CRH2A型動(dòng)車組合武線達(dá)速250 km/h牽引系統(tǒng)適應(yīng)性分析

熊志高，朱彥平，王羽，鄒生敏，王斌

（1.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司車輛部，湖北武漢 430071；2.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武漢動(dòng)車段，湖北武漢 430083）

0 引言

合武線東起合肥，西到武漢，全長(zhǎng)300余km，設(shè)計(jì)速度為250 km/h。自“7·23”事故以來(lái)，為了進(jìn)一步保障動(dòng)車組運(yùn)行安全，合武線動(dòng)車組運(yùn)行速度從250 km/h降至200 km/h。合武線運(yùn)行CRH2A、CRH2B等型動(dòng)車組設(shè)計(jì)速度均為250 km/h，按照200 km/h運(yùn)行時(shí)運(yùn)輸效率大幅降低。合武線達(dá)速250 km/h后，武漢—合肥的時(shí)間將縮短近0.5 h，極大方便了旅客出行，因此順利實(shí)現(xiàn)合武線達(dá)速具有重要意義。

為滿足合武線達(dá)速250 km/h工作要求，提高運(yùn)輸能力，進(jìn)一步挖潛旅客輸送能力，提高路網(wǎng)使用效率，確保合武線動(dòng)車組持續(xù)250 km/h運(yùn)行安全，對(duì)CRH2A型動(dòng)車組合武線達(dá)速250 km/h的牽引性能及牽引系統(tǒng)部件性能適應(yīng)性進(jìn)行研究分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于運(yùn)行在合武線上的動(dòng)車組設(shè)計(jì)速度均為250 km/h及以上，其牽引系統(tǒng)的功率參數(shù)、電壓參數(shù)等各項(xiàng)性能均能滿足要求，因此牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件的溫度就成為衡量動(dòng)車組牽引系統(tǒng)性能的最主要參數(shù)之一［1-2］。

1 牽引性能

CRH2A型動(dòng)車組為4M4T編組形式，總牽引功率為4 800 kW，滿員載客610人，整車采用輕量化設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期以來(lái)運(yùn)行速度均未超過(guò)200 km/h。

CRH2A型動(dòng)車組正常工況牽引性能見(jiàn)圖1，根據(jù)牽引性能曲線計(jì)算可知，CRH2A型動(dòng)車組以200 km/h運(yùn)行時(shí)剩余加速度為0.132 m/s2，250 km/h運(yùn)行時(shí)剩余加速度為0.058 m/s2＞0.050 m/s2（動(dòng)車組牽引/再生制動(dòng)特性技術(shù)條件），滿足達(dá)速250 km/h的運(yùn)營(yíng)要求。

圖1 CRH2A型動(dòng)車組正常牽引功能曲線

2 牽引系統(tǒng)部件性能適應(yīng)性分析

高壓牽引系統(tǒng)由受電弓、真空斷路器、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)等組成［3-4］。高壓牽引系統(tǒng)散熱部件的功率和送風(fēng)量能夠滿足運(yùn)行需求。

2.1 受電弓

目前動(dòng)車組牽引變壓器1次側(cè)過(guò)電流的保護(hù)電流值為280 A，真空斷路器額定電流為200 A，遠(yuǎn)小于受電弓額定電流值1 100 A，動(dòng)車組速度達(dá)到250 km/h受電弓并不會(huì)產(chǎn)生任何影響。按照負(fù)載容量，受電弓的冗余性能較大，完全能夠滿足動(dòng)車組達(dá)速要求。

2.2 真空斷路器

真空斷路器（VCB）是當(dāng)牽引變壓器在2次側(cè)以后的電路發(fā)生故障時(shí)，能夠?qū)^(guò)電流進(jìn)行迅速、安全、確實(shí)地?cái)嚅_(kāi)，也是平常開(kāi)閉主回路的一種開(kāi)關(guān)，是兼具斷路器和開(kāi)關(guān)2種功能的裝置［5］。VCB利用真空中有高的耐絕緣能力和電弧的擴(kuò)散作用，在被封閉的真空容器中配置動(dòng)靜觸頭，通過(guò)動(dòng)靜觸頭來(lái)斷開(kāi)電流。VCB配置在車底部的高壓設(shè)備箱內(nèi)。

