城轨车辆第三轨受流分析及电缆选型计算

刘明玉 杨裕钦

摘 要 本文以城轨交通的三轨项目为基础，对城轨车辆第三轨受流方式进行系统分析，并根据需要以无锡一号线为例对受流电缆选型进行计算，选出最终合适的电缆。

关键词 城轨车辆 第三轨 受流分析 电缆选型

中圖分类号：U231 文献标识码：A

1概述

第三轨受流是指在走行轨之外，敷设一条带电钢轨用于车辆下部专用受流供电。当前国内第三轨受流主要有两种供电电压：DC1500V和DC750V。车辆在运行时，变电所将1500V/750V直流送至接触轨，城轨车辆通过其受流器与供电线路直接接触而获得电力给车辆负载供电，电流再经过走行轨，最终回到变电所。

根据各个项目设计的不同，本文以无锡地铁1号线为例，对城轨车辆DC1500V第三轨受流及电缆选型进行介绍。

2第三轨受流分析

第三轨是供电轨，无锡项目采用的是DC1500V第三轨下部受流方式，由城轨车辆下部安装的受流装置与第三轨接触获得电能。

2.1受流器分布及布线方式

受流器安装在转向架的外侧向，成对出现。无锡地铁一号线列车编组形式为：-Tc+ M1+ M2= M2+ M1+Tc-，Tc、M2车每个转向架上各布置2个受流器，M1车不布置受流器，每辆车有2个转向架，因此整列车受流器总数为16个。第三轨受流通常为单边受流，供电时电流由转向架的某一侧经受流电缆进入车上，通常受流电缆铺设两根。

某城市地铁的布线方式是采用每个受流器独立铺设两根受流电缆，即一个转向架需要用到四根电缆，由于转向架与车体间空间较小，不利于电缆弯曲半径的调整，增加了布线难度，车辆正线运行中长期的伸缩运动也会导致摆动部分的电缆受力不均，存在使电缆寿命减短的风险。其布线方式如图1所示。

经过改进，目前采用的布线方式是在成对出现的受流器之间增加一根受流电缆，转向架两侧只铺设一根电缆，这样无论哪一侧受流器供电都能保证电流由两根受流电缆进入车内。改进的另一城市某地铁布线方式如下图2。无锡地铁一号线采用的是改进方式布线。

2.2受流分析

第三轨受流与接触网受流的不同之处在于，接触网是连续不间断的电流供应轨道，而第三轨由于线路的局限性使得某些供电区域出现间断性区间。车辆在经过这些间断的区域时有部分受流器无法受电，形成了无电区。下面讨论无锡地铁一号线所存在的无电区域。

由无锡地铁的轨道状况知道其最大无电区89.5m，最小无电区>12.6m，正线典型无电区长度为75.2m、71.9m、67m。忽略最小无电区，只考虑最大无电区和典型无电区。

模拟车辆行经无电区得出列车过无电区时的受流器受流个数，其结果分析如下：

如果列车速度大于5km/h，整列车母线接触器（BLB）、母线高速断路器（BHB）闭合。

当列车通过67m（25-30km/h）无电区时，至少可以保证3台受流器同时受电。

当列车通过71.9m（25-30km/h）、75.2m（25-30km/h）、89.5m（洗车<3 km/h）无电区时，至少可以保证2台受流器同时受电。

当列车停车或速度低于5km/h，供电要求自动断开各车受流器之间的电气连接（通过断开BLB），三轨两个变电站之间的无电区长度大于12.6m，以保证第三轨电压不通过列车母线发生桥接。

3受流电缆选型计算

电缆选型在布线设计中占据重要地位，选型时应仔细核对其各项参数，参照标准EN 50343：2014《铁路应用 机车车辆布线规则》，对需选用的电缆线进行参数核算，最终选择合适的电缆。电缆选型主要是对电缆截面的计算，其目的是为了确保电缆的允许载流量（Icorr）不小于负载电流（Iload），保证电缆在其设计寿命内正常工作。

按EN 50343的规定，电缆允许载流量（Icorr）按下式确定：

Icorr = Icable譑1譑2譑3譑4譑5

式中：Icable——电缆载流量；K1——环境温度修正系数；K2——电缆敷设修正系数；K3——寿命减少修正系数；K4——非连续工作时的修正系数；K5——多芯电缆的校正系数。

