城市軌道交通架空剛性接觸網(wǎng)匯流排載流能力

張宏武，張烈忠，王展翔

0 引言

在城市軌道交通的架空剛性接觸網(wǎng)中，列車通過匯流排的載流從牽引供電站取得運行所需電能。匯流排需具備的載流能力應(yīng)根據(jù)列車運作所需的電量來確定。導(dǎo)體的載流能力，一般均以某一定值的連續(xù)性電流予以定額，在該連續(xù)性額定電流值下，導(dǎo)體發(fā)熱的最高穩(wěn)定溫度應(yīng)不超出導(dǎo)體材料允許的最高工作溫度。

在城市軌道交通系統(tǒng)中，列車負(fù)載電流的數(shù)值變動較大，波形并非恒定和連續(xù)不變。因此，引用連續(xù)性定值電流的概念，對匯流排應(yīng)具備的載流能力予以定額和試驗驗證，并不切合實際。如何結(jié)合城市軌道交通列車運行的實際，作出相適應(yīng)的規(guī)范，是值得進(jìn)一步分析和關(guān)注的問題。

1 城市軌道交通列車負(fù)載電流

圖1是城市軌道交通系統(tǒng)中，列車在兩地鐵站間隔間行走時取流與運行速度的典型實測波形。列車最高時速為110 km，取流最高峰值約為2 700 A。

圖1 地鐵列車行走時取流及運行速度波形圖

圖1顯示，列車的取流可劃分為3個區(qū)段，分別與圖中加速區(qū)段A，穩(wěn)速區(qū)段B，隋行減速區(qū)段C等階段相對應(yīng)。

區(qū)段 A的電流主要用于列車的加速，此時列車處于能量需求最大階段，所以取流的持續(xù)時間與波幅相對都較大。

區(qū)段 B的電流主要用于克服列車運行中的阻力，使列車維持己達(dá)到的車速，列車需求的電能大為減小，電流顯著地變?yōu)殚g歇、分散和短暫脈沖的波形。

區(qū)段 C為惰行減速區(qū)，列車基本上無驅(qū)動能量輸入的需求。相反地，積累能量過多時，還可能出現(xiàn)制動電流反饋的現(xiàn)象。該階段列車取流的數(shù)值，從匯流排的發(fā)熱效應(yīng)看，已可等零視之。

為便于分析，列車主要取流區(qū)（A），（B）的電流波形，按等效發(fā)熱及從嚴(yán)處理的置換原則，可集中地由圖 1中虛線方塊面積的電流波形予以替代，并通式化地表達(dá)為

按圖1，式（1）的I為列車在區(qū)間內(nèi)平均受流值（相當(dāng)于虛線的方塊面積的電流幅值1 500 A），Y取0.5，t為列車在區(qū)間行走的總時間150 s。

2 匯流排承載電流

一般僅當(dāng)列車在滑過的匯流排路段內(nèi)才會出現(xiàn)載流。在隋行區(qū)，尚無越區(qū)供電，匯流排載流的數(shù)值一般很小。可見，匯流排在間隔內(nèi)不同地段的載流值不盡相同，一般以加速區(qū)內(nèi)最大。

匯流排承載電流的波形除與列車的取流密切相關(guān)外，還與下述因素密切關(guān)聯(lián)：牽引供電站設(shè)置的密度，列車班次的密度（列車相距時間），車站間的距離（間隔行車時間），列車運行的速度，列車編組，行車操控的方式（手控抑自動程式操控），雙邊抑單邊供電等。在不同的因素組合下，匯流排承載電流的大小及波形有著不同的反應(yīng)。

牽引供電站一般相隔2～3個車站設(shè)置1個。間隔行車時間多在1～3 min。列車班次密度（列車相距時間）與運行的高、低峰期有關(guān)，一般多在3 min或以上，行車相距時間取決于系統(tǒng)信號能力的水平及安全因素，最短約為2 min。列車最大運行時速多在80 km以下，個別在110～120 km。在正常運行狀態(tài)下，列車均由雙邊供電，單邊越區(qū)供電一般屬于系統(tǒng)故障時的一種暫態(tài)運行方式。

以下對匯流排承載電流的波形試圖作一分析，并以下述設(shè)定為基礎(chǔ)：間隔內(nèi)的行車時間為2 min，列車相距時間為 2～4 min，列車最大時速為110 km。

