中低速磁浮列車車輛布線設(shè)計(jì)研究

岳 芹 黃小麗

（中車株洲電力機(jī)車有限公司 磁浮系統(tǒng)研究所，湖南 株洲412001）

1 概述

中低速磁浮列車作為用于城市運(yùn)輸?shù)男滦蛙壍澜煌ㄜ囕v，最高運(yùn)行速度在70～160Km/h 左右，采用短定子直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)無接觸牽引和制動(dòng)，通過電磁鐵吸力實(shí)現(xiàn)懸浮和導(dǎo)向。磁浮列車與城軌車輛不同，底架空間小而設(shè)備多，所以其電氣布線方式也有著自己的特殊性，亟需一套適用中低速磁浮列車的布線設(shè)計(jì)方法。

2 布線設(shè)計(jì)研究

布線系統(tǒng)作為列車的“神經(jīng)系統(tǒng)”，其高中低壓電氣系統(tǒng)的布線設(shè)計(jì)研究在整車總體設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。本文基于對(duì)已執(zhí)行中低速磁浮項(xiàng)目的布線分析研究，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行布線設(shè)計(jì)論述。

2.1 整車布線

磁浮列車整車布線包括車上布線，車下布線和車端布線。其中車上布線分為客室布線、司機(jī)室布線，車下布線主要為底架布線，底架布線又根據(jù)電路特點(diǎn)分為主輔控電路布線。

2.2 布線設(shè)計(jì)

磁浮布線設(shè)計(jì)主要從電纜載流量計(jì)算與選型、電氣連接、布線規(guī)則、三維布線四個(gè)方面考慮。

2.2.1 電纜載流量計(jì)算及選型

根據(jù)磁浮列車電纜應(yīng)用的電壓等級(jí)和功率，將電纜分為H、A、B、C 共4 類，分類原則如下：

H 類：主電路線纜（指DC1500V 電源線，包括牽引電機(jī)電源線）；

A 類：AC380V、DC330V、AC220V 電線電纜；

B 類：110V、24V、15V 電源線、控制線；

C 類：傳感器信號(hào)線、MVB、WTB 的網(wǎng)絡(luò)通訊屏蔽電纜等。

以磁浮列車的AC380V 的輔助電路為例，進(jìn)行電纜的載流量選型及計(jì)算。

AC380V 輔助電路的額定容量為75KVA。

2.2.1.1 計(jì)算Iload（負(fù)載電流）

其中校正系數(shù)：

k1是用于預(yù)期環(huán)境溫度的校正系數(shù)。因電纜選用(90) 0.6/1kV 電壓等級(jí)的電纜，預(yù)期環(huán)境溫度T 為45℃，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN50343 的附錄D，所以k1取值為1.0。

k2是用于安裝類型（分組和安裝條件）的校正系數(shù)。AC380V輔助逆變器的電源輸出為三根單芯電纜，根據(jù)分析該設(shè)備出線的路徑規(guī)劃，電纜敷設(shè)在底架雙層支架的上層。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN50343 的表2，三根電纜同時(shí)在一起裝載，敷設(shè)在電纜槽上的一層里，所以k2取值為0.83。

k3是考慮到預(yù)測電纜壽命降低的一個(gè)校正系數(shù)，AC380V輔助逆變器的輸出電纜選用符合EN50264 的動(dòng)力電纜，在連續(xù)最大導(dǎo)線溫度90℃預(yù)期使用壽命30 年，故滿足標(biāo)準(zhǔn)電纜預(yù)測壽命（100 000h）時(shí)，k3取值為1.0。

k4是在操作不連續(xù)時(shí)考慮到短時(shí)電流的一個(gè)校正系數(shù)，當(dāng)操作為連續(xù)時(shí)，該值為1.0。AC380V 輔助逆變器輸出電源為持續(xù)工作狀況，所以k4 取值為1.0。

K5是多芯電纜的一個(gè)校正系數(shù)；適用于單根多芯電纜的每根單獨(dú)線芯。當(dāng)使用單芯電纜時(shí)，該值為1.0，AC380V 輔助逆變器輸出電源為三根單芯電纜，所以k5取值為1.0。

根據(jù)k1、k2、k3、k4、k5的賦值，以及公式（1）和（2），可得出Icable≥138A。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN50343 附錄B 的表B.1，具有90℃最大導(dǎo)線工作溫度的標(biāo)準(zhǔn)墻壁電纜的電流額定值可知，截面積為25mm2的電纜對(duì)應(yīng)的額定載流量Icable=150A, 所以該電纜能滿足AC380V輔助逆變器輸出電源能力要求。AC380 輔助逆變器的輸出電源電纜確定選用25mm2的電纜。

2.2.2 電氣連接

在布線設(shè)計(jì)中，還要考慮電纜導(dǎo)體兩端的終端連接。電纜端部如果是采用連接器，終端則是采用連接器插針插孔或壓片的端接，如果電纜端部是端子排，終端則是采用接線頭、裸狀端頭或Fot 線環(huán)進(jìn)行端接。不管以哪種方式端接，終端接觸點(diǎn)兩側(cè)的載流量不應(yīng)小于負(fù)載的載流量，才能保證電纜導(dǎo)體與載流端子直接的可靠連接。以AC380V 輔助逆變器的輸出電源為例，Icable=150A，根據(jù)電纜載流量選型的電纜為25mm2的電纜，連接設(shè)備側(cè)及電纜終端側(cè)的端接方式為接線螺柱（用于供電連接時(shí)，每個(gè)螺栓連接處的接線端子不超過3 個(gè)）。接線頭材質(zhì)銅接觸面的電流密度不超過1.4A/mm2，鋁接觸面的電流密度不超過0.8A/mm2。

