雙流制 As 型城軌車輛新技術

彭繼權

（重慶鐵路投資集團有限公司，重慶 404100）

1 引言

根據重慶山城獨特的地形地貌，重慶市軌道交通在國內A型、B型地鐵車輛應用基礎上，研發了山地城市A型地鐵車輛，簡稱“As車”。自2017年12月28日投運以來，經過多年的運行驗證，As車具有爬坡能力強、曲線通過能力優越、運行可靠性高、環保節能等諸多優點，已成為重慶市軌道交通網絡發展的標準車型。

在建設城區軌道交通線網的同時，重慶也在大力發展都市區軌道交通，新建市郊鐵路跳磴至江津線采用DC1500V和AC25kV兩種供電制式的新型地鐵列車，簡稱“雙流制As車”。最高運行速度由100 km/h提高到120 km/h，雙流制As車還具備與其他軌道交通線路貫通運營的能力。

雙流制As車是在As車直流牽引系統的基礎上增加1套交流牽引系統設備，通過對2種牽引系統進行優化設計，有效控制整車軸重不超過15.5 t，在不降低載客量的同時實現車輛的輕量化。雙流制As車有效地結合了地鐵與鐵路動車組的優點，可以同時滿足市區行車密度大、起停時間短，都市區站間距長、行車速度高等要求。國內目前對交直流雙制式牽引系統研究較少，沒有相關經驗可以借鑒，本文對雙流制As車轉換系統主要電氣設備、車輛高壓電路及輔助電路進行介紹，對城軌車輛牽引系統設計具有指導意義，可為城軌車輛選型提供借鑒和參考。

2 雙流制As車主要參數

As車保留了A型車3000 mm的寬度，長度適當縮短，與B型車保持一致；車內凈空高度2200 mm，相對于其他車型提高了100 mm，保證了高載客量的同時還提供更為寬敞的司乘空間；客室采用1400 mm大開度內藏密閉門，每側布置4對，標準間距5000 mm，呈均勻布置方式，克服了單軌車因車門數量不足而不能快速上下的問題。

雙流制As車最高運行速度120 km/h，全列車采用5動1拖（直流區段）和4動2拖（交流區段）配置。列車性能參數大幅提升，滿足DBJ 50T-259-2017 《山地城市A型地鐵車輛通用技術標準》要求。轉向架軸距設計2200 mm，相對于A型車縮小300 mm，滿足最小通過曲線要求的同時，降低了輪緣及鋼軌的磨耗。

表1 雙流制As車與地鐵車輛的區別

3 雙流制As車牽引系統

雙流制As車不但可以在DC1500V的城市軌道交通線路上運行，還能夠在AC25kV的市郊鐵路上運行，兼容交直流2種不同供電制式。雙流制As車高壓電路如圖1所示，其中Mc為帶司機室的動車，Tc為帶司機室的拖車，M為動車，Mp為帶受電弓的動車。牽引系統根據交直流接觸網電壓的不同，選擇開關位置，實現交直流系統的自動切換。

3.1 列車編組方式

根據車輛所處線路工況的不同，雙流制As車采用2種編組模式靈活切換，列車編組方式如圖2所示，中間車全部采用動車，頭車二位端轉向架采用動力轉向架，交流工況下不工作。此方案可以滿足城區和都市區間不同行車密度要求，還具備與其他軌道交通線路貫通運營能力。

城區軌道交通線路直流供電模式下，列車編組采用5動1拖編組方式。在故障工況下能夠在50‰的線路坡度及超員載荷（AW3）下提供足夠的黏著牽引力，以及不依靠外部列車實現本車自救援能力，啟動平均加速度達到1.1 m/s2，與其他線路列車具備相同的牽引性能，滿足快速起停要求。

都市區鐵路采用交流供電情況下，列車切換至4動2拖編組方式。都市區線路條件相對于市區較好，最大坡度一般不超過30‰，平均站間距延長至5 km左右，居民出行需求小，行車密度相對低，4動2拖的編組方式完全滿足列車長距離高速行駛要求。

