直流電源在鐵路電力系統(tǒng)中的拓展應(yīng)用

李成胤

0 引言

眾所周知，直流電源廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)房、醫(yī)院、礦井、賓館以及高層建筑等領(lǐng)域，同時(shí)鐵路系統(tǒng)的許多領(lǐng)域也都離不開(kāi)穩(wěn)定的直流電源，例如變配電站（直流操作電源）、信號(hào)設(shè)備、事故照明等。隨著鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，直流電源在鐵路電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步的推廣。例如客車整備所地面DC 600 V 電源整流裝置已在新型鐵路客車維修系統(tǒng)中得到應(yīng)用，本文將結(jié)合工程實(shí)例對(duì)其做相應(yīng)介紹。

1 應(yīng)用背景

國(guó)內(nèi)首列DC 600 V供電列車于1998年在鄭州鐵路局武昌至北京正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，并達(dá)到了預(yù)期的目的。此后，DC 600 V 列車供電系統(tǒng)作為鐵路總公司的一項(xiàng)技術(shù)政策，應(yīng)用到高速列車和動(dòng)車組，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。從國(guó)家能源政策和環(huán)境保護(hù)政策出發(fā)，以接觸網(wǎng)供電的電力機(jī)車集中向客車供電的DC 600 V 供電系統(tǒng)，無(wú)疑具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)該類車輛進(jìn)行整備及檢修作業(yè)時(shí)，受現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件、安全以及環(huán)境等因素 的限制，無(wú)法用機(jī)車對(duì)車輛進(jìn)行供電，為滿足車輛檢修、運(yùn)用部門的實(shí)際需求，在寧啟線復(fù)線電氣化改造工程中的泰州站和南通站客車整備所各設(shè)計(jì)了一套地面DC 600 V 整流裝置。

2 技術(shù)參數(shù)

地面DC 600 V 整流裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：

輸入電壓：AC 10 kV（對(duì)于10 kV 電源接引困難的場(chǎng)所，也可采用AC 0.4 kV 或接觸網(wǎng)27.5 kV）

輸出電壓：DC 600 V

穩(wěn)壓精度：≤±5%

輸出電壓可調(diào)范圍：DC 100～700 V

紋波系數(shù)：≤±10%

輸出電壓上升率：≤100 V/ms（具有軟啟動(dòng)功能）

額定功率：2×400 kW

額定電流：2×667 A

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 方案組成

地面DC 600 V 電源整流裝置主要由高壓設(shè)備、整流變壓器、低壓整流設(shè)備和股道末端直流電源箱等組成。

3.2 基本原理

由高壓配電系統(tǒng)引入三相10 kV 交流電源，經(jīng)整流變壓器變壓后輸出兩路三相500 V 交流電，送入控制柜，經(jīng)保護(hù)、控制后送入整流柜內(nèi)進(jìn)行三相半控整流輸出直流600 V，再經(jīng)過(guò)平波電抗器濾波，通過(guò)電纜送至股道末端電源箱，最后通過(guò)KC20D電力連接器把DC 600 V 電源送入客車車輛進(jìn)行檢修作業(yè)。地面DC 600 V 電源整流裝置原理模型見(jiàn)圖1。

圖1 地面DC 600 V 電源整流裝置原理模型圖

3.3 高壓設(shè)備

高壓開(kāi)關(guān)柜采用新型的充氣式斷路器、充氣式負(fù)荷開(kāi)關(guān)環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)，具有體積小、強(qiáng)度高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)包括：斷路器單元、負(fù)荷開(kāi)關(guān)＋熔斷器單元。斷路器單元作為整流設(shè)備的進(jìn)線，同時(shí)具備計(jì)量功能；負(fù)荷開(kāi)關(guān)＋熔斷器單元作為變壓器的饋線。高壓開(kāi)關(guān)柜接線詳見(jiàn)圖2。

圖2 高壓開(kāi)關(guān)柜接線圖

3.4 整流變壓器

變壓器選擇三相干式風(fēng)冷變壓器，即高壓側(cè)一個(gè)繞組為10 kV，二次側(cè)兩繞組，一繞組是0.4 kV，另一繞組為0.5 kV，容量為2×630 kV·A。同時(shí)要求整流變壓器部分不能對(duì)0.4 kV 輸出有影響或干擾，不能出現(xiàn)諧波問(wèn)題。多繞組移相整流變壓器要求變壓器的效率＞98%。

3.5 低壓整流設(shè)備

低壓整流設(shè)備主要由控制柜、整流柜、L-C-R柜組成。其作用是把交流電源整流成直流600 V 電源，并根據(jù)網(wǎng)壓及負(fù)載變化實(shí)時(shí)快速調(diào)節(jié)，保持電壓輸出穩(wěn)定，并實(shí)行各種保護(hù)功能。整流設(shè)備原理接線詳見(jiàn)圖3。

圖3 整流設(shè)備原理接線圖

（1）控制柜。通過(guò)控制柜可實(shí)現(xiàn)控制兩路電源同時(shí)投入，也可控制單獨(dú)一路電源投入。可實(shí)現(xiàn)過(guò)載、接地、斷路器等保護(hù)動(dòng)作，以及電流、電壓的信號(hào)顯示。當(dāng)風(fēng)機(jī)接觸器、電源接觸器合上后，有相應(yīng)電源指示。當(dāng)過(guò)流、接地、熔斷器等保護(hù)動(dòng)作后，也有相應(yīng)故障顯示。

