李靚娟

（廣州軌道交通檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證有限公司，廣東 廣州 510000）

目前我國(guó)的軌道交通主要以牽引供電制式為AC25kV的鐵路及DC1500V供電制式的地鐵為主。AC25kV供電制式適用于運(yùn)量大、負(fù)荷大、速度高、運(yùn)輸距離長(zhǎng)的鐵路線路，采用該制式可以減少牽引變電所及城市電源引入數(shù)量，節(jié)約供電系統(tǒng)投資。但由于電壓等級(jí)高，絕緣距離要求較大，在地下區(qū)段對(duì)隧道斷面要求高，土建投資較大。DC1500V供電制適用于列車功率不大、供電半徑小、行車密度高、啟動(dòng)頻繁的地鐵工程。由于電壓等級(jí)低、絕緣距離相對(duì)較小，因此土建投資較小，因此地鐵大多采用此供電方式。

從牽引供電角度，針對(duì)站間距大、速度快、容量大的地鐵線路，DC1500 V供電制式存在前期投入高，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)難等問題，而DC3000V牽引供電制式作為一項(xiàng)全新的技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)效益、能耗各方面較DC1500V供電方式具有一定的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)研究，其應(yīng)用在技術(shù)上是可行的。DC3000V在國(guó)際上是一種成熟的供電制式，在前蘇聯(lián)以及歐洲地區(qū)的一些國(guó)家干線電氣化鐵路有采用DC3000V供電的線路，但我國(guó)城市軌道交通尚無(wú)DC3000V供電制式的應(yīng)用。文章從車輛限界、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及車輛成本三個(gè)方面，以4動(dòng)2拖6編組市域B型車地鐵車輛為例，對(duì)采用DC3000V供電制式進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)帶來的影響進(jìn)行了分析探討，為DC3000V供電制式的選用提供參考。

1 車輛牽引/輔助系統(tǒng)分析

目前國(guó)內(nèi)外DC3000V供電制式牽引/輔助系統(tǒng)的方案主要有DC/DC及直接逆變兩個(gè)方案可供選擇。

（1）DC/DC方案：如圖1所示，采用直流斬波降壓方式先將網(wǎng)側(cè)電壓DC3000V降為DC1500V，作為牽引及輔助系統(tǒng)的直流輸入電壓，交流逆變電路、電氣元件及設(shè)備仍維持原DC1500V方案。該方案優(yōu)點(diǎn)為：電路在DC1500V基礎(chǔ)上無(wú)須進(jìn)行重大變更，除增加直流斬波器外，設(shè)計(jì)及選型均不用做調(diào)整。缺點(diǎn)為：效率低，且對(duì)于4動(dòng)兩拖六編組列車來說每列車須增加4個(gè)直流變壓器，成本及重量均有所上升，其中重量增加在動(dòng)車上。

圖1 DC-DC方案拓?fù)潆娐?/p>

（2）直接逆變方案：如圖2所示，直接采用額定工作電壓為DC3000V的牽引/輔助逆變器。該方案保留了成熟牽引輔助系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)，除元器件選型須針對(duì)DC3000V的電壓制式進(jìn)行重新校核外，可無(wú)須進(jìn)行其他調(diào)整。采用該方案，列車技術(shù)上能實(shí)現(xiàn)在DC1500V接觸網(wǎng)供電線路上降功率限速運(yùn)行，因此，車輛可能實(shí)現(xiàn)在DC3000V及DC1500V兩種供電制式車輛段內(nèi)利用自身動(dòng)力轉(zhuǎn)軌及入庫(kù)。

圖2 直接逆變方案電路

根據(jù)EN 50163：2004標(biāo)準(zhǔn)4.1條，DC3000V牽引供電電壓范圍為DC2000～DC3600V，再生制動(dòng)時(shí)，最高非持續(xù)電壓可達(dá)DC3900V。

根據(jù)圖3牽引供電電壓，DC3000V供電制式與DC1500V供電制式的牽引、輔助系統(tǒng)的工作電壓對(duì)比如表1。

表1 DC3000V供電制式與DC1500V供電制式的牽引、輔助系統(tǒng)的工作電壓對(duì)比

圖3 標(biāo)稱電壓及其容許限值和持續(xù)時(shí)間

2 主要部件選型分析

由于牽引供電電壓等級(jí)提高，對(duì)牽引和輔助系統(tǒng)主要部件的耐壓等級(jí)的要求提高，因此較DC1500V供電制式車輛，DC3000V牽引供電的牽引和輔助系統(tǒng)主要部件須重新設(shè)計(jì)、選型。具體詳見表2。