3.2 雙流制牽引系統

雙流制As車采用DC1500V和AC25kV 2種供電制式，2套不同的牽引供電系統一體化設計，其主電路如圖3所示。

（1）在DC1500V工況下，系統選擇開關SSS位于直流位，DC1500V電源經過交直流兩用受電弓PH、真空斷路器VCB、系統選擇開關SSS（位于直流位）、高速斷路器HSCB、預充電電路CC、直流電抗器L、牽引逆變器MCM、牽引電機TM。直流工況下網側四象限脈沖整流器LCM不工作。

（2）在AC25kV工況下，系統選擇開關SSS位于交流位，牽引逆變器MCM從四象限脈沖整流器LCM取電，并通過中間直流環節抽出DC1500V電源，為整車輔助設備供電及保護。AC25kV單相電經交直流兩用受電弓PH、真空斷路器VCB、系統選擇開關SSS（位于交流位）、交流熔斷器FU、牽引變壓器MT、網側四象限脈沖整流器LCM、中間直流環節DC_Link、牽引逆變器MCM、牽引電機TM。

3.3 雙流制切換系統

雙流制As車配置2套動力系統，其工作核心為自動切換系統。當運行車輛接收到地面切換信號時，車輛先封掉牽引輔助脈沖，再斷開高速斷路器和內部接觸器，下一步斷開真空斷路器后系統選擇開關SSS切換位置，交直流系統實現自動切換。

1.2.2 覆膜對啤酒大麥生長的影響測定 采用全膜覆蓋種植方式，于2017年3月27日種植。用0.006mm厚規格的超薄膜，穴播，每帶6行，行距15 cm，穴距8～10 cm，每穴7～8粒，播種量75 000穴/hm2，525萬～600萬粒/hm2，種植小區面積20 m2，設3個重復，以露地種植方式為對照（CK），7月上旬收獲。

交直流系統切換完成后，電壓識別裝置VID識別接觸網電壓與系統選擇開關SSS所處位置是否一致，起到二次檢測保護作用，系統判別無誤后閉合真空斷路器，列車系統切換完成。

交直流轉換區段設置接觸網無電區，交直流鋼軌段之間設置絕緣分隔帶，交直流系統切換時列車不降弓通過，完成轉換后即可快速恢復牽引。

4 高壓設備冷卻方案

4.1 牽引變流器

牽引變流器的輸出功率與所采用的冷卻方式密切相關。所使用的冷卻方式為采用熱管或鋁散熱器的自然冷卻、強迫通風冷卻、沸騰冷卻和水冷。走行風冷＋熱管自然冷卻和強迫風冷在城市軌道交通中有廣泛應用，而水冷的變流器因為能獲得最大的輸出功率，所以特別適用于安裝在機車和動車組等以持續功率長時間運行的變流器上。

城市軌道交通車輛啟停頻繁，適合使用強迫風冷這種熱慣性小的冷卻方式，從而有效利用變流器的最大功率與持續功率的高比率；機場和城市之間的通勤車等站間距較大，則更傾向于使用水冷這種熱慣性大、過載能力小、絕對散熱能力強的冷卻方式。

4.2 牽引變壓器

列車牽引變壓器工作條件較為惡劣，是車輛火災的重大危險源。牽引變壓器全功率運行時變壓器內部工作溫度高，變壓器冷卻油因熱脹冷縮有可能會通過壓力釋放閥溢出，引發火災事故，因此變壓器冷卻方式是防火災設計的重點。

目前，牽引變壓器冷卻方式主要有自冷式和風冷式2種，而風冷式又可以分為自然風冷和強迫風冷，冷卻器動力利用冷卻風機實現。由于車底設備較多，安裝空間狹窄，強迫油循環強迫風冷方式在我國高速動車組及電力機車上得到廣泛應用。

變壓器油冷卻裝置一般為板翅式結構，強迫風冷變壓器如圖4所示，由進出油口、油室、芯體和外部附件等構成。油冷卻器工作時，流經風道的冷風與流經管道的熱油進行對流熱交換，實現對變壓器油的冷卻作用。但因冷卻裝置附屬設備較多，冷卻風機高速運轉時會帶來高于98 dB（A）以上的強噪聲，并且冷卻風機使用壽命短，維護成本高。自然風冷變壓器如圖5所示，散熱裝置采用熱管式，按照F級絕緣設計，利用列車運行時產生的走行風與冷卻器進行熱交換，其熱交換仿真運算結果如圖6所示。自然風冷變壓器繞組最高溫度127℃，溫升8 K，極限溫度135℃；變壓器油最高溫度95℃，溫升5 K，極限溫度100℃；變壓器運行聲功率低于70 dB（A）。采用走行風自然風冷卻技術不僅有效的降低了運行噪聲，還能節約運營維護成本，提高車輛全壽命周期。

