重慶AS地鐵列車單元內(nèi)雙弓受流應用

胡 洋

(重慶市軌道交通(集團)有限公司 運管中心， 重慶 401120)

針對重慶坡道大(50‰)，轉(zhuǎn)彎半徑小(正線轉(zhuǎn)彎半徑最小250 m,車場最小轉(zhuǎn)彎半徑150 m)等獨特的地理環(huán)境，重慶軌道交通研制了介于A型車與B型之間的山地城市A型地鐵列車(以下簡稱AS車)，該車具有B型車的軸距及車體長度，A型車的車體寬度，5動1拖(6編組)的牽引方案等特點，文中重點對重慶AS地鐵列車單元內(nèi)采用雙受電弓裝置并聯(lián)受電的設計方案、計算驗證以及運營使用情況進行闡述。

1 AS地鐵列車受電弓設計

重慶山地城市AS地鐵列車每列分為兩個單元，每個單元在Mp車頂配置兩架單臂式雙弓頭受電弓并聯(lián)受電，碳滑板受電能力為20 A/mm，寬度為60 mm，6編組車輛采用“+ Mc-Mp -M +M-Mp -Mc+”5動1拖的動力組成(圖1)。

圖1 6編組列車示意圖

2 AS車輛單元內(nèi)雙受電弓受流優(yōu)勢與應用

國內(nèi)各城市地鐵車輛均采用單元內(nèi)單弓受電，重慶AS地鐵車輛國內(nèi)首次選用單元內(nèi)雙受電弓并聯(lián)受電方式，主要有以下幾個優(yōu)勢：

2.1 降低碳滑板受流電流，減少碳滑板磨耗，延長碳滑板使用壽命

GB 50157《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定“正線的最大坡度宜采用30‰，困難地段最大坡度可采用35‰”，為適應重慶特殊地理環(huán)境要求，AS地鐵列車設計爬坡能力為50‰，采用5動1拖(6編組)牽引方案，比A型車以及B型車采用4動2拖(6編組)的牽引功率提高25%。

6編組AS車全車額定電流2 870 A，平均每臺受電弓承擔電流717.5 A，每根碳滑塊通過電流為359 A；A型車全車額定電流為2 400 A，平均每臺受電弓承擔的電流為1 200 A左右，每根碳滑塊通過電流為600 A。

在設計階段委托第三方對重慶環(huán)線AS車輛使用的碳滑塊進行了900 A、1 200 A電流測試。當電流為900 A時，滑板溫度穩(wěn)定在230.9 ℃；當電流為1 200 A時，滑板溫度穩(wěn)定在405.4 ℃，由此可見電流對碳滑板溫度影響較大。

在低壓大電流的條件下,碳滑塊與接觸線之間以短弧放電和火花放電為主,當電流增加到300 A以上時,即使沒有出現(xiàn)離線的情況下,接觸副之間也可處于燃弧的狀態(tài)，碳滑塊的磨損量隨電流的增大而增大,電流對碳滑塊的磨損主要表現(xiàn)為電弧燒蝕和焦耳熱引起的高溫氧化；溫度對磨損量影響較大，低溫時以磨粒磨損為主，磨損量較小，高溫時(200 ℃)以黏著摩損為主，使碳滑板材料摩擦而形成氧化物和熔融層，摩損量較大。

綜上，重慶AS車單元內(nèi)采用雙受電弓后每根碳滑塊通過電流為359 A，電流較小，運用時滑塊溫度較低，磨耗量小。

目前重慶10號線、5號線AS車已開通運營10萬km，碳滑條磨耗量為0.33 mm/萬km，平均使用時間為45萬km；重慶B型車碳滑條磨耗量為1.2 mm/萬km，平均使用時間為12萬km。AS車碳滑條使用壽命較B型車有了大幅提高，雖然AS車碳滑條安裝數(shù)量較B型車多1倍，但碳滑條更換數(shù)量仍然降低了50%。

