北京13號線地鐵列車牽引系統部件選型簡析

黃 金，張 波，郭曉燕（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

北京地鐵13號線正線雙線線路全長40.58km，于2002-09通車試運營，2003年全線開通。車輛采用第3軌供電方式，額定電壓DC 750V，電壓變化范圍500～900V，再生制動時不高于DC 1 000V。列車初始為4輛編組：2動2拖；后續為6輛編組：3動3拖［1］。本文牽引系統的設計以4輛編組原型車為例對牽引系統設計展開討論和計算。

1 列車基本技術參數及性能要求

4輛編組列車采用Tc+M+M1+Tc的編組形式，Tc為帶司機室的拖車，M，M1為不帶司機室的動車。列車超員載重202t。

運行阻力：

其中v速度，km／h；Wt動車總重，t；Wt拖車總重，t；n車輛總數。

2 列車牽引仿真計算

2.1 加速度及牽引／電制動特性

快起快停是城市軌道交通的一大特色。這就要求城軌車輛有較大的起動加速度及制動減速度。

GB／T 7928《地鐵車輛通用技術條件》中對地鐵車輛起動加速度的規定［2］：“定員情況下，在平直干燥軌道上，車輪為半磨耗狀態，額定供電電壓時，如無特殊要求，起動平均加速度為：列車從0加速到40km／h，不低于0.83m／s2；列車從0加速到80km／h，不低于0.5 m／s2。”目前，國內地鐵車輛招標書要求的0～40km／h平均加速度往往高于GB／T 7928的規定，如杭州地鐵定員載荷0～40km／h平均加速度要求大于1.0m／s2。本文介紹的北京地鐵13號線地鐵列車設計平均加速度也遠遠大于標準要求。不同載荷條件下列車牽引滿級的最大起動加速度均為0.89m／s2，超員載荷恒轉矩恒功率轉換速度點為38.1km／h，自然特性轉換速度點為42km／h。其他載荷條件下的特性以超員載荷牽引特性外包線為準進行調整。圖1為北京13號線地鐵列車牽引滿級不同載荷條件下的牽引特性。

圖1 北京13號線地鐵列車不同載荷滿級牽引特性

GB／T 7928《地鐵車輛通用技術條件》中對地鐵車輛制動平均減速度的規定：定員情況下，在平直干燥軌道上，車輪為半磨耗狀態，列車從最高運行速度到停車，如無特殊要求，制動平均減速度為：常用制動平均減速度不低于1.0m／s2；緊急制動平均減速度不低于1.2 m／s2。”13號線地鐵列車再生制動力不足的情況下，需要空氣制動力補足。電制動特性設計原則與牽引特性設計原則相同，首先確定超員載荷下的電制動特性外包線，而后依次確定其他載荷條件下的電制動特性。考慮到黏著利用的問題，13號線地鐵列車超員載荷電制動滿級設計減速度為0.76m／s2。

2.2 牽引仿真計算結果

根據上述地鐵列車牽引、電制動特性曲線，進行相應的牽引計算，模擬北京13號線地鐵列車的載客運營能力，校核高壓側及電機側的電氣參數。本文選取典型區間大鐘寺站到知春路站的計算結果，站間距離為1 206m。接觸網電壓牽引工況750V，電制動工況850V，列車超員載荷。列車牽引滿級起動，速度達到最大后恒速運行，電制動（非滿級）停車。圖2為列車直流側總電流。圖3為列車牽引電機總功率。

圖2 列車直流側總電流

圖3 列車牽引電機總輸出功率

3 牽引系統部件選型

地鐵列車牽引系統包括多種電氣部件，如高速斷路器、熔斷器、線路接觸器、制動電阻、逆變器、牽引電機等。圖4為北京13號線地鐵列車主電路圖。一個動車單元共4臺牽引電機，分別由兩組牽引逆變器供電。兩組牽引逆變器共用一臺高速斷路器HB及一臺預充電接觸器LB1。本文主要針對牽引系統中高速斷路器、線路接觸器及牽引電機的選型展開討論。

3.1 選型原則

額定工作電壓、額定功率是牽引電機選型的關鍵參數。

額定工作電壓和額定發熱電流是直流側開關電器部件選型的兩個關鍵參數。由于城軌列車快起快停的特性，電氣部件大部分為周期性間斷工作制。不管是牽引電機還是直流側電氣部件都有可能存在短時間過載工作的情況，流過部件的瞬時功率或瞬時電流已不能完全作為電氣參數選型原則。本文采用區間等效電流及區間等效功率作為選型依據。

圖4 牽引系統主電路圖

3.2 部件選型

如圖5所示，區間AB電流瞬時值為I（直流側），假設各電氣部件電阻值在區間內無明顯變化，則區間AB內的等效發熱電流可表示為：

圖5 等效發熱電流示意圖

根據牽引電算結果，北京地鐵13號線列車典型區間直流側峰值電流3 400A，總等效電流約為1 700A，流過單動車的等效電流為850A。從圖4的主電路結構得出，高速斷路器承受的等效電流為850A。由此可以對高速斷路器額定發熱電流范圍進行界定。最終選擇賽雪龍公司的UR10型高速斷路器。該型斷路器額定工作電壓900V，額定發熱電流1 000A，1 700A過載能力為5min，完全滿足北京地鐵13號線正常運行的要求。

區間AB電流瞬時值為P，則區間AB內的等效功率可表示為：

根據牽引電算結果，北京地鐵13號線列車典型區間內牽引電機峰值功率2 160kW，輸出等效功率約為1 120kW。地鐵列車總共8臺牽引電機，每臺牽引電機輸出的等效功率為：

考慮城軌地鐵牽引電機功率過載倍數一般為額定功率的1.3～1.8倍，以及牽引電機現存系列的問題，該牽引系統應選擇180kW級別的牽引電機。直流側750 V供電，牽引電機額定電壓選為550V。

4 結束語

本文以北京13號線地鐵列車牽引仿真計算結果為基礎，以區間等效電流及等效功率作為牽引電機及直流側高壓開關器件的選型依據，合理地選取了牽引系統幾個關鍵部件的電氣參數，為之后的地面聯調試驗及城軌列車牽引系統集成工作提供理論依據。

［1］徐惠林，曾憲鈞.北京地鐵13號線車輛電傳動系統設計［J］.機車電傳動，2002，（6）：35-38.

［2］GB／T-2003.地鐵車輛通用技術條件［S］.