任務3　鐵道車輛供電方式認知

【活動場景】

在客車供電檢修車間，或在具有供電模型、供電裝置的試驗室，或在能展示鐵道車輛供電技術的多媒體教室進行。

【任務要求】

1.國內、外鐵道車輛供電電源技術的發展概況。

2.空調客車供電系統的基本工作原理和特點。

3.空調客車供電系統的經濟效益。

【知識準備】

供電系統用于為鐵道車輛車上電氣負載和自動化裝置提供電能，目前我國鐵道車輛供電方式主要有單獨供電、集中供電和混合供電三種方式。

早期的鐵道客車車輛電氣設備比較簡單，主要為客車客室照明、風扇、軸溫檢測信號設備等供電。用電量少、要求低，因而供電方式也較簡單，采用小功率軸驅式發電機和蓄電池并聯供電方式就可達到要求。

隨著人們生活水平的不斷提高及科學技術的不斷發展，鐵道客車車輛上電氣設備日益增多。為提高旅客乘坐的舒適度，現代客車上大多安裝了空調、信息顯示設備、冰箱、液晶顯示屏等，所以現在每節客車車輛上所需的功率比早期增加了幾倍甚至幾十倍。而且不同電器的電壓制式也不同，既有直流的，也有交流的。這就相應地對列車供電系統提出了很多新的要求。各種新型的列車供電系統也隨之不斷出現。從變流方式看，有采用旋轉式發電機組供電的，也有采用半導體靜止變流器供電的；從分布方式看，有采用集中式供電的，也有采用分散式供電的。半導體靜止變流器具有噪聲低、體積小、質量小、布置靈活、電壓適應范圍寬、輸出電壓穩定、可節能等優點，因此在現代鐵道客車中被逐漸推廣應用。

1.單獨供電

車輛單獨供電是每輛車都帶有一套獨立工作的供電裝置。當車輛用電量較小時，也可以每兩輛或三輛車共用一套獨立供電裝置。我們一般將安裝有發電設備的車輛稱為母車，不帶有發電設備的車輛稱為子車，子、母車之間通過車端電力連接器連通車內輸電線。

（1）車輛單獨供電類型

①采用蓄電池組供電；

②采用由車軸通過皮帶或萬向軸驅動發電機與蓄電池組并聯向車輛供電；

③采用小型柴油發電機組供電。

（2）單獨供電的特點

①發電功率較小，一般為35kW以內；

②車輛可以隨意摘掛和編組；

③供電裝置的主機不占有車內有效空間；

④全列車輸電干線通過車端連接器貫通并連接成統一電網，因此局部故障不影響列車用電。

（3）蓄電池供電

單獨使用蓄電池供電的優點是設備簡單，使用方便，可靠性較好，電流是純直流電成分；缺點是單位功率所占的體積和重量較大，蓄電池在放電過程中電壓逐漸降低，鉛蓄電池放電至終止電壓時必須停止放電并進行充電，否則會因過放電而損壞。另外蓄電池壽命短，損壞率高，維護工作量大。因此，這種供電方式只宜在用電量不大的車輛上使用。

（4）軸驅式發電機供電

采用車軸驅動的發電機與蓄電池組并聯供電是世界各國在普通客車上運用較為廣泛的一種供電方式。車輛運行時，由車軸通過皮帶或萬向軸傳動驅動發電機供電，可供車輛的照明、通風、軸溫測量等電器用電；當車輛停站或緊急情況而臨時停車時，則由蓄電池組供電。我國舊型客車的軸驅式發電機曾采用直流發電機，而22型和23型客車則普遍采用三相感應子交流發電機。

軸驅式發電機的工作電壓，當功率小于3kW時為24V，功率介于3～10kW之間時為48V，功率高于10kW時采用110V。

車軸與發電機之間的傳動裝置形式，一般也根據發電機的功率大小而確定：功率在10kW以下時，采用平皮帶或三角皮帶傳動，也可以采用三角皮帶與齒輪副二級傳動；功率在10kW以上時，一般多采用萬向軸傳動。10kW以下的發電機可以懸掛在轉向架的構架上，10kW以上的發電機一般需固定在車體底架上。

