任務4　25型空調客車供電系統(tǒng)認知

【活動場景】

在我國鐵道車輛客車供電檢修車間、具有客車供電試驗裝備（設施）或供電模型的試驗室，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.了解國內、外鐵道車輛供電電源技術的發(fā)展概況。

2.掌握空調客車供電系統(tǒng)的基本工作原理和特點。

3.了解空調客車供電系統(tǒng)的經濟效益。

【知識準備】

25型鐵路空調客車包括25A型、25B型、25G型、25K型和25T型，其中25T型是技術含量最高的一種，25型鐵路空調客車供電系統(tǒng)是為鐵路客車25型車上電氣負載和自動化裝置提供電能的裝置，有單獨供電、集中供電和混合供電三種方式。為提高旅客乘坐的舒適度，現代鐵路客車上均安裝了空調、冰箱、信息顯示等設備，平均每輛車所需的用電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，有直流的，也有交流的，這就相應地對列車供電系統(tǒng)提出了很多新的要求。

1.國外鐵路空調客運列車供電系統(tǒng)簡介

目前，國外高速客運鐵路發(fā)展的典型代表日本、法國、德國等發(fā)達國家的旅客列車供電系統(tǒng)已普遍采用了靜止變流器供電方式，這種供電方式有可靠性高、與列車網絡融合、自動化程度高、維護操作簡便等優(yōu)點。德國ICE系列、法國TGV系列、意大利ETR系列、西班牙AVE系列高速動車組以及日本的新干線列車等均采用了這種供電方式。

（1）德國ICE系列車型供電系統(tǒng)

德國的ICE系列車型采取分散變流方式，ICE-1、ICE-2采用單相交流供電母線的方式，由牽引變壓器將接觸網單相AC 15kV電壓降至AC 1000V，通過供電母線直接對各車供電，再由各車上配置的變壓器或交—直—交變流器轉換為本車電器需要的電壓對本車電器供電。ICE-3、ICE-T則采用直流供電母線的方式，在變壓器車上配置整流器，輸出DC 670V，然后通過供電母線對各車供電，再由各車上配置的逆變器或變流器轉換為本車電器需要的電壓對本車電器供電。

（2）法國TGV系列車型供電系統(tǒng)

法國的TGV系列車型采取相對集中變流方式，列車同時設置直流供電母線和交流供電母線。在列車編組中某2輛或幾輛車幾部各配置1臺中功率變流器，變流器通過DC 500V供電母線得電，輸出兩相交流380V，通過各自相連的不同三相交流供電母線對各車負載供電。

2.我國鐵路空調客車供電方式的發(fā)展歷程

（1）發(fā)電車集中供電系統(tǒng)

發(fā)電車集中供電是從20世紀90年代初開始在我國鐵路推廣應用的一項技術。發(fā)電車相當于一個移動電站，通常車內配置有3臺300kW柴油發(fā)電機組，主要機型為KTA 19-G2型和MTU 12V 183TA 12型，采用交流三相四線制，2路供電，電壓AC 400/230V、50Hz，車端設有KC20電力連接線，可從發(fā)電車任一端與列車連掛，主干線負載容量按20輛計算，不小于600kW。

在發(fā)電車集中供電的空調列車中應用了柴油機發(fā)電技術、車載單元空調制冷采暖技術、AC 220V照明及應急電源技術、集中軸溫報警技術和GPS衛(wèi)星地面遙感等技術。雖然具有供停電靈活、方便，不受線路、天氣及機車限制，供電故障率低，機組間相互干擾少等優(yōu)點，但也存在以下幾個方面的缺點：

①發(fā)電車柴油發(fā)電機組噪聲、廢氣污染問題嚴重，雖然進行了一定改造，如加消聲器等，但并不能解決根本問題。

②需要消耗大量的石油產品。眾所周知石油是十分重要的戰(zhàn)略資源，而我國早已成為石油進口大國，隨著我國經濟的快速發(fā)展，對石油的需求也會越來越大。只有減少對石油的依賴，才是保證鐵路運輸這個國民經濟大動脈的根本出路。

（2）空調客車DC 600V供電系統(tǒng)

