1 概述

2012 年全球頭個(gè)儲(chǔ)能式電力牽引輕軌車輛正式下線， 車輛在牽引工況時(shí)依靠自身儲(chǔ)能提供動(dòng)力電能運(yùn)行， 在電制動(dòng)工況時(shí)儲(chǔ)能電源可將再生制動(dòng)電能吸再

利用。停站時(shí)，由地面充電站利用乘客上下客時(shí)間通過(guò)受電器實(shí)現(xiàn)快速充電儲(chǔ)能，保證車輛的無(wú)網(wǎng)連續(xù)運(yùn)營(yíng)。受電系統(tǒng)作為儲(chǔ)能式軌道交通車輛的重要組成部分，在整個(gè)車輛中具有舉足輕重的地位。本文將以儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車為例，詳細(xì)說(shuō)明受電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析車輛受電系統(tǒng)以及車輛回流系統(tǒng)。

2 車輛受電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于車輛進(jìn)站停車時(shí)間短， 為了盡可能利用停站時(shí)間為車輛補(bǔ)充電能，特設(shè)計(jì)了一種常升式受電器（見(jiàn)圖1）， 可有效減少列車進(jìn)站后對(duì)受電器的操作時(shí)間。正常情況下受電器處于升起狀態(tài)，當(dāng)車輛進(jìn)站時(shí)，受電器先與供電軌的導(dǎo)入?yún)^(qū)接觸， 以避免受電器與供電軌的機(jī)械沖擊。為實(shí)現(xiàn)受電器與供電軌的良好匹配，需對(duì)兩者進(jìn)行計(jì)算分析。

在受電器與供電軌的匹配分析中，主要分析：1）供電軌端部彎頭的高度范圍，以保障受電器與供電軌不會(huì)發(fā)生破壞性碰撞；2）供電軌正常受流高度，以保證受電器在受流時(shí)不會(huì)和供電軌發(fā)生脫離；3）供電軌的長(zhǎng)度，確保列車進(jìn)行救援時(shí)，列車不會(huì)通過(guò)供電軌將救援車和被救援車的儲(chǔ)能電源短接，避免發(fā)生短路。

2.1受電器與供電軌的高度匹配分析

受電器與供電軌的匹配主要受車輛轉(zhuǎn)向架垂向運(yùn)動(dòng)*大位移、軌道磨耗、供電軌安裝誤差、受電器安裝誤差等方面的影響。供電軌的高度和受電器安裝在車輛上的高度息息相關(guān)，受電器不同狀態(tài)的高度如表1所示。

1）供電軌端部彎頭高度分析。

在列車運(yùn)行進(jìn)站時(shí)，由于受電器處于自由位狀態(tài)，因此就需要供電軌端部導(dǎo)入點(diǎn)稍高于受電器的*大延伸高度。

影響供電軌導(dǎo)入口高度的因素有：AW0工況下轉(zhuǎn)向架一、二的向上動(dòng)撓度，軌道彈性高度，供電軌向下的安裝誤差和受電器安裝誤差等，如表2所示。

由于安裝在車頂?shù)氖茈娖?大延伸高度為4065mm，故受電器在AW0工況可上升的*大高度為：4065+36=4101mm。

建議安裝供電軌時(shí)，留適當(dāng)裕量（建議考慮9mm），此時(shí)要保證受電器不會(huì)與供電軌發(fā)生碰撞，則供電軌端部彎頭導(dǎo)入?yún)^(qū)下表面的高度為：4101+9=4110mm，如圖2所示。

2）供電軌正常受流高度。

進(jìn)行供電軌正常受流高度計(jì)算，是為了保證受電器在受流時(shí)不會(huì)與供電軌脫離，保證不拉弧。影響的因素有：轉(zhuǎn)向架一、二系向下的*大位移，車輪磨耗，軌道磨耗，供電安裝誤差等。正常受流高度分析數(shù)據(jù)如表3所示。除此之外，還需要考慮供電軌存在向上的安裝公差5mm，所以其總的位為-88mm。受電器設(shè)計(jì)的工作范圍是100～350mm，而工作的有效行程量為350-100=250mm（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于88mm），因此完全能夠彌補(bǔ)車輛的向下*大位移。車輛發(fā)生向下*大位移時(shí)，受電器從*大工作高度下降至4030-88=3942mm，仍能受流。考慮此時(shí)為受電器*大工作的臨界受流狀態(tài)，建議將供電軌正常的受流器高度定義為3900mm。

3）電氣間隙校核。

在完成供電軌的端部彎頭高度計(jì)算和正常受流高度計(jì)算后，需要對(duì)受電器降弓后過(guò)供電軌進(jìn)行高度校核，保證車輛頂部的*高點(diǎn)距離供電軌有足夠的電氣

