DC3000V供電制式下市域B型車車輛設計探討

李靚娟

（廣州軌道交通檢驗檢測認證有限公司，廣東 廣州 510000）

目前我國的軌道交通主要以牽引供電制式為AC25kV的鐵路及DC1500V供電制式的地鐵為主。AC25kV供電制式適用于運量大、負荷大、速度高、運輸距離長的鐵路線路，采用該制式可以減少牽引變電所及城市電源引入數量，節約供電系統投資。但由于電壓等級高，絕緣距離要求較大，在地下區段對隧道斷面要求高，土建投資較大。DC1500V供電制適用于列車功率不大、供電半徑小、行車密度高、啟動頻繁的地鐵工程。由于電壓等級低、絕緣距離相對較小，因此土建投資較小，因此地鐵大多采用此供電方式。

從牽引供電角度，針對站間距大、速度快、容量大的地鐵線路，DC1500 V供電制式存在前期投入高，后期運營維護難等問題，而DC3000V牽引供電制式作為一項全新的技術，在經濟效益、能耗各方面較DC1500V供電方式具有一定的優勢，國內學者也對該項技術進行了研發研究，其應用在技術上是可行的。DC3000V在國際上是一種成熟的供電制式，在前蘇聯以及歐洲地區的一些國家干線電氣化鐵路有采用DC3000V供電的線路，但我國城市軌道交通尚無DC3000V供電制式的應用。文章從車輛限界、系統設計及車輛成本三個方面，以4動2拖6編組市域B型車地鐵車輛為例，對采用DC3000V供電制式進行適應性設計帶來的影響進行了分析探討，為DC3000V供電制式的選用提供參考。

1 車輛牽引/輔助系統分析

目前國內外DC3000V供電制式牽引/輔助系統的方案主要有DC/DC及直接逆變兩個方案可供選擇。

（1）DC/DC方案：如圖1所示，采用直流斬波降壓方式先將網側電壓DC3000V降為DC1500V，作為牽引及輔助系統的直流輸入電壓，交流逆變電路、電氣元件及設備仍維持原DC1500V方案。該方案優點為：電路在DC1500V基礎上無須進行重大變更，除增加直流斬波器外，設計及選型均不用做調整。缺點為：效率低，且對于4動兩拖六編組列車來說每列車須增加4個直流變壓器，成本及重量均有所上升，其中重量增加在動車上。

圖1 DC-DC方案拓撲電路

（2）直接逆變方案：如圖2所示，直接采用額定工作電壓為DC3000V的牽引/輔助逆變器。該方案保留了成熟牽引輔助系統主電路設計，除元器件選型須針對DC3000V的電壓制式進行重新校核外，可無須進行其他調整。采用該方案，列車技術上能實現在DC1500V接觸網供電線路上降功率限速運行，因此，車輛可能實現在DC3000V及DC1500V兩種供電制式車輛段內利用自身動力轉軌及入庫。

圖2 直接逆變方案電路

根據EN 50163：2004標準4.1條，DC3000V牽引供電電壓范圍為DC2000～DC3600V，再生制動時，最高非持續電壓可達DC3900V。

根據圖3牽引供電電壓，DC3000V供電制式與DC1500V供電制式的牽引、輔助系統的工作電壓對比如表1。

表1 DC3000V供電制式與DC1500V供電制式的牽引、輔助系統的工作電壓對比

圖3 標稱電壓及其容許限值和持續時間

2 主要部件選型分析

由于牽引供電電壓等級提高，對牽引和輔助系統主要部件的耐壓等級的要求提高，因此較DC1500V供電制式車輛，DC3000V牽引供電的牽引和輔助系統主要部件須重新設計、選型。具體詳見表2。

表2 牽引和輔助系統主要部件變化

3 車輛限界分析

電壓等級由DC1500V提高至DC3000V，車輛尺寸在長度和寬度方向無明顯差異，高度方向上空調、排氣口等高度無明顯差異，僅在受電弓高度位置有變化。

根據GB/T 32578-2016 《軌道交通 地面裝置 電力牽引架空接觸網》的要求，標稱電壓為DC3000V的網壓，接觸網帶電體對地的電氣絕緣間隙最小值，靜態要求150 mm，動態要求50 mm。

接觸網的高度應根據受電弓工作范圍進行相應的調整，至少滿足最小工作高度要求： 根據IEC60494-2，受電弓在最小及最大工作高度之間范圍時，弓網接觸壓力并非處于最佳狀態。另外，需考慮一個受電弓故障不升弓，僅升一個受電弓的情況，且DC3000V電氣間隙要大于DC1500V。據GB/T 375 32-2019 DC1500V市域B型車受電弓工作高度為4 200～5 500 mm，在此車輛平臺不變的基礎上，建議的DC3000V供電制式接觸網高度至少為4 200+95=4 295 mm。（95 mm為受電弓最佳工作高度調整經驗值）。

以接觸網最小高度為4 295，核算車頂其他部位的電氣間隙均大于280 mm。(取除受電弓區域外最高部位的高度，GB/T 37532-2019 DC1500V市域B型車車輛總高的尺寸要求為≤3 925 mm，其與接觸網的最小電氣間隙為4 295-3 925=370 mm)。

4 車輛成本分析

（1）初期采購成本：車輛牽引供電電壓等級的變化，主要引起牽引系統及輔助系統成本的變化。其他系統的成本相對于DC1500V供電車輛無明顯變化。

（2）備品備件購置成本：由于DC3000V供電制式在目前國內城市軌道交通行業未有應用，車輛牽引/輔助設備需要重新研發、試驗，牽引設備的部分關鍵零部件如高速斷路器、接觸器和IGBT元件及驅動等需要國外進口，在DC3000V供電制式未在國內市場推廣應用前，備品備件的采購可能面臨價格較高、來源單一的情況，按牽引系統采購成本增加的情況看，后期部分備品備件的采購成本也會比采用DC1500V增加。

（3）后期運營維護人力成本：采用DC3000V直接逆變方案，系統基本配置與DC1500V方案相似，少部分器件如高速斷路器、接觸器和IGBT元件及驅動等，由于電壓等級不同選型與DC1500V方案不同，其他基本相同，因此運營維護方面兩種制式相似。

5 結語

從車輛系統部件、限界、重量等各方面考慮，目前國內車型標準要求下的車輛，采用DC3000V供電制式下進行適應設計，在技術上具有可行性。通過上述分析采用DC3000V供電制式對車輛牽引/輔助系統、車輛限界和車輛成本的影響可知，在牽引/輔助系統方面，采用DC3000V供電制式，與DC1500V相比，由于絕緣、耐壓等級的變化，車輛牽引、輔助系統主要部件須重新設計和選型。在車輛限界方面，供電等級由DC1500V提高至DC3000V，車輛尺寸在長度和寬度方向無明顯差異。由于電壓等級提高，最小電氣間隙增加，受電弓絕緣子高度增加，受電弓高度相應變化。由于未在國內推廣應用，后期部分備品備件的采購可能面臨成本高、來源單一的情況。