從2004年開始，我國鐵路第五次大提速，鐵路空調客車大范圍采用電力機車DC 600V供電的形式。DC 600V列車供電系統(tǒng)的研制、運用填補了我國鐵路機車向客車供電的空白，目前我國鐵路的高速列車及動車組均采用DC 600V供電系統(tǒng)。DC 600V旅客列車供電系統(tǒng)是鐵路機車車輛工程中的重要系統(tǒng)，它確立了中國鐵路旅客列車新的供電制式，是中國鐵路客運旅客列車發(fā)展中的一項重要技術進步。DC 600V系統(tǒng)在吸取法國TGV、德國ICE、日本新干線以及歐洲多電壓制列車供電系統(tǒng)特點的基礎上，根據我國旅客列車的具體情況，進行了優(yōu)化設計。利用牽引網電能通過機車向旅客列車供電，以達到甩掉發(fā)電車，實現提高列車運輸能力、節(jié)能、環(huán)保和運行高速化的目的。

3.空調客車DC 600V供電系統(tǒng)

（1）空調客車DC 600V供電系統(tǒng)的工作原理

DC 600V旅客列車供電系統(tǒng)采用機車集中整流、客車分散逆變的方式，構成了旅客列車交—直—交變流供電系統(tǒng)。電力機車將25kV電網單相交流電降壓、整流、濾波成DC 600V，向客車供電；客車本車配置逆變電源及充電器，根據用電設備的需要，將機車提供的DC 600V變換成單相、三相交流電及DC 110V。配電及控制屏柜保證設備配電及安全保護。為保證照明及控制系統(tǒng)的可靠工作，客車設置了DC 110V蓄電池組，解決了列車通過分相段無電區(qū)的難題。系統(tǒng)采用兩套獨立供電電路，具有一定的冗余設計。直—交變流器安裝在車下，不減少車廂定員。獨特的機車車輛兩級保護系統(tǒng)實現故障自動切除。系統(tǒng)具有集中控制、自動啟動、自動復位、操作簡單等特點。供電系統(tǒng)及其部件具有完全的自主知識產權，成本價格低，配件供應充足。

機車部分DC 600V供電系統(tǒng)的基本工作過程是：電網通過電力機車向空調旅客列車供電，在電力機車的主變壓器上增加2個列車供電繞組，將受電弓接收的25kV單相交流高壓電降壓；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DC 600V電源，通過KC20D電氣連接器向空調列車母線供電，電力機車供電的主電路原理圖如圖1-17所示。

空調客車部分DC 600V供電裝置由車端連接器、列車供電干線、配電柜、變流器、蓄電池組、充電器、空調控制柜、照明控制柜等部件組成。客車供電系統(tǒng)主電路工作原理圖如圖1-18所示。機車提供的兩路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變流器及充電器。變流器將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，向蓄電池充電的同時通過照明控制柜向車內照明及供電裝置控制系統(tǒng)等負載供電。每輛車設蓄電池組，蓄電池組與110V干線間采用正負隔離。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。在車廂內，兩路DC 600V首先進入電源控制柜，電源控制柜將輸入的DC 600V電源進行分配，供給逆變器和充電器。逆變器將DC 600V電源，變換成AC 380V電源，并輸出到空調控制柜內，供給空調機組，充電器將DC 600V電源變換成DC 110V，供本車蓄電池充電和照明等其他用電負載用。

（2）空調客車DC 600V供電系統(tǒng)的主要特點

①機車采用單相相控整流或全波整流方式提供DC 600V電源，采用2路供電，具有后備電源。

②采用了逆變技術，各車廂逆變器放在車下，不占用客車上部空間。

③各車廂獨立性強，列車編組靈活。

④控制系統(tǒng)采用DC 110V供電，供電系統(tǒng)互補性強、可靠性高。

⑤采用了大功率高頻開關電源。

⑥供電系統(tǒng)實現集中控制，操作簡單，可減少車輛乘務員人數。

⑦實現全列行車安全和空調參數網絡監(jiān)控，并可與地面聯網。此外由于不用加掛發(fā)電車，可多編掛1輛客車，增加運力及收入。

4.25T型空調客車DC 600V供電系統(tǒng)的經濟效益和社會效益簡要分析

（1）經濟效益

從基本投資上分析：1輛DC 600V機車供電的25T型空調客車與1輛25K型空調客車主要供電設備的投資相比，電氣控制及網絡系統(tǒng)增加約6.5萬元，逆變電源和充電器約22萬元，蓄電池約3.2萬元。按18輛客車、1輛機車編組計算，機車供電列車總投資額增加約593.6萬元。1輛發(fā)電車的價格為380萬元（康明斯機組）和420萬元（MTU機組），平均按400萬元計算，由此可以計算出，采用機車供電的每列客車比采用發(fā)電車供電的每列客車增加的投資額約為193.6萬元。

