高洪光，張立臣，李雪莉，陳廣泰，張坤

（1 中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116022；2 中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧 大連 116022；3 珠海公交軌道交通有限公司，廣東 珠海 519075）

珠海1號(hào)線有軌電車采用了地面供電方式［1］，在有軌電車線路中間安裝了供電模組，替代了傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)，起到了美化景觀作用。在投入使用初期供電模塊短路燒損嚴(yán)重，經(jīng)中車技術(shù)專家團(tuán)隊(duì)技術(shù)研究和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了間歇式供電方式的安全運(yùn)用。

1 供電模塊設(shè)計(jì)目標(biāo)

地面供電模塊為有軌電車供電，滿足車輛設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度70 km/h。供電模塊標(biāo)準(zhǔn)長度：5、3、2 m，采用連續(xù)鋪設(shè)方式，無電區(qū)采用車載儲(chǔ)能牽引。滿足如下技術(shù)指標(biāo)要求：

供電模塊安裝后強(qiáng)度：滿足重型貨車在供電模塊線路上碾壓，貨車前軸6.3 t，后軸12.65 t。

2 供電模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)

地面供電系統(tǒng)采用供電模塊通過受電靴為有軌電車供電，當(dāng)車輛受電靴進(jìn)入模塊時(shí)模塊輸出，離開后安全電路實(shí)現(xiàn)接地。供電模組包括地面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（玻璃鋼導(dǎo)槽）、地面供電模塊、負(fù)極回流裝置、正極電纜、安全負(fù)極電纜等部分。由車輛受電靴磁力作用實(shí)現(xiàn)供電，如圖1所示。

圖1 地面供電系統(tǒng)模組與受電靴磁體

2.1 供電模塊

供電模塊采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)供電開關(guān)及磁性材料鋼帶，與車輛受電靴配合實(shí)現(xiàn)供電輸出。供電模塊為整體密封箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)安全負(fù)極，正負(fù)供電插接頭分別與正極和安全負(fù)極電纜相連［2］。車輛負(fù)極電流不經(jīng)過模塊。供電模塊具有進(jìn)水診斷、磁性鋼帶的位置診斷功能。磁性鋼帶和導(dǎo)電觸指上下移動(dòng)，模塊表面鋼板與電源正極或安全負(fù)極相連，實(shí)現(xiàn)模塊鋼板正極輸出或與安全負(fù)極相連，如圖2所示。

圖2 地面供電模塊結(jié)構(gòu)及對(duì)外連接

2.2 受電靴

受電靴采用了磁性材料，完成對(duì)模塊內(nèi)導(dǎo)磁鋼帶的吸起。受電靴結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 受電靴底部視圖

內(nèi)部磁鐵的布置，實(shí)現(xiàn)受電靴電刷給地面接觸鋼板的壓力為450 N。受電靴電刷為錫青銅材質(zhì)，設(shè)計(jì)使用壽命為7 000～9 000 km，需定期檢查和更換。永久磁鐵包覆于底座工程尼龍靴體與磁鐵蓋板之間，由28塊永久磁鐵組成5塊長短磁鐵組。中央工字型長短磁鐵為同一極性，遠(yuǎn)端兩邊短磁鐵為相反磁性。永磁體型號(hào)：Vacodym510 HR，單體尺寸：30 mm×30 mm×60 mm。受電靴的主要機(jī)械參數(shù)：

底座長度：850 mm

底座寬度：370 mm

垂直磁吸力：350～400 N

考慮車輛運(yùn)行中受電靴的重力、磁力較大，造成磁鐵蓋板磨耗，在負(fù)極電刷的前后設(shè)計(jì)了滾動(dòng)輪。滾動(dòng)輪在線路的負(fù)極導(dǎo)電鋼板上滾動(dòng)，將靴體托起使得磁鐵蓋板與供電模塊表面鋼板保持間隙。

3 供電模塊安全設(shè)計(jì)

為防止模塊內(nèi)部短路和燒損，對(duì)受電靴磁力、車輛運(yùn)行時(shí)因受電靴磁場(chǎng)力引起模塊內(nèi)部振動(dòng)等進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，模塊燒損與安全負(fù)極和模塊內(nèi)正極導(dǎo)電觸指的設(shè)計(jì)有關(guān)。

3.1 負(fù)極回流與安全接地

區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，有軌電車供電電路負(fù)極不采用鋼軌回流，而是經(jīng)模組兩邊的負(fù)極鋼板連接負(fù)極回流銅排，再經(jīng)負(fù)極母線直接與供電變電所相連，車輛負(fù)極電流不經(jīng)過供電模塊。

為了實(shí)現(xiàn)供電安全，模塊內(nèi)設(shè)安全負(fù)極母排，通過模塊內(nèi)部供電極性轉(zhuǎn)換C型導(dǎo)電槽與模塊表面相連，母排的另一端與安裝在模塊下方的導(dǎo)槽內(nèi)安全負(fù)極母線相連，使供電模塊不供電時(shí)與變電所負(fù)極直接相連。這種設(shè)計(jì)可使負(fù)極回流直接回變電所而不經(jīng)鋼軌，從而減少了雜散電流［3］，鋼軌不需要進(jìn)行絕緣防護(hù)；另一方面，安全負(fù)極接地電路保證了供電安全。

模塊工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，供電狀態(tài)模塊內(nèi)部導(dǎo)電片將正極母排與輸出鋼板相連，此狀態(tài)下安全負(fù)極連接銅板提前與安全負(fù)極母排斷開。