注：核算过程中，环境温度按45℃考虑；电缆的负载电流不缩短电缆的寿命，即K3=1.0；所有的负载电流为连续工作时的有效值，即K4=1.0；受流电缆采用单芯电缆，即K5=1.0。

负载电流（Iload）为车辆运行过程中，电缆需承载电流的有效值。

3.1受流工况

城轨车辆在行进过程中，由于外界因素导致受流器可能未全部正常供电，在计算电缆时需要考虑这些非正常情况下的受流器载流量。

（1）根据车辆经过无电区时的情况，对各无电区工况定义如下：

①67m无电区，速度25-30km/h，牵引电流值为470-540A，辅逆电流，至少3台受流器供电；

②71.9m无电区，速度25-30km/h，牵引电流值为470-540A，至少2台受流器供电；

③75.2m无电区，速度25-30km/h，牵引电流值为470-540A，至少2台受流器供电；

④89.5m无电区，速度25-30km/h，牵引电流值为470-540A，至少2台受流器供电。

（2）针对车辆受流器故障情况，对其定义如下：

①一个受流器故障；

②两个受流器故障。

3.2受流器电缆截面积计算

牵引逆变器负载电流由线路仿真计算得出，其值为Iload=450A （载荷：AW2；峰值电流：1000A（秒级））。每列车布有4台牵引逆变器。

辅助高压箱额定输入电流为138.5A，每列车布有2台辅逆电源。

分析受流器电缆时需考虑受流器故障以及过无电区的情况，以下针对各工况进行分析：

3.2.1受流器故障

（1）车辆处于a工况，7台受流器工作，此时车辆正常运行，牵引总电流为4？50+138？=2076A，即平均每根受流器大线承载约148A的电流值，取K1 =1，K2=0.71，取Icable 为70 mm2电缆的载流量，Icorr =300？.71=213A>148A，满足使用。

（2）车辆处于b工况，6台受流器工作，此时车辆正常运行，牵引总电流为4？50+138？=2076A，即平均每根受流器大线承载约173A的电流值，Icorr=213A>173A，70 mm2电缆满足使用。

3.2.2行经无电区

（1）车辆处于A工况，3台受流器工作，此时车辆正常运行，牵引总电流为4？70+138？=2156A，即平均每根受流器大线承载约359A的电流值8s，此时K2=0.71，K4=1.49。因为此种情况下电流出现时间短，可以不考虑敷设系数，Icorr=300？.49=447A>359A，70 mm2電缆满足使用。

（2）车辆处于D工况（B、C工况均好于D），2台受流器工作，此时车辆正常运行，牵引总电流为4？70+138？=2156A，即平均每根受流器大线承载约539A的电流值10s，不考虑敷设系数，取Icable 为95 mm2电缆的载流量，Icorr =360？.49=536.4A≈539A，可满足使用。

3.2.3经过无电区和受流器故障时

（1）车辆处于D+a这两种极端工况，1台受流器工作，此时车辆正常运行，牵引总电流为4？70+138？=2156A，即平均每根受流器大线承载约1078A的电流值持续10s，不考虑敷设系数，取Icable 为300 mm2电缆的载流量，Icorr =775？.49=1154.8A>1078A，满足使用。

综上所述，经过无电区和受流器故障时的极端恶劣工况概率较低且时间很短，出于折中考虑，可以使用70mm2电缆（300？.49=447A）作为受流器大线上车及车端跳接处，在底架线槽内则使用95mm2电缆（360？.71？.49=381A）。

4结束语

本文仅根据城轨车辆第三轨项目并以无锡项目为例展开的粗略分析。总体来讲，我们要深入理解布线规则及标准，明确标准中数据所指向的意义，以事实为依据分析城轨车辆的受流方式及受流工况，根据标准认真核算每条电缆的载流量，设计出简洁、安全的城轨车辆。

参考文献

[1] EN50343，铁路应用-机车车辆布线规则[S].

[2] 苗彦英.城市轨道交通[M].北京：北京科技出版社，1994.