高原特種運輸車電氣系統設計與實現

楊 君，劉永志，王永剛，孫利蘋，劉斕波

（1 唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北唐山063035；2 第二炮兵駐天津地區軍事代表室，天津300308； 3 唐山職業技術學院，河北唐山063035）

高原特種運輸車電氣系統設計與實現

楊 君1，劉永志2，王永剛1，孫利蘋1，劉斕波3

（1 唐山軌道客車有限責任公司 產品研發中心，河北唐山063035；2 第二炮兵駐天津地區軍事代表室，天津300308； 3 唐山職業技術學院，河北唐山063035）

文章研究分析了高原特種運輸車電氣系統的設計原則，結合具體設計實例介紹了高原特種運輸車單車供電電氣系統負載計算、供配電方案的確定及監控系統的設計。

高原；軌道客車；電氣系統

青藏鐵路是當今世界海拔最高、線路最長的高原鐵路，目前已全面開通運營。沿途地勢開闊，從格爾木到拉薩，全長1 142 km，海拔最高達到5 072 m；海拔高度超過4 000 m以上有960 km，4 500 m以上的為800 km；晝夜溫差大；風沙雨雪強度大，強紫外線照射，空氣干燥，雷電、靜電危害大。特殊的氣候和地理環境對于軌道客車制造技術提出了更高的要求。

高原特種運輸車在高原物資運輸中發揮著骨干核心作用，是高原軌道客車的重要組成部分之一。研究分析高原特種車電氣系統設計原則、高原特種車單車供電電氣系統負載計算、供配電方案以及高原特種車監控系統，對于保證車輛的安全可靠運行奠定基礎。

1 電氣系統設計

在高海拔車輛電氣系統設計中，要遵循環境適應性原則。下面分析了高海拔環境條件對電器件和電纜的影響并列出了具體的修正系數，介紹了海拔對介電強度的影響以及防雷保護設計。

1.1 高原環境下對電器件和電纜工作性能影響

青藏鐵路格拉段的最高海拔為5 072 m，設計中海拔按照5 000 m進行設計計算和選型。依據廠家提供的安裝條件和環境對電器件工作性能的修正系數，綜合考慮負載性質和實際運用條件后，得出下列電器件選型修正系數。

對特定負載和特定工作狀態，某些電器件的修正不一定完全按高原修正，可以進行適當調整。例如實際設計選用的空調供電斷路器，則應完全按平原選用，因為根據氣象資料在青藏線格拉段，最高氣溫在30℃，空調全冷工況工作的機會很少，而此空調機組在制冷工況下的工作電流大于采暖工況下工作電流，所以可以按照平原全冷工況計算，不必進行高原修正。

（1）AC 380 V塑殼斷路器的選用和修正原則：影響因素有高原降容，高海拔使熱脫扣提前動作，見表1。

表1 按海拔5 000 m塑殼斷路器的修正系數

（2）微型斷路器的選用和修正原則：影響因素有高原降容、使用環境溫度，并排安裝數量，以及滿載系數，高海拔使熱脫扣提前動作，見表2。

表2 按海拔5 000 m微型斷路器的修正系數

（3）接觸器的選用和修正原則：影響因素有高原降容、安裝環境，見表3。

表3 按海拔5 000 m接觸器的修正系數

（4）熱繼電器的選用和修正：影響因素因高原散熱影響，高海拔使熱脫扣提前動作；同等工作電流下5 000 m海拔使用整定值需增加到平原的1.15倍，實際折算降容系數約0.87。對綜合控制柜，因實際只有空調風機選用熱繼電器，而風機性質負載在高原工作時電流下降約0.9，所以不必修正。

（5）電纜選用和修正原則：影響長期安全載流量因素有高原散熱影響溫升、多芯（按4～6芯同時）并列敷設，見表4。

表4 按海拔5 000 m電纜通流能力修正值

1.2 介電強度要求

在GB/T16935.1－2008《低壓系統內設備的絕緣配合第1部分原理、要求和試驗》中給出了與海拔高度關系的修正系數。由于爬電距離和電氣間隙的實際測量，對系統來講是非常困難的，所以采用工頻耐壓和沖擊耐壓的方式驗證介電強度。

1.3 防雷保護設計

為避免雷電對電氣系統的破壞，消除對旅客人身安全的威脅，車輛設置防雷系統。

防雷系統包括車頂天線（包括衛星電視天線）和車內電氣裝置（電氣綜合控制柜）的防雷電涌裝置（SPD）和列車級接地裝置。

列車級接地裝置由車端接地連接器和軸端接地回流裝置等組成。一旦有雷電，則通過SPD，經車體、轉向架軸端回流裝置將雷擊電流安全的導入大地。

2 電氣系統負載計算和供配電方案

特種運輸車供電方案為單車供電，即由本車安裝的柴油發電機組（懸吊于車下）為本車交流用電負載供電。一般每輛車設置2臺柴油發電機組，兩臺機組互為備用。

2.1 電氣系統負載計算

高原運輸車電氣負載包括生活區空調、載物間空調、充電機、淋浴器、生活區電熱、插座、燃油泵、增壓泵、管路、廁所排水排便伴熱、油箱油管伴熱、廚房設備。經計算得出全車用電功率為41.928 k W，見表5。

