DC3000V供电制式下市域B型车车辆设计探讨

李靓娟

（广州轨道交通检验检测认证有限公司，广东 广州 510000）

目前我国的轨道交通主要以牵引供电制式为AC25kV的铁路及DC1500V供电制式的地铁为主。AC25kV供电制式适用于运量大、负荷大、速度高、运输距离长的铁路线路，采用该制式可以减少牵引变电所及城市电源引入数量，节约供电系统投资。但由于电压等级高，绝缘距离要求较大，在地下区段对隧道断面要求高，土建投资较大。DC1500V供电制适用于列车功率不大、供电半径小、行车密度高、启动频繁的地铁工程。由于电压等级低、绝缘距离相对较小，因此土建投资较小，因此地铁大多采用此供电方式。

从牵引供电角度，针对站间距大、速度快、容量大的地铁线路，DC1500 V供电制式存在前期投入高，后期运营维护难等问题，而DC3000V牵引供电制式作为一项全新的技术，在经济效益、能耗各方面较DC1500V供电方式具有一定的优势，国内学者也对该项技术进行了研发研究，其应用在技术上是可行的。DC3000V在国际上是一种成熟的供电制式，在前苏联以及欧洲地区的一些国家干线电气化铁路有采用DC3000V供电的线路，但我国城市轨道交通尚无DC3000V供电制式的应用。文章从车辆限界、系统设计及车辆成本三个方面，以4动2拖6编组市域B型车地铁车辆为例，对采用DC3000V供电制式进行适应性设计带来的影响进行了分析探讨，为DC3000V供电制式的选用提供参考。

1 车辆牵引/辅助系统分析

目前国内外DC3000V供电制式牵引/辅助系统的方案主要有DC/DC及直接逆变两个方案可供选择。

（1）DC/DC方案：如图1所示，采用直流斩波降压方式先将网侧电压DC3000V降为DC1500V，作为牵引及辅助系统的直流输入电压，交流逆变电路、电气元件及设备仍维持原DC1500V方案。该方案优点为：电路在DC1500V基础上无须进行重大变更，除增加直流斩波器外，设计及选型均不用做调整。缺点为：效率低，且对于4动两拖六编组列车来说每列车须增加4个直流变压器，成本及重量均有所上升，其中重量增加在动车上。

图1 DC-DC方案拓扑电路

（2）直接逆变方案：如图2所示，直接采用额定工作电压为DC3000V的牵引/辅助逆变器。该方案保留了成熟牵引辅助系统主电路设计，除元器件选型须针对DC3000V的电压制式进行重新校核外，可无须进行其他调整。采用该方案，列车技术上能实现在DC1500V接触网供电线路上降功率限速运行，因此，车辆可能实现在DC3000V及DC1500V两种供电制式车辆段内利用自身动力转轨及入库。

图2 直接逆变方案电路

根据EN 50163：2004标准4.1条，DC3000V牵引供电电压范围为DC2000～DC3600V，再生制动时，最高非持续电压可达DC3900V。

根据图3牵引供电电压，DC3000V供电制式与DC1500V供电制式的牵引、辅助系统的工作电压对比如表1。

表1 DC3000V供电制式与DC1500V供电制式的牵引、辅助系统的工作电压对比

图3 标称电压及其容许限值和持续时间

2 主要部件选型分析

由于牵引供电电压等级提高，对牵引和辅助系统主要部件的耐压等级的要求提高，因此较DC1500V供电制式车辆，DC3000V牵引供电的牵引和辅助系统主要部件须重新设计、选型。具体详见表2。

表2 牵引和辅助系统主要部件变化

3 车辆限界分析

电压等级由DC1500V提高至DC3000V，车辆尺寸在长度和宽度方向无明显差异，高度方向上空调、排气口等高度无明显差异，仅在受电弓高度位置有变化。

根据GB/T 32578-2016 《轨道交通 地面装置 电力牵引架空接触网》的要求，标称电压为DC3000V的网压，接触网带电体对地的电气绝缘间隙最小值，静态要求150 mm，动态要求50 mm。

接触网的高度应根据受电弓工作范围进行相应的调整，至少满足最小工作高度要求： 根据IEC60494-2，受电弓在最小及最大工作高度之间范围时，弓网接触压力并非处于最佳状态。另外，需考虑一个受电弓故障不升弓，仅升一个受电弓的情况，且DC3000V电气间隙要大于DC1500V。据GB/T 375 32-2019 DC1500V市域B型车受电弓工作高度为4 200～5 500 mm，在此车辆平台不变的基础上，建议的DC3000V供电制式接触网高度至少为4 200+95=4 295 mm。（95 mm为受电弓最佳工作高度调整经验值）。

以接触网最小高度为4 295，核算车顶其他部位的电气间隙均大于280 mm。(取除受电弓区域外最高部位的高度，GB/T 37532-2019 DC1500V市域B型车车辆总高的尺寸要求为≤3 925 mm，其与接触网的最小电气间隙为4 295-3 925=370 mm)。

4 车辆成本分析

（1）初期采购成本：车辆牵引供电电压等级的变化，主要引起牵引系统及辅助系统成本的变化。其他系统的成本相对于DC1500V供电车辆无明显变化。

（2）备品备件购置成本：由于DC3000V供电制式在目前国内城市轨道交通行业未有应用，车辆牵引/辅助设备需要重新研发、试验，牵引设备的部分关键零部件如高速断路器、接触器和IGBT元件及驱动等需要国外进口，在DC3000V供电制式未在国内市场推广应用前，备品备件的采购可能面临价格较高、来源单一的情况，按牵引系统采购成本增加的情况看，后期部分备品备件的采购成本也会比采用DC1500V增加。

（3）后期运营维护人力成本：采用DC3000V直接逆变方案，系统基本配置与DC1500V方案相似，少部分器件如高速断路器、接触器和IGBT元件及驱动等，由于电压等级不同选型与DC1500V方案不同，其他基本相同，因此运营维护方面两种制式相似。

5 结语

从车辆系统部件、限界、重量等各方面考虑，目前国内车型标准要求下的车辆，采用DC3000V供电制式下进行适应设计，在技术上具有可行性。通过上述分析采用DC3000V供电制式对车辆牵引/辅助系统、车辆限界和车辆成本的影响可知，在牵引/辅助系统方面，采用DC3000V供电制式，与DC1500V相比，由于绝缘、耐压等级的变化，车辆牵引、辅助系统主要部件须重新设计和选型。在车辆限界方面，供电等级由DC1500V提高至DC3000V，车辆尺寸在长度和宽度方向无明显差异。由于电压等级提高，最小电气间隙增加，受电弓绝缘子高度增加，受电弓高度相应变化。由于未在国内推广应用，后期部分备品备件的采购可能面临成本高、来源单一的情况。