北京13号线地铁列车牵引系统部件选型简析

黄 金，张 波，郭晓燕（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

北京地铁13号线正线双线线路全长40.58km，于2002-09通车试运营，2003年全线开通。车辆采用第3轨供电方式，额定电压DC 750V，电压变化范围500～900V，再生制动时不高于DC 1 000V。列车初始为4辆编组：2动2拖；后续为6辆编组：3动3拖［1］。本文牵引系统的设计以4辆编组原型车为例对牵引系统设计展开讨论和计算。

1 列车基本技术参数及性能要求

4辆编组列车采用Tc+M+M1+Tc的编组形式，Tc为带司机室的拖车，M，M1为不带司机室的动车。列车超员载重202t。

运行阻力：

其中v速度，km／h；Wt动车总重，t；Wt拖车总重，t；n车辆总数。

2 列车牵引仿真计算

2.1 加速度及牵引／电制动特性

快起快停是城市轨道交通的一大特色。这就要求城轨车辆有较大的起动加速度及制动减速度。

GB／T 7928《地铁车辆通用技术条件》中对地铁车辆起动加速度的规定［2］：“定员情况下，在平直干燥轨道上，车轮为半磨耗状态，额定供电电压时，如无特殊要求，起动平均加速度为：列车从0加速到40km／h，不低于0.83m／s2；列车从0加速到80km／h，不低于0.5 m／s2。”目前，国内地铁车辆招标书要求的0～40km／h平均加速度往往高于GB／T 7928的规定，如杭州地铁定员载荷0～40km／h平均加速度要求大于1.0m／s2。本文介绍的北京地铁13号线地铁列车设计平均加速度也远远大于标准要求。不同载荷条件下列车牵引满级的最大起动加速度均为0.89m／s2，超员载荷恒转矩恒功率转换速度点为38.1km／h，自然特性转换速度点为42km／h。其他载荷条件下的特性以超员载荷牵引特性外包线为准进行调整。图1为北京13号线地铁列车牵引满级不同载荷条件下的牵引特性。

图1 北京13号线地铁列车不同载荷满级牵引特性

GB／T 7928《地铁车辆通用技术条件》中对地铁车辆制动平均减速度的规定：定员情况下，在平直干燥轨道上，车轮为半磨耗状态，列车从最高运行速度到停车，如无特殊要求，制动平均减速度为：常用制动平均减速度不低于1.0m／s2；紧急制动平均减速度不低于1.2 m／s2。”13号线地铁列车再生制动力不足的情况下，需要空气制动力补足。电制动特性设计原则与牵引特性设计原则相同，首先确定超员载荷下的电制动特性外包线，而后依次确定其他载荷条件下的电制动特性。考虑到黏着利用的问题，13号线地铁列车超员载荷电制动满级设计减速度为0.76m／s2。

2.2 牵引仿真计算结果

根据上述地铁列车牵引、电制动特性曲线，进行相应的牵引计算，模拟北京13号线地铁列车的载客运营能力，校核高压侧及电机侧的电气参数。本文选取典型区间大钟寺站到知春路站的计算结果，站间距离为1 206m。接触网电压牵引工况750V，电制动工况850V，列车超员载荷。列车牵引满级起动，速度达到最大后恒速运行，电制动（非满级）停车。图2为列车直流侧总电流。图3为列车牵引电机总功率。

图2 列车直流侧总电流

图3 列车牵引电机总输出功率

3 牵引系统部件选型

地铁列车牵引系统包括多种电气部件，如高速断路器、熔断器、线路接触器、制动电阻、逆变器、牵引电机等。图4为北京13号线地铁列车主电路图。一个动车单元共4台牵引电机，分别由两组牵引逆变器供电。两组牵引逆变器共用一台高速断路器HB及一台预充电接触器LB1。本文主要针对牵引系统中高速断路器、线路接触器及牵引电机的选型展开讨论。

3.1 选型原则

额定工作电压、额定功率是牵引电机选型的关键参数。

额定工作电压和额定发热电流是直流侧开关电器部件选型的两个关键参数。由于城轨列车快起快停的特性，电气部件大部分为周期性间断工作制。不管是牵引电机还是直流侧电气部件都有可能存在短时间过载工作的情况，流过部件的瞬时功率或瞬时电流已不能完全作为电气参数选型原则。本文采用区间等效电流及区间等效功率作为选型依据。

图4 牵引系统主电路图

3.2 部件选型

如图5所示，区间AB电流瞬时值为I（直流侧），假设各电气部件电阻值在区间内无明显变化，则区间AB内的等效发热电流可表示为：

图5 等效发热电流示意图

根据牵引电算结果，北京地铁13号线列车典型区间直流侧峰值电流3 400A，总等效电流约为1 700A，流过单动车的等效电流为850A。从图4的主电路结构得出，高速断路器承受的等效电流为850A。由此可以对高速断路器额定发热电流范围进行界定。最终选择赛雪龙公司的UR10型高速断路器。该型断路器额定工作电压900V，额定发热电流1 000A，1 700A过载能力为5min，完全满足北京地铁13号线正常运行的要求。

区间AB电流瞬时值为P，则区间AB内的等效功率可表示为：

根据牵引电算结果，北京地铁13号线列车典型区间内牵引电机峰值功率2 160kW，输出等效功率约为1 120kW。地铁列车总共8台牵引电机，每台牵引电机输出的等效功率为：

考虑城轨地铁牵引电机功率过载倍数一般为额定功率的1.3～1.8倍，以及牵引电机现存系列的问题，该牵引系统应选择180kW级别的牵引电机。直流侧750 V供电，牵引电机额定电压选为550V。

4 结束语

本文以北京13号线地铁列车牵引仿真计算结果为基础，以区间等效电流及等效功率作为牵引电机及直流侧高压开关器件的选型依据，合理地选取了牵引系统几个关键部件的电气参数，为之后的地面联调试验及城轨列车牵引系统集成工作提供理论依据。

［1］徐惠林，曾宪钧.北京地铁13号线车辆电传动系统设计［J］.机车电传动，2002，（6）：35-38.

［2］GB／T-2003.地铁车辆通用技术条件［S］.