城軌車輛第三軌受流分析及電纜選型計(jì)算

劉明玉 楊裕欽

摘 要 本文以城軌交通的三軌項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對(duì)城軌車輛第三軌受流方式進(jìn)行系統(tǒng)分析，并根據(jù)需要以無錫一號(hào)線為例對(duì)受流電纜選型進(jìn)行計(jì)算，選出最終合適的電纜。

關(guān)鍵詞 城軌車輛 第三軌 受流分析 電纜選型

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

第三軌受流是指在走行軌之外，敷設(shè)一條帶電鋼軌用于車輛下部專用受流供電。當(dāng)前國(guó)內(nèi)第三軌受流主要有兩種供電電壓：DC1500V和DC750V。車輛在運(yùn)行時(shí)，變電所將1500V/750V直流送至接觸軌，城軌車輛通過其受流器與供電線路直接接觸而獲得電力給車輛負(fù)載供電，電流再經(jīng)過走行軌，最終回到變電所。

根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的不同，本文以無錫地鐵1號(hào)線為例，對(duì)城軌車輛DC1500V第三軌受流及電纜選型進(jìn)行介紹。

2第三軌受流分析

第三軌是供電軌，無錫項(xiàng)目采用的是DC1500V第三軌下部受流方式，由城軌車輛下部安裝的受流裝置與第三軌接觸獲得電能。

2.1受流器分布及布線方式

受流器安裝在轉(zhuǎn)向架的外側(cè)向，成對(duì)出現(xiàn)。無錫地鐵一號(hào)線列車編組形式為：-Tc+ M1+ M2= M2+ M1+Tc-，Tc、M2車每個(gè)轉(zhuǎn)向架上各布置2個(gè)受流器，M1車不布置受流器，每輛車有2個(gè)轉(zhuǎn)向架，因此整列車受流器總數(shù)為16個(gè)。第三軌受流通常為單邊受流，供電時(shí)電流由轉(zhuǎn)向架的某一側(cè)經(jīng)受流電纜進(jìn)入車上，通常受流電纜鋪設(shè)兩根。

某城市地鐵的布線方式是采用每個(gè)受流器獨(dú)立鋪設(shè)兩根受流電纜，即一個(gè)轉(zhuǎn)向架需要用到四根電纜，由于轉(zhuǎn)向架與車體間空間較小，不利于電纜彎曲半徑的調(diào)整，增加了布線難度，車輛正線運(yùn)行中長(zhǎng)期的伸縮運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致擺動(dòng)部分的電纜受力不均，存在使電纜壽命減短的風(fēng)險(xiǎn)。其布線方式如圖1所示。

經(jīng)過改進(jìn)，目前采用的布線方式是在成對(duì)出現(xiàn)的受流器之間增加一根受流電纜，轉(zhuǎn)向架兩側(cè)只鋪設(shè)一根電纜，這樣無論哪一側(cè)受流器供電都能保證電流由兩根受流電纜進(jìn)入車內(nèi)。改進(jìn)的另一城市某地鐵布線方式如下圖2。無錫地鐵一號(hào)線采用的是改進(jìn)方式布線。

2.2受流分析

第三軌受流與接觸網(wǎng)受流的不同之處在于，接觸網(wǎng)是連續(xù)不間斷的電流供應(yīng)軌道，而第三軌由于線路的局限性使得某些供電區(qū)域出現(xiàn)間斷性區(qū)間。車輛在經(jīng)過這些間斷的區(qū)域時(shí)有部分受流器無法受電，形成了無電區(qū)。下面討論無錫地鐵一號(hào)線所存在的無電區(qū)域。

由無錫地鐵的軌道狀況知道其最大無電區(qū)89.5m，最小無電區(qū)>12.6m，正線典型無電區(qū)長(zhǎng)度為75.2m、71.9m、67m。忽略最小無電區(qū)，只考慮最大無電區(qū)和典型無電區(qū)。

模擬車輛行經(jīng)無電區(qū)得出列車過無電區(qū)時(shí)的受流器受流個(gè)數(shù)，其結(jié)果分析如下：

如果列車速度大于5km/h，整列車母線接觸器（BLB）、母線高速斷路器（BHB）閉合。

當(dāng)列車通過67m（25-30km/h）無電區(qū)時(shí)，至少可以保證3臺(tái)受流器同時(shí)受電。

當(dāng)列車通過71.9m（25-30km/h）、75.2m（25-30km/h）、89.5m（洗車<3 km/h）無電區(qū)時(shí)，至少可以保證2臺(tái)受流器同時(shí)受電。

當(dāng)列車停車或速度低于5km/h，供電要求自動(dòng)斷開各車受流器之間的電氣連接（通過斷開BLB），三軌兩個(gè)變電站之間的無電區(qū)長(zhǎng)度大于12.6m，以保證第三軌電壓不通過列車母線發(fā)生橋接。

3受流電纜選型計(jì)算

電纜選型在布線設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，選型時(shí)應(yīng)仔細(xì)核對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)，參照標(biāo)準(zhǔn)EN 50343：2014《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛布線規(guī)則》，對(duì)需選用的電纜線進(jìn)行參數(shù)核算，最終選擇合適的電纜。電纜選型主要是對(duì)電纜截面的計(jì)算，其目的是為了確保電纜的允許載流量（Icorr）不小于負(fù)載電流（Iload），保證電纜在其設(shè)計(jì)壽命內(nèi)正常工作。

