鐵路客車AC380V供電設(shè)計(jì)技術(shù)

1、鐵路客車AC380V供電設(shè)計(jì)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(fù)荷計(jì)算、發(fā)電機(jī)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(jí)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(jì)。 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(jī)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(jì)步驟和設(shè)計(jì)內(nèi)容等方面闡述AC380V供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。2設(shè)計(jì)步驟2.1.1技術(shù)規(guī)范對(duì)AC380V供電系統(tǒng)的有關(guān)規(guī)定;2.1.2總體設(shè)計(jì)、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(jì);2.2設(shè)計(jì)定位(設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)、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(jì)前對(duì)整個(gè)系統(tǒng)以下幾個(gè)主要方面進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)證:系統(tǒng)供電方式、系統(tǒng)容量計(jì)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(jī)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(yàn)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(jī)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(jī),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(fù)荷不同,柴油發(fā)電機(jī)組的容量配置一般在3050kVA。 4 負(fù)荷計(jì)算如何正確地計(jì)算車輛用電負(fù)荷,是保證車輛安全可靠供電的重要前提。進(jìn)行車輛電力負(fù)荷計(jì)算的主要目的就是為了正確選擇車輛發(fā)電站發(fā)電機(jī)的容量,各種電氣設(shè)備的型號(hào)、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(fù)載對(duì)稱時(shí): 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(fù)荷,應(yīng)從用電設(shè)備以下幾個(gè)方面進(jìn)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(jì)算負(fù)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(jì)算負(fù)荷:COS P S = ; d. 同期使用系數(shù):x K ; e. 計(jì)算電流:cos 3U pI =; 一輛車的總用電負(fù)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(jì)算全列負(fù)荷,則全列最大負(fù)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(gè)范圍。特殊編組列車可按實(shí)際編組情況計(jì)算全列負(fù)荷。4.5以25G 型車為例單車計(jì)算負(fù)荷,以25G 硬座高寒車為例,見表1表1 25G 硬座車高寒車負(fù)載表 計(jì)算負(fù)荷(kW序號(hào) 設(shè)備名稱 P(kW cos S (kVA數(shù)量 總負(fù)荷(kVA 同期使用系數(shù) 夏季負(fù)載冬季負(fù)載1電開水爐 4.5 0.8 5.63 1 5.63 0.4 2廢排風(fēng)機(jī) 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(jī) 5.7 0.8 7.13 4 28.52 0.8 冷凝風(fēng)機(jī) 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(jī) 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(fù)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(fù)荷計(jì)算,=S K P X 總,夏季總負(fù)荷:29.7 kVA,冬季

8、總負(fù)荷:49.2 kVA。一輛車的用電負(fù)荷,我們不能簡單的功率疊加,以上的負(fù)荷計(jì)算為估算。編組列車負(fù)荷計(jì)算,這里以18輛硬座車加一輛發(fā)電車編組計(jì)算,總的用電負(fù)荷為:總P 18=18×49=882kVA。整列編組計(jì)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(jī)組容量確定發(fā)電機(jī)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(jì)算,一般25G 型AC380V 車大約耗電4050 kVA,每列車大約18輛編組,總負(fù)荷720900 kVA,根據(jù)實(shí)際情況的需要,夏季最熱或嚴(yán)冬最冷時(shí),電量最大;而在春秋兩季一般情況下,全列車總負(fù)荷也就260kVA 左右。因此,柴油發(fā)電機(jī)

9、組采用3臺(tái)300kW 機(jī)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(duì)于一列車而言,輸電干線應(yīng)滿足全列負(fù)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(fù)荷按850kVA 計(jì)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(xiǎn)系數(shù),列車供電設(shè)計(jì)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(shí)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(cè),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(jìn)行計(jì)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(hù)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(jī)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(tái)柴油發(fā)電機(jī)組組成,輸出兩路供電干線,三臺(tái)發(fā)電機(jī)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(jī)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(fù)給本車直流負(fù)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(jī)組為核心,可分為柴油發(fā)電機(jī)、穩(wěn)壓電源、UPS電源、充電機(jī)、逆變器、電池組等。柴油發(fā)電機(jī)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(cè)設(shè)

13、備等重要負(fù)載供電;穩(wěn)壓電源主要將輸入的AC220V電源穩(wěn)定在一個(gè)特定的范圍內(nèi),以提高電源品質(zhì)給車上打印機(jī)、電腦等要求電源品質(zhì)較高的負(fù)載使用;充電機(jī)給本車直流負(fù)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(jī)、插座、洗衣機(jī)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(jī)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(bào)警器、防滑器、應(yīng)急照明燈具、煙火報(bào)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(fù)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(fù)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(tái)柴油發(fā)電機(jī)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(hào)機(jī)組和3號(hào)機(jī)組可以實(shí)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(hào)機(jī)組可實(shí)現(xiàn)向I路或II路供電,與1號(hào)機(jī)組或3號(hào)機(jī)組進(jìn)行分路供電。另外一種供電方式是全路供電,