從維修投資上分析：1輛大功率發(fā)電車1年中消耗小修費1.5萬元，中修費8萬元（3年平均計算），大修費20萬元（7年平均計算），日常維修費約2.2萬元，共計費用31.7萬元。根據西安—北京Z19/20次列車1年的運用考核，發(fā)現機車供電客車的器件損壞率較低。逆變器更換了18個器件，1組IGBT模塊，2個控制板，充電器更換了3組IGBT模塊，配電柜更換了指示儀表，共計費用約12萬元。機車供電方式的列車與大功率發(fā)電車供電方式的列車相比，其維修費用將減少19.7萬元。

從能源消耗分析在相同負載條件下，發(fā)電車供電和機車DC 600V供電的用電量是一致的，但由于柴油發(fā)電機組是靠燃油發(fā)電，存在能量轉換效率問題，因此機車供電能源費用比大功率發(fā)電車節(jié)約至少10萬元。從人員費用上分析采用機車供電方式，每列車可減少2～3名發(fā)電車乘務員，同時由于采用網絡監(jiān)控技術，可以減少2～3名乘務員，按1.5萬元/（人·年）計算，1列車可減少6萬元左右的人工費。

從客運收入上分析機車供電后，由于甩掉了發(fā)電車，可多掛1輛客車，按西安—北京間硬臥定員66人、客滿率60％、票價243元/人、全年350天（15天維修）計算，全年客運收入增加337萬元。

從經濟效益分析，1列采用電網供電的空調列車與1列采用大功率發(fā)電車的空調列車相比，雖然投資費用增加了193.6萬元，但全年直接經濟收入增加372.7萬元，這樣除第一年購車需要投資193.6萬元、直接經濟效益為179.1萬元外，以后每年的經濟效益增長為372.7萬元以上。

（2）社會效益

采用DC 600 V列車供電系統(tǒng)后，在車站與鐵路沿線，因每輛大功率發(fā)電車造成的85dB（A）以上的噪聲污染隨之消失；采用DC 600V列車供電系統(tǒng)后，車站與鐵路沿線因每輛大功率發(fā)電車造成的每年近400t柴油的燃油污染隨之消失；每列車甩掉1輛發(fā)電車而多掛1輛客車，18列空調客車甩掉18個發(fā)電車后改為DC 600V供電，相當于增加了1列車的運能。同時，發(fā)電車的存在也不利于列車提速；新技術的應用為乘務體制的改革提供了有力的技術支持，達到減員增效的目的。

5.空調客車DC 600V供電系統(tǒng)在運用中存在的問題及建議

DC 600V供電系統(tǒng)投入運行以來，總體性能一直比較穩(wěn)定，故障率比較低，具有操作簡單、維修費用低等優(yōu)點。但在擴大運用過程中發(fā)現了一些問題：如變換器的輸出電壓波形對小電動機等負載絕緣壽命的影響；變換器的輸出電壓調制頻率對內燃動車接地保護電路電流的影響；變換器車上、車下分體結構接線麻煩，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。為解決上述問題，目前，在制定供電系統(tǒng)及其主要部件的技術要求及試驗檢驗方法，對變換器等主要部件的性能提出了新的要求，如對變換器輸出電壓波形電壓上升率、重復電壓最大值、輸出電壓的諧波含量作了新規(guī)定；變換器將采取主電路、控制電路一體結構，使車上、車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、充電器采用放在車下（指單層車）安裝方式，以便改善配電間環(huán)境等。可以相信，供電系統(tǒng)中各部件按新的要求進行改進、對產品質量按規(guī)定要求進行嚴格和管理、進一步提高車輛供電系統(tǒng)總裝水平后，DC 600V供電系統(tǒng)一定會有良好的運用可靠性。DC 600V供電系統(tǒng)目前從運用中已反映出較多問題，需不斷完善，以下簡單談談需改進的兩個方面。

（1）機車DC 600V電源供電品質有待提高

機車DC 600V電源是供電系統(tǒng)的關鍵，從目前25T型、動車組及25G型DC 600V運用情況可知，其供電電源不是十分可靠。機車輸出電壓經常在500～700V間振蕩，電壓波動不穩(wěn)，極易導致逆變器、充電器發(fā)生保護停機或損壞，僅2008年6月份，西安客車車輛段就發(fā)生7起供電電壓不穩(wěn)而停電故障，并且部分機車帶載能力較差，需對其供電控制系統(tǒng)進行冗余改造，提高機車電源帶載能力。夏季溫度高時，特別是始發(fā)時，列車負載較大，機車送電困難，客車空調完全不能使用。即便車輛段采用應急處理措施，始發(fā)時逐輛半載加載，建議合理地選擇電力機車電源的濾波電抗，消除供電系統(tǒng)可能出現的低頻振蕩，對機車負載進行冗余改造，目前機務段已逐步進行改造，改造后的效果比較良好。

