淺析動車組的輔助供電系統

張文斌,宮衛南

(1 鐵道部駐長春車輛驗收室,吉林長春130062;2 長春軌道客車股份有限公司,吉林長春130062)

列車輔助供電系統的可靠性、可用性、安全性非常重要,以高速動車組為依據,對輔助供電系統在動車組上的應用及主要性能進行研究,將會給列車的輔助供電技術發展提供一些借鑒,為列車安全、高速、舒適的運行提供行之有效的保障,具有重要的應用價值。

1 輔助供電系統的基本原理及組成

動車組為動力分散的交流傳動系統,8輛編組,分為2個單元,4動4拖。動車組輔助供電系統原理圖如圖1所示。

圖1 輔助供電系統原理圖

1.1 輔助供電系統組成

輔助供電系統主要包括輔助變流器、充電機、蓄電池、單相逆變器、單相變壓器等部件。動車組共設有4臺輔助變流器,2車和7車上各裝有一個單輔助變流器,在4車和5車中各裝有一個雙輔助變流器;充電機和蓄電池只在4車和5車設置;單相逆變器和單相變壓器每車都有設置。所有輔助變流器輸出通過干線并聯在一起為中壓負載供電,所有充電機與蓄電池輸出也通過干線并聯在一起為低壓負載供電。另外為了方便車輛檢修,在兩個雙輔助變流器各設置1個庫用插座。

1.2 輔助供電系統工作原理

輔助變流器的輸入電源為DC3 000 V,取自牽引變流器的中間直流環節。在動車(1車、8車、3車、6車)上各裝有一個牽引變流器,正常情況下2車和7車上的單輔助變流器,分別連接至1車、8車內的牽引變流器的中間電路。在5車和4車上的雙輔助變流器,分別連接至3車 、6車內的牽引變流器的中間電路。在每個牽引單元的雙輔助變流器和單輔助變流器的輸入側均設有冗余設計,當一個單元中的一個牽引變流器出現故障時,正常工作的一個牽引變流器,可為本單元的全部輔助變流器供電。

所有輔助變流器的輸出端都連接到列車母線上,同步提供三相交流440 V、60 Hz的電源。母線貫穿整個列車,出現故障時,通過斷開輔助變流器的輸出接觸器可實現隔離。輔助變流器裝置通過三相交流440 V、60 Hz母線全部實現同步,無需單獨的同步線。空調系統、充電機、主空氣壓縮機、主變壓器與牽引裝置的冷卻系統為三相交流440 V、60 Hz電源的主要用電設備。

充電機連接到三相交流440 V、60 Hz供電母線上。充電機輸出電壓為DC110 V,通過DC110 V供電母線為DC110 V用電負載供電。充電機只能為本車蓄電池充電。DC110 V母線貫穿整個列車,分為 BD、BN1、BN23種。BD為不間斷電源,即不通過觸點開關等中間環節直接將供電母線與蓄電池連接,BN1、BN2為常規電源,通過觸點開關將供電母線與蓄電池連接。蓄電池為車載應急電源,在充電機故障時保證車輛重要負載的工作。

動車組每節車都配有單相逆變器,由DC110 V供電母線供電,并為每節車提供單相交流230 V、50 Hz電源,方便旅客使用。各車之間的單相交流230 V、50 Hz電源并不連接。另外,動車組每節車都配有單相變壓器,由三相交流440 V、60 Hz供電母線供電,并為每節車提供單相交流230 V、50 Hz電源,為列車中的低功率加熱裝置供電。各車之間的單相交流230 V、50 Hz電源并不連接。

為了能夠在高壓設備接地或列車停車時操作三相交流440 V、60 Hz列車母線的組件,可以為三相交流440 V、60 Hz列車母線提供三相交流380 V、50 Hz外部電源,電源插座設在4車和5車的雙輔助變流器上。整個動車組的外部電源通常僅由兩個輔助變流器裝置中的一個提供。