CRH2A型動(dòng)車組VCB額定電壓為30 kV、額定電流為200 A，額定投入電流為10 000 A，額定斷路電流3 400 A，與CRH2C型動(dòng)車組的技術(shù)參數(shù)相同，因此能夠滿足250 km/h運(yùn)行要求。

2.3 牽引變壓器

牽引變壓器通過(guò)鐵芯、繞組將能量從1次側(cè)傳遞到2次側(cè)和3次側(cè)，其1次側(cè)和2次側(cè)、3次側(cè)電壓的變比為匝數(shù)之比，從而實(shí)現(xiàn)降壓或升壓作用。牽引變壓器的2次繞組為2個(gè)獨(dú)立繞組，每個(gè)繞組與1臺(tái)牽引變流裝置連接，使2次繞組具有高電抗和弱耦合性，確保牽引變流器具有穩(wěn)定運(yùn)行的特性。另外，1次繞組配置了2個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)線圈。為了減輕質(zhì)量，1次線圈采用鋁質(zhì)線圈。1次繞組接地側(cè)、2次繞組側(cè)及3次繞組側(cè)的絕緣套管采用耐熱環(huán)氧樹(shù)脂將11根銅質(zhì)中心導(dǎo)線注塑一塊端子板。使用3次繞組側(cè)的端子，并引出2根中心導(dǎo)線。

牽引變壓器的油溫上升限度為80℃，繞組溫度上升限度為125℃。牽引變壓器油溫的報(bào)警溫度為135℃，繞組溫度不能高于180℃。牽引變壓器油流繼電器檢測(cè)牽引變壓器運(yùn)轉(zhuǎn)中的油流，當(dāng)流量達(dá)到150（1±10%） L/min以 上 時(shí) 動(dòng) 作 ， 流 量 降 至120（1±15%）L/min以下時(shí)閉合接點(diǎn)。

牽引變壓器壓力釋放閥是以連桿和彈簧組合而成的自動(dòng)復(fù)位閥結(jié)構(gòu)。本體內(nèi)部發(fā)生異常引起內(nèi)壓急速升高達(dá)到（0.1±0.015）MPa以上時(shí)，則釋放內(nèi)壓。同時(shí)，動(dòng)作后其內(nèi)壓下降到約0.03 MPa以下時(shí)，則自動(dòng)關(guān)閉釋放閥蓋。主要是考慮避免油的不必要流出。CRH2A型動(dòng)車組牽引變壓器相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

CRH2A型動(dòng)車組牽引變壓器牽引性能不需變化即可滿足達(dá)速250 km/h運(yùn)行要求，因此動(dòng)車組達(dá)速250 km/h對(duì)牽引變壓器的性能要求不變。按照GB/T 25120—2010《軌道交通機(jī)車車輛牽引變壓器和電抗器》的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)牽引變壓器溫升特性進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得油溫升≤75 K，繞組溫升≤115 K，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。牽引變壓器送風(fēng)量冗余較多，溫度保護(hù)措施到位，按照250 km/h運(yùn)行不會(huì)造成安全隱患。

表1 CRH2A型動(dòng)車組牽引變壓器相關(guān)參數(shù)

基于上述分析，CRH2A型動(dòng)車組牽引變壓器能夠滿足達(dá)速250 km/h的要求。

12世紀(jì)誕生的治安官歷經(jīng)磨難、曲折，其單純維持地方治安的職責(zé)逐漸轉(zhuǎn)化為司法職責(zé)，1361年《治安法官法》實(shí)現(xiàn)了治安官向治安法官的職權(quán)轉(zhuǎn)變，授予治安官司法職權(quán)，第二年季審法庭進(jìn)一步具體明確了治安法官每年開(kāi)庭的時(shí)間安排和治安法官的職責(zé)，接下來(lái)治安法官的司法權(quán)一步一步擴(kuò)大，由參與巡回法庭審判逐漸到獨(dú)立審判，并享有一定的行政管理權(quán)。尤其是在都鐸王朝時(shí)期中央賦予治安法官新的角色和職能，使它成為中央在地方的代理人，成為郡一級(jí)的最高執(zhí)法官員和行政官員。

