双流制 As 型城轨车辆新技术

彭继权

（重庆铁路投资集团有限公司，重庆 404100）

1 引言

根据重庆山城独特的地形地貌，重庆市轨道交通在国内A型、B型地铁车辆应用基础上，研发了山地城市A型地铁车辆，简称“As车”。自2017年12月28日投运以来，经过多年的运行验证，As车具有爬坡能力强、曲线通过能力优越、运行可靠性高、环保节能等诸多优点，已成为重庆市轨道交通网络发展的标准车型。

在建设城区轨道交通线网的同时，重庆也在大力发展都市区轨道交通，新建市郊铁路跳磴至江津线采用DC1500V和AC25kV两种供电制式的新型地铁列车，简称“双流制As车”。最高运行速度由100 km/h提高到120 km/h，双流制As车还具备与其他轨道交通线路贯通运营的能力。

双流制As车是在As车直流牵引系统的基础上增加1套交流牵引系统设备，通过对2种牵引系统进行优化设计，有效控制整车轴重不超过15.5 t，在不降低载客量的同时实现车辆的轻量化。双流制As车有效地结合了地铁与铁路动车组的优点，可以同时满足市区行车密度大、起停时间短，都市区站间距长、行车速度高等要求。国内目前对交直流双制式牵引系统研究较少，没有相关经验可以借鉴，本文对双流制As车转换系统主要电气设备、车辆高压电路及辅助电路进行介绍，对城轨车辆牵引系统设计具有指导意义，可为城轨车辆选型提供借鉴和参考。

2 双流制As车主要参数

As车保留了A型车3000 mm的宽度，长度适当缩短，与B型车保持一致；车内净空高度2200 mm，相对于其他车型提高了100 mm，保证了高载客量的同时还提供更为宽敞的司乘空间；客室采用1400 mm大开度内藏密闭门，每侧布置4对，标准间距5000 mm，呈均匀布置方式，克服了单轨车因车门数量不足而不能快速上下的问题。

双流制As车最高运行速度120 km/h，全列车采用5动1拖（直流区段）和4动2拖（交流区段）配置。列车性能参数大幅提升，满足DBJ 50T-259-2017 《山地城市A型地铁车辆通用技术标准》要求。转向架轴距设计2200 mm，相对于A型车缩小300 mm，满足最小通过曲线要求的同时，降低了轮缘及钢轨的磨耗。

表1 双流制As车与地铁车辆的区别

3 双流制As车牵引系统

双流制As车不但可以在DC1500V的城市轨道交通线路上运行，还能够在AC25kV的市郊铁路上运行，兼容交直流2种不同供电制式。双流制As车高压电路如图1所示，其中Mc为带司机室的动车，Tc为带司机室的拖车，M为动车，Mp为带受电弓的动车。牵引系统根据交直流接触网电压的不同，选择开关位置，实现交直流系统的自动切换。

3.1 列车编组方式

根据车辆所处线路工况的不同，双流制As车采用2种编组模式灵活切换，列车编组方式如图2所示，中间车全部采用动车，头车二位端转向架采用动力转向架，交流工况下不工作。此方案可以满足城区和都市区间不同行车密度要求，还具备与其他轨道交通线路贯通运营能力。

城区轨道交通线路直流供电模式下，列车编组采用5动1拖编组方式。在故障工况下能够在50‰的线路坡度及超员载荷（AW3）下提供足够的黏着牵引力，以及不依靠外部列车实现本车自救援能力，启动平均加速度达到1.1 m/s2，与其他线路列车具备相同的牵引性能，满足快速起停要求。

都市区铁路采用交流供电情况下，列车切换至4动2拖编组方式。都市区线路条件相对于市区较好，最大坡度一般不超过30‰，平均站间距延长至5 km左右，居民出行需求小，行车密度相对低，4动2拖的编组方式完全满足列车长距离高速行驶要求。

