SS9電力機車AC 380V列車供電系統技術特點

鄒士濤 蔡利軍

（沈陽鐵路局，沈陽 110000）

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SS9電力機車AC 380V列車供電系統技術特點

鄒士濤 蔡利軍

（沈陽鐵路局，沈陽 110000）

從SS9電力機車AC 380V列車供電系統與原DC 600V列車供電系統的比較出發，介紹SS9電力機車AC 380V列車供電系統設計開發的技術特點。SS9電力機車AC 380V列車供電系統產品已在現場投入使用，其性能日臻完善并得到驗證。

SS9電力機車；AC 380V列車供電系統；技術特點

鐵路旅客列車作為一個移動的供電電網，其客車本身一般沒有發電裝置，客車用電依靠貫通列車供電電網提供，列車的供電電網又由專門的列車供電裝置提供電能，可以滿足較多地設備用電需求。

為滿足鐵路AC 380V供電制式的客車動輒數百千瓦的用電需求，25G型（速度等級120km/h）、25K型（速度等級 140km/h）客車的供電主要是通過加掛 1節空調發電車來實現，25T型（速度等級160km/h）客車的供電則通過DF11G型內燃機車來實現，目前都采用進口的 MTU或者康明斯柴油發電機組來完成AC 380V供電輸出，存在運行成本高、燃油污染大、運用效率低、維修困難等問題。

為適應建設和諧社會、促進低碳經濟不斷發展，降低運用成本，沈陽鐵路局在鐵路系統率先啟動了SS9電力機車［1］改造，加裝了以電力電子技術為基礎的AC 380V列車供電系統，使電力機車可提供AC 380V供電電源，對原有的列車供電裝置進行了重大變革。

1 總體思路

SS9電力機車AC 380V列車供電系統創新主要體現在以下幾方面。

1）在國內首次實現了電力機車可直接向 AC 380V供電制式的旅客列車供電，打破了原來只能由內燃機車或者空調發電車向客車輸出AC 380V供電電源的歷史，并完全摒棄了大功率柴油發電機組，具備劃時代的意義。

2）與現有的電力機車DC 600V列車供電系統相比，目前的AC 380V列車供電系統對列車供電電網拓撲進行了簡化，將原來各DC 600V客車車廂的分散逆變改為由SS9電力機車集中逆變，省略了各客車的三相逆變器和單相逆變器等電氣設備，大幅降低了列車供電電網的構建成本。

作為電力機車列車供電系統的全新產品，SS9電力機車AC 380V列車供電系統在成熟的兩電平變流控制平臺基礎上，采用了大功率整流、高頻逆變、交流輸出VVVF軟啟動等關鍵技術，系統架構與主流的DC 600V列車供電系統［2］保持一致，即列車供電系統包含兩路獨立的列車供電回路，利用電力機車兩個獨立供電繞組（AC860V），經整流、濾波、逆變和隔離變化后為列車提供兩路獨立的AC 380V供電電源，額定輸出功率400kVA保持不變。

充分結合主流DC 600V列車供電系統成功運用的經驗并考慮運行中出現的問題［3］及其不斷的改進措施［4］，一并在SS9電力機車AC 380V列車供電系統中加以體現。

為滿足SS9電力機車技術進步及改進的需要，整個列車供電控制系統設計中充分利用了當今先進的計算機控制技術，采用了新的電子元器件及新工藝，貫徹簡統化、模塊化、系列化的設計思想，提高了產品的質量和技術含量。

2 技術參數

2.1電氣參數

SS9電力機車AC 380V列車供電系統主要電氣參數如下：

額定輸入電壓：2×AC860V/50Hz。

輸入電壓允許波動范圍：AC 592V～AC 1077V。

額定輸出電壓：2×3AC 380V/50Hz（三相四線）。

控制精度：±5%。

輸出電壓允許波動范圍：±10%。

頻率允許波動范圍：50±1Hz。

輸出電壓正弦畸變率：≤10%。

輸出電壓諧波含量：≤5%。

額定輸出交流電流：2×607A。

額定輸出功率：2×400kVA。

效率：≥90%。

與原來使用的進口柴油發電機組相比，單路輸出功率更高，供電品質更好，抗沖擊電流能力更強。

2.2使用條件

SS9電力機車AC 380V列車供電系統正常使用條件：

海拔：≤2500m。

工作環境溫度：-40℃～40℃。

存儲溫度：-40℃～60℃。

空氣濕度：最濕月月平均相對濕度不大于95%（月平均最低溫度為25℃時）。

振動和沖擊：符合GB/T 21563—2008中1類A級規定。

安裝條件：設備安裝在能防止風、沙、雨、雪直接侵襲的機車車體內部。

3 技術特點

3.1系統架構優化

以往交直電力機車DC 600V列車供電系統的元器件分布一般較為分散，未全部集中到相應的列車供電柜中，導致系統整體規劃較差，后期維護困難。

參照鐵標“TB/T 3063—2011 旅客列車 DC 600V供電系統技術要求及試驗”［5］的要求和SS9電力機車的空間布置特點，SS9電力機車AC 380V列車供電系統將原先分散的的兩路獨立的列車供電回路分別集成到兩組完全相同的列車供電柜和濾波柜中，每組柜內都包含獨立的主電路和供電控制系統，其系統架構如圖1所示。