2.2 降低弓網(wǎng)離線對車輛的影響

當車輛行駛時，受電弓與接觸網(wǎng)間由于觸碰硬點、過分相、接觸網(wǎng)高低變化等原因會發(fā)生相互脫離，弓網(wǎng)離線后由于電壓擊穿空氣間隙會產(chǎn)生離線電弧。弓網(wǎng)離線電弧會降低弓網(wǎng)受流質(zhì)量、產(chǎn)生高次諧波、導致過壓現(xiàn)象的產(chǎn)生、對整個牽引供電系統(tǒng)中的設備產(chǎn)生影響、加大滑板與接觸網(wǎng)的電磨耗、對周圍造成電磁干擾，影響信號傳輸，威脅車輛行車安全。當發(fā)生大離線時，電弧也不能持續(xù)電流通路，此時必然使車輛喪失牽引力，需要重新啟動，影響正線運營。

受電弓離線一般用最大離線時間和離線率來衡量離線的大小：離線持續(xù)時間在 0～10 ms 為小離線；10～100 ms 為中離線；大于 100 ms 為大離線。目前國內(nèi)外常用于弓網(wǎng)離線的檢測方法基于3大類：一是檢測由離線引起的電弧；二是測量受電弓滑板與接觸線之間的接觸壓力；三是測量接觸線與靜止狀態(tài)有關的動態(tài)抬升狀態(tài)。

由于重慶AS車單元內(nèi)雙弓受流屬于國內(nèi)首次使用，在柔性接觸網(wǎng)區(qū)間行駛時，當受電弓沿接觸網(wǎng)導線高速滑行時，因彈性的差異將產(chǎn)生弓網(wǎng)振動，導致弓網(wǎng)間的接觸壓力持續(xù)變化，重慶AS車單元內(nèi)受電弓安裝于同一節(jié)車，雙弓之間的距離較近，雙受電弓造成的接觸網(wǎng)波動是否會加大弓網(wǎng)離線率，國內(nèi)尚無經(jīng)驗可尋。因此選取重慶環(huán)線沙正街～玉帶山中間的高家花園大橋上柔性接觸網(wǎng)區(qū)段采用直接建模方法進行50 km/h、80 km/h、100 km/h、110 km/h受流性能仿真計算分析,見表1。

表1 柔性接觸網(wǎng)區(qū)間仿真分析數(shù)據(jù)

對比計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：就接觸壓力而言，表征受流質(zhì)量的變異系數(shù)與行車速度幾乎成正比。從數(shù)值上看，即便行車速度達到110 km/h，變異系數(shù)也不超過0.3，說明在該工況下，接觸力統(tǒng)計最小值大于零，不會出現(xiàn)弓網(wǎng)離線現(xiàn)象。針對弓頭垂向振動加速度，每跨最大加速度均出現(xiàn)在第一根吊弦處，同時，該點幾乎也是每跨接觸壓力最大值或最小值點。但從全部柔性區(qū)段來看，在各速度等級條件下，接觸壓力、弓頭抬升位移、弓頭垂向振動加速度均滿足標準和規(guī)范要求。

2018年11月25日環(huán)線車輛在羅家壩-冉家壩區(qū)間進行了受電弓動態(tài)試驗，最高速度100 km/h下，受電弓弓網(wǎng)動態(tài)接觸力最小60 N、最大燃弧時間48 ms，測試數(shù)據(jù)優(yōu)良(表2)，單元內(nèi)雙受電弓同時離線的概率幾乎為零。

重慶5號、10號線AS地鐵列車已于2017年底開通運營，沒有弓網(wǎng)離線問題造成的牽引故障，因此從實際運營經(jīng)驗來看，單元內(nèi)雙弓受流可降低弓網(wǎng)離線對車輛造成的影響。

3 結(jié)束語

通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)以及實際載客運營情況分析，重慶AS車單元內(nèi)雙弓受流一方面能夠減小碳滑塊通過電流，降低碳滑塊溫度及磨損量，增加碳滑條壽命，減少運營成本；另一方面單元內(nèi)雙受電弓同時離線的概率幾乎為零，降低弓網(wǎng)離線對車輛的影響。

表2 重慶環(huán)線羅家壩-冉家壩區(qū)間受電弓動態(tài)試驗

由于重慶AS車單元內(nèi)雙弓受流屬國內(nèi)首次使用，受電弓的穩(wěn)定性以及對接觸網(wǎng)的壽命影響都還有待考證，后續(xù)將通過試驗以及運營經(jīng)驗對上述方面進行考證。