2.4 牽引變流器

牽引變流器的功能是將牽引變壓器的電轉(zhuǎn)換成電壓和頻率實(shí)時(shí)調(diào)整的電源給牽引電機(jī)供電。牽引變流器為3點(diǎn)式PWM控制方式，輸入電壓為1 500 V、電流為857 A，輸出容量為1 475 kVA。牽引變流器送風(fēng)量冗余較多，溫度保護(hù)措施到位，按照250 km/h運(yùn)行不會(huì)造成安全隱患［6］。

CRH2A型動(dòng)車組達(dá)速250 km/h時(shí)，牽引變流器的擴(kuò)容能力主要取決于電路器件設(shè)計(jì)與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕量。由于CRH2A、CRH2C型動(dòng)車組的牽引變流器完全一樣，但CRH2C型動(dòng)車組階段牽引電機(jī)功率更大，因此變流器損耗也更大，而在運(yùn)用過(guò)程中，CRH2C型動(dòng)車組牽引變流器一直運(yùn)行良好、可靠。

基于上述分析，CRH2A型動(dòng)車組達(dá)速250 km/h時(shí)，牽引變流器也可滿足整車牽引需求。

2.5 牽引電機(jī)

CRH2A型動(dòng)車組牽引電機(jī)為三相鼠籠式牽引電機(jī)，連續(xù)輸出功率為300 kW，轉(zhuǎn)子為牢固的鼠籠形狀，該結(jié)構(gòu)也適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。為了確保轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用電阻系數(shù)較大、強(qiáng)度足夠的銅鋅合金（紅銅）。為了盡量減小運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因溫度上升產(chǎn)生的熱膨脹，短路環(huán)采用電阻系數(shù)較小的純銅。轉(zhuǎn)子鐵心為厚度0.5 mm的硅鋼板和厚度3.2 mm的鋼板（端板）疊焊，熱壓在轉(zhuǎn)子軸上。鐵心上共設(shè)有φ24 mm的冷卻用通風(fēng)孔8個(gè)，以此使轉(zhuǎn)子輕量化及提高冷卻效率。為了追求輕量化，定子框采用以連接板連接鐵心的無(wú)框架結(jié)構(gòu)框，設(shè)有轉(zhuǎn)向架安裝凸頭和安裝座。定子框兩側(cè)采用鋁合金鑄件（鋁托架）制作部件，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)定子框整體輕量化。牽引電機(jī)送風(fēng)量冗余較多，溫度保護(hù)措施到位，按照250 km/h運(yùn)行不會(huì)造成安全隱患。

CRH2A型動(dòng)車組牽引電機(jī)已通過(guò)地面組合試驗(yàn)，其中電機(jī)溫升穩(wěn)態(tài)情況下，定子繞組溫升約為138 K，傳動(dòng)端軸承溫升約為47 K，非傳動(dòng)端軸承溫升約為36 K，所有試驗(yàn)結(jié)果均符合IEC 60349-2《電力牽引軌道機(jī)車車輛和公路車輛用旋轉(zhuǎn)電機(jī)第2部分：電子變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)》的標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)CRH2A型動(dòng)車組牽引電機(jī)來(lái)說(shuō)，速度在126 km/h以上時(shí)，牽引電機(jī)溫升達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，無(wú)論運(yùn)行到200 km/h或250 km/h，牽引電機(jī)溫升保持不變。且從以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，CRH2A型動(dòng)車組滿功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)溫升能夠滿足動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)要求。

基于上述分析，CRH2A型動(dòng)車組牽引電機(jī)能夠滿足動(dòng)車組達(dá)速250 km/h的要求。

3 牽引系統(tǒng)溫度跟蹤分析

3.1 溫升跟蹤方案

為進(jìn)一步確認(rèn)提速后動(dòng)車組牽引系統(tǒng)的運(yùn)用情況，在提速運(yùn)用初期，選取2列動(dòng)車組（CRH2A、CRH2B各1列）進(jìn)行對(duì)比分析。在CRH2A、CRH2B型動(dòng)車組相同位置均采用貼片式溫度傳感器對(duì)牽引變壓器、變流器及牽引電機(jī)進(jìn)行溫度跟蹤測(cè)試，定期下載溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析。溫度傳感器安裝采集位置主要如下：

