鐵路客車AC380V供電設(shè)計技術(shù)

1、鐵路客車AC380V供電設(shè)計技術(shù)作者 溫晉峰 徐蘭菊內(nèi)容提要: 本文介紹了鐵路客車AC380V供電系統(tǒng)的供電方式、負荷計算、發(fā)電機組容量確定、供電線路選擇,以及供電控制系統(tǒng)的擬定;介紹了列車級供電控制系統(tǒng)和單車供電控制系統(tǒng),以及供電系統(tǒng)的安全性設(shè)計。 1 概述鐵路客車供電系統(tǒng)是鐵路客車的重要組成部分,早期的22型采用DC48V供電,隨著鐵路客車的發(fā)展和旅客乘坐舒適度的要求,早期的25B型車開始安裝空調(diào),隨之出現(xiàn)了單車自帶發(fā)電機組供電的客車,及25B型宿營車,后演變至25G型車采用發(fā)電車集中供電,至此,AC380V供電作為一種基本的供電形式在鐵路客車上得到廣泛應(yīng)用。下面就鐵路客車AC380V供電

2、系統(tǒng)的設(shè)計步驟和設(shè)計內(nèi)容等方面闡述AC380V供電系統(tǒng)的設(shè)計方法。2設(shè)計步驟2.1.1技術(shù)規(guī)范對AC380V供電系統(tǒng)的有關(guān)規(guī)定;2.1.2總體設(shè)計、技術(shù)要求;2.1.3相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;2.1.4同類車輛AC380V供電系統(tǒng)設(shè)計;2.2設(shè)計定位(設(shè)計方案確定2.2.1供電方式確定(集中供電還是單車供電;2.2.2供電系統(tǒng)方案確定(系統(tǒng)原理圖;2.2.3重要部件確定(DC48V應(yīng)急蓄電池箱、電氣綜合控制柜、車端連接器等;2.2.4電器電源確定(空調(diào)機組、照明燈具、電熱器、開水爐、插座等;2.2.5其它要求確定(系統(tǒng)冗余設(shè)計、技術(shù)要求等。為了保證AC380V輔助供電系統(tǒng)的合理性、安全性、可靠性。

3、需要在系統(tǒng)設(shè)計前對整個系統(tǒng)以下幾個主要方面進行計算、驗證:系統(tǒng)供電方式、系統(tǒng)容量計算等。3 供電方式鐵路客車AC380V供電系統(tǒng)的供電方式可分為集中供電和單車供電。鐵路客車AC380V列車供電系統(tǒng)供電方式是集中式供電,就是在列車中的某一節(jié)車廂內(nèi)設(shè)置發(fā)電站或在列車上設(shè)立變電站,向整列車供電。目前我國鐵路上使用最多的為發(fā)電車集中供電方式,即在專門的發(fā)電車內(nèi)安裝柴油發(fā)電機組,構(gòu)成列車發(fā)電站。列車發(fā)電站的工作由專門的控制柜控制。發(fā)電站發(fā)出的電,通過貫穿全列車的輸電干線和專門的車端連接器,送到列車各節(jié)車廂。25B 型宿營車,各型軌檢車、電務(wù)試驗車等特種車輛都以自生發(fā)電為主,即靠安裝于本車的發(fā)電機組發(fā)電。

4、以25G 軌檢車為例,其主要供電形式為本車發(fā)電機,其次可由整列發(fā)電車集中供電,其電氣綜合控制柜具備供電選擇和轉(zhuǎn)換功能。根據(jù)車上用電負荷不同,柴油發(fā)電機組的容量配置一般在3050kVA。 4 負荷計算如何正確地計算車輛用電負荷,是保證車輛安全可靠供電的重要前提。進行車輛電力負荷計算的主要目的就是為了正確選擇車輛發(fā)電站發(fā)電機的容量,各種電氣設(shè)備的型號、規(guī)格以及供電網(wǎng)絡(luò)選用導(dǎo)線等提供科學(xué)的依據(jù)。三相總功率:C B A P P P P +=,式中,C B A P P P 、分別為三相系統(tǒng)中各相功率; 負載對稱時: cos 3l l I U P =,式中,I U 、分別為三相系統(tǒng)中線電壓和線電流, co

