城市軌道交通架空剛性接觸網匯流排載流能力

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根據(jù)列車運作所需的電量來確定。導體的載流能力，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，導體發(fā)熱的最高穩(wěn)定溫度應不超出導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。如何結合城市軌道交通列車運行的實際，作出相適應的規(guī)范，是值得進一步分析和關注的問題。

1 城市軌道交通列車負載電流

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。

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，并通式化地表達為

按圖1，式（1）的I為列車在區(qū)間內平均受流值（相當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

一般僅當列車在滑過的匯流排路段內才會出現(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，匯流排在間隔內不同地段的載流值不盡相同，一般以加速區(qū)內最大。

匯流排承載電流的波形除與列車的取流密切相關外，還與下述因素密切關聯(lián)：牽引供電站設置的密度，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。

牽引供電站一般相隔2～3個車站設置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，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，并以下述設定為基礎：間隔內的行車時間為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，其中I為列車在間隔內的平均受流（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)負載的特性曲線：“在50%的區(qū)間行車時間內為一定值載流；而其余50%的區(qū)間行車時間內為空載運行”。圖3所示的載荷電流雖為連續(xù)性定值負載波形，但匯流排的載流還未達最大波幅值。

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按間歇性循環(huán)負荷，而非連續(xù)性負荷波形的特性，予以規(guī)范及試驗考核。

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

（1）連續(xù)性負載電流試驗。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 國內通用Π形匯流排不同負荷特性下直流發(fā)熱溫度曲線圖

發(fā)熱結果對比：

（1）匯流排承載連續(xù)性負載電流時，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)熱效果相當于在4 000 A連續(xù)性負載電流下的82%。

（3）匯流排承載間歇性負載（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)性負載電流下的相當。

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

（4）可以預期，在上述第3節(jié)述及的（載流1 min + 空載1 min）間歇性負載模式循環(huán)下，匯流排的載流能力應遠高于4 000 A。

需要說明的是，以上發(fā)熱結果尚未考慮列車在隧道行走時活塞效應產生隧道風對匯流排強迫冷卻的效應。

4 結語

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

（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，應按間歇性循環(huán)負荷的電流特性進行規(guī)范和確定。