根據車輛使用情況并兼顧柴油發電機組利用率，考慮將淋浴器和插座與廚房用電設備互鎖。

互鎖后全車用電功率＝互鎖前全車用電功率－淋浴器功率－插座用電功率＝41.928－1.05－2.25＝38.628 k W

最終計算所得的全車用電功率為38.628 k W。根據此值，選擇使用40 k W的柴油發電機組為本車供電。

表5 運輸車電氣系統負載k W

2.2 供配電方案

根據以上負載計算，確定最終供電方案：由40 k W柴油發電機組為本車供電，車輛設置2臺40 k W柴油發電機組，兩臺機組互為備用。

車輛設置AC 380 V漏電報警器、電子防滑器等；因車輛配置空調、制氧系統，增加相關部分裝置；因高原車需配置集便系統，設計相關部分及配線。具體系統方案如圖1所示。

2.3 柴油發電機組選型

（1）柴油發動機

高原環境對柴油發動機的影響主要表現在輸出功率和燃油消耗率。柴油發動機組的功率修正系數與海拔高度和環境溫度有關，圖2為DEUTZ柴油機組的修正系數曲線圖。

圖1 高原特種運輸車電氣系統方案圖

圖2 不同海拔及溫度條件下道依茨柴油機組功率修正系數圖

（2）交流發電機

雖然在高原地區的環境溫度將隨著海拔高度的升高而下降，但是由于空氣密度降低，散熱效果將變差，造成發電機的溫度升高而影響絕緣壽命，為了補償溫度造成的功率下降問題，需要對發電機輸出功率進行修正。

在不同海拔高度條件下不同廠家的發電機組修正系數不同，表6為利萊森瑪發電機在海拔5 100 m、25℃環境溫度時的功率降：海拔每上升500 m，修正3%；溫度每上升5℃，修正3%。

（3）選型

在設計過程中根據柴油機組和發電機組的修正系數圖表選擇適合海拔5 000 m條件下應用的柴油發電機組。柴油發動機為BF6L914型道依茨柴油發動機組；交流發電機為利萊森瑪的LSA43.2L65型發電機。

表6 利萊森瑪發電機在海拔5 100 m、25℃環境溫度時的功率降

（4）高原柴油發電機組對油箱容積的影響

因高原環境導致柴油發動機組的燃油消耗率增加，在設計中考慮適當加大油箱容積。

3 監視、監控系統設計

監視、監控系統是集數據采集、控制、監視為一體的自動測控系統，系統對產品運輸車內的溫度、濕度、振動和車內“器材”情況自動監控和報警。車輛端部設置通訊連接器，通過通訊連接器和監控主機之間敷設的通訊電纜，實現車與車之間的互聯互通。

系統原理框圖如圖3所示。

4 結束語

單車供電電氣系統成功應用在高海拔地區軌道車輛上。在高海拔特種運輸車電氣系統設計中，遵循了環境適應性原則，研究開發了與高海拔環境相適應的由40 k W高原型柴油發電機組供電的單車供電電氣系統供電方案。此外，文中介紹了一種更加適合高原特種運輸車的監控系統方案，該方案對于高原特種運輸車的設計有借鑒意義。

圖3 監控系統原理框圖

［1］ 何丹爐，侯方東.青藏高原鐵路客車電氣系統設計［J］.鐵道車輛，2008，（8）：20-22.

［2］ 陳鴻濱.探討高原型柴油發電機組的應用［J］.移動電源與車輛，2008，（1）：15-20.

Design and Realization of Electrical System for High-Altitude Special Transport Vehicle

YANG Jun1，LIU Yongzhi2，WANG Yonggang1，SUN Liping1，LIU Lanbo3
（1 R＆D Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China；2 Tianjin Military Delegate Office of Second Artillery Corps，Tianjin 300308，China；3 Tangshan Technical Colloge，Tangshan 063035 Hebei，China）

In this paper，the design principle of electrical system for high-altitude special transport vehicle is researched and analyzed.Based on specific design examples，it introduces electrical loading calculation and power supply scheme of single coach power supply system.In the end，it introduces design of monitored control system in detail.

plateau；railway vehicle；electrical system

U260.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.09

1008－7842（2014）03－0035－04

?）女，高級工程師（

2013－11－01）