地铁车辆蓄电池应急牵引电路电缆和连接器选型分析与应用

0引言

地铁车辆蓄电池应急牵引功能,可在列车无高压供电的情况下由蓄电池进行供电,满足列车通过无电区或行驶到最近车站的需求^[1]。地铁车辆蓄电池的电缆及连接器选型设计要求同时考虑车载紧急负载45 min以及应急牵引的行驶工况。

1 蓄电池应急牵引电路分析

某地铁项目车辆编组为—TC*MP*M=M*MP*TC—(4动2拖),每列车配置两组碱性蓄电池,蓄电池组安装在TC车,牵引逆变器安装在MP车。列车无高压输入时,激活司机室的应急牵引按钮,蓄电池组为牵引逆变器供电^[2]。整个应急牵引电路中,电缆由三个部分组成:TC车蓄电池组—TC车二位端、TC车二位端—MP车一位端跨接、MP车一位端—MP车牵引逆变器。车端跨接电缆使用连接器进行打断,便于列车解编和维护。简化电路如图1所示。

根据简化电路,结合车辆布线规划可知,TC车蓄电池组—TC车二位端和MP车一位端—MP车牵引逆变器这两段电缆敷设在车辆底架线槽中,应选用EN50264系列电缆;TC车二位端—MP车一位端跨接应选用EN50382系列电缆,车端跨接连接器选用高压强电流连接器。

2 蓄电池应急牵引电路电缆和连接器选型分析

2.1 蓄电池应急牵引工况分析

蓄电池应急牵引模式下的制动力全部来自摩擦制动,摩擦制动应能够产生列车制动。如果摩擦制动系统气压低于设定的最小值,应急牵引功能将失效。

蓄电池应急牵引需满足的三个工况如表1所示。

电池负载仿真结果如下:工况1负载周期内等效电流为441 A(不包括紧急负载45 min),工况2负载周期内等效电流为374.6 A,工况3负载周期内等效电流为433 A。

各工况仿真电流如表2所示。

2.2 蓄电池应急牵引电路电缆选型

根据EN50343标准,采用电缆截面积核算方式进行电缆选型。截面积核算方法为电缆载流量大于或等于计算的预测载荷电流,可以确保电缆正常工作^[3]。实际使用的公式如下:

式中:Icable为电缆载流量,一般由电缆制造商提供;K1为预期环境温度的校正系数;K2为安装类型的校正系数(电缆敷设系数);K3为预期电缆寿命降低的校正系数;K4为非连续工作时间时的校正系数;K5为多芯电缆的校正系数。

关于蓄电池应急牵引电路的电缆,敷设在车辆底架线槽部分采用单芯电缆,车端跨接部分采用两芯电缆,各系数选取情况如表3所示。

蓄电池应急牵引工况1负载周期为120 s(不包括 紧急负载45 min),工况2负载周期为1 040 s,工况3负载周期为448 s。结合蓄电池应急牵引使用情况为无高压输入时列车通过无电区或行驶到最近车站,蓄电池应急牵引可能是几天使用一次甚至是几个月使用一次,该功能使用频率低,可以保证电缆的冷却,因此负载是不连续或者不是持续循环的。在短时过载的运行场景下,通常使用以下公式计算:

式中:Iz为电缆承受电流(A);t为短时电流Ishort持续时间(min);T为热时间常数(min),根据电缆厂商提供以及工程经验,T取值为25。

为简化计算过程,将三种工况粗略简化,计算Iz 结果如表4所示。

综合以上三种应急牵引工况以及系数选取,在电缆截面积核算时,每个工况取Iz的较大值,并且使用Iz=Iload进行电缆选型情况,结果如表5所示。

2.3 蓄电池应急牵引电路连接器选型

车端连接器选型应确保连接器接触体额定电流大于线路的额定电流。实际项目车辆运行的环境温度为-25~+45℃ ,结合连接器厂商提供的连接器载流量,对车端跨接连接器进行选型与校核。图2为连接器厂商提供的连接器载流曲线。

由以上曲线可知,当电缆为70 mm²时,连接器的载流量为240~260 A,低于电路的实际工作电流。由于蓄电池应急牵引电路为非连续工作,采用试验测试的方式对连接器温升情况进行评估。

3连接器温升试验

参考GB/T5095.3中5a的试验方法对连接器进行温升测试^[5]。组装插头插座成品线束,将插头的两根70 mm²电缆分别接入设备正负极形成回路,按实际电流工况输入到设备上。通过记录初始温度和过程中出现的最高温度,计算出最大温升数据。

工况1试验环境温度为16.1 ℃,最高温度为53.2 ℃ ,最大温升37.1 K,试验记录如图3所示。

工况2试验环境温度为16.1 ℃,最高温度为79.2 ℃ ,最大温升63.1 K,试验记录如图4所示。

工况3试验环境温度为16.1 ℃,最高温度为73.5 ℃ ,最大温升57.4 K,试验记录如图5所示。

根据GB/T 34119的规定以及PC材质的物性表,电连接器产品的正常使用温度为-40~125℃ ,当产品温度过高时会导致绝缘体变质,影响固有特性(如老化等),从而影响产品的安全使用^[6]。以车辆使用地区最高环境温度40~45℃核算,允许的最大温升值为80~85 K。以上连接器温升试验结果表明,三种蓄电池应急牵引工况的温升均不超过85 K,所选取的70mm2连接器可以满足实际使用要求。连接器的选型结果如表6所示。

4 结束语

地铁车辆蓄电池应急牵引电缆及连接器选型过 程中,需考虑应急牵引的各种行驶工况。本文电缆选型采用电缆截面积核算方法,结合车辆布线情况、电流仿真结果、应急牵引使用频率等因素,选取了适当的工作电缆截面积。在初步确定了电缆截面积后,对连接器选型进行初步判断,发现连接器载流量小于实际工作电流。为验证所选取的连接器是否满足要求,开展了连接器温升试验,通过实际测量温升情况,确定连接器的规格型号。

本文提出的电缆选型和连接器选型结果,已成功应用于实际地铁车辆,为后续其他地铁车辆蓄电池应急牵引功能电缆和连接器选型提供了有效参考。

[参考文献]

[1]潘文凯.昆明地铁4号线车辆蓄电池牵引方案研究[J].轨道交通装备与技术,2021(1):28—31.

[2]曹增明,柳晓峰,周利,等.上海轨道交通11号线南段工程车辆蓄电池牵引系统设计与研究[J].电力机车与城轨车辆,2012,35(3):13—15.

[3]王剑平.电缆截面核算在电缆选型中的应用介绍[J].技术与市场,2014,21(5):83—84.

[4] 铁路应用机车车辆布线规则:EN 50343:2014[S].

[5] 电子设备用机电元件 基本试验规程及测量方法 第3部分:载流容量试验:GB/T 5095.3—1997[S].

[6]轨道交通机车车辆用电连接器:GB/T 34119—2017[S].

《机电信息》2025年第11期第17篇