5、s 為功率因素;單相總功率: cos p p I U P =,式中,p p I U 、分別為三相系統(tǒng)中相電壓和相電流。 同一回路中 p l I I =要確定一輛車的用電負荷,應(yīng)從用電設(shè)備以下幾個方面進行考慮:a. 額定功率:電器設(shè)備銘牌標(biāo)明的額定功率,即有功計算負荷,定義為P ; b. 功率因數(shù):電器設(shè)備功率因數(shù)角的余弦值,我們可定義為cos ; c. 視在計算負荷:COS P S = ; d. 同期使用系數(shù):x K ; e. 計算電流:cos 3U pI =; 一輛車的總用電負荷:=cos P K S K P X X 總。鐵路列車編組最大為18輛,按18輛車編組計算全列負荷,則全列最大負荷應(yīng)

6、為:總P 18, 注意:編組列車一般為不同車種編組,這里的總P 可根據(jù)估算確定一個范圍。特殊編組列車可按實際編組情況計算全列負荷。4.5以25G 型車為例單車計算負荷,以25G 硬座高寒車為例,見表1表1 25G 硬座車高寒車負載表 計算負荷(kW序號 設(shè)備名稱 P(kW cos S (kVA數(shù)量 總負荷(kVA 同期使用系數(shù) 夏季負載冬季負載1電開水爐 4.5 0.8 5.63 1 5.63 0.4 2廢排風(fēng)機 0.09 0.8 0.11 1 0.11 1 3溫水箱 3.6 0.8 4.5 1 4.5 0.2 4照明 1.86 0.8 2.33 1 2.33 1 5 伴熱 3 0.8 3.7

7、5 1 3.75 1 壓縮機 5.7 0.8 7.13 4 28.52 0.8 冷凝風(fēng)機 1.5 0.8 1.88 2 3.76 0.8 預(yù)熱器 3 0.8 3.75 4 15 0.8 6 空調(diào) 通風(fēng)機 1.8 0.8 2.25 2 4.5 1 7 電加熱 20.1 0.8 25.13 1 25.13 1 8 供電控制 0.5 0.5 1 0.5 1 9 直流應(yīng)急負載 0.3 0.3 1 0.3 1 10 蓄電池充電 0.3 0.3 1 0.3 1 11 其它 0.5 0.5 1 0.5 1 注:這里 cos 均取0.8。單車總負荷計算,=S K P X 總,夏季總負荷:29.7 kVA,冬季

8、總負荷:49.2 kVA。一輛車的用電負荷,我們不能簡單的功率疊加,以上的負荷計算為估算。編組列車負荷計算,這里以18輛硬座車加一輛發(fā)電車編組計算,總的用電負荷為:總P 18=18×49=882kVA。整列編組計算這里只是估算,要得到較為準(zhǔn)確的值,應(yīng)該考慮全列具體編組情況而定。5發(fā)電機組容量確定發(fā)電機組容量應(yīng)滿足全列編組列車的最大容量需求,通過以上計算,一般25G 型AC380V 車大約耗電4050 kVA,每列車大約18輛編組,總負荷720900 kVA,根據(jù)實際情況的需要,夏季最熱或嚴冬最冷時,電量最大;而在春秋兩季一般情況下,全列車總負荷也就260kVA 左右。因此,柴油發(fā)電機

9、組采用3臺300kW 機組組合的方式可以滿足全列車在不同季節(jié)及不同的氣候條件下的用電需求。6供電線路選擇對于一列車而言,輸電干線應(yīng)滿足全列負荷載流的需求。以25G 型AC380V 車18輛編組為例,發(fā)電車輸出能力為900kW,發(fā)電車本車用電約50kVA,則18輛編組客車全部最大負荷按850kVA 計算,最大電流為:A U pI 1700cos 3=,這里取最大功率因數(shù)角=45°,為增加車輛用電的保險系數(shù),列車供電設(shè)計一般為雙路,則一路的載流量為850A,選用電纜至少應(yīng)在300mm 2, 考慮施工的可實施性,車輛布線每一路均采用雙線,即車輛布線方式采用雙路雙線,則單根線的載流量為425

