DC 600 V在鐵路空調(diào)客車(chē)供電系統(tǒng)的應(yīng)用

1 引言
    鐵路空調(diào)客車(chē)供電系統(tǒng)是為車(chē)上電氣負(fù)載和自動(dòng)化裝置提供電能的裝置，有單獨(dú)供電、集中供電和混合供電3種方式。早期的客車(chē)供電方式簡(jiǎn)單，主要采用小功率軸驅(qū)式發(fā)電機(jī)和蓄電池并聯(lián)供電方式。目前我國(guó)非空涮客運(yùn)列車(chē)仍采用這種供電方式。為提高旅客的舒適度，現(xiàn)代鐵路客車(chē)均安裝了空調(diào)、冰箱、彩電信息顯示屏等設(shè)備，平均每輛車(chē)所需的功率比早期增加了幾倍甚至幾十倍，不同電器的電壓制式也不盡相同，相應(yīng)地對(duì)列車(chē)供電系統(tǒng)提出了很多新的要求。

2 國(guó)外鐵路空調(diào)客運(yùn)列車(chē)供電系統(tǒng)的發(fā)展
    國(guó)外高速客運(yùn)鐵路發(fā)展的典型代表日本、法國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家列車(chē)供電系統(tǒng)已普遍采用靜止變流器供電方式，該方式可靠性高、與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)融合、自動(dòng)化程度高、維護(hù)操作簡(jiǎn)便。比如德國(guó)ICE系列、法國(guó)TGV系列，意大利的ETR系列，西班牙AVE系列高速動(dòng)車(chē)組及日木的新干線列車(chē)等均采用這種供電方式。

3 我國(guó)空調(diào)列車(chē)供電方式的發(fā)展
3．1 發(fā)電車(chē)集中供電系統(tǒng)
    發(fā)電車(chē)相當(dāng)于一個(gè)移動(dòng)電站，通常發(fā)電車(chē)內(nèi)配置有3臺(tái)300 kW柴油發(fā)電機(jī)組，主要機(jī)型為KTA 19－G2型和MTU12 V 183TA 12型，采用交流3相4線制，2路供電，電壓AC400/230 V,50 Hz，車(chē)端設(shè)有KC20電力連接線，可從發(fā)電車(chē)任一端與列車(chē)聯(lián)掛，主干線負(fù)載容量按20輛計(jì)算，不小于600 kW。發(fā)電車(chē)集巾供電的空調(diào)列車(chē)應(yīng)用了柴油機(jī)發(fā)電技術(shù)：車(chē)載單元空調(diào)制冷采暖技術(shù)；AC 220 V照明及應(yīng)急電源技術(shù)：集中軸溫報(bào)警技術(shù)和GPS衛(wèi)星地面遙感技術(shù)等。雖然具有供停電靈活、方便，不受線路、天氣及機(jī)車(chē)限制；供電故障率低，機(jī)組間相互干擾少等優(yōu)點(diǎn)，但也存在發(fā)電車(chē)柴油發(fā)電機(jī)組噪聲、廢氣污染問(wèn)題等缺點(diǎn)。還需要消耗大量的石油產(chǎn)品。
3．2 空調(diào)客車(chē)DC 600 V供電系統(tǒng)
    DC 600 V旅客列車(chē)供電系統(tǒng)是鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛T程中的重要系統(tǒng)，DC 600 V系統(tǒng)在吸取法國(guó)TGV、德國(guó)ICE、日本新干線以及歐洲多電壓制列車(chē)供電系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)中國(guó)旅客列車(chē)的具體情況，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用牽引網(wǎng)電能通過(guò)機(jī)車(chē)給旅客列車(chē)供電，以達(dá)到甩掉發(fā)電車(chē)，實(shí)現(xiàn)提高列車(chē)運(yùn)輸能力、節(jié)能、環(huán)保和列車(chē)運(yùn)行高速化的目的。