圖2—圖5顯示了在不同供電設(shè)置和列車運行條件下，兩站間匯流排的載流波形和平均值，載流波形均按第1.2節(jié)中列車受流的典型模式表達(dá)，其中I為列車在間隔內(nèi)的平均受流（列車最大時速為110 km時，數(shù)值為1 500 A）。在圖2所示的列車運行條件下，匯流排載流的幅值等于列車取流值的50%。

圖2 雙邊供電，間隔行車時間2 min，

在圖3所示的供電和列車運作條件下，匯流排載流的幅值基本上與列車的取流值相同。

圖3 雙邊供電，間隔行車時間2 min，

在圖4所示的供電和列車運作條件下，匯流排載流幅值等于列車取流值的1.5倍。

圖5相當(dāng)于系統(tǒng)出現(xiàn)故障單邊供電的情況，匯流排承載的電流基本上等于列車負(fù)載電流值的 2倍。載流波形示于圖下方。

綜觀圖2—圖5的電流波形，匯流排出現(xiàn)最大載流幅值的條件是：“間隔行車時間=列車相距時間”。此時匯流排載流的波形如圖 4、圖 5下方所示，為一間歇性循環(huán)負(fù)載的特性曲線：“在50%的區(qū)間行車時間內(nèi)為一定值載流；而其余50%的區(qū)間行車時間內(nèi)為空載運行”。圖3所示的載荷電流雖為連續(xù)性定值負(fù)載波形，但匯流排的載流還未達(dá)最大波幅值。

圖4 雙邊供電，間隔行車時間2 min，

圖5 單邊供電，間隔行車時間2 min，

3 匯流排載流能力發(fā)熱試驗

綜合上述的分析顯示，在城市軌道交通的運作模式下，匯流排載流能力的定額顯然應(yīng)按間歇性循環(huán)負(fù)荷，而非連續(xù)性負(fù)荷波形的特性，予以規(guī)范及試驗考核。

圖6是國內(nèi)通用Π形鋁合金匯流排，在2種不同負(fù)荷特性下，直流發(fā)熱溫度曲線的對比：

（1）連續(xù)性負(fù)載電流試驗。a.3 300 A（圖6中A段曲線）；b.3 800 A（圖6中B段曲線）；c.4 000 A（圖6中C段曲線）。

（2）間歇性負(fù)載電流循環(huán)試驗。a.（4 000 A載流3 min + 空載1 min）循環(huán)（圖6中D段曲線）；b.（4 000 A載流2 min + 空載1 min）循環(huán)（圖6中E段曲線）。

圖6 國內(nèi)通用Π形匯流排不同負(fù)荷特性下直流發(fā)熱溫度曲線圖

發(fā)熱結(jié)果對比：

（1）匯流排承載連續(xù)性負(fù)載電流時，3 300，3 800和4 000 A的最高穩(wěn)定發(fā)熱溫度分別為72，89和98℃。

（2）匯流排承載間歇性負(fù)載（載流3 min + 空載1 min）循環(huán)電流時，4 000 A的最高穩(wěn)定發(fā)熱溫度為80℃，發(fā)熱效果相當(dāng)于在4 000 A連續(xù)性負(fù)載電流下的82%。

（3）匯流排承載間歇性負(fù)載（載流2 min + 空載1 min）循環(huán)電流時，4 000 A載流的最高穩(wěn)定發(fā)熱溫度為73℃，發(fā)熱效果與3 300 A連續(xù)性負(fù)載電流下的相當(dāng)。

換言之，以3 300 A連續(xù)性負(fù)載電流定額的匯流排，具備了在4 000 A（載流2 min + 空載1 min）間歇性負(fù)載循環(huán)的載流能力。

（4）可以預(yù)期，在上述第3節(jié)述及的（載流1 min + 空載1 min）間歇性負(fù)載模式循環(huán)下，匯流排的載流能力應(yīng)遠(yuǎn)高于4 000 A。

需要說明的是，以上發(fā)熱結(jié)果尚未考慮列車在隧道行走時活塞效應(yīng)產(chǎn)生隧道風(fēng)對匯流排強(qiáng)迫冷卻的效應(yīng)。

4 結(jié)語

（1）在城市軌道交通的運作模式下，架空剛性接觸網(wǎng)匯流排承載的電流波形具有間歇性循環(huán)負(fù)載電流的特性。

（2）為了更能切合城市軌道交通列車運作的實際和更科學(xué)和充分地發(fā)揮材料的使用率，匯流排載流能力的定額和試驗考核，應(yīng)按間歇性循環(huán)負(fù)荷的電流特性進(jìn)行規(guī)范和確定。