10、A,查電纜手冊,將干線定為120 mm 2或150mm 2。以上我們確定了列車干線布線方式采用雙路雙線,及鎖定了干線的范圍。列車干線的選擇還應(yīng)滿足電壓降的要求。列車電壓降主要應(yīng)考慮干線電阻、連接器及接線座的接觸電阻。要保證每輛車的用電設(shè)備都能正常工作,供電電壓不得低于額定電壓10%,即線路末端電壓降U 應(yīng)小于380×10%=38V。若干線選用120 mm 2,則:線路總長26×18=468m=0.468km,這里取單車線路總長26m,線路電阻R10.164×0.468=0.0768,這里0.164為120mm 2導(dǎo)線阻值,單位/km,連接器接觸電阻R20.0002

11、×18=0.0036,這里0.0002為KC20A 連接器接觸電阻,單位, 接線座接觸電阻R30.0001×36=0.0036,這里0.0001為干線接線座接觸電阻,單位, 線路總電阻R0.0768+0.0036+0.0036=0.084,線路壓降U=Ie×R=425×0.084/217.85V<38V,干線電流應(yīng)該逐車遞減,這里取干線最大電流425A 進行計算。因此可以確定120mm 2導(dǎo)線能滿足列車供電電壓降不超過限度。7 供電控制系統(tǒng)的擬定鐵路客車AC380V供電系統(tǒng)主要由電源、用電設(shè)備、供電線路、通訊網(wǎng)絡(luò)、電氣防護等部分組成。鐵路客車AC3

12、80V供電系統(tǒng)電源,不管是集中供電,還是本車供電,均以柴油發(fā)電機組為核心。目前鐵路客車發(fā)電車以KD25G和KD25K為主,其電源由三臺柴油發(fā)電機組組成,輸出兩路供電干線,三臺發(fā)電機組可隨意組合向外供電。以25G型AC380V車為例,其電源核心為發(fā)電車柴油發(fā)電機組,通過供電線路為本車供電,本車電源由整流模塊和應(yīng)急電池組組成,整流模塊肩負給本車直流負載供電和給本車電池組充電的功能。以25G型軌檢車為例,其電源以本車柴油發(fā)電機組為核心,可分為柴油發(fā)電機、穩(wěn)壓電源、UPS電源、充電機、逆變器、電池組等。柴油發(fā)電機為本車提供總電源;UPS電源輸入AC220V或DC48V,輸出AC220V給車上軌道檢測設(shè)

13、備等重要負載供電;穩(wěn)壓電源主要將輸入的AC220V電源穩(wěn)定在一個特定的范圍內(nèi),以提高電源品質(zhì)給車上打印機、電腦等要求電源品質(zhì)較高的負載使用;充電機給本車直流負載供電和給本車電池組充電;逆變器主要將DC48V電轉(zhuǎn)換成AC220V電供車上電視機、插座、洗衣機等生活用電設(shè)備使用。AC380V供電的鐵路客車,用電設(shè)備以電氣綜合控制柜為核心,按不同的電壓制式可分為以下幾類:交流用電設(shè)備:空調(diào)機組、電熱器、照明燈具、電茶爐、熱水器、溫水箱等;直流用電設(shè)備:軸溫報警器、防滑器、應(yīng)急照明燈具、煙火報警器、呼喚器等。鐵路客車供電線路由全列電能傳輸網(wǎng)絡(luò)和本車供電控制網(wǎng)絡(luò)組成。如圖1。以25G型AC380V車為例,