（2）整流柜。整流柜中電子控制裝置采用機(jī)車電傳動(dòng)中較成熟的交-直變流控制技術(shù)對(duì)可控硅整流模塊實(shí)現(xiàn)恒壓、限流控制，根據(jù)電壓、電流的反饋信號(hào)與控制給定值比較后，通過(guò)控制晶閘管觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)輸出恒定為DC 600 V 電源。

選擇可控硅整流模塊時(shí)，需要根據(jù)整流變壓器提供的輸入電壓和可控硅輸出的整流電壓計(jì)算出晶閘管的耐壓、耐流參數(shù)，并考慮一定裕量。

（3）L-C-R 柜。由于可控硅整流會(huì)產(chǎn)生較大的紋波，并且電源的輸出電流較大，要取得良好的濾波效果，須采用LC 組成的L 型濾波器。而與電容相并聯(lián)的電阻R 是放電電阻，釋放電容上電壓，起安全保護(hù)作用。

由于列車維修用電啟動(dòng)電壓較大，整流模塊還應(yīng)具備軟啟動(dòng)功能。這就需要在可控整流模塊中串入RL 負(fù)載，用以減緩電壓速率，起到平穩(wěn)輸出電壓的作用。具體電阻、電感值可以用MATLAB 的SIMULINK 軟件仿真計(jì)算得出。

另外，在L-C-R 柜中還應(yīng)裝有接地保護(hù)裝置，檢測(cè)直流側(cè)正線或負(fù)線及相關(guān)電器的漏電流，保護(hù)動(dòng)作時(shí)，跳開(kāi)主電源，并有信號(hào)燈顯示信號(hào)。

3.6 股道末端直流電源箱

股道末端直流電源箱的作用是利用具有自動(dòng)收放功能的KC20D 插頭，將DC 600 V 電源送入車輛進(jìn)行檢修。本次設(shè)計(jì)吸取了以往工程經(jīng)驗(yàn)，將KC20D 插頭與直流電源箱進(jìn)行整合設(shè)計(jì)（即將KC20D 插頭整合入箱），并對(duì)KC20D 插頭增加了自動(dòng)收放功能，在提高運(yùn)用維護(hù)效率的同時(shí)，也降低了安全隱患。

3.7 保護(hù)設(shè)置

（1）高壓側(cè)保護(hù)。選用優(yōu)質(zhì)真空開(kāi)關(guān)、電動(dòng)操作、微控保護(hù)裝置，具有延時(shí)速斷保護(hù)、定時(shí)限過(guò)流保護(hù)、高壓側(cè)零序過(guò)流保護(hù)、低壓側(cè)定時(shí)限/反時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)，低電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、過(guò)溫報(bào)警、超溫保護(hù)等功能。

（2）變壓器保護(hù)。采用干式免維護(hù)專用整流變壓器，智能保護(hù)有效地測(cè)量及控制干式變壓器三相繞組溫度，具有自動(dòng)啟停風(fēng)機(jī)、超溫報(bào)警、超溫跳閘、故障報(bào)警及計(jì)算機(jī)通訊接口等功能。

（3）低壓交流側(cè)保護(hù)。選用高性能的具有過(guò)壓、過(guò)流及短路保護(hù)的主開(kāi)關(guān)；設(shè)有多功能的參數(shù)儀，通過(guò)電流互感器，接入電流、電壓信號(hào)，能準(zhǔn)確地檢測(cè)和控制三相電流不平衡、缺相、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路等保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)控制主接觸器斷開(kāi)及時(shí)切斷主電路；增加快速熔斷器，達(dá)到多級(jí)保護(hù)。

（4）直流側(cè)保護(hù)。選用多功能的可控硅觸發(fā)板，通過(guò)對(duì)三相電流不平衡、缺相及輸出直流的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路等檢測(cè)，準(zhǔn)確快速地調(diào)整直流電壓的輸出，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)關(guān)閉可控硅，防止故障的擴(kuò)散；增加PLC 控制電路，通過(guò)電壓變送器、電流變送器等，輸入電壓、電流、漏電、溫度等信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)輸出控制信號(hào)，有效保護(hù)電源。

4 結(jié)語(yǔ)

DC 600 V 供電系統(tǒng)已經(jīng)確定了中國(guó)旅客列車新的供電模式，并且該技術(shù)已經(jīng)成為鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3063-2011《旅客列車DC 600 V 供電系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)》，DC 600 V 供電系統(tǒng)是符合我國(guó)鐵路運(yùn)行特點(diǎn)的供電方式之一。隨著國(guó)家對(duì)鐵路行業(yè)的大力發(fā)展，相信該項(xiàng)技術(shù)今后在鐵路客車整備系統(tǒng)中會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

[1]TB/T3063-2011 旅客列車DC600V供電系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)[S].

[2]TB /T10008-2006 鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]TB/T1508-2010 機(jī)車電氣屏柜技術(shù)條件[S].