3.2 双流制牵引系统

双流制As车采用DC1500V和AC25kV 2种供电制式，2套不同的牵引供电系统一体化设计，其主电路如图3所示。

（1）在DC1500V工况下，系统选择开关SSS位于直流位，DC1500V电源经过交直流两用受电弓PH、真空断路器VCB、系统选择开关SSS（位于直流位）、高速断路器HSCB、预充电电路CC、直流电抗器L、牵引逆变器MCM、牵引电机TM。直流工况下网侧四象限脉冲整流器LCM不工作。

（2）在AC25kV工况下，系统选择开关SSS位于交流位，牵引逆变器MCM从四象限脉冲整流器LCM取电，并通过中间直流环节抽出DC1500V电源，为整车辅助设备供电及保护。AC25kV单相电经交直流两用受电弓PH、真空断路器VCB、系统选择开关SSS（位于交流位）、交流熔断器FU、牵引变压器MT、网侧四象限脉冲整流器LCM、中间直流环节DC_Link、牵引逆变器MCM、牵引电机TM。

3.3 双流制切换系统

双流制As车配置2套动力系统，其工作核心为自动切换系统。当运行车辆接收到地面切换信号时，车辆先封掉牵引辅助脉冲，再断开高速断路器和内部接触器，下一步断开真空断路器后系统选择开关SSS切换位置，交直流系统实现自动切换。

1.2.2 覆膜对啤酒大麦生长的影响测定 采用全膜覆盖种植方式，于2017年3月27日种植。用0.006mm厚规格的超薄膜，穴播，每带6行，行距15 cm，穴距8～10 cm，每穴7～8粒，播种量75 000穴/hm2，525万～600万粒/hm2，种植小区面积20 m2，设3个重复，以露地种植方式为对照（CK），7月上旬收获。

交直流系统切换完成后，电压识别装置VID识别接触网电压与系统选择开关SSS所处位置是否一致，起到二次检测保护作用，系统判别无误后闭合真空断路器，列车系统切换完成。

交直流转换区段设置接触网无电区，交直流钢轨段之间设置绝缘分隔带，交直流系统切换时列车不降弓通过，完成转换后即可快速恢复牵引。

4 高压设备冷却方案

4.1 牵引变流器

牵引变流器的输出功率与所采用的冷却方式密切相关。所使用的冷却方式为采用热管或铝散热器的自然冷却、强迫通风冷却、沸腾冷却和水冷。走行风冷＋热管自然冷却和强迫风冷在城市轨道交通中有广泛应用，而水冷的变流器因为能获得最大的输出功率，所以特别适用于安装在机车和动车组等以持续功率长时间运行的变流器上。

城市轨道交通车辆启停频繁，适合使用强迫风冷这种热惯性小的冷却方式，从而有效利用变流器的最大功率与持续功率的高比率；机场和城市之间的通勤车等站间距较大，则更倾向于使用水冷这种热惯性大、过载能力小、绝对散热能力强的冷却方式。

4.2 牵引变压器

列车牵引变压器工作条件较为恶劣，是车辆火灾的重大危险源。牵引变压器全功率运行时变压器内部工作温度高，变压器冷却油因热胀冷缩有可能会通过压力释放阀溢出，引发火灾事故，因此变压器冷却方式是防火灾设计的重点。

目前，牵引变压器冷却方式主要有自冷式和风冷式2种，而风冷式又可以分为自然风冷和强迫风冷，冷却器动力利用冷却风机实现。由于车底设备较多，安装空间狭窄，强迫油循环强迫风冷方式在我国高速动车组及电力机车上得到广泛应用。

变压器油冷却装置一般为板翅式结构，强迫风冷变压器如图4所示，由进出油口、油室、芯体和外部附件等构成。油冷却器工作时，流经风道的冷风与流经管道的热油进行对流热交换，实现对变压器油的冷却作用。但因冷却装置附属设备较多，冷却风机高速运转时会带来高于98 dB（A）以上的强噪声，并且冷却风机使用寿命短，维护成本高。自然风冷变压器如图5所示，散热装置采用热管式，按照F级绝缘设计，利用列车运行时产生的走行风与冷却器进行热交换，其热交换仿真运算结果如图6所示。自然风冷变压器绕组最高温度127℃，温升8 K，极限温度135℃；变压器油最高温度95℃，温升5 K，极限温度100℃；变压器运行声功率低于70 dB（A）。采用走行风自然风冷却技术不仅有效的降低了运行噪声，还能节约运营维护成本，提高车辆全寿命周期。