采用小型柴油發電機組單獨供電，可以減少機車牽引動力，提高供電電壓。減少蓄電池用電量便于長期停站時利用市電，但要求機組工作可靠、噪聲與振動較小、使用維修方便。這種供電方式適用于帶有空氣調節裝置的軟臥車、宿營車。發電機采用三相感應子交流發電機，工作電壓為110V，功率為10～40kW。

2.集中供電

對于用電量較大并且是固定編組的列車，采用全列車集中供電的方式，有利于減少設備投資、節約有色金屬、減輕機車動力與供電設備重量以及便于運用維修等。

列車集中供電的電源，對于非電氣化區段，由列車發電車上的柴油發電機組供給；對于電氣化區段，可以由接觸網通過電力機車上的變壓器提供。

（1）柴油發電車供電

由發電車的柴油發電機組集中供電時，供電電壓一般為線壓400V、相壓230V、三相、50Hz，通過車端連接器向連掛的客車分兩路送電。輸電線壓降應不大于5％。這種供電制式的優點是用電負載，如異步電動機、日光燈、控制電器與保護元件等可直接采用民用產品。但輸電電流與所需要的三相四線制輸電線截面積都較大，穿管難度較大，對連接器的插頭和插座間接觸電阻要求非常嚴格，要求小于0.0008Ω。因此，在可能的條件下應將供電線電壓提高。

（2）接觸網供電

我國電氣化區段接觸網電壓為單相、工頻25kV，經電力機車主變壓器變換為單項工頻2×1500V后輸送給連掛客車的輸電線，輸電功率為800kV·A。由于輸出電壓較高，因此輸電線與車端連接器必須具有良好的絕緣性能。連接器必須帶有鑰匙，以保證操作安全。

由接觸網供電的客車，其用電負載的特點是：

①空調機組電動機仍采用三相異步電機；

②由分散于每輛客車中三相逆變器供電；

③采暖電加熱器與電開水爐由降壓變壓器提供220V單相電源；

④照明與通風機由帶有發電機的蓄電池組供電并通過逆變器變換成交流電，以保證摘掛機車時也能正常工作。

電氣化接觸網客車供電方式有機車供電、電源車供電和DC 600V/AC 380V兼容供電三種。

3.混合供電

鑒于目前鐵路牽引動力還存在多種類型。鐵路車輛（如機械冷藏車）的一些特殊運輸條件，除了前述兩種供電方式之外，還有必要采用第三種方式，即混合供電。

混合供電方式有下列幾種：

（1）車輛照明和通風機由軸驅式發電機與蓄電池組并聯供電，而車上的采暖電熱元件則由電氣化鐵道的接觸網供電，這種供電方式適用于電化區段的普通客車。

（2）列車或車組正常運用時由柴油發電機組供電，而當列車或車組空載或停站時由軸驅式發電機與蓄電池組并聯供電。目前與非空調客車連掛時的空調軟臥客車以及機械冷藏列車中宿營車采用這種供電方式。

4.車輛供電方式的選擇

通過前面的學習，我們知道鐵道車輛的供電方式和供電系統的各種不同的類型，鐵道客車車輛在具體選擇供電方式時，應從下列幾個方面進行綜合考慮：

（1）車種及用途；

（2）車輛在列車中的編組方式；

（3）車輛電氣負荷的類型、功率以及它們的用電要求；

（4）在保證可靠供電的條件下供電設備的經濟性。

【任務實施】

下面以某客車車輛段車電車間供電班組學習為例進行本次任務的完成。

1.普通客車的單獨供電形式認知

我國傳統的普通鐵路客車車輛單獨供電是在每輛客車上安裝一套獨立的供電系統，當車輛用電量較小時，每2輛或3輛車共用一套獨立供電裝置，此時安裝有發電設備的客車稱為母車，不帶發電設備的車稱為子車，子、母車之間通過車端電力連接器溝通車內輸電線。

