臧玉軍， 王樂民， 周 昌

(中車大連機車車輛有限公司， 遼寧大連 116022)

傳統(tǒng)城市軌道交通系統(tǒng)除了需要大量的土地來修建軌道外，還需要大量空間來建設(shè)架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)。這樣不僅會給城市交通帶來一定的安全隱患，還在一定程度上造成了城市景觀的“視覺污染”[1]。隨著城市的發(fā)展，為進一步體現(xiàn)與城市景觀的融合，現(xiàn)代有軌電車的供電方式逐步由架空接觸網(wǎng)向無接觸網(wǎng)發(fā)展。無接觸網(wǎng)供電方案可以有效避免架空接觸網(wǎng)可能出現(xiàn)的電擊或者掛落等安全隱患，還能將有軌電車靚麗的外觀融入到城市道路景觀中，打造一道美麗的動態(tài)城市風景線。

珠海現(xiàn)代有軌電車1號線(如圖1所示)的開通運行使珠海成為世界首個將使用地面供電系統(tǒng)的有軌電車投入商業(yè)運營的城市，對緩解城市交通、美化城市環(huán)境發(fā)揮了重要作用。

珠?，F(xiàn)代有軌電車1號線采用100%低地板設(shè)計，方便乘客上下車。鋼輪鋼軌，平穩(wěn)舒適。5節(jié)編組，模塊化設(shè)計。車長32 m，寬2.65 m，高3.6 m。車輛座位66個，滿載定員276人。電動塞拉門，每側(cè)5個車門，3個雙開門及2個單開門。車輛兩端均設(shè)有駕駛室，雙向運行，最高運行速度70 km/h。

圖1 珠海有軌電車實景照片

1 地面供電系統(tǒng)

珠海有軌電車地面供電系統(tǒng)為750 V直流供電，設(shè)計速度75 km/h，實際最高運營速度70 km/h。

1.1 地面供電系統(tǒng)主要電氣參數(shù)

額定電壓： DC 750 V

電壓波動范圍： DC 500～900 V

最大瞬態(tài)電壓： DC 3 500 V

線路阻抗： 90 mΩ/km

線路額定電流： 2 000 A (持續(xù))

5 000 A (1 h)

地面受流器額定電流 1 000 A (5 km/h 持續(xù))

(單個集電靴)： 200 A (靜止，持續(xù))

800 A (30 s，靜止)

作為與地面供電相對應(yīng)的車載受流系統(tǒng)，其主要包括集電靴，液壓控制箱，超級電容，保護裝置等部分，來完成有地面供電系統(tǒng)提供的電傳輸?shù)秸嚨墓δ?。車載受流器前端配備有排障器，能夠清除大部分障礙物。同時配備有護蓋(遮蓋板)，當受流器收起不用時，護蓋閉合，能夠起到保護作用。

1.2 地面供電系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

地面供電系統(tǒng)與架空接觸網(wǎng)供電方式相比，地面供電系統(tǒng)不用高空作業(yè)，且采用了模塊化設(shè)計和生產(chǎn)，安裝和維護快捷方便。對于有故障的供電模塊，4個工人在0.5 h內(nèi)即可更換完畢。

地面供電系統(tǒng)避免了架空接觸網(wǎng)建設(shè)，從而不受空間限制，車輛可在隧道或既有橋梁下通過；避免破壞城市景觀環(huán)境、樹木建筑等的破壞，創(chuàng)造了和諧美好的城市環(huán)境，同時有利于城市規(guī)劃和布局。

2 集電靴

2.1 集電靴相關(guān)參數(shù)

(1)集電靴的主要電氣參數(shù)

額定電壓：DC 750 V

電壓范圍： DC 500～900 V

額定電流(裝配一個受流靴) ：

800 A，連續(xù)，最低5 km/h

200 A，連續(xù)，靜止

集電靴的設(shè)計容量為1 000 A。

(2)集電靴的主要機械參數(shù)

