储能式现代有轨电车受电系统的研究与设计

1 概述

2012 年全球头个储能式电力牵引轻轨车辆正式下线， 车辆在牵引工况时依靠自身储能提供动力电能运行， 在电制动工况时储能电源可将再生制动电能吸再

利用。停站时，由地面充电站利用乘客上下客时间通过受电器实现快速充电储能，保证车辆的无网连续运营。受电系统作为储能式轨道交通车辆的重要组成部分，在整个车辆中具有举足轻重的地位。本文将以储能式现代有轨电车为例，详细说明受电系统的设计，重点分析车辆受电系统以及车辆回流系统。

2 车辆受电系统设计

由于车辆进站停车时间短， 为了尽可能利用停站时间为车辆补充电能，特设计了一种常升式受电器（见图1）， 可有效减少列车进站后对受电器的操作时间。正常情况下受电器处于升起状态，当车辆进站时，受电器先与供电轨的导入区接触， 以避免受电器与供电轨的机械冲击。为实现受电器与供电轨的良好匹配，需对两者进行计算分析。

在受电器与供电轨的匹配分析中，主要分析：1）供电轨端部弯头的高度范围，以保障受电器与供电轨不会发生破坏性碰撞；2）供电轨正常受流高度，以保证受电器在受流时不会和供电轨发生脱离；3）供电轨的长度，确保列车进行救援时，列车不会通过供电轨将救援车和被救援车的储能电源短接，避免发生短路。

2.1受电器与供电轨的高度匹配分析

受电器与供电轨的匹配主要受车辆转向架垂向运动*大位移、轨道磨耗、供电轨安装误差、受电器安装误差等方面的影响。供电轨的高度和受电器安装在车辆上的高度息息相关，受电器不同状态的高度如表1所示。

1）供电轨端部弯头高度分析。

在列车运行进站时，由于受电器处于自由位状态，因此就需要供电轨端部导入点稍高于受电器的*大延伸高度。

影响供电轨导入口高度的因素有：AW0工况下转向架一、二的向上动挠度，轨道弹性高度，供电轨向下的安装误差和受电器安装误差等，如表2所示。

由于安装在车顶的受电器*大延伸高度为4065mm，故受电器在AW0工况可上升的*大高度为：4065+36=4101mm。

建议安装供电轨时，留适当裕量（建议考虑9mm），此时要保证受电器不会与供电轨发生碰撞，则供电轨端部弯头导入区下表面的高度为：4101+9=4110mm，如图2所示。

2）供电轨正常受流高度。

进行供电轨正常受流高度计算，是为了保证受电器在受流时不会与供电轨脱离，保证不拉弧。影响的因素有：转向架一、二系向下的*大位移，车轮磨耗，轨道磨耗，供电安装误差等。正常受流高度分析数据如表3所示。除此之外，还需要考虑供电轨存在向上的安装公差5mm，所以其总的位为-88mm。受电器设计的工作范围是100～350mm，而工作的有效行程量为350-100=250mm（远远大于88mm），因此完全能够弥补车辆的向下*大位移。车辆发生向下*大位移时，受电器从*大工作高度下降至4030-88=3942mm，仍能受流。考虑此时为受电器*大工作的临界受流状态，建议将供电轨正常的受流器高度定义为3900mm。

3）电气间隙校核。

在完成供电轨的端部弯头高度计算和正常受流高度计算后，需要对受电器降弓后过供电轨进行高度校核，保证车辆顶部的*高点距离供电轨有足够的电气

间隙。

由于车辆*高屏柜的高度为3720mm，当车辆发生向上26mm的位移时，车辆*高点到达的高度为3746mm，与供电轨正常受流区高度3900mm相差

154mm，不会发生碰撞，也有足够的电气间隙（根据EN50124-1，对于DC1000V系统，电气间隙为30mm）。因此供电轨的设计高度满足要求。

2.2供电轨长度分析

当进行救援时，每列车储能电源的电压不一致，两列车储能电源之间存在压差。因为受电器处于常升状态，如果两列车的受电器同时和供电连接，则相当

于将两列车上的储能电源进行短接，将损坏供电系统和车辆设备。因此只有供电轨长度小于两列车连挂后两个受电器之间的距离，才能从根源上避免短路现象发生。两列车同向救援连挂如图3所示，两个受电器之间的距离约37m。

同时也存在车辆反向连挂， 图4为Mc1端反向救援连挂，此时两个受电器之间的距离约为32.4m，图5

通过以上分析可知，当受电器以不同方式连挂时，其*小的间距约为32.4m，如果供电轨长度小于此值，就可以避免短接，建议供电轨长度取30m为宜。

2.3 车辆回流轨长度的分析

由于车辆进站后才进行充电， 充电时通过受电器与供电轨正极接触，其负极仍通过转向架，经过车站区走行轨进行回流， 因此需要对单列车运行及列车救援时的回流轨长度进行分析。 由于储能式现代有轨电车在车辆运行过程中无需通过轨道进行回流， 仅仅是在车站充电区域需要进行回流， 因此回流轨是与充电系统的负极进行相连，这样可以减少全线回流轨的长度，降低项目建设成本。

1）单列车运行时回流轨长度分析。

当列车进站时，受电器刚接触到供电轨时，供电轨的电压和车辆储能电源电压一致， 充电站检测到供电轨有电压后，表明车辆已经开始进站，于是对储能电源进行充电。因单个转向架的回流能力有限，故需要所有转向架参与回流。受电器距离*右侧转向架车轮（Mc2模块转向架）的距离为16.4m，距离*左侧转向架的车轮（Mc1 模块转向架）的距离为11.8m。当车辆Mc1端朝前行驶，受电器刚接触供电轨时，回流轨比供电轨应延长16.4m， 才能保证*远端的转向架参与回流。同理，另外一边也应该延长此长度。因为Mc2端反向救援连挂，此时两个受电器之间的距离约为41.5m。

此仅考虑单列车运行，回流轨的长度应为30+16.4×2=62.8 m。

2）列车救援时回流轨长度分析。

当列车按图5反向救援连挂时， 如果回流轨道过短，则当救援车进行充电时，被救援车就会将回流区段与未做回流及绝缘处理的其他轨道通过车辆回流电路短接，可能对人员和设备造成潜在危害。因此回流轨的总长度要求为30+53.3×2=136.6m。两端适当留有裕量，整条回流轨道长度取140m。

3 结束语

本文对储能式现代有轻电车受电系统进行了总体介绍， 对受电器与供电轨的匹配关系以及回流轨长度进行了详细分析。目前分析方法已经运用到广州、淮安和宁波新型有轨电车试验段的受电系统设计中， 其性能已在实际运营得到考核。