圧器の油温に基づいた自動ファン速度制御システムを設置すると、機器の寿命を延ばすことができます。重大な場合には、追加のチラーまたは空調システムの設置が必要となり、変電所自体のエネルギー消費量が大幅に増加します。

人的要因は依然として安全チェーンの弱い部分です。開閉装置のスイッチング中に人員がミスをすると、接地領域に高電圧が供給されたり、電源が逆にオンになったりする可能性があります。誤操作を防止するインターロックシステム（ナイフやスイッチの機械的インターロックなど）の導入は必須要件です。さらに、緊急事態における行動に関する定期的なスタッフトレーニングとシミュレータートレーニングは、リスクを最小限に抑えるのに役立ちます。事故の 60% は、規則違反により予定された修理作業の時間に正確に発生していると記録されています。

インフラの老朽化の問題は、多くの都市でますます深刻になっています。 30～40年前に設置された設備は耐用年数を迎えており、スペアパーツも生産されなくなりました。このようなシステムの動作を手作業で修理して維持しようとすると、信頼性の低下につながります。最も摩耗したコンポーネントから最初に交換する段階的な最新化プログラムにより、経済的負担を分散し、大規模なダウンタイムを回避することができます。これらの工事は、主に夜間に実施するため、列車の運行スケジュールを考慮して計画することが重要です。

近代化と省エネ戦略

電気システムのアップグレードは複雑なプロセスであり、慎重な計画と交通当局との調整が必要です。ラインの稼動性を維持しながら、段階的に設備を更新していくのが最も効果的です。たとえば、整流器ユニットの交換は一度に 1 ユニットずつ行うことができ、その間他のユニットは動作を継続してエリアに電力を供給できます。これには、一時的な電源とモバイルバックアップ機器が必要です。経験上、近代化のための路線の完全停止は、輸送の停止による莫大な損失のため、経済的に実行不可能であることがわかっています。

リチウムイオン電池またはスーパーキャパシタをベースとしたエネルギー貯蔵システム (ESS) の導入により、エネルギー節約の新たな機会が開かれます。このようなシステムは変電所に設置され、列車のブレーキ時に回生エネルギーを蓄積し、加速時にエネルギーを放出します。これにより、都市ネットワークのピーク負荷を平滑化し、最大消費電力を削減することができ、電気代の削減につながります。さらに、外部ネットワークが完全に停電した場合には、SNE をトンネルの照明や換気用の非常用電源として使用できます。

サービスプロセスのデジタル化により、業務が新たなレベルに引き上げられます。 IoT センサーを使用すると、計画的な予防保守から実際の状況に基づいた修理に移行できます。温度、振動、電流データのリアルタイム分析により、故障が発生する数週間前に故障を予測できます。これにより、突然の事故の数が減り、スペアパーツのコストと修理スタッフの労働力が最適化されます。ただし、このようなシステムの実装には、安全な通信チャネルの作成と既存のプロセス制御システムとの統合が必要ですが、古い機器のプロトコルには互換性がないため、これが困難な場合があります。

列車スケジュールの最適化は、電力供給システムの効率にも影響します。隣接する列車の加速と制動を同期させることで、回収エネルギーを都市ネットワークに転送することなく、区間内で最大限に利用することが可能になります。新世代の配車プログラムは、現在のネットワーク負荷を考慮して、各列車の最適な速度プロファイルを計算できます。このようなアルゴリズムを実装すると、物理的な機器を交換することなく、ラインの総エネルギー消費量を 10 ～ 15% 削減できます。

システムの最新化への投資 電源コストは、エネルギーの節約だけでなく、回線の信頼性と容量が向上することによっても効果が得られます。列車の運行頻度を増やすことは、鉄道網に十分な電力が余っている場合にのみ可能です。したがって、大都市における交通幹線の開発プロジェクトは常にエネルギーインフラの監査と強化から始まります。これらの投資が延期されると、新しい近代的な列車を購入しても、古いネットワークの制限により期待した効果が得られないという事実が生じます。

信頼性を確保するための専用機器の役割

電力システムの安定性を維持するには、電気コンポーネントに加えて、高品質の熱交換器と補助装置が重要な役割を果たします。地下の状況は高湿度と攻撃的な環境が特徴であり、材料と技術コンポーネントの設計に極めて厳しい要求が課せられます。ここが体験場所ですエネルギーおよび石油化学産業向けのハイテク機器の製造を専門とする企業の存在が不可欠になります。

たとえば、Wuxi Kaisheng Electric Power and Petrochemical Equipment LLC は、最新のインフラストラクチャ プロジェクトに必要なアプローチを実証しています。同社は、最も過酷な条件で動作できる熱交換装置の開発と製造を専門としています。チタンシェルアンドチューブ熱交換器や高強度合金 (N06625 ニッケル合金、C46400 マリンブラス、316 ステンレス鋼など) で作られたユニットを含む同社の製品は、優れた耐食性と高圧および高温に対する耐性を備えています。これらの特性は、変圧器冷却システムとトンネル換気の信頼性が安全性の問題である地下鉄の機器要件と直接相関しています。