表2 牽引和輔助系統(tǒng)主要部件變化

3 車輛限界分析

電壓等級(jí)由DC1500V提高至DC3000V，車輛尺寸在長(zhǎng)度和寬度方向無(wú)明顯差異，高度方向上空調(diào)、排氣口等高度無(wú)明顯差異，僅在受電弓高度位置有變化。

根據(jù)GB/T 32578-2016 《軌道交通 地面裝置 電力牽引架空接觸網(wǎng)》的要求，標(biāo)稱電壓為DC3000V的網(wǎng)壓，接觸網(wǎng)帶電體對(duì)地的電氣絕緣間隙最小值，靜態(tài)要求150 mm，動(dòng)態(tài)要求50 mm。

接觸網(wǎng)的高度應(yīng)根據(jù)受電弓工作范圍進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，至少滿足最小工作高度要求： 根據(jù)IEC60494-2，受電弓在最小及最大工作高度之間范圍時(shí)，弓網(wǎng)接觸壓力并非處于最佳狀態(tài)。另外，需考慮一個(gè)受電弓故障不升弓，僅升一個(gè)受電弓的情況，且DC3000V電氣間隙要大于DC1500V。據(jù)GB/T 375 32-2019 DC1500V市域B型車受電弓工作高度為4 200～5 500 mm，在此車輛平臺(tái)不變的基礎(chǔ)上，建議的DC3000V供電制式接觸網(wǎng)高度至少為4 200+95=4 295 mm。（95 mm為受電弓最佳工作高度調(diào)整經(jīng)驗(yàn)值）。

以接觸網(wǎng)最小高度為4 295，核算車頂其他部位的電氣間隙均大于280 mm。(取除受電弓區(qū)域外最高部位的高度，GB/T 37532-2019 DC1500V市域B型車車輛總高的尺寸要求為≤3 925 mm，其與接觸網(wǎng)的最小電氣間隙為4 295-3 925=370 mm)。

4 車輛成本分析

（1）初期采購(gòu)成本：車輛牽引供電電壓等級(jí)的變化，主要引起牽引系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)成本的變化。其他系統(tǒng)的成本相對(duì)于DC1500V供電車輛無(wú)明顯變化。

（2）備品備件購(gòu)置成本：由于DC3000V供電制式在目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通行業(yè)未有應(yīng)用，車輛牽引/輔助設(shè)備需要重新研發(fā)、試驗(yàn)，牽引設(shè)備的部分關(guān)鍵零部件如高速斷路器、接觸器和IGBT元件及驅(qū)動(dòng)等需要國(guó)外進(jìn)口，在DC3000V供電制式未在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)推廣應(yīng)用前，備品備件的采購(gòu)可能面臨價(jià)格較高、來源單一的情況，按牽引系統(tǒng)采購(gòu)成本增加的情況看，后期部分備品備件的采購(gòu)成本也會(huì)比采用DC1500V增加。

（3）后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)人力成本：采用DC3000V直接逆變方案，系統(tǒng)基本配置與DC1500V方案相似，少部分器件如高速斷路器、接觸器和IGBT元件及驅(qū)動(dòng)等，由于電壓等級(jí)不同選型與DC1500V方案不同，其他基本相同，因此運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面兩種制式相似。

5 結(jié)語(yǔ)

從車輛系統(tǒng)部件、限界、重量等各方面考慮，目前國(guó)內(nèi)車型標(biāo)準(zhǔn)要求下的車輛，采用DC3000V供電制式下進(jìn)行適應(yīng)設(shè)計(jì)，在技術(shù)上具有可行性。通過上述分析采用DC3000V供電制式對(duì)車輛牽引/輔助系統(tǒng)、車輛限界和車輛成本的影響可知，在牽引/輔助系統(tǒng)方面，采用DC3000V供電制式，與DC1500V相比，由于絕緣、耐壓等級(jí)的變化，車輛牽引、輔助系統(tǒng)主要部件須重新設(shè)計(jì)和選型。在車輛限界方面，供電等級(jí)由DC1500V提高至DC3000V，車輛尺寸在長(zhǎng)度和寬度方向無(wú)明顯差異。由于電壓等級(jí)提高，最小電氣間隙增加，受電弓絕緣子高度增加，受電弓高度相應(yīng)變化。由于未在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，后期部分備品備件的采購(gòu)可能面臨成本高、來源單一的情況。