珠海有軌電車1號線地面供電模塊技術(shù)與實現(xiàn)*

高洪光，張立臣，李雪莉，陳廣泰，張坤

（1 中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022；2 中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116022；3 珠海公交軌道交通有限公司，廣東 珠海 519075）

珠海1號線有軌電車采用了地面供電方式［1］，在有軌電車線路中間安裝了供電模組，替代了傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)，起到了美化景觀作用。在投入使用初期供電模塊短路燒損嚴重，經(jīng)中車技術(shù)專家團隊技術(shù)研究和改進，實現(xiàn)了間歇式供電方式的安全運用。

1 供電模塊設(shè)計目標

地面供電模塊為有軌電車供電，滿足車輛設(shè)計最高運行速度70 km/h。供電模塊標準長度：5、3、2 m，采用連續(xù)鋪設(shè)方式，無電區(qū)采用車載儲能牽引。滿足如下技術(shù)指標要求：

供電模塊安裝后強度：滿足重型貨車在供電模塊線路上碾壓，貨車前軸6.3 t，后軸12.65 t。

2 供電模塊設(shè)計指標

地面供電系統(tǒng)采用供電模塊通過受電靴為有軌電車供電，當車輛受電靴進入模塊時模塊輸出，離開后安全電路實現(xiàn)接地。供電模組包括地面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（玻璃鋼導槽）、地面供電模塊、負極回流裝置、正極電纜、安全負極電纜等部分。由車輛受電靴磁力作用實現(xiàn)供電，如圖1所示。

圖1 地面供電系統(tǒng)模組與受電靴磁體

2.1 供電模塊

供電模塊采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)供電開關(guān)及磁性材料鋼帶，與車輛受電靴配合實現(xiàn)供電輸出。供電模塊為整體密封箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)安全負極，正負供電插接頭分別與正極和安全負極電纜相連［2］。車輛負極電流不經(jīng)過模塊。供電模塊具有進水診斷、磁性鋼帶的位置診斷功能。磁性鋼帶和導電觸指上下移動，模塊表面鋼板與電源正極或安全負極相連，實現(xiàn)模塊鋼板正極輸出或與安全負極相連，如圖2所示。

圖2 地面供電模塊結(jié)構(gòu)及對外連接

2.2 受電靴

受電靴采用了磁性材料，完成對模塊內(nèi)導磁鋼帶的吸起。受電靴結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 受電靴底部視圖

內(nèi)部磁鐵的布置，實現(xiàn)受電靴電刷給地面接觸鋼板的壓力為450 N。受電靴電刷為錫青銅材質(zhì)，設(shè)計使用壽命為7 000～9 000 km，需定期檢查和更換。永久磁鐵包覆于底座工程尼龍靴體與磁鐵蓋板之間，由28塊永久磁鐵組成5塊長短磁鐵組。中央工字型長短磁鐵為同一極性，遠端兩邊短磁鐵為相反磁性。永磁體型號：Vacodym510 HR，單體尺寸：30 mm×30 mm×60 mm。受電靴的主要機械參數(shù)：

底座長度：850 mm

底座寬度：370 mm

垂直磁吸力：350～400 N

考慮車輛運行中受電靴的重力、磁力較大，造成磁鐵蓋板磨耗，在負極電刷的前后設(shè)計了滾動輪。滾動輪在線路的負極導電鋼板上滾動，將靴體托起使得磁鐵蓋板與供電模塊表面鋼板保持間隙。

3 供電模塊安全設(shè)計

為防止模塊內(nèi)部短路和燒損，對受電靴磁力、車輛運行時因受電靴磁場力引起模塊內(nèi)部振動等進行了分析。研究結(jié)果表明，模塊燒損與安全負極和模塊內(nèi)正極導電觸指的設(shè)計有關(guān)。

3.1 負極回流與安全接地

區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計，有軌電車供電電路負極不采用鋼軌回流，而是經(jīng)模組兩邊的負極鋼板連接負極回流銅排，再經(jīng)負極母線直接與供電變電所相連，車輛負極電流不經(jīng)過供電模塊。

為了實現(xiàn)供電安全，模塊內(nèi)設(shè)安全負極母排，通過模塊內(nèi)部供電極性轉(zhuǎn)換C型導電槽與模塊表面相連，母排的另一端與安裝在模塊下方的導槽內(nèi)安全負極母線相連，使供電模塊不供電時與變電所負極直接相連。這種設(shè)計可使負極回流直接回變電所而不經(jīng)鋼軌，從而減少了雜散電流［3］，鋼軌不需要進行絕緣防護；另一方面，安全負極接地電路保證了供電安全。