4 空調(diào)客車(chē)DC 600 V供電系統(tǒng)
4．1 DC 600 V供電系統(tǒng)的工作原理
    DC 600V供電系統(tǒng)采用機(jī)車(chē)集中整流，客車(chē)分散逆變方式，構(gòu)成了交一直一交變流供電系統(tǒng)。電力機(jī)車(chē)將25 kV電網(wǎng)單相交流電降壓、整流、濾波成DC 600 V，向客車(chē)供電?？蛙?chē)配置逆變電源及充電器，根據(jù)用電設(shè)備的需要，將機(jī)車(chē)提供的DC 600 V變換成單、三相交流電及DC 110 V。配電及控制屏柜保證設(shè)備配電及安全保護(hù)?？蛙?chē)設(shè)置了DC 110 V蓄電池組，解決了列車(chē)通過(guò)分相段無(wú)電區(qū)的難題。系統(tǒng)采用兩套獨(dú)立供電電路。直一交變流器安裝在車(chē)下，不減少車(chē)廂定員。獨(dú)特的機(jī)車(chē)車(chē)輛兩級(jí)保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了故障自動(dòng)切除。系統(tǒng)具有集中控制、自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)復(fù)位、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
    DC 600 V供電系統(tǒng)的工作過(guò)程：電網(wǎng)通過(guò)電力機(jī)車(chē)向列車(chē)供電，在機(jī)車(chē)的主變壓器上增加2個(gè)列車(chē)供電繞組，將受電弓接收的25 kV單相交流高壓電降壓；采用2套獨(dú)立工作的單相半控整流裝置將單相交流電整流成2路DC 600 V電源。通過(guò)KC20D電氣連接器向列車(chē)母線供電，機(jī)車(chē)主電路原理圖如圖1所示。

    DC 600 V供電裝置由車(chē)端連接器，列車(chē)供電干線，配電柜，變流器，蓄電池組，充電器，空調(diào)控制柜，照明控制柜等組成。機(jī)車(chē)提供的2路DC 600 V電源通過(guò)車(chē)端連接器引入配電柜，將其中一路輸入變流器及充電器。變流器將DC 600 V變換成2相380 V，50 Hz交流電，通過(guò)配電柜給電開(kāi)水爐、溫水箱、廢排風(fēng)機(jī)等供電，并通過(guò)空調(diào)控制柜給空調(diào)機(jī)組供電。充電器將600 V直流電變換成110 V直流電，給蓄電池充電的同時(shí)通過(guò)照明控制柜給車(chē)內(nèi)照明及供電裝置控制系統(tǒng)供電。每輛車(chē)設(shè)蓄電池組，并與110 V十線間采用一極竹隔離。車(chē)內(nèi)采用日光燈照明，照明變換器將110 V直流電變換成220V交流電。
    配電柜控制空調(diào)控制柜、變流器、充電器的電源。機(jī)(動(dòng))車(chē)控制配電柜電源。在車(chē)廂內(nèi)，兩路DC 600 V首先進(jìn)入電源控制柜，并分配輸人的DC 600 V電源供給逆變器和充電器。逆變器將DC 600 V變換成AC380V電源，并輸出到空調(diào)控制柜，供給空調(diào)機(jī)組。充電器將DC 600 V變換成DC 115 V電源，供本車(chē)蓄電池充電和照明?？蛙?chē)供電系統(tǒng)主電路原理圖如圖2所示。

4．2 DC 600 V供電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
    機(jī)車(chē)采用單相相控整流或全波整流提供DC 600 V電源，采用2路供電，具有電源后備；采用逆變技術(shù)，各車(chē)廂逆變器放在車(chē)下，不占用客車(chē)空間；各車(chē)廂獨(dú)立性強(qiáng)，列車(chē)編組靈活；控制系統(tǒng)采用DC 110 V，供電系統(tǒng)互補(bǔ)性強(qiáng)，可靠性高；采用大功率高頻開(kāi)關(guān)電源；供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制，操作簡(jiǎn)單；實(shí)現(xiàn)全列行車(chē)安全和空調(diào)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，并與地面聯(lián)網(wǎng)。由于加掛發(fā)電車(chē)，可多編掛1輛客車(chē)，增加運(yùn)力及收入。