（1）牽引變壓器溫度傳感器粘貼在油冷卻器殼體或油管上，具體粘貼位置見(jiàn)圖2（紅色框內(nèi)）。

圖2 牽引變壓器溫度傳感器粘貼位置

（2）牽引變流器溫度傳感器粘貼在功率模塊散熱器臺(tái)面（每臺(tái)牽引變流器任選1個(gè)功率模塊）和DCU機(jī)箱（每臺(tái)牽引變流器），具體粘貼位置見(jiàn)圖3（紅色框內(nèi)）。

圖3 牽引變流器溫度傳感器粘貼位置

（3）CRH2A型動(dòng)車組牽引電機(jī)通過(guò)在其定子鐵芯、兩端軸承處分別埋置熔斷式溫度繼電器來(lái)監(jiān)控牽引電機(jī)定子和兩端軸承的溫度限值，以保證牽引電機(jī)的可靠運(yùn)行。同時(shí)可在牽引電機(jī)銘牌上部、傳動(dòng)端外殼、非傳動(dòng)端外殼粘貼溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵芯、傳動(dòng)端及非傳動(dòng)端溫度，具體粘貼位置見(jiàn)圖4。

圖4 牽引電機(jī)溫度傳感器粘貼位置

3.2 溫度走勢(shì)

針對(duì)CRH2A、CRH2B型動(dòng)車組，某日跟蹤的電機(jī)傳動(dòng)端、電機(jī)定子鐵芯、電機(jī)非傳動(dòng)端、變壓器箱體、變流器功率模塊的溫度走勢(shì)見(jiàn)圖5—圖9。

從溫度走勢(shì)來(lái)看，CRH2A型動(dòng)車組溫度變化平穩(wěn)，變化趨勢(shì)基本一致，各監(jiān)控設(shè)備溫度峰值均出現(xiàn)在運(yùn)行速度為250 km/h左右。與CRH2B型動(dòng)車組對(duì)比，溫升變化無(wú)明顯差異，峰值溫度基本接近。

圖5 CRH2A型動(dòng)車組電機(jī)傳動(dòng)端溫度走勢(shì)

圖6 電機(jī)定子鐵芯溫度走勢(shì)

3.3 溫度峰值分析

CRH2A、CRH2B型動(dòng)車組溫度峰值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖10、圖11。

圖7 電機(jī)非傳動(dòng)端溫度走勢(shì)

圖8 變壓器箱體溫度走勢(shì)

圖9 變流器功率模塊溫度走勢(shì)

圖10 CRH2A型動(dòng)車組溫度峰值統(tǒng)計(jì)

圖11 CRH2B型動(dòng)車組溫度統(tǒng)計(jì)

從溫度峰值數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)控點(diǎn)各溫度峰值基本出現(xiàn)在運(yùn)行速度為250 km/h左右。其中CRH2A型動(dòng)車組電機(jī)鐵芯最高溫度為107℃、電機(jī)傳動(dòng)端78℃、電機(jī)非傳動(dòng)端66℃、變壓器箱體71℃、變壓器油管72℃、變流器功率模塊45℃、DCU機(jī)箱53℃；CRH2B型動(dòng)車組電機(jī)鐵芯最高溫度為106℃、電機(jī)傳動(dòng)端78℃、電機(jī)非傳動(dòng)端66℃、變壓器箱體67℃、變壓器油管65℃、變流器功率模塊47℃、DCU機(jī)箱49℃。對(duì)比目前各部件報(bào)警值，即使目前運(yùn)行速度在250 km/h左右，各部件的最高溫度與報(bào)警值仍存在較大裕量。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)CRH2A型動(dòng)車組合武線達(dá)速250 km/h運(yùn)行后牽引性能要求的變化，從牽引性能、牽引系統(tǒng)各部件的溫升、可靠性及現(xiàn)車牽引系統(tǒng)溫度跟蹤等方面開(kāi)展研究，并對(duì)現(xiàn)車試驗(yàn)跟蹤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出CRH2A型動(dòng)車組滿足合武線達(dá)速250 km/h運(yùn)營(yíng)要求的可行性，為合武線達(dá)速提供了基本理論依據(jù)。