模塊工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，供電狀態(tài)模塊內(nèi)部導電片將正極母排與輸出鋼板相連，此狀態(tài)下安全負極連接銅板提前與安全負極母排斷開。

圖4 供電模塊工作狀態(tài)

在磁性鋼帶落地狀態(tài)下，安全接地連接銅板連接負極母排和C型導電槽，保證供電鋼板在非工作狀態(tài)下始終處于接地。盡管模塊設(shè)計了工作狀態(tài)指示開關(guān)，通過導電觸指位置檢測開關(guān)動、靜觸頭的閉合與斷開，實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的檢測報警，但起不到保護作用。

3.2 磁場力與振動仿真研究

（1）磁場力的仿真

針對供電模塊和受電靴磁場建立了仿真模型，進行了受電靴落下狀態(tài)下，塊內(nèi)部磁性鋼帶在“落下”和“抬起”2個狀態(tài)的仿真計算。磁場分布如圖5所示。

圖5 受電靴磁場與模塊內(nèi)導磁鋼帶磁場作用

分析結(jié)果：在車輛靜止狀態(tài)下，模塊在安全接地時，導磁鋼帶受到磁場力為74.8 N，大于鋼帶自身重力25 N，鋼帶能夠被吸起。當鋼帶達到模塊供電位置時，受電靴對鋼帶的磁場力為200 N，滿足模塊供電導電銅片抬起后的接觸壓力，實現(xiàn)供電。不會由于磁場力不足造成模塊正極觸指粘連燒損。

（2）模塊內(nèi)鋼帶振動仿真

按照車輛不同速度運行，進行了模塊內(nèi)導磁鋼帶垂向位移仿真分析，不同速度下振動位移曲線不同。速度10 km/h時各區(qū)段z軸的位移如圖6所示。

圖6 模塊內(nèi)部柔性接觸帶z軸位移曲線

仿真結(jié)果，模塊內(nèi)磁性鋼帶存在振動，受電靴低速10 km/h以上運行到模塊端部時更為明顯。

3.3 模塊內(nèi)供電電路分析

模塊內(nèi)安裝了多個極性轉(zhuǎn)換導電槽實現(xiàn)供電輸出或安全接地。當極性轉(zhuǎn)換導電槽經(jīng)正極導電觸指連接正極母排時模塊供電；當極性轉(zhuǎn)換導電槽通過安全負極連接銅板與安全負極母排連接時模塊安全接地。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)短路與供電模塊內(nèi)正極導電片均勻分布方式有關(guān)，其短路的機理如圖7所示。圖中，DJ為模塊內(nèi)單元接地開關(guān)。

圖7 模塊內(nèi)短路機理

在受電靴移動過程中，5 m模塊內(nèi)11個安全接地開關(guān)DJ1～DJ11動作，極性轉(zhuǎn)換導電槽與正極導電觸指實現(xiàn)供電轉(zhuǎn)換。當圖7中件號4正極導電觸指由于導磁鋼帶的振動引起的導電槽B與A連接帶電，將與處于接地狀態(tài)的接地開關(guān)DJ4形成短路。

3.4 供電子單元設(shè)計

為了防止短路現(xiàn)象的發(fā)生，對模塊內(nèi)部進行了改進設(shè)計。導電觸指的安裝，將每個供電模塊拆分為多個供電子單元，每個子單元A或B的正、負極觸指獨立，實現(xiàn)模塊供電和接地的獨立作用，如圖8所示。

圖8 正極導電觸指按多個供電單元不均勻排布

改進后車輛受電靴受流原理如圖9所示。在受電靴導電銅條移動時，將形成各子單元之間以A-AB-B-BA-A的無限循環(huán)方式，既可以防止內(nèi)短路，又可實現(xiàn)分段連續(xù)供電。

圖9 中車技術(shù)改進后模塊子單元結(jié)構(gòu)及供電原理原理

4 試驗與應用

進行了區(qū)間運行試驗，取得了良好的試驗效果。2017年，實現(xiàn)了珠海1號線的開通運行。截止收稿時，已安全運行1 113 d，6列車5節(jié)編組，累計運行135萬km，經(jīng)歷了臺風、暴雨的考核，經(jīng)歷了路口大車的碾壓。

5 結(jié)束語

珠海有軌電車1號線地面供電模塊采用機械式開關(guān)原理可行，在我國實現(xiàn)了磁力重力式地面供電方式的應用，系統(tǒng)安全性得到了驗證，為開展有軌電車地面供電技術(shù)研究提供了借鑒。