無錫開盛有限公司が保有する国際規格 PED および ASME に準拠した製品の認証により、省エネや造船などの重要な産業で自社のソリューションを使用できる可能性が確認されています。ステンレス鋼や銅ニッケル合金 C70600 で作られた波形管束などの材料を使用すると、塩水や化学試薬に耐性のあるシステムを作成することができます。これは、石油精製だけでなく、地下鉄のインフラを激しい地下水や迷走電流から保護するためにも重要です。ソリューションを作成するための個別のアプローチと当社独自の製品の存在により、お客様は輸送システムの近代化プロジェクトの特定の技術要件に正確に対応する機器を受け取ることができます。

よくある質問

地下鉄システムではどのような電圧が使用されますか?

ロシアおよびほとんどの CIS 諸国における地下鉄輸送の標準電圧は直流 750 ボルトです。一部の古いシステムまたは特定の設計では、825 ボルトに達する場合があります。直流を選択するのは、主電動機の特性と簡単な速度制御の可能性によるものです。地下環境で交流に切り替えることは、連絡網の組織化が複雑であり、絶縁要件が増大するため、現実的ではありません。

変電所はどれくらいの頻度でメンテナンスが必要ですか?

変電所の計画メンテナンスは、メーカーの規制および GOST 要件に従って、少なくとも 6 か月に 1 回実行する必要があります。ただし、接触温度や絶縁レベルなどの重要なパラメータは、自動監視システムを使用して毎日監視する必要があります。設備の停止やスイッチの機械的特性のチェックなど、完全な予防保守が毎年実行されます。メンテナンススケジュールを無視することが、機器の早期故障の主な原因です。

過電流保護が作動した場合はどうすればよいですか?

保護が作動すると、すぐにマシンの電源を再度オンにすることはできません。まず、シャットダウンの理由を調べる必要があります。ネットワークの短絡、スイッチ自体の故障、過負荷などです。担当者は、電車レールに異物がないか検査し、停止エリアの列車パンタグラフの状態を確認し、絶縁抵抗を測定する必要があります。原因を取り除き、ラインの安全を確認した場合のみ再起動が可能です。 「ランダムに」オンにしようとすると、機器の破壊や火災につながる可能性があります。

通常の産業用地下鉄の設備は使用できますか?

いいえ、従来の産業用機器の使用は固く禁止されています。地下鉄の機器には、耐振動性の向上、導電性粉塵からの保護、高湿度レベルへの耐性、および特定の火災安全要件など、特別な設計が必要です。産業機械やキャビネットはそのような状況向けに設計されていないため、危険の原因となる可能性があります。さらに、そのような機器は規制当局に受け入れられず、動作も許可されません。

1 つの変電所を近代化するのにかかる平均コストはいくらですか?

改修コストは、容量、交換する機器の種類、現場の状況によって大きく異なります。整流器ユニットと低電圧開閉装置の交換には、平均して 5,000 万ルーブルから 1 億 5,000 万ルーブルの費用がかかります。回収システムとデジタル監視の導入により、この量はさらに 30 ～ 40% 増加する可能性があります。正確な計算は、技術監査とプロジェクト文書の作成後にのみ可能になります。

サプライヤーを選択するための結論と推奨事項

地下鉄輸送の電力供給システムは、毎日何千人もの人々の命がかかっている複雑な工学組織です。このシステムの信頼性は、機器の品質だけでなく、適切な設計、適格な設置、および厳格な運用規律によっても実現されます。これらの段階のいずれかでミスをすると、損害が大きくなる可能性があります。近代化のための機器のサプライヤーと請負業者を選択するときは、価格だけでなく、同様のプロジェクトの実施における成功経験の有無、独自の顧客サービス、および現在のすべての GOST および IEC 規格への製品の準拠にも注意を払う必要があります。

お客様には、延長保証および緊急通報に対する固定応答時間付きの保証後サービス契約の提供をサプライヤーに要求することをお勧めします。稼働地域にスペアパーツ倉庫が存在することは、ダウンタイムを最小限に抑える上で重要な要素です。監視および診断システムをケチるべきではありません。そのコストは投資総額のほんの一部ですが、壊滅的な結果を回避することができます。最新の電力供給技術への投資は、都市の持続可能な発展と住民の安全に貢献します。

既存の路線の近代化や新しい地下鉄の建設を計画している場合は、当社の専門家に連絡して事前監査を実施し、実現可能性調査を計算してください。当社は、お客様の特定の条件に適応した機器の供給、設置監督、人材トレーニングを含む包括的なソリューションを提供する準備ができています。今すぐお問い合わせくださいプロジェクトの詳細について話し合ったり、問題についてアドバイスを受けたりするため地下鉄輸送: 電源システム.