（2）逆變器故障較多

25G型各次列車逆變器故障很多，特別是當夏季負載較大時，由于每節(jié)車廂只配置了1臺逆變器，一旦出現故障，該節(jié)車空調機組將停止工作，車內舒適度急劇變差，旅客反映強烈。但25T型DC 600V逆變器問題相對較少，關鍵是每節(jié)車配備有2臺逆變器，互為備用，這樣就有一半的富余，不是很經濟。因此可考慮每節(jié)車廂只配備1臺逆變器，這樣整列車的備用逆變器（功率設計可達100kV·A）采用單路AC 380V供電形式，連接線前后貫通。一旦某節(jié)車逆變器出現故障時，即可由該備用逆變器供電，既可減少逆變器的配置數量，又可保證逆變器出現故障時能及時供電，確保空調良好。當然備用應急逆變器只能提供1、2節(jié)車廂的負載。這是基于運用中單節(jié)車廂逆變器出現問題遠比同時2節(jié)或多節(jié)車廂逆變器出現問題的幾率要高，這樣改動比較經濟適用，當然最關鍵的是提高逆變器的質量和可靠性。

客運列車供電系統(tǒng)為滿足列車上電器不斷增多的要求、服從列車總體布置的需要以及保證有良好的社會及經濟效益，普遍采用靜止變流器供電方式，這已成為客運列車供電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢與方向。DC 600V旅客列車供電系統(tǒng)確定了中國旅客列車新的供電模式，填補了機車向客車供電的空白，達到國際先進水平。DC 600V供電系統(tǒng)是既符合先進技術的發(fā)展方向，又符合我國鐵路運用特點的供電方式之一，未來將會有更大的發(fā)展。

【任務實施】

本次任務建議在鐵道車輛電源技術的檢修工作現場或車輛供電試驗室進行，以鐵道車輛空調電氣控制柜常見簡單故障處理為例來完成，目的在于更深層次地認知鐵道空調客車供電方式的基本技術和技能。

1.作業(yè)方法、步驟

（1）發(fā)現故障（由技術人員或指導教師設置2件以上的故障）；

（2）根據原理圖和故障現象分析原因，判斷故障所在環(huán)節(jié)；

（3）排除故障。

2.質量標準

（1）經處理后的控制柜能恢復正常工作；

（2）不擴大故障范圍或造成新故障；

（3）處理程序符合要求，處理過程中無電器打火、冒煙現象；

（4）各元器件安裝要符合要求。

3.安全注意事項

（1）故障處理時，務必切斷電源，同時掛上作業(yè)警示牌，不帶電處理故障；

（2）正確使用各測量儀表、工具（如萬用表、試電筆、電流表等），確保設備和人身安全。

4.典型案例分析

案例1　空調控制電源不供電

（1）控制開關Q跳開或損壞；

（2）時間繼電器KL損壞或接觸不良；

（3）高低壓損壞或接觸不良。

案例2　制暖系統(tǒng)不工作（通風機工作正常）

（1）SA1的5-6、7-8、9-10接觸不良；

（2）溫控儀ATC不工作；

（3）KA3、KA4損壞或接觸不良；

（4）轉換繼電器KL損壞；

（5）時間繼電器KT1、KT2損壞；

（6）交流接觸器KM8、KM9損壞；

（7）熱保護元件FT3、FT4跳開；

（8）熔斷器FuT1、FuT2熔斷。

案例3　通風機不工作或只有強（弱）風一種

（1）轉換開關SA1的觸點1-2、3-4接觸不良或SA2的觸點1-2、3-4接觸不良；

（2）KM1、KM2或KM3損壞；

（3）熱繼電器FR1動作或損壞；

（4）通風機1M損壞。

案例4　制冷系統(tǒng)不工作（通風機工作正常）

（1）SAl的7-8、9-10、11-12接觸不良，SA3的觸點接觸不良；

（2）溫控儀ATC損壞；

（3）KA3、KA4損壞或接觸不良；

（4）熱繼電器FR4跳開或損壞，KM4損壞；

（5）KM6、KM7損壞；

（6）壓力保護器件FP1、FP2動作跳開；

（7）低溫保護元件FT1、FT2動作；

（8）壓縮機過流繼電器FA6、FA7動作；

（9）壓縮機電機6M、7M損壞；

（10）因漏氟造成壓縮機工作但不制冷。

以上這些故障處理方法主要是查找原因，接觸不良者應予以修理，不能修繕的或損壞的元器件則更換。