14、兩路三相交流電源經(jīng)車下分線箱引至電氣綜合控制柜,向車上交流負載供電,其額定工作電壓為AC380V。交流控制電路取U相作為控制電源,向交流接觸器等交流控制元件供電,其額定工作電壓為單相AC220V。整流模塊輸出的DC48V向直流負載供電。車下設(shè)置DC48V、60AH 應(yīng)急電池箱。KD25G/K型發(fā)電車設(shè)置三臺柴油發(fā)電機組,兩路供電干線向整列車供電,其供電有兩種基本方式:分路供電和全路供電。如圖2。分路供電是通過控制回路控制,其中1號機組和3號機組可以實現(xiàn)分別向I路和II路的分路供電;通過控制回路可控制2號機組可實現(xiàn)向I路或II路供電,與1號機組或3號機組進行分路供電。另外一種供電方式是全路供電,

15、當(dāng)1號機組或2號機組向I路供電時,此時將聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘,II路干線也有電; 當(dāng)3號機組或2號機組向II路供電,此時將聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘,I路干線也有電。這樣就實現(xiàn)了全路供電。發(fā)電車的三臺機組可同時向輸電干線進行全路供電。例如1號機組和2號機組并車全路供電時,3號機組也可同時進行全路供電。此種情況下就要求2號機組與1號機組和3號機組中其中的一個機組進行并車。發(fā)電車的并車操作為了滿足負載率增加或保證機組切換不間斷供電的要求,并車時常常需要將一臺或二臺機組并入電網(wǎng)實現(xiàn)機組的并聯(lián)運行。屏內(nèi)安裝一臺PIG21型同步脈沖發(fā)生器,通過輸入輸出信號的變換,可對各主開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)實現(xiàn)并車。完成后應(yīng)將并車轉(zhuǎn)換開關(guān)置于零位

16、。例如,假如1號機組的主開關(guān)已合閘,向路干線供電;此時如需并2號機組,則需將并車轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置,同時按下并車接通按鈕,此時同步表S開始旋轉(zhuǎn),同步脈沖發(fā)生器開始投入工作,進行等待,并與網(wǎng)電壓相位關(guān)系及頻率的信號比較,待達到網(wǎng)電同步時,發(fā)出合閘脈沖信號,2號機組的主開關(guān)自動合上,同步表停止旋轉(zhuǎn),此時1號機組和2號機組并車操作完成。其他并車操作以此類推。KD25G/KD25K發(fā)電車控制屏專門用于鐵路空調(diào)列車,與三臺 CUMMINS KT19-G2型柴油機和三臺IFC-5 300kW 三相無刷同步發(fā)電機以及其它附屬系統(tǒng)一起組成列車移動電站,向整列空調(diào)列車供電?？刂破劣?號機組控制屏、2號機組控

17、制屏、3號機組控制屏、 集控/本車控制屏組成。三臺機組分別有四個檢測控制回路:電壓檢測回路、儀表連接回路、冷卻系統(tǒng)控制回路、主開關(guān)控制回路。四大檢測控制回路分別承擔(dān)著對三臺柴油機的啟動、停止、油壓、水溫、轉(zhuǎn)速等控制,在控制屏有相應(yīng)按鈕或儀表來完成這些操作。同時控制屏也可以對三臺發(fā)電機的電壓、電流、頻率、功率和功率因數(shù)進行檢測和顯示,發(fā)電機控制屏設(shè)有發(fā)電機過電流、逆功率、發(fā)電機繞組高溫報警、高水溫報警和停機保護功能,以保證機組的正常運行和供電。另外,集控/本車控制屏控制發(fā)電車本車用電控制和電能分配。為了提高鐵路客車供電的可靠性,客車供電一般為二路,其中任何一路均能滿足本車用電的要求,因此,本車用

18、電需從二路中選擇一路,以25G型AC380V車為例,如圖3,本車可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇一、二路中的任何一路給本車供電。在單車供電系統(tǒng)中,本車供電主要由本車發(fā)電機組提供,此外,電氣綜合控制柜還可設(shè)置由發(fā)電車集中供電,以及外接電源供電,以25T型軌檢車為例,如圖4,本車可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇本車一路供電、本車二路供電、集中一路供電、集中二路供電、外接電源供電。鐵路車輛供電電能有限,如何將有限的電能進行合理的分配,也是鐵路客車電氣系統(tǒng)設(shè)計中一個非常重要的部分。電能的分配,要考慮以下幾個方面的因素:用電設(shè)備的電壓制式,用電設(shè)備對電源品質(zhì)的要求,用電設(shè)備的重要性,用電設(shè)備的用途。綜合以上因素,以25T軌檢車為例