端接的有效接觸面積，公式如下:

其中Sv為有效接觸面積，單位mm2；Dv為止推墊圈外徑，單位mm；dv為墊圈內(nèi)徑，單位mm。

選用TFB 8-25 的銅質(zhì)接線頭，由接線頭選型參數(shù)表格，可知Dv2取值為294mm2，dv取值為8mm，根據(jù)公式（3），可得端接的有效接觸面積Sv≈243mm2。進(jìn)一步可得銅接線頭端接面可通過的電流I=1.4A/mm2×243mm2，I=340A，340A＞150A。

接線頭端接觸面電流遠(yuǎn)大于AC380V 輔助逆變器的輸出電流，所有AC380V 輔助逆變器輸出電纜的端部電氣端接采用TFB 8-25 的銅質(zhì)接線頭實(shí)現(xiàn)電氣接觸。

圖1 接線頭

2.2.3 布線規(guī)則

磁浮布線電纜固定間距應(yīng)視磁浮的特殊性而定，EMC 不同的電纜應(yīng)盡可能單獨(dú)敷設(shè)，當(dāng)敷設(shè)無法滿足間距要求時(shí)，應(yīng)盡可能使用金屬套管、金屬隔板、整體屏蔽等措施隔離電纜。在不同種類電纜最小間距無法達(dá)到要求的情況下，列車采用雙層支架布置主輔電纜，采用金屬型腔穿線敷設(shè)控制及信號(hào)電纜，以保證不同電纜之間的安全隔離。常見的隔離方式有：（1）通過金屬擋板隔離，（2）通過選用金屬屏蔽電纜隔離，（3）通過絕緣隔離。布線還需要考慮的一個(gè)方面就是固定安裝要求。

圖2 隔離方式

2.2.3.1 雙層支架敷設(shè)主輔電路

磁浮列車底架主輔電路采用雙層支架固定電纜。下層敷設(shè)1500V 電壓等級(jí)的主電路電纜，上層敷設(shè)330V、380V、220V 電壓等級(jí)的輔助電路電纜。

雙層支架結(jié)構(gòu)，不但可以更好地把不同電壓等級(jí)的電纜分開，提高電纜的電磁抗干擾能力，同時(shí)雙層支架的中間隔板采用螺栓連接，也便于根據(jù)布線電纜的多少進(jìn)行上下空間的調(diào)整。

2.2.3.2 金屬U 槽和橡膠線槽隔離電纜

客室兩側(cè)采用U 型線槽（鋁合金材質(zhì)）布線，U 線槽通過托架固定在兩側(cè)C 型槽上，電纜在U 型槽內(nèi)根據(jù)電纜等級(jí)分為ABC 三個(gè)區(qū)域。

圖3 雙層支架

司機(jī)室布線則采用司機(jī)臺(tái)地板左右兩側(cè)的U 型線槽以及地板前端的兩個(gè)出線孔，出線孔的大小可以由設(shè)備接線的多少確定。金屬型腔穿線也是一種布線電纜的方式，在磁浮底架空間有限的情況下，對(duì)控制電纜及信號(hào)電纜走密閉的型腔也是一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)。為了避免型腔穿線時(shí)對(duì)電纜磨損，則根據(jù)型腔的截面形狀設(shè)計(jì)相應(yīng)的橡膠線槽，便于穿線和避免磨損。

圖4 橡膠線槽

2.3 三維布線

磁浮列車的底架設(shè)備布置密而緊湊，而列車的主電路、輔助電路以及大部分控制電路的布線都分布在滑臺(tái)橫梁以上，底架地板面以下的區(qū)域中，如此有限的空間范圍內(nèi)，同時(shí)考慮磁浮懸浮架模塊的實(shí)際運(yùn)行位移量，為避免與迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、管路等底架設(shè)備干涉，對(duì)磁浮列車底架布線的主輔控電路采用三維布線設(shè)計(jì)將尤為重要。

利用現(xiàn)有三維軟件進(jìn)行三維布線設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下：（1）全面分析底架布線與布管、迫導(dǎo)向鋼絲繩、其他設(shè)備的干涉問題。（2）三維布線便于確定合適的電纜余量，減少電纜的浪費(fèi)，節(jié)約成本。（3）三維布線便于接口核對(duì)與檢修可操作性分析。

結(jié)束語

在中低速磁浮列車布線設(shè)計(jì)中，電纜和電氣連接件選型是基礎(chǔ)，正確合理的布線路徑選擇是核心，三維布線設(shè)計(jì)是有效手段，三者有機(jī)結(jié)合將會(huì)更容易解決底部空間狹小、電磁兼容以及電纜與相鄰設(shè)備干涉問題?？傊?，列車布線不可小視，可靠的布線設(shè)計(jì)將為磁浮列車穩(wěn)定安全運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。