城軌車輛第三軌受流分析及電纜選型計算

劉明玉 楊裕欽

摘 要 本文以城軌交通的三軌項目為基礎(chǔ)，對城軌車輛第三軌受流方式進行系統(tǒng)分析，并根據(jù)需要以無錫一號線為例對受流電纜選型進行計算，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：U231 文獻標識碼：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)前國內(nèi)第三軌受流主要有兩種供電電壓：DC1500V和DC750V。車輛在運行時，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載供電，電流再經(jīng)過走行軌，最終回到變電所。

根據(jù)各個項目設(shè)計的不同，本文以無錫地鐵1號線為例，對城軌車輛DC1500V第三軌受流及電纜選型進行介紹。

2第三軌受流分析

第三軌是供電軌，無錫項目采用的是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，成對出現(xiàn)。無錫地鐵一號線列車編組形式為：-Tc+ M1+ M2= M2+ M1+Tc-，Tc、M2車每個轉(zhuǎn)向架上各布置2個受流器，M1車不布置受流器，每輛車有2個轉(zhuǎn)向架，因此整列車受流器總數(shù)為16個。第三軌受流通常為單邊受流，供電時電流由轉(zhuǎn)向架的某一側(cè)經(jīng)受流電纜進入車上，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受流器獨立鋪設(shè)兩根受流電纜，即一個轉(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，車輛正線運行中長期的伸縮運動也會導(dǎo)致擺動部分的電纜受力不均，存在使電纜壽命減短的風(fēng)險。其布線方式如圖1所示。

經(jīng)過改進，目前采用的布線方式是在成對出現(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入車內(nèi)。改進的另一城市某地鐵布線方式如下圖2。無錫地鐵一號線采用的是改進方式布線。

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)時的受流器受流個數(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，至少可以保證3臺受流器同時受電。

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，至少可以保證2臺受流器同時受電。

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

3受流電纜選型計算

電纜選型在布線設(shè)計中占據(jù)重要地位，選型時應(yīng)仔細核對其各項參數(shù)，參照標準EN 50343：2014《鐵路應(yīng)用 機車車輛布線規(guī)則》，對需選用的電纜線進行參數(shù)核算，最終選擇合適的電纜。電纜選型主要是對電纜截面的計算，其目的是為了確保電纜的允許載流量（Icorr）不小于負載電流（Iload），保證電纜在其設(shè)計壽命內(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；電纜的負載電流不縮短電纜的壽命，即K3=1.0；所有的負載電流為連續(xù)工作時的有效值，即K4=1.0；受流電纜采用單芯電纜，即K5=1.0。

負載電流（Iload）為車輛運行過程中，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，在計算電纜時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)時的情況，對各無電區(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臺受流器供電。

（2）針對車輛受流器故障情況，對其定義如下：

①一個受流器故障；

②兩個受流器故障。

3.2受流器電纜截面積計算

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

輔助高壓箱額定輸入電流為138.5A，每列車布有2臺輔逆電源。

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

3.2.1受流器故障

（1）車輛處于a工況，7臺受流器工作，此時車輛正常運行，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臺受流器工作，此時車輛正常運行，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臺受流器工作，此時車輛正常運行，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K2=0.71，K4=1.49。因為此種情況下電流出現(xiàn)時間短，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臺受流器工作，此時車輛正常運行，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

（1）車輛處于D+a這兩種極端工況，1臺受流器工作，此時車輛正常運行，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)和受流器故障時的極端惡劣工況概率較低且時間很短，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)城軌車輛第三軌項目并以無錫項目為例展開的粗略分析。總體來講，我們要深入理解布線規(guī)則及標準，明確標準中數(shù)據(jù)所指向的意義，以事實為依據(jù)分析城軌車輛的受流方式及受流工況，根據(jù)標準認真核算每條電纜的載流量，設(shè)計出簡潔、安全的城軌車輛。

參考文獻

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

[2] 苗彥英.城市軌道交通[M].北京：北京科技出版社，1994.