按EN 50343的規(guī)定，電纜允許載流量（Icorr）按下式確定：

Icorr = Icable譑1譑2譑3譑4譑5

式中：Icable——電纜載流量；K1——環(huán)境溫度修正系數(shù)；K2——電纜敷設(shè)修正系數(shù)；K3——壽命減少修正系數(shù)；K4——非連續(xù)工作時(shí)的修正系數(shù)；K5——多芯電纜的校正系數(shù)。

注：核算過程中，環(huán)境溫度按45℃考慮；電纜的負(fù)載電流不縮短電纜的壽命，即K3=1.0；所有的負(fù)載電流為連續(xù)工作時(shí)的有效值，即K4=1.0；受流電纜采用單芯電纜，即K5=1.0。

負(fù)載電流（Iload）為車輛運(yùn)行過程中，電纜需承載電流的有效值。

3.1受流工況

城軌車輛在行進(jìn)過程中，由于外界因素導(dǎo)致受流器可能未全部正常供電，在計(jì)算電纜時(shí)需要考慮這些非正常情況下的受流器載流量。

（1）根據(jù)車輛經(jīng)過無電區(qū)時(shí)的情況，對(duì)各無電區(qū)工況定義如下：

①67m無電區(qū)，速度25-30km/h，牽引電流值為470-540A，輔逆電流，至少3臺(tái)受流器供電；

②71.9m無電區(qū)，速度25-30km/h，牽引電流值為470-540A，至少2臺(tái)受流器供電；

③75.2m無電區(qū)，速度25-30km/h，牽引電流值為470-540A，至少2臺(tái)受流器供電；

④89.5m無電區(qū)，速度25-30km/h，牽引電流值為470-540A，至少2臺(tái)受流器供電。

（2）針對(duì)車輛受流器故障情況，對(duì)其定義如下：

①一個(gè)受流器故障；

②兩個(gè)受流器故障。

3.2受流器電纜截面積計(jì)算

牽引逆變器負(fù)載電流由線路仿真計(jì)算得出，其值為Iload=450A （載荷：AW2；峰值電流：1000A（秒級(jí)））。每列車布有4臺(tái)牽引逆變器。

輔助高壓箱額定輸入電流為138.5A，每列車布有2臺(tái)輔逆電源。

分析受流器電纜時(shí)需考慮受流器故障以及過無電區(qū)的情況，以下針對(duì)各工況進(jìn)行分析：

3.2.1受流器故障

（1）車輛處于a工況，7臺(tái)受流器工作，此時(shí)車輛正常運(yùn)行，牽引總電流為4？50+138？=2076A，即平均每根受流器大線承載約148A的電流值，取K1 =1，K2=0.71，取Icable 為70 mm2電纜的載流量，Icorr =300？.71=213A>148A，滿足使用。

（2）車輛處于b工況，6臺(tái)受流器工作，此時(shí)車輛正常運(yùn)行，牽引總電流為4？50+138？=2076A，即平均每根受流器大線承載約173A的電流值，Icorr=213A>173A，70 mm2電纜滿足使用。

3.2.2行經(jīng)無電區(qū)

（1）車輛處于A工況，3臺(tái)受流器工作，此時(shí)車輛正常運(yùn)行，牽引總電流為4？70+138？=2156A，即平均每根受流器大線承載約359A的電流值8s，此時(shí)K2=0.71，K4=1.49。因?yàn)榇朔N情況下電流出現(xiàn)時(shí)間短，可以不考慮敷設(shè)系數(shù)，Icorr=300？.49=447A>359A，70 mm2電纜滿足使用。

（2）車輛處于D工況（B、C工況均好于D），2臺(tái)受流器工作，此時(shí)車輛正常運(yùn)行，牽引總電流為4？70+138？=2156A，即平均每根受流器大線承載約539A的電流值10s，不考慮敷設(shè)系數(shù)，取Icable 為95 mm2電纜的載流量，Icorr =360？.49=536.4A≈539A，可滿足使用。

3.2.3經(jīng)過無電區(qū)和受流器故障時(shí)

（1）車輛處于D+a這兩種極端工況，1臺(tái)受流器工作，此時(shí)車輛正常運(yùn)行，牽引總電流為4？70+138？=2156A，即平均每根受流器大線承載約1078A的電流值持續(xù)10s，不考慮敷設(shè)系數(shù)，取Icable 為300 mm2電纜的載流量，Icorr =775？.49=1154.8A>1078A，滿足使用。

綜上所述，經(jīng)過無電區(qū)和受流器故障時(shí)的極端惡劣工況概率較低且時(shí)間很短，出于折中考慮，可以使用70mm2電纜（300？.49=447A）作為受流器大線上車及車端跳接處，在底架線槽內(nèi)則使用95mm2電纜（360？.71？.49=381A）。

4結(jié)束語

本文僅根據(jù)城軌車輛第三軌項(xiàng)目并以無錫項(xiàng)目為例展開的粗略分析?？傮w來講，我們要深入理解布線規(guī)則及標(biāo)準(zhǔn)，明確標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)所指向的意義，以事實(shí)為依據(jù)分析城軌車輛的受流方式及受流工況，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真核算每條電纜的載流量，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)潔、安全的城軌車輛。

參考文獻(xiàn)

[1] EN50343，鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛布線規(guī)則[S].

[2] 苗彥英.城市軌道交通[M].北京：北京科技出版社，1994.