在指導教師的引導下，在客車車輛段的技術作業站中找出22型、23型客車，或通過多媒體資料找出以下兩種類型的供電方式的客車或相關資料，說明這種供電方式的基本特點。

（1）車軸發電機供電

如圖1-7所示是采用車軸驅動的發電機與蓄電池組并聯向客車負載供電，普通22型和23型客車就是采用這種供電方式。教師組織學員簡單分析48V供電系統的基本組成和原理。

（2）小型柴油發電機組供電

如圖1-8所示為單車30kW柴油發電機組供電裝置，由圖1-8可知這種供電方式是在客車底部裝設小型柴油發電機組向負載供電，這種供電方式適用于單獨或分開連掛且裝有空調裝置的軟臥車、宿營車和別的類型的客車。如我國生產的RW22型空調軟臥車和YW22B型宿營車采用的就是這種供電方式。

2.集中供電

（1）柴油發電車集中供電

如圖1-9和圖1-10所示分別為采用康明斯和MTU柴油發電機組驅動的兩種供電裝置，這種供電裝置的基本特點是由專門的供電裝置向整列車的負載進行供電，適用于用電量較大并且是固定編組的列車（如全列空調客車）。

發電車的柴油發電機組集中供電電壓一般為三相線400V、相壓220V、頻率50Hz，通過車端電力連接器分兩路向客車送電。這種供電方式的優點是用電負載和控制器件可直接采用民用產品，但所需的輸電干線截面積較大，干線穿管施工難度大，對連接器插頭與插座間接觸電阻要求非常嚴格（小于0.0008Ω）。

（2）電氣化區段的接觸網DC 600V供電制式

我國鐵路電氣化接觸網供電的額定電壓為單相工頻25kV，由接觸網供電的旅客列車，通過客運電力機車主變壓器，將受電弓取得的單相工頻25kV的電壓，轉變為DC 600V的直流電壓，輸送給所牽引的客車。主要特點是：空調機組電動機為三相異步電機，三相電源由分散于每輛客車中的三相逆變器供電；采暖電加熱器與電開水爐由降壓變壓器提供220V的單相電源；照明與通風機由帶有充電機的蓄電池組供電并通過變換器變換成交流電，以保證摘掛機車時也能正常工作。

要明確：由接觸網供電的客車，由于輸電電壓較高，因此輸電干線與車端電力連接器必須具有良好的絕緣性能，以保證輸電安全。

下面以SS8型電力機車供電系統為例來認識供電系統的主要配件和結構。

①機車供電裝置

如圖1-11所示，SS8型機車受電弓接收由電網輸送過來的25kV單相交流高壓電，經降壓后，采用2套獨立工作的單相半控整流裝置將單相交流電整流成2路直流電，每路額定輸出電壓600V、電流670A、容量400kW，通過機車兩端供電輸出插座KC20D分別向列車供電。DC 600V機車供電系統優點如下。

a.機車采用整流方式提供DC 600V電源，技術成熟、可靠性高。

b.采用兩路供電方式，具有一定冗余；一路電源故障時，另一路仍可向客車供電。

c.各車廂變流器放在車下，不占用車上有效空間。

d.取消了發電車。

e.各車廂獨立性強，列車編組靈活。

f.DC 110V全列貫通，各車廂DC 110V供電系統互補性強、可靠性高。

g.供電系統可集中控制，操作簡單，可實現DC 600V/AC 380V兼容供電。

②客車供電裝置

客車供電裝置由車端連接器、列車供電干線、配電柜、逆變器、蓄電池組、充電器、空調控制柜、照明控制柜等部件組成，圖1-12和圖1-13所示分別為DC 600V電力連接器和DC 110V電力連接器。

機（動）車提供的兩路DC 600V電源通過車端連接器引入配電柜，配電柜將其中一路輸入逆變器及充電器。逆變器將DC 600V變換成三相380V/50Hz交流電，通過配電柜向電開水爐、溫水箱、廢排風機等用電負載供電，并通過空調控制柜向空調機組供電。

充電器將600V直流電變換成110V直流電，向蓄電池組充電，同時通過照明控制柜向車內照明及供電裝置控制系統等負載供電。每輛車設蓄電池組，蓄電池組與110V干線間采用二極管隔離。車內采用日光燈照明，照明變換器將110V直流電變換成220V交流電。