5 DC 600 V供電系統(tǒng)運(yùn)行中的問(wèn)題及建議
    DC 600 V供電系統(tǒng)投運(yùn)，總體性能一直比較穩(wěn)定，故障率比較低，具有操作簡(jiǎn)單、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。但在擴(kuò)大投運(yùn)發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題：如變換器的輸出電壓波形對(duì)小電動(dòng)機(jī)等負(fù)載絕緣壽命的影響；變換器的輸出電壓調(diào)制頻率對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)接地保護(hù)電路電流的影響；變換器車(chē)上、車(chē)下分體結(jié)構(gòu)接線麻煩，影響變換器的抗干擾性能；充電器散發(fā)的熱量引起配電間的溫度偏高等。為解決上述問(wèn)題，目前，制訂供電系統(tǒng)及主要部件的技術(shù)要求及試驗(yàn)檢驗(yàn)方法對(duì)變換器等主要部件的性能提出新要求。如對(duì)變換器輸出電壓波形電壓上升率、重復(fù)電壓最大值、輸出電壓的諧波含量作了新規(guī)定；變換器將采取主電路、控制電路一體結(jié)構(gòu)，使車(chē)上、車(chē)下連線僅剩幾根工作狀態(tài)顯示及集控線用線；要求變換器、充電器安裝放在車(chē)下(指單層車(chē))，以便改善配電間環(huán)境等。建議從以下兩方面改進(jìn)。
    (1)機(jī)車(chē)DC 600 V電源供電品質(zhì)有待提高機(jī)車(chē)DC600 V電源是供電系統(tǒng)的關(guān)鍵，從目前25T型、動(dòng)車(chē)組及25 G型DC 600 V運(yùn)行情況可知：機(jī)車(chē)輸出電壓經(jīng)常在500～700 V間振蕩，電壓波動(dòng)不穩(wěn)，極易導(dǎo)致逆變器、充電器發(fā)生保護(hù)停機(jī)或損壞。并且部分機(jī)車(chē)帶載能力較差，需對(duì)其進(jìn)行冗余改造。夏季溫度高時(shí)，特別是始發(fā)時(shí)，列車(chē)負(fù)載較大，機(jī)車(chē)送電困難，客車(chē)空調(diào)完全不能使用。即便機(jī)務(wù)段采用應(yīng)急處理措施，始發(fā)時(shí)逐輛半載加載。建議合理地選擇電力機(jī)車(chē)電源的濾波電抗，消除供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的低頻震蕩。目前機(jī)務(wù)段己逐步進(jìn)行改造，效果良好。
    (2)逆變器故障較多DC 600 V客車(chē)供電系統(tǒng)25G型各次列車(chē)逆變器故障很多，特別是當(dāng)夏季負(fù)載較大時(shí)，由于每節(jié)車(chē)廂只配置了1臺(tái)逆變器，一旦出現(xiàn)故障，該節(jié)車(chē)空調(diào)機(jī)組將停止工作，車(chē)內(nèi)舒適度急劇變差。但25T型DC 600 V逆變器問(wèn)題相對(duì)較少，關(guān)鍵是每節(jié)車(chē)配備有2臺(tái)逆變器，互為備用。建議每節(jié)車(chē)廂只配備1臺(tái)逆變器，采用單路AC380V供電，連接線前后貫通，確保空調(diào)良好。最關(guān)鍵的是提高逆變器的質(zhì)量和可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)
    現(xiàn)代客運(yùn)列車(chē)供電系統(tǒng)為滿足列車(chē)上電器不斷增多的需求，服從列車(chē)總體布置的需要，保證有良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。普遍采用靜止變流器供電方式，DC 600 V供電系統(tǒng)確定了中國(guó)旅客列車(chē)新的供電模式，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《TB/T3063旅客列車(chē)DC 600 V供電系統(tǒng)技術(shù)條件》，DC 600 V供電系統(tǒng)是符合我國(guó)鐵路運(yùn)行特點(diǎn)的供電方式之一，具有廣泛的推廣運(yùn)用前景。