集電靴支架長度 585 mm

集電靴支架寬度 500 mm

底座長度 850 mm

底座寬度 370 mm

集電靴支架質(zhì)量 50 kg

底座質(zhì)量 34 kg

垂直磁吸力 350～400 N

抬靴 <3 s

降靴 <3 s

降靴(含開蓋時間) <11 s

打開護蓋時間 <8 s

關(guān)閉護蓋時間 <8 s

升排障器時間 <3 s

降排障器時間 <3 s

(3)車輛空載、新輪時，護蓋關(guān)閉狀態(tài)下距離軌面高度為80 mm；車輛懸掛損壞、舊輪情況下，護蓋關(guān)閉狀態(tài)下距離軌面的最小高度為30 mm。

(4)集電靴電刷給地面接觸鋼板的壓力為450 N，壓強為3 333 Pa。

2.2 主要功能

集電靴安裝于車輛兩端轉(zhuǎn)向架,與地面供電模塊正負極鋼板接觸導入電源供車輛運作。集電靴由支架、排障器、護蓋與底座組成; 底座由正負極電刷、強力磁鐵、導電桿與底座容器組成(見圖2)。蓋板、排障器與支架分別以液壓缸操作,設(shè)計理念采用無故障設(shè)計(Fail-Safe-Design)即無法動作或故障就恢復原狀(收起狀態(tài))。

2.3 集電靴的結(jié)構(gòu)原理

磁性集電靴底座是地面供電模塊和有軌電車受流器之間物理接觸的地方，置于車輛轉(zhuǎn)向架下，位于受流器最底部，通過其中永磁體的應(yīng)用將地面供電模塊當中的柔性接觸帶吸引上來，使柔性接觸帶連接電源正極，同時連接正極鋼板通過C型板將電流傳輸?shù)郊娧ド厦妫瑥亩_到為整車提供電能的作用。

其功能是：永磁體產(chǎn)生磁場，向上吸起柔性接觸帶使地面供電模塊的正極板通電，同時集電靴與地面供電相應(yīng)模塊區(qū)段接觸，負極電刷連接地面供電模塊兩邊的負極，形成回路，為車輛供電。磁性集電靴底座采用銅合金材料，與地面供電系統(tǒng)接觸時需要足夠的壓力，因此存在一定的磨損問題，需要定期更換新的電刷。集電靴如圖3(a)、3(b)所示。

圖2 集電靴示意圖及安裝位置

圖3 集電靴示意圖及實物圖

3 集電靴磁場分析

珠海1號線有軌電車采用的TramWave[2]是由無架空線供電系統(tǒng)技術(shù)的領(lǐng)先者意大利AnsaldoSTS研發(fā)的有軌電車地面供電系統(tǒng)。TramWave技術(shù)的核心在于轉(zhuǎn)向架集電靴的設(shè)計(集電靴如圖4(A)所示)。集電靴上安裝了多個矩形永磁體，如圖4(B)所示。當轉(zhuǎn)向架進入?yún)^(qū)段上方位置時，擋板打開，集電靴落下，其中位于兩側(cè)的磁體起到矯正位置的作用，使集電靴正好落到區(qū)段的正上方，中心區(qū)域磁體的磁場使區(qū)段內(nèi)的彈性磁性鋼帶(與柔性供電帶相連)吸起，使其與正極觸點接觸，給有軌電車供電，稱之為激活狀態(tài)。當有軌電車駛離區(qū)段區(qū)域，彈性磁條失去吸力的作用，在重力作用下落回初始狀態(tài)，與安全負極觸點連接，供電系統(tǒng)處于未激活狀態(tài)，此時汽車、行人均可安全通過該區(qū)域[3]。

圖4 集電靴及永磁體

3.1 現(xiàn)有集電靴永磁系統(tǒng)的仿真、模擬研究

根據(jù)現(xiàn)有磁體分布和性能，做了初步的仿真模擬計算，建立了仿真模型，編制了模擬計算程序[4]，主要結(jié)果如下：

(1)磁體空間磁場分析

由于多個磁體的磁場交互作用，在磁體周圍分布情況比較復雜，因此我們首先對磁體靜態(tài)存在時的磁場的空間分布進行了仿真模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以明顯看到磁場在磁體周邊分布的情況。按現(xiàn)有設(shè)計，磁體在其周邊產(chǎn)生了較均勻的磁場，在紅色橢圓標記位置形成了一個長方體磁場云，磁場云的強度由磁體表面向外迅速衰減，在磁體表面磁場強度達到5～6 kGs，而在距表面75 mm后磁場為零。