5 优化辅助电源系统

传统的辅助电源系统主要包括辅助逆变器、低压电源、蓄电池及控制单元。此外，主要部件还有隔离接地开关和熔断器、线路滤波电抗器和电容器、三相交流滤波器、输出变压器、应急通风逆变器、应急启动蓄电池等设备。辅助逆变器主要给空气压缩机、空调机组的空调压缩机、冷凝器风扇、蒸发器风扇、空调通风机、客室正常照明、设备通风机、客室LCD屏等设备供电。

辅助逆变器输出的交流供电网络又分为集中式供电和分散式供电，集中式供电的主要特点是设备少，使用的部件少，但在发生故障时供电能力差，需要切除部分负载后辅助系统才能运行。分散式供电互补能力强、冗余度高，但是采用的设备、部件多，相对故障率较高。无论采用集中式或者分散式辅助供电方案，由于最终要求输出AC380V电源，一般采用逆变后输出变压，输出变压器工作频率为50 Hz，其特点决定输出变压器体积和重量都比较大。

优化辅助电源系统取消了传统的辅助逆变器，全车采用2组DC1500V高压母线为辅助设备供电，2条高压母线从车辆2个动力单元的中间直流环节引出，各自负担本车的一半辅助负载。整个辅助供电系统中空调系统采用DC1500V直接供电方案，设备冷却通风机配置DC1500V/DC600V变流器，照明、通信、乘客信息显示系统等小功率用电设备采用DC110V供电。取消辅助逆变器方案可以有效降低整车重量，增加DC/DC变流器可以与系统设备集成设计，设备故障冗余度高，同时还可提高供电可靠性。

6 高压直供式变频空调技术

6.1 直供空调原理

由于取消辅助逆变器，整车不再提供大容量3AC380V 50Hz电源，车辆设备中大功率空调系统采用一种新型DC1500V高压直接供电方案，此方案采用谐振型逆变器与高频整流器相结合的DC / 高频AC / DC系统，利用隔离变压器的漏抗与串联的电容构成串联谐振电路，如图7所示。谐振型逆变器输出高频交流电压，使得变压器小型轻量化，与快恢复二极管构成桥式整流电路，输出稳定的DC600V电压，供给空调压缩机、冷凝风机及通风机逆变器逆变模块，如图8所示。

6.2 紧急通风原理

当出现DC1500V电源意外断电时，由蓄电池箱提供DC110V紧急电源，通过升压斩波电路，将蓄电池电压提升至DC600V，供给空调通风机逆变模块。紧急通风逆变模块集成在空调电路中，有效节省了车辆的重量和安装空间，简化了车辆紧急通风布线。通过小型轻量化设计，可以有效降低车辆重量。

6.3 直供空调优点

直供空调系统的优点一是采用变频空调，可有效节能；二是直供空调减少了输入电源的中间转换环节，提高了电源的整体使用效率。因中间转换环节的损耗约占空调总功率的5%左右，此方案可为整车辅助系统显著节省电能，编组运输效率高，对于全寿命周期来说具有较好的综合经济效益。

7 结论

（1）双流制车型有效地结合了城市轨道交通车辆与铁路车辆的优点，解决了市郊铁路与城市轨道交通共线运行的难题，适应2种供电制式的线路。

（2）牵引变压器冷却采用走行风自然风冷却技术，减少冷却风机及附属监测设备，从车辆全寿命周期来说可以节约运营维护成本；自然风冷技术还可以有效降低列车运行过程中产生的噪声，给乘客提供一个更加舒适的乘车环境。

（3）取消辅助逆变器标志着高压直供空调技术的成熟，辅助供电技术集成到每个空调单元中，辅助供电系统冗余性更加可靠，减轻车辆重量的同时还可以节约制造成本，使用DC/DC变流器为其他小功率辅助设备供电。