圖1　AC 380V列車供電系統架構圖

SS9電力機車AC 380V列車供電系統這種改進的優越性體現在以下幾點：

1）每個列車供電回路的元器件都是完整、獨立的，都包含不控整流、直流濾波、三相逆變、交流濾波、隔離變換等環節，系統集成度高。

2）兩組列車供電柜和濾波柜都是完全一樣的，因此在機車大部件布置時可對稱放置，降低了設計難度。

3.2設計冗余可靠

由于列車供電裝置關系到正常鐵路運輸秩序及旅客乘車舒適度的問題，因此 SS9電力機車 AC380V列車供電系統采用了以下措施來保證系統可靠性：

1）兩路列車供電回路同時工作，互為熱備冗余，客車可自由選擇供電電源。即使機車某一路電源出現故障，客車在采取適當減載的情況下，機車另外一路電源也可以保障全列車的供電。

2）主電路設計方面，對系統可靠性影響較大的元器件如IGBT、二極管、電容等，至少預留了兩倍以上的電氣裕量。并且注意選用工作環境溫度更寬廣的新型元器件，保證了系統具備更寬廣的工作環境溫度，可適應高低溫運用的需要。

3）控制系統設計方面，每一路列車供電回路均采用了冷備冗余的A/B兩組控制系統，某一組出現故障時可通過開關快速切換。

3.3控制邏輯簡化

為保證列車供電系統安全運行，以往交直電力機車DC 600V列車供電系統的控制邏輯設計較為復雜，中間涉及環節較多（包括邏輯控制單元LCU、機車供電集中控制器、供電鑰匙、多個中間繼電器等），這樣不僅列車供電系統出現故障的概率大大增加，而且機車布線復雜，不利于機車后期維護和檢修。

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SS9電力機車AC 380V列車供電系統吸取了原列車供電系統運用的成功經驗，并在此基礎上進行了改進，將以往通過硬連線方式逐級傳遞的邏輯控制信號改為直接從機車端子排處獲取相關信號，送入SS9機車AC 380V列車供電控制系統中，由列車供電控制系統實時掌握供電鑰匙、主斷等狀態信號，并決定列車供電柜何時啟動、何時停止工作。這樣設計的好處是：

1）SS9電力機車AC 380V列車供電系統掌握了全部的控制邏輯信息，在列車供電柜異常停止工作時可進行診斷，提示司機和檢修人員快速查找問題。

2）SS9電力機車AC 380V供電控制系統采用110V輸入電路檢測設備狀態信號，性能好，輸入電流只有毫安級，功耗大大降低，還可以避免出現繼電器機械故障。

3）SS9電力機車AC 380V供電控制系統采用微機控制方式后，為控制邏輯功能的擴展和調整提供了可能，調試更加方便。

3.4供電控制系統改進

供電控制系統基于株洲南車時代電氣股份有限公司的新型逆變控制平臺設計，具有“標準化、系列化、模塊化、信息化”的特點。系統在出色完成3AC 380V調節、各種保護功能以及與機車顯示屏通訊功能外，還體現出諸多優點，主要有：

1）供電控制級的核心模塊采用雙核浮點DSP、FPGA等高速處理器進行運算，系統精度更高，調節控制響應更靈敏。

2）逆變控制級采用硬件編程方式實現脈沖形成與分配功能，修改、調試、維護方便，控制精度高。驅動級脈沖電路也在原有基礎上做出了改進設計，高壓隔離、抗干擾性更好。

3）人機接口級對外采用了工業以太網接口，可獨立處理數據記錄、診斷、通訊與轉儲等工作，功能大為豐富，使得系統真正具備實現信息化的數字基礎。

3.5系統信息化

以往交直電力機車DC 600V列車供電系統受制于當時的技術水平，只能通過RS485通訊向機車顯示屏傳送輸出電壓、輸出電流和三四條故障信息，對外輸出的信息量非常少。而在 SS9電力機車 AC 380V列車供電系統中，一方面通過電壓傳感器、電流傳感器和開關輔助節點等實時采集了系統狀態信息，另一方面還根據特定條件和算法判斷、生成了二十多種系統故障信息，在升級了機車顯示屏程序之后上可全部顯示出來，對外輸出的信息包含以下幾個方面：

1）模擬量信息：列車供電系統三相交流輸出電壓、三相交流輸出電流和單相交流輸入電壓等。

2）數字量信息：列車供電系統內輸入端接觸器、充電接觸器、輸出端接觸器等開關狀態信號。

3）故障信息：具備模塊級的故障自診斷功能以及完善的變流故障診斷和保護功能。列車供電系統發生異常情況時對外輸出的故障信息，包括模塊內IGBT芯片故障、三相交流輸出過壓/過流、三相不平衡等。