19、,要將電能進行合理的分配,必須將全車用電設(shè)備進行合理的歸類。按電壓制式可分為三種:三相交流設(shè)備、單相交流設(shè)備、直流設(shè)備;按設(shè)備的重要程度可分為三種:一般設(shè)備、重要設(shè)備和應(yīng)急設(shè)備;按功能可分為兩種:工作用電設(shè)備和生活用電設(shè)備。據(jù)此,我們可對車輛電能進行合理分配。此外,對電能的分配要遵循三相平衡的原則。鐵路客車空調(diào)的控制,也是電氣系統(tǒng)設(shè)計中一個非常重要的組成部分,空調(diào)控制大致可分成兩種方式:繼電器控制和PLC控制。25B宿營車、老型的25G型車空調(diào)控制設(shè)單獨的空調(diào)控制柜,空調(diào)控制為繼電器控制,如圖5;2003年之后的25G型AC380V車經(jīng)統(tǒng)型后,空調(diào)控制設(shè)在電氣綜合控制柜內(nèi),空調(diào)控制為PLC控制

20、。鐵路客車AC380V供電系統(tǒng)中,照明配電一般為AC220V和DC48V,其中AC220V為一般照明,DC48V 為應(yīng)急照明;也有一般照明為220V,應(yīng)急照明為DC110V,例如25TAC380V車。照明系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)注意照明功能的需求,要分清楚全燈、半燈、應(yīng)急燈的概念和注意三相平衡的分配。如圖6。為了保證鐵路客車行車安全和用電安全,電氣綜合控制柜需設(shè)立必要的監(jiān)測控制系統(tǒng),對車輛重要電氣設(shè)備進行監(jiān)控,對車輛的行車和用電安全進行監(jiān)控。例如:防滑器和軸溫報警器即為行車安全而設(shè)置,用電安全記錄儀即為用電安全而設(shè)置。我國鐵路25G型客車自2003年以后網(wǎng)絡(luò)通訊采用LonWorks網(wǎng)絡(luò),本網(wǎng)絡(luò)采用兩層網(wǎng)絡(luò)

21、結(jié)構(gòu),上層網(wǎng)絡(luò)為列車網(wǎng)(LWA、LWB,下層網(wǎng)絡(luò)為車輛網(wǎng)(LW1A、LW1B,客車代理節(jié)點負責(zé)兩層網(wǎng)絡(luò)的總體調(diào)度,兩路列車網(wǎng)通過車端39芯連接器實現(xiàn)全列貫通,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)見圖7,該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對車輛用電安全的監(jiān)控,實現(xiàn)對軸溫報警器及防滑器的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等。鐵路客車電器柜除電氣綜合控制柜外,還應(yīng)根據(jù)不同車種、不同需要設(shè)置其他控制柜,以25G型車為例,除設(shè)電氣綜合控制柜外,還設(shè)有照明控制柜;以軌檢車為例,有的設(shè)電源轉(zhuǎn)換柜、空調(diào)控制柜、充電機柜、逆變電源柜、穩(wěn)壓電源柜,有的還設(shè)有UPS電源柜等?？傊?電氣柜的設(shè)置,要分不同的車種、不同需要,按一定的組合方式合理組合。8 安全設(shè)計電氣安全主要包括人身安全與設(shè)備安全兩個方面。電氣設(shè)計除滿足其基本功能外,還應(yīng)該考慮用電安全和電器保護的問題,AC380V的電氣系統(tǒng)顯然存在電氣隱患,一旦發(fā)生故障,可能對對人造成傷害,對設(shè)備造成損害,因此電氣安全設(shè)計在AC380V的電氣系統(tǒng)中必不可少,其目的是為保護人身和電器安全。電氣安全設(shè)計的主要內(nèi)容:漏電保護、短路保護、過壓保護、過流保護、過載保護等。鐵路客車AC380