一種城軌車輛用第三軌受流器的設(shè)計

胡海峰，鄧誼柏

（南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

1 概述

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展，中心城市快速擴張，以地鐵和輕軌為代表的城市軌道交通被各大中城市列為重點建設(shè)項目。與架空接觸網(wǎng)相比，第三軌供電系統(tǒng)具有使用壽命長、運營可靠、維修量少且容易、便于管理、電能損耗小和美觀等優(yōu)點，因此，被越來越多的設(shè)計單位和用戶所采用[1]。

根據(jù)車輛受流器從第三軌（接觸軌）的取流方式不同，第三軌受流可分為上部受流、下部受流和側(cè)部受流三種方式。目前國內(nèi)外普遍采用DC750 V和DC1 500 V兩種電壓等級的第三軌供電系統(tǒng)。國外采用第三軌供電的城市有巴黎、柏林、漢堡等，國內(nèi)采用第三軌供電的城市有北京、上海、武漢等地[2]。

本文介紹了一種采用第三軌上部受流方式的受流器設(shè)計，結(jié)合某項目受流器設(shè)計，分析了影響受流器設(shè)計的主要因素。

2 受流器的設(shè)計與分析

受流器的基本組成部分就是集電靴和直流熔斷器，影響受流器設(shè)計的主要因素可以歸類為：受流器安裝空間分析、受流器與第三軌的匹配關(guān)系以及熔斷器選型。

2.1 受流器安裝空間分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 96，結(jié)合第三軌中心線距線路中心線橫向間距可確定受流器的安裝空間。目前國內(nèi)尚無第三軌施工標(biāo)準(zhǔn)，因此第三軌中心線距線路中心線橫向間距從1 417.5～1 510 mm 不等，其中北京為1 473 mm，武漢為1 401 mm，深圳為1 474 mm，廣州為1 510 mm[3]。

2.2 受流器與第三軌的匹配分析

結(jié)合第三軌端部彎頭的高度，主要分析在不同工況下受流器與第三軌的匹配關(guān)系，確定合理集電靴的活動范圍，以保證列車在過斷軌區(qū)時，集電靴不會與第三軌端部彎頭和防護罩發(fā)生碰撞，受流器在正常工作位時，不會和第三軌發(fā)生脫離[4]。

受流器與第三軌的匹配主要受轉(zhuǎn)向架橫向及垂向運動最大位移、軌道磨耗、三軌安裝誤差、三軌磨耗、集電靴本身磨耗量等方面的影響。

2.2.1 受流器與第三軌的垂向分析

（1）受流器與第三軌不碰撞

列車在運行過程中，受流器處于自由位，車輛將出現(xiàn)垂向運動，當(dāng)受流器發(fā)生向下最大垂向位移，第三軌（端部彎頭）發(fā)生向上的最大垂向位移時，需保證受流器不會與第三軌發(fā)生碰撞。

（2）受流器與第三軌不脫離

列車在運行過程中，受流器處于工作位，車輛將出現(xiàn)垂向運動，當(dāng)受流器發(fā)生向上最大垂向位移，第三軌發(fā)生向下的最大垂向位移時，需保證受流器不會與第三軌發(fā)生脫離。

結(jié)合以上分析可確認(rèn)合適的受流器自由位高度。

2.2.2 受流器與第三軌的橫向分析

列車運行過程中，受流器處于工作位，車輛將出現(xiàn)橫向運動，當(dāng)受流器、第三軌發(fā)生最大橫向位移，需保證受流器不會與第三軌發(fā)生脫離。通過設(shè)計合理的集電靴寬度，保證受流器不會與第三軌發(fā)生脫離。

2.3 熔斷器選型

熔斷器的作用是保護人身和設(shè)備，以避免由于連接受流器和推進電路的電源電纜絕緣問題造成的損害及由于電機故障造成的損害。如果沒有熔斷器保護，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)。確保準(zhǔn)確選型熔斷器的條件有：車輛的主輔電路供電方式，受流器配置，熔斷器本身的直流特性，熔斷器的工況條件。

3 上部受流器的設(shè)計與分析實例

本文以某采用第三軌上部受流方式項目為例，該車輛電壓等級DC750 V，設(shè)計運營最大速度80 km/h。在每個動車轉(zhuǎn)向架（轉(zhuǎn)向架分為帶動力轉(zhuǎn)向架和不帶動力轉(zhuǎn)向架，即動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架）兩側(cè)適當(dāng)位置各安裝一套受流器。全列車牽引系統(tǒng)采用母線不貫通方式，輔助系統(tǒng)采用并網(wǎng)供電方式。

3.1 受流器安裝空間計算

根據(jù)CJJ 96中B1型限界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，結(jié)合第三軌中心線與相鄰走行軌內(nèi)側(cè)面距離確定出受流器的安裝區(qū)域，如圖1所示。