間隙。

由于車輛*高屏柜的高度為3720mm，當(dāng)車輛發(fā)生向上26mm的位移時(shí)，車輛*高點(diǎn)到達(dá)的高度為3746mm，與供電軌正常受流區(qū)高度3900mm相差

154mm，不會(huì)發(fā)生碰撞，也有足夠的電氣間隙（根據(jù)EN50124-1，對(duì)于DC1000V系統(tǒng)，電氣間隙為30mm）。因此供電軌的設(shè)計(jì)高度滿足要求。

2.2供電軌長(zhǎng)度分析

當(dāng)進(jìn)行救援時(shí)，每列車儲(chǔ)能電源的電壓不一致，兩列車儲(chǔ)能電源之間存在壓差。因?yàn)槭茈娖魈幱诔Ｉ隣顟B(tài)，如果兩列車的受電器同時(shí)和供電連接，則相當(dāng)

于將兩列車上的儲(chǔ)能電源進(jìn)行短接，將損壞供電系統(tǒng)和車輛設(shè)備。因此只有供電軌長(zhǎng)度小于兩列車連掛后兩個(gè)受電器之間的距離，才能從根源上避免短路現(xiàn)象發(fā)生。兩列車同向救援連掛如圖3所示，兩個(gè)受電器之間的距離約37m。

同時(shí)也存在車輛反向連掛， 圖4為Mc1端反向救援連掛，此時(shí)兩個(gè)受電器之間的距離約為32.4m，圖5

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)受電器以不同方式連掛時(shí)，其*小的間距約為32.4m，如果供電軌長(zhǎng)度小于此值，就可以避免短接，建議供電軌長(zhǎng)度取30m為宜。

2.3 車輛回流軌長(zhǎng)度的分析

由于車輛進(jìn)站后才進(jìn)行充電， 充電時(shí)通過(guò)受電器與供電軌正極接觸，其負(fù)極仍通過(guò)轉(zhuǎn)向架，經(jīng)過(guò)車站區(qū)走行軌進(jìn)行回流， 因此需要對(duì)單列車運(yùn)行及列車救援時(shí)的回流軌長(zhǎng)度進(jìn)行分析。 由于儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車在車輛運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需通過(guò)軌道進(jìn)行回流， 僅僅是在車站充電區(qū)域需要進(jìn)行回流， 因此回流軌是與充電系統(tǒng)的負(fù)極進(jìn)行相連，這樣可以減少全線回流軌的長(zhǎng)度，降低項(xiàng)目建設(shè)成本。

1）單列車運(yùn)行時(shí)回流軌長(zhǎng)度分析。

當(dāng)列車進(jìn)站時(shí)，受電器剛接觸到供電軌時(shí)，供電軌的電壓和車輛儲(chǔ)能電源電壓一致， 充電站檢測(cè)到供電軌有電壓后，表明車輛已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)站，于是對(duì)儲(chǔ)能電源進(jìn)行充電。因單個(gè)轉(zhuǎn)向架的回流能力有限，故需要所有轉(zhuǎn)向架參與回流。受電器距離*右側(cè)轉(zhuǎn)向架車輪（Mc2模塊轉(zhuǎn)向架）的距離為16.4m，距離*左側(cè)轉(zhuǎn)向架的車輪（Mc1 模塊轉(zhuǎn)向架）的距離為11.8m。當(dāng)車輛Mc1端朝前行駛，受電器剛接觸供電軌時(shí)，回流軌比供電軌應(yīng)延長(zhǎng)16.4m， 才能保證*遠(yuǎn)端的轉(zhuǎn)向架參與回流。同理，另外一邊也應(yīng)該延長(zhǎng)此長(zhǎng)度。因?yàn)镸c2端反向救援連掛，此時(shí)兩個(gè)受電器之間的距離約為41.5m。

此僅考慮單列車運(yùn)行，回流軌的長(zhǎng)度應(yīng)為30+16.4×2=62.8 m。

2）列車救援時(shí)回流軌長(zhǎng)度分析。

當(dāng)列車按圖5反向救援連掛時(shí)， 如果回流軌道過(guò)短，則當(dāng)救援車進(jìn)行充電時(shí)，被救援車就會(huì)將回流區(qū)段與未做回流及絕緣處理的其他軌道通過(guò)車輛回流電路短接，可能對(duì)人員和設(shè)備造成潛在危害。因此回流軌的總長(zhǎng)度要求為30+53.3×2=136.6m。兩端適當(dāng)留有裕量，整條回流軌道長(zhǎng)度取140m。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)儲(chǔ)能式現(xiàn)代有輕電車受電系統(tǒng)進(jìn)行了總體介紹， 對(duì)受電器與供電軌的匹配關(guān)系以及回流軌長(zhǎng)度進(jìn)行了詳細(xì)分析。目前分析方法已經(jīng)運(yùn)用到廣州、淮安和寧波新型有軌電車試驗(yàn)段的受電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 其性能已在實(shí)際運(yùn)營(yíng)得到考核。