另外AC 380V列車供電系統通過內置的人機級接口、高速數據通道和外部配套的專用地面分析軟件，可實時顯示列供輸出電壓、輸出電流等波形圖、可更加直觀地了解系統運行狀態。系統內采用了大容量、高速存儲芯片進行故障記錄，詳細故障記錄高達100條，故障清單列表超過1000條，可完全覆蓋到機車長交路運行的周期。

SS9電力機車AC 380V列車供電系統對外輸出的信息量大大增加，對外輸出的手段也更加靈活、方便，有利于促進機車信息化，提高維護檢修的效率，極大地方便了司機和檢修人員。

3.6柜體結構優化

SS9電力機車AC 380V列車供電系統由兩組完全相同的列車供電柜和濾波柜組成。

列車供電柜采用模塊化設計的思想進行設計，總體結構非常緊湊，按功能劃分為5個部分：

1）變流器部分，主要是一個集成了不控整流及IGBT逆變的變流器模塊。

2）供電控制單元，包括了DCU機箱、濾波器和電源分配模塊等。

3）高壓電器部分，主要包含主接觸器、充電接觸器、充放電電阻和電流、電壓傳感器等高壓器件。

4）支撐電容器部分，包括3個IGBT模塊連接的支撐電容器。

5）冷卻室部分，由IGBT模塊的翅片散熱器、離心風機和風道組成。

列車供電濾波柜的總體結構按功能劃分為兩個部分：

1）冷卻室部分，包括濾波變壓器、斜流風機、三相濾波電容和風道等，冷卻風由柜體頂部吸入冷卻室，經過濾波變壓器后，由柜體底部吹出。

2）濾波室部分，包括輸出接觸器和 EMI濾波器等。濾波電容器實現濾波功能，輸出接觸器控制三相AC 380V電源輸出。

系統涉及的各部件采用模塊化、標準化設計的方式，產品可利用通用工具進行維護，安裝、拆卸非常簡便。

3.7物料選型成熟化

綜合考慮使用物料的要素，如現場不良率、年失效率、安規、壽命、標準件、物料供應商的歷史表現等，并結合和諧機車DC 600V列供和輔助變流器的成功應用經驗，AC 380V列車供電系統優先選用經過實踐證明質量穩定、可靠性高、有發展前途且供應渠道可靠、技術與商務支持強、交貨及時的優選物料，充分保證產品所使用物料的質量，從而有效提高整個AC 380V列車供電系統的可靠性。

4 結論

加裝了AC 380V列車供電系統的SS9電力機車和AC 380V供電客車在長春、大連進行了多次聯調聯試，雖然在編組試驗過程中發現了客車負載啟動沖擊電流大、運行過程中偶然出現三相不平衡等問題，但都已經通過優化列供系統參數得到有效解決，供電品質經現場測試完全滿足設計要求和現場運用要求，供電電源能滿足最大編組18輛列車直供電的需求。

加裝了AC 380V列車供電系統的SS9電力機車已在沈陽鐵路局小批量投入使用，從2015年5月起負責擔當長春—北京（Z63/Z64）、大連—北京（Z79/Z82 Z81/Z80）兩對AC 380V供電制式旅客列車的牽引和供電任務，其性能日臻完善并得到驗證。

隨著電氣化鐵路逐步擴展和電力機車變流技術的重大進步，傳統的AC 380V客車仍然依靠柴油發電機組供電已不能滿足形勢發展的需要，而存量的AC 380V客車統一升級為DC 600V客車需要加裝車下電源、客車電氣控制柜、鎳鎘堿性電池、大量更換車體布線等，客車改造存在成本大、費用高、周期長等問題。

而在電力機車上加裝AC 380V列車供電系統，直接向客車提供AC 380V電源，再輔以客車的配套改造，具備免維護、獨立性強、編組靈活、高效率、無污染、低噪聲等優點，而且該總體方案的解決成本較低，在運用、成本和技術三者之間取得了較好的平衡，因此具有廣闊的發展前景。

［1］余衛斌. 韶山 9型電力機車［M］. 北京：中國鐵道出版社，2005：110-117.

［2］徐林云. DC 600V列車供電系統［J］. 鐵道車輛，2001，39（3）：13-16.

［3］康驚濤. 機車DC 600V供電系統存在的問題及改進［Z］. 2004：70-72.

［4］王小方，賀文，李小平，等. 電力機車DC 600V供電系統的改進［J］. 機車電傳動，2004（4）：41-44.

［5］TB/T 3063—2011. 旅客列車DC 600V供電系統技術要求及試驗［S］.

Technical Characteristic of AC 380V Power Supply System for SS9 Electric Locomotive

Zou Shitao Cai Lijun
（Shenyang Railway Bureau，Shenyang 110000）

Compared to the AC 380V train power supply system of original DC 600V train power supply system，technical characteristic of AC 380V power supply system for SS9 electric locomotive was presented. The AC 380V power supply system for SS9 electric locomotive have been put into service in field，which performance is improved and verified.

SS9 Electric Locomotive； AC 380V train power supply system； technical characteristic

鄒士濤（1985-），男，山東菏澤市人，大學，工程師，主要從事鐵路機車運營、維護及技術升級工作。