圖4 供電模塊工作狀態(tài)

在磁性鋼帶落地狀態(tài)下，安全接地連接銅板連接負(fù)極母排和C型導(dǎo)電槽，保證供電鋼板在非工作狀態(tài)下始終處于接地。盡管模塊設(shè)計(jì)了工作狀態(tài)指示開關(guān)，通過導(dǎo)電觸指位置檢測(cè)開關(guān)動(dòng)、靜觸頭的閉合與斷開，實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的檢測(cè)報(bào)警，但起不到保護(hù)作用。

3.2 磁場(chǎng)力與振動(dòng)仿真研究

（1）磁場(chǎng)力的仿真

針對(duì)供電模塊和受電靴磁場(chǎng)建立了仿真模型，進(jìn)行了受電靴落下狀態(tài)下，塊內(nèi)部磁性鋼帶在“落下”和“抬起”2個(gè)狀態(tài)的仿真計(jì)算。磁場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 受電靴磁場(chǎng)與模塊內(nèi)導(dǎo)磁鋼帶磁場(chǎng)作用

分析結(jié)果：在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，模塊在安全接地時(shí)，導(dǎo)磁鋼帶受到磁場(chǎng)力為74.8 N，大于鋼帶自身重力25 N，鋼帶能夠被吸起。當(dāng)鋼帶達(dá)到模塊供電位置時(shí)，受電靴對(duì)鋼帶的磁場(chǎng)力為200 N，滿足模塊供電導(dǎo)電銅片抬起后的接觸壓力，實(shí)現(xiàn)供電。不會(huì)由于磁場(chǎng)力不足造成模塊正極觸指粘連燒損。

（2）模塊內(nèi)鋼帶振動(dòng)仿真

按照車輛不同速度運(yùn)行，進(jìn)行了模塊內(nèi)導(dǎo)磁鋼帶垂向位移仿真分析，不同速度下振動(dòng)位移曲線不同。速度10 km/h時(shí)各區(qū)段z軸的位移如圖6所示。

圖6 模塊內(nèi)部柔性接觸帶z軸位移曲線

仿真結(jié)果，模塊內(nèi)磁性鋼帶存在振動(dòng)，受電靴低速10 km/h以上運(yùn)行到模塊端部時(shí)更為明顯。

3.3 模塊內(nèi)供電電路分析

模塊內(nèi)安裝了多個(gè)極性轉(zhuǎn)換導(dǎo)電槽實(shí)現(xiàn)供電輸出或安全接地。當(dāng)極性轉(zhuǎn)換導(dǎo)電槽經(jīng)正極導(dǎo)電觸指連接正極母排時(shí)模塊供電；當(dāng)極性轉(zhuǎn)換導(dǎo)電槽通過安全負(fù)極連接銅板與安全負(fù)極母排連接時(shí)模塊安全接地。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)短路與供電模塊內(nèi)正極導(dǎo)電片均勻分布方式有關(guān)，其短路的機(jī)理如圖7所示。圖中，DJ為模塊內(nèi)單元接地開關(guān)。

圖7 模塊內(nèi)短路機(jī)理

在受電靴移動(dòng)過程中，5 m模塊內(nèi)11個(gè)安全接地開關(guān)DJ1～DJ11動(dòng)作，極性轉(zhuǎn)換導(dǎo)電槽與正極導(dǎo)電觸指實(shí)現(xiàn)供電轉(zhuǎn)換。當(dāng)圖7中件號(hào)4正極導(dǎo)電觸指由于導(dǎo)磁鋼帶的振動(dòng)引起的導(dǎo)電槽B與A連接帶電，將與處于接地狀態(tài)的接地開關(guān)DJ4形成短路。

3.4 供電子單元設(shè)計(jì)

為了防止短路現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)模塊內(nèi)部進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。導(dǎo)電觸指的安裝，將每個(gè)供電模塊拆分為多個(gè)供電子單元，每個(gè)子單元A或B的正、負(fù)極觸指獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)模塊供電和接地的獨(dú)立作用，如圖8所示。

圖8 正極導(dǎo)電觸指按多個(gè)供電單元不均勻排布

改進(jìn)后車輛受電靴受流原理如圖9所示。在受電靴導(dǎo)電銅條移動(dòng)時(shí)，將形成各子單元之間以A-AB-B-BA-A的無限循環(huán)方式，既可以防止內(nèi)短路，又可實(shí)現(xiàn)分段連續(xù)供電。

圖9 中車技術(shù)改進(jìn)后模塊子單元結(jié)構(gòu)及供電原理原理

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

進(jìn)行了區(qū)間運(yùn)行試驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)效果。2017年，實(shí)現(xiàn)了珠海1號(hào)線的開通運(yùn)行。截止收稿時(shí)，已安全運(yùn)行1 113 d，6列車5節(jié)編組，累計(jì)運(yùn)行135萬km，經(jīng)歷了臺(tái)風(fēng)、暴雨的考核，經(jīng)歷了路口大車的碾壓。

5 結(jié)束語

珠海有軌電車1號(hào)線地面供電模塊采用機(jī)械式開關(guān)原理可行，在我國實(shí)現(xiàn)了磁力重力式地面供電方式的應(yīng)用，系統(tǒng)安全性得到了驗(yàn)證，為開展有軌電車地面供電技術(shù)研究提供了借鑒。