5 優化輔助電源系統

傳統的輔助電源系統主要包括輔助逆變器、低壓電源、蓄電池及控制單元。此外，主要部件還有隔離接地開關和熔斷器、線路濾波電抗器和電容器、三相交流濾波器、輸出變壓器、應急通風逆變器、應急啟動蓄電池等設備。輔助逆變器主要給空氣壓縮機、空調機組的空調壓縮機、冷凝器風扇、蒸發器風扇、空調通風機、客室正常照明、設備通風機、客室LCD屏等設備供電。

輔助逆變器輸出的交流供電網絡又分為集中式供電和分散式供電，集中式供電的主要特點是設備少，使用的部件少，但在發生故障時供電能力差，需要切除部分負載后輔助系統才能運行。分散式供電互補能力強、冗余度高，但是采用的設備、部件多，相對故障率較高。無論采用集中式或者分散式輔助供電方案，由于最終要求輸出AC380V電源，一般采用逆變后輸出變壓，輸出變壓器工作頻率為50 Hz，其特點決定輸出變壓器體積和重量都比較大。

優化輔助電源系統取消了傳統的輔助逆變器，全車采用2組DC1500V高壓母線為輔助設備供電，2條高壓母線從車輛2個動力單元的中間直流環節引出，各自負擔本車的一半輔助負載。整個輔助供電系統中空調系統采用DC1500V直接供電方案，設備冷卻通風機配置DC1500V/DC600V變流器，照明、通信、乘客信息顯示系統等小功率用電設備采用DC110V供電。取消輔助逆變器方案可以有效降低整車重量，增加DC/DC變流器可以與系統設備集成設計，設備故障冗余度高，同時還可提高供電可靠性。

6 高壓直供式變頻空調技術

6.1 直供空調原理

由于取消輔助逆變器，整車不再提供大容量3AC380V 50Hz電源，車輛設備中大功率空調系統采用一種新型DC1500V高壓直接供電方案，此方案采用諧振型逆變器與高頻整流器相結合的DC / 高頻AC / DC系統，利用隔離變壓器的漏抗與串聯的電容構成串聯諧振電路，如圖7所示。諧振型逆變器輸出高頻交流電壓，使得變壓器小型輕量化，與快恢復二極管構成橋式整流電路，輸出穩定的DC600V電壓，供給空調壓縮機、冷凝風機及通風機逆變器逆變模塊，如圖8所示。

6.2 緊急通風原理

當出現DC1500V電源意外斷電時，由蓄電池箱提供DC110V緊急電源，通過升壓斬波電路，將蓄電池電壓提升至DC600V，供給空調通風機逆變模塊。緊急通風逆變模塊集成在空調電路中，有效節省了車輛的重量和安裝空間，簡化了車輛緊急通風布線。通過小型輕量化設計，可以有效降低車輛重量。

6.3 直供空調優點

直供空調系統的優點一是采用變頻空調，可有效節能；二是直供空調減少了輸入電源的中間轉換環節，提高了電源的整體使用效率。因中間轉換環節的損耗約占空調總功率的5%左右，此方案可為整車輔助系統顯著節省電能，編組運輸效率高，對于全壽命周期來說具有較好的綜合經濟效益。

7 結論

（1）雙流制車型有效地結合了城市軌道交通車輛與鐵路車輛的優點，解決了市郊鐵路與城市軌道交通共線運行的難題，適應2種供電制式的線路。

（2）牽引變壓器冷卻采用走行風自然風冷卻技術，減少冷卻風機及附屬監測設備，從車輛全壽命周期來說可以節約運營維護成本；自然風冷技術還可以有效降低列車運行過程中產生的噪聲，給乘客提供一個更加舒適的乘車環境。

（3）取消輔助逆變器標志著高壓直供空調技術的成熟，輔助供電技術集成到每個空調單元中，輔助供電系統冗余性更加可靠，減輕車輛重量的同時還可以節約制造成本，使用DC/DC變流器為其他小功率輔助設備供電。