圖5 磁體在非磁性板上的磁場分析

(2)磁體進入供電區(qū)段后的磁場分析

集電靴進入供電區(qū)段，在其正下方的磁性鋼帶會導致整個磁場的空間分布產(chǎn)生變化。磁性鋼帶是良好的導磁體，會把磁力線拽到鋼帶上，因此在鋼帶和磁體之間的磁場會明顯加強。根據(jù)永磁體區(qū)域尺寸建立一個鋼帶模型(360×120×5) mm，將該模型加入磁場中，重新對磁體磁場分布做仿真模擬。集電靴將鋼帶吸起后處于工作狀態(tài)(距離磁體表面30 mm處)的結(jié)果如圖6所示。此時磁體對磁性鋼帶的吸引力達到了240 N(鋼帶尺寸為仿真值)。

對磁體處于不同位置的鋼帶吸引力進行了計算得到結(jié)果如圖7所示。磁體到達供電區(qū)段初始狀態(tài)，磁性鋼帶距離磁體表面約60 mm，鋼帶吸引上來進入工作狀態(tài)后距磁體表面約30 mm。這兩個狀態(tài)鋼帶受到磁體的吸引力有很大差別，在60 mm時吸引力大約70 N，而30 mm時吸引力大幅度增加，約240 N。

圖6 磁性鋼帶距離磁體表面30 mm處后永磁系統(tǒng)的磁場分布

圖7 磁性鋼帶受到的吸引力和與磁體表面距離的關(guān)系

通過分析得出，現(xiàn)有永磁系統(tǒng)只需要70 N的力就可以將鋼帶保持在工作狀態(tài)，而多出來的170 N是為了在60 mm的遠距離將鋼帶吸引起來。

由此可以發(fā)現(xiàn)既有永磁結(jié)構(gòu)存在的弊端：①為了使磁性鋼帶在較遠的距離被吸引上來，必須使用磁性較強、體積較大的磁體；當鋼帶被吸引上來后，磁體與鋼帶之間距離變小，在正常工作狀態(tài)，吸引力過大，容易造成不必要的磨損；②永磁體在工作過程中，會吸引大量的地面磁性雜物，這些雜物吸附在磁體下面的包覆層上很難清理。如果有較大雜物吸附，會導致?lián)醢蹇ㄗ?，無法回復。

3.2 磁場優(yōu)化方案

針對上述運用中存在的問題，擬對既有集電靴的磁場結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

(1)在永磁體外加上電磁線圈，通入正向電流時，線圈產(chǎn)生與磁體相同方向磁場，可以增加吸引力，將距離較遠的鋼帶從初始位置吸起[5]；當通入反向電流時，線圈產(chǎn)生相反方向磁場，在磁體表面產(chǎn)生一個磁場相抵消的弱磁區(qū)，在磁體包覆層表面磁場降為零，這樣可以把工作過程吸附的雜物清理掉；

(2)減小磁體尺寸和更改磁體磁性參數(shù)和布置。集電靴在進入工作區(qū)段時，由于增加了電磁輔助，在永磁體和電磁體的雙重磁場作用下，鋼帶從距離較遠的初始位置被吸引上來，進入工作狀態(tài)。此時不再需要這么大的吸引力，斷開電磁輔助，僅使用永磁體產(chǎn)生的磁場工作，在工作狀態(tài)下對鋼帶的吸力會減少，從而減少磨損。

4 總 結(jié)

采用地面供電方式取代通過架設(shè)接觸網(wǎng)供電的有軌電車更好的滿足了城市對節(jié)能環(huán)保和改善城市景觀的需求，珠海1號線有軌電車成為珠海一道靚麗的風景線。目前經(jīng)過優(yōu)化改造的地面供電系統(tǒng)已經(jīng)在安全性、可靠性、適用性等方面得到了廣泛驗證與提升，針對集電靴運用中出現(xiàn)的問題也將得到優(yōu)化解決。相信地面供電將成為越來越多城市有軌電車供電方案的新選擇。