3.2 受流器與第三軌匹配分析計算

1）計算受流器自由位高度，保證受流器與第三軌不碰撞

圖1 受流器安裝區(qū)域示意圖

列車在運行過程中，受流器處于自由位，當(dāng)受流器發(fā)生表1 所示的向下最大垂向位移45.5 mm，第三軌（端部彎頭）發(fā)生表2所示的向上最大垂向位移5 mm時，通過第三軌斷軌區(qū)，需保證受流器不會與第三軌發(fā)生碰撞，即受流器的高度應(yīng)小于第三軌端部彎頭高度。

表1 影響受流器向下位移參數(shù)

表2 影響第三軌向上位移參數(shù)

已知第三軌接觸面高度為104 mm，端部彎頭導(dǎo)入高度為44 mm，經(jīng)過計算可以得出受流器的自由位高度為：

45.5＋44＋5=94.5 mm。

受流器處于自由位與第三軌端部彎頭的匹配圖見圖2。

圖2 受流器與第三軌垂直向下匹配圖

2）確定受流器自由位高度后，保證受流器與第三軌不脫離

列車在運行過程中，受流器處于工作位，當(dāng)受流器發(fā)生表3 所示的向上最大垂向位移14 mm，第三軌發(fā)生表4 所示的向下最大垂向位移7 mm時，需保證受流器不會與第三軌發(fā)生脫離。

表3 影響受流器向上位移參數(shù)

表4 影響三軌向下位移參數(shù)

經(jīng)過計算可以得到受流器集電靴的抬升量為：

94.5＋14=108.5 mm，

受流器處于工作位與第三軌的匹配圖見圖3。

但此時，集電靴與第三軌有間隙為108.5-（104-7）=11.5 mm。由此可見，在保證了受流器與第三軌不碰撞的基礎(chǔ)上，無法保證與第三軌不脫離。

為了滿足上述要求，因此經(jīng)過分析在該項目中采用如下解決方法：

通過改變轉(zhuǎn)向架一系彈簧的剛度，減小一系彈簧的向下位移；

通過改變集電靴的結(jié)構(gòu)，改變靴導(dǎo)入斜度。最終確定受流器的自由位高度為82 mm，如圖4所示。

3）受流器與第三軌的橫向分析

已知第三軌寬度為105 mm，集電靴寬度設(shè)計為80 mm，列車在運行過程中，受流器處于工作位，當(dāng)受流器發(fā)生表5 所示的最大橫向位移38 mm，第三軌發(fā)生表6 所示的最大橫向位移10 mm 時，集電靴與第三軌發(fā)生最大相對位移為38＋10=48 mm，從圖5中的分析結(jié)果可知，能保證集電靴和第三軌不發(fā)生橫向脫離。

圖3 受流器（94.5 mm）與第三軌垂直向上匹配圖

圖4 受流器（82 mm）與第三軌垂直向上匹配圖

表5 影響受流器橫向位移參數(shù)

表6 影響三軌橫向位移參數(shù)

圖5 受流器與第三軌橫向匹配圖

3.3 熔斷器選型計算

全列車牽引系統(tǒng)采用母線不貫通方式，輔助系統(tǒng)采用并網(wǎng)供電方式，共有8套受流器，轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的每2套受流器共用1個熔斷器。已知牽引系統(tǒng)平均電流為870 A，輔助系統(tǒng)平均電流為313 A。

1）僅考慮在正常工況下，當(dāng)全部受流器受流時，可計算得出單個熔斷器的電流為：

因此選擇的熔斷器為513.25×1.6=821.2 A，可選用1 000 A的熔斷器。

2）列車過斷軌區(qū)，存在單個受流器對整列車供電的情況，此時需校核列車出現(xiàn)最大電流時，熔斷器承受電流的能力。結(jié)合熔斷器曲線和過斷軌區(qū)電流值與時間的分析可知，如圖6 所示，1 000 A 的熔斷器滿足設(shè)計要求。

圖6 熔斷器選型曲線圖

4 結(jié)語

本文主要介紹了上部受流器的設(shè)計方法，并以某項目為例，從受流器安裝空間、受流器與第三軌的匹配關(guān)系以及熔斷器選型三個方面對受流器的設(shè)計進行了研究分析。該方法對城軌車輛用受流器的設(shè)計和研究有一定的參考價值和借鑒意義。

［1］王振全，李相泉.分體式受流器的結(jié)構(gòu)和性能分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011（1）：125-127.

［2］蔣曉東，夏鴻飛.采用1500V 第三軌受流的地鐵車輛在車輛段的受流模式分析［J］.機車電傳動，2010（4）：55-59.

［3］CJJ 96-2003 地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

［4］蔣幸昌.升降弓過程中弓網(wǎng)電弧研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.