2 輔助供電系統主要部件的性能及參數

2.1 輔助變流器

輔助變流器的功能是把牽引變流器中間直流環節的直流電轉換為3AC 440 V、60 Hz交流電,為車載設備提供中壓電源。分單輔助變流器和雙輔助變流器兩種。輔助變流器裝置安裝在車下。輔助變流器中裝有功率半導體、開關裝置、保險絲、控制系統組件、冷卻系統組件和電感組件。輔助變流器裝置通過強制風冷系統冷卻。單輔助變流器和雙輔助變流器的原理圖分別見圖 2、圖 3。

圖2 單輔助變流器簡化原理圖

輔助變流器的主要技術參數:

輸入電壓:DC 2 700～3 600 V;

輸出電壓:3 AC 440 V、60 Hz;

額定功率:1×160 kVA(單輔),2×160 kVA(雙輔);

控制電壓:DC 110 V。

2.2 充電機

充電機的功能是把三相交流電轉換為DC 110 V電源,對蓄電池組進行充電,同時向與充電機并聯的負載供電。

圖3 雙輔助變流器簡化原理圖

充電機的主要技術參數:

輸入電壓:3 AC 440 V、60 Hz;3 AC 380 V、50 Hz;

輸出電壓:DC 110 V;

最大輸出電流:544 A;

額定輸出功率:60 kW。

2.3 蓄電池

蓄電池的功能是在系統故障情況下,作為應急系統電源,向重要負載供電。

蓄電池的主要技術參數:

蓄電池(單節)

類型:FNC1502H R;

標稱電壓:1.2 V(單節);

標稱容量:160 Ah;

尺寸:115×122×309(單節);

質量:7.05 kg(單節)。

蓄電池組

標稱電壓:100.8 V;

標稱容量:2×160 Ah。

3 輔助供電系統的冗余設計

為保證動車組安全穩定運行,列車供電系統采用冗余設計。在輔助變流器的輸入端,一個牽引單元的兩臺牽引變流器互為冗余,在正常情況下1車、8車的牽引變流器的中間直流環節分別給2車、7車單輔助變流器供電;3車、6車的牽引變流器的中間直流環節分別給4車、5車雙輔助變流器供電。在一臺牽引變流器故障情況下,本單元的另一臺牽引變流器給本單元的所有輔助變流器供電,保證輔助供電系統正常工作。輔助變流器由于是并聯輸出,這樣就構成了輸出的冗余。DC 110 V分配的冗余通過將冗余可用載荷轉移到總線 BN1和BN2上實現。當一臺充電機故障時,另一臺負責向列車所有的直流負載供電。但本車蓄電池不再被充電,因為電池的充電彼此不連接。當輔助變流器單元故障,例如由于接觸線電壓故障或因為所有主斷路器斷開,電池的充電模式結束。充電的電池這時向電池總線供電。

當一個單輔助變流器單元或一個牽引變流器單元故障時,不會減少必須的供電。當兩個單輔助變流器單元故障或一個雙輔助變流器單元故障時,只有與旅客舒適度相關的負載需減少。有效功率管理確保在冗余可被使用的情況下最大可能范圍的可用輸出。這通過檢測輔助變流器單元的輸出電流來保證。當最大輸出電流超過時,空調系統或取暖系統的輸出被減少。

4 結束語

從動車組輔助供電系統的調試、試驗及運行情況看,該系統工作可靠,能夠滿足列車輔助用電需求,保證列車正常安全運行。冗余設計是提高列車安全可靠性的重要對策,對提高列車運行的安全系數有很大作用。

[1] 錢立新.世界高速鐵路技術[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[2] 董錫明.高速動車組工作原理與結構特點[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[3] EN 50155鐵路應用-鐵道車輛上用的電子設備[S].

[4] EN 50121-3-2鐵路應用-電磁兼容性-第3-2部分:鐵道車輛:車上設備[S].