空調控制柜、變流器、充電器的控制電源均受配電柜控制。配電柜控制電源受機（動）車控制。

a.連接器

車端連接DC 600V采用KC20D型電力連接器，外形及安裝尺寸與KC20A型電力連接器相同。4對接觸對的容量相同，2對作為DC 600V正線連接，2對作為DC 600V負線連接。

DC 110V采用SL21型電力連接器，2對接觸對的容量相同，1對作為DC 110V正線連接，1對作為DC 110V負線連接。

集控線通過集控連接器中2～4對接觸對相連（動車組需4對）。

b.配電柜

如圖1-14所示為空調客車配電柜的內部結構圖。配電柜里設有DC 600VⅠ路、Ⅱ路供電選擇電路，可以方便地選擇其中一路向變流器、充電器供電，設有多路380V、220V交流供電電路，將變流器輸出的交流電分別向溫水箱、電開水爐、客室電加熱器、廢排風機及其他負載供電。

配電柜內設有本車漏電檢測，檢測本車DC 600V供電線路及三相交流負載的對地絕緣電阻，當對地絕緣阻值小于（24±0.15）kΩ時，漏電檢測輸出繼電器不閉合。DC 600V供電接觸器不吸合，DC 600V停止向本車廂供電。

c.逆變器

如圖1-15所示為25T型客車的逆變器的結構圖，逆變器將DC 600V變換成三相380V、50Hz交流電，以滿足車輛設備用電需要。逆變器采用電壓型橋式逆變電路，其功率開關器件為IGBT元件；控制電路采用計算機控制，具有貫穿短路、過壓、欠壓、過流、散熱器過熱等保護功能以及IGBT元件故障和電子控制故障檢測功能。為解決散熱及防雨雪、防風、防臟物、防飛石碰撞問題，逆變器采用整體密封、整體散熱的箱體結構。逆變器具有延時（15s）輸出功能；列車過無電區時，逆變器采用VVVF自動控制啟動方式，電動機啟動電流沖擊小。逆變器具有承受負載沖擊的能力，空調壓縮機開停時，逆變器不會發生停機后再啟動現象。主電路主要由DC 600V隔離接觸器、充電電阻、充電電阻短接接觸器、快速熔斷器、電容和電壓測量裝置、開關元件IGBT、吸收模塊、交流側隔離接觸器等組成。雙逆電源中2個逆變器的主電路結構完全一致，其中一臺逆變器的輸出接一個隔離變壓器，將AC 380V降為AC 220V。為避免逆變器工作在空載狀態及冬季采暖工況時輸出電壓降低，由空調控制柜提供“系統工作信號”、“電熱信號”?？刂葡到y內部有故障診斷和記憶功能，檢測到故障信號時自動將逆變器切除。雙逆電源中2臺逆變器的控制相互獨立，其中一臺逆變器有故障不能正常工作時，另一逆變器正常工作。面板上有工作狀態、故障狀態指示燈。

d.DC 110V供電裝置

如圖1-16所示為25T型客車110V電池組的實物圖，DC 110V供電裝置有充電器、蓄電池組等部件組成。蓄電池組采用7、8節中倍率堿性蓄電池（20km/h電力動車組采用德國產鎳鎘免維護電池），額定電壓93.6V、容量為100A·h、額定充電電壓為115V、最大允許充電電流為25A。充電器將600V直流電變換成110V直流電，向蓄電池充電的同時向DC 110V用電負載供電。充電器采用高頻DC-DC變換技術，其功率開關器件為IGBT元件?？刂齐娐肪哂卸搪?、過壓、過流、散熱器過熱、蓄電池接反等保護措施。主電路采用橋式電路，開關頻率20kHz，具有效率高、質量輕、體積小、避開了音頻噪聲區等優點。充電器具有限流恒壓充電功能，符合蓄電池充電特性要求（最大充電電流為25A）。具有蓄電池低壓保護功能，當電池電壓低于93.6V時，自動切斷大電流負載。電網供電中斷后再恢復時，能夠自動投入正常運行。