15、當(dāng)1號(hào)機(jī)組或2號(hào)機(jī)組向I路供電時(shí),此時(shí)將聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘,II路干線也有電; 當(dāng)3號(hào)機(jī)組或2號(hào)機(jī)組向II路供電,此時(shí)將聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘,I路干線也有電。這樣就實(shí)現(xiàn)了全路供電。發(fā)電車的三臺(tái)機(jī)組可同時(shí)向輸電干線進(jìn)行全路供電。例如1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組并車全路供電時(shí),3號(hào)機(jī)組也可同時(shí)進(jìn)行全路供電。此種情況下就要求2號(hào)機(jī)組與1號(hào)機(jī)組和3號(hào)機(jī)組中其中的一個(gè)機(jī)組進(jìn)行并車。發(fā)電車的并車操作為了滿足負(fù)載率增加或保證機(jī)組切換不間斷供電的要求,并車時(shí)常常需要將一臺(tái)或二臺(tái)機(jī)組并入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行。屏內(nèi)安裝一臺(tái)PIG21型同步脈沖發(fā)生器,通過輸入輸出信號(hào)的變換,可對(duì)各主開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)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(hào)機(jī)組的主開關(guān)已合閘,向路干線供電;此時(shí)如需并2號(hào)機(jī)組,則需將并車轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置,同時(shí)按下并車接通按鈕,此時(shí)同步表S開始旋轉(zhuǎn),同步脈沖發(fā)生器開始投入工作,進(jìn)行等待,并與網(wǎng)電壓相位關(guān)系及頻率的信號(hào)比較,待達(dá)到網(wǎng)電同步時(shí),發(fā)出合閘脈沖信號(hào),2號(hào)機(jī)組的主開關(guān)自動(dòng)合上,同步表停止旋轉(zhuǎn),此時(shí)1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)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(tái) CUMMINS KT19-G2型柴油機(jī)和三臺(tái)IFC-5 300kW 三相無刷同步發(fā)電機(jī)以及其它附屬系統(tǒng)一起組成列車移動(dòng)電站,向整列空調(diào)列車供電?？刂破劣?號(hào)機(jī)組控制屏、2號(hào)機(jī)組控

17、制屏、3號(hào)機(jī)組控制屏、 集控/本車控制屏組成。三臺(tái)機(jī)組分別有四個(gè)檢測(cè)控制回路:電壓檢測(cè)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(cè)控制回路分別承擔(dān)著對(duì)三臺(tái)柴油機(jī)的啟動(dòng)、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(shí)控制屏也可以對(duì)三臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓、電流、頻率、功率和功率因數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和顯示,發(fā)電機(jī)控制屏設(shè)有發(fā)電機(jī)過電流、逆功率、發(fā)電機(jī)繞組高溫報(bào)警、高水溫報(bào)警和停機(jī)保護(hù)功能,以保證機(jī)組的正常運(yùn)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(jī)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(jìn)行合理的分配,也是鐵路客車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的部分。電能的分配,要考慮以下幾個(gè)方面的因素:用電設(shè)備的電壓制式,用電設(shè)備對(duì)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(jìn)行合理的分配,必須將全車用電設(shè)備進(jìn)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(duì)車輛電能進(jìn)行合理分配。此外,對(duì)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(jì)中一個(gè)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(dú)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(jì)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(cè)控制系統(tǒng),對(duì)車輛重要電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)車輛的行車和用電安全進(jìn)行監(jiān)控。例如:防滑器和軸溫報(bào)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(diǎn)負(fù)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(shí)現(xiàn)全列貫通,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖7,該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛用電安全的監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)對(duì)軸溫報(bào)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(jī)柜、逆變電源柜、穩(wěn)壓電源柜,有的還設(shè)有UPS電源柜等。總之,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(jì)電氣安全主要包括人身安全與設(shè)備安全兩個(gè)方面。電氣設(shè)計(jì)除滿足其基本功能外,還應(yīng)該考慮用電安全和電器保護(hù)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(duì)對(duì)人造成傷害,對(duì)設(shè)備造成損害,因此電氣安全設(shè)計(jì)在AC380V的電氣系統(tǒng)中必不可少,其目的是為保護(hù)人身和電器安全。電氣安全設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容:漏電保護(hù)、短路保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)等。鐵路客車AC380