任务3　铁道车辆供电方式认知

【活动场景】

在客车供电检修车间，或在具有供电模型、供电装置的试验室，或在能展示铁道车辆供电技术的多媒体教室进行。

【任务要求】

1.国内、外铁道车辆供电电源技术的发展概况。

2.空调客车供电系统的基本工作原理和特点。

3.空调客车供电系统的经济效益。

【知识准备】

供电系统用于为铁道车辆车上电气负载和自动化装置提供电能，目前我国铁道车辆供电方式主要有单独供电、集中供电和混合供电三种方式。

早期的铁道客车车辆电气设备比较简单，主要为客车客室照明、风扇、轴温检测信号设备等供电。用电量少、要求低，因而供电方式也较简单，采用小功率轴驱式发电机和蓄电池并联供电方式就可达到要求。

随着人们生活水平的不断提高及科学技术的不断发展，铁道客车车辆上电气设备日益增多。为提高旅客乘坐的舒适度，现代客车上大多安装了空调、信息显示设备、冰箱、液晶显示屏等，所以现在每节客车车辆上所需的功率比早期增加了几倍甚至几十倍。而且不同电器的电压制式也不同，既有直流的，也有交流的。这就相应地对列车供电系统提出了很多新的要求。各种新型的列车供电系统也随之不断出现。从变流方式看，有采用旋转式发电机组供电的，也有采用半导体静止变流器供电的；从分布方式看，有采用集中式供电的，也有采用分散式供电的。半导体静止变流器具有噪声低、体积小、质量小、布置灵活、电压适应范围宽、输出电压稳定、可节能等优点，因此在现代铁道客车中被逐渐推广应用。

1.单独供电

车辆单独供电是每辆车都带有一套独立工作的供电装置。当车辆用电量较小时，也可以每两辆或三辆车共用一套独立供电装置。我们一般将安装有发电设备的车辆称为母车，不带有发电设备的车辆称为子车，子、母车之间通过车端电力连接器连通车内输电线。

（1）车辆单独供电类型

①采用蓄电池组供电；

②采用由车轴通过皮带或万向轴驱动发电机与蓄电池组并联向车辆供电；

③采用小型柴油发电机组供电。

（2）单独供电的特点

①发电功率较小，一般为35kW以内；

②车辆可以随意摘挂和编组；

③供电装置的主机不占有车内有效空间；

④全列车输电干线通过车端连接器贯通并连接成统一电网，因此局部故障不影响列车用电。

（3）蓄电池供电

单独使用蓄电池供电的优点是设备简单，使用方便，可靠性较好，电流是纯直流电成分；缺点是单位功率所占的体积和重量较大，蓄电池在放电过程中电压逐渐降低，铅蓄电池放电至终止电压时必须停止放电并进行充电，否则会因过放电而损坏。另外蓄电池寿命短，损坏率高，维护工作量大。因此，这种供电方式只宜在用电量不大的车辆上使用。

（4）轴驱式发电机供电

采用车轴驱动的发电机与蓄电池组并联供电是世界各国在普通客车上运用较为广泛的一种供电方式。车辆运行时，由车轴通过皮带或万向轴传动驱动发电机供电，可供车辆的照明、通风、轴温测量等电器用电；当车辆停站或紧急情况而临时停车时，则由蓄电池组供电。我国旧型客车的轴驱式发电机曾采用直流发电机，而22型和23型客车则普遍采用三相感应子交流发电机。

轴驱式发电机的工作电压，当功率小于3kW时为24V，功率介于3～10kW之间时为48V，功率高于10kW时采用110V。

车轴与发电机之间的传动装置形式，一般也根据发电机的功率大小而确定：功率在10kW以下时，采用平皮带或三角皮带传动，也可以采用三角皮带与齿轮副二级传动；功率在10kW以上时，一般多采用万向轴传动。10kW以下的发电机可以悬挂在转向架的构架上，10kW以上的发电机一般需固定在车体底架上。

采用小型柴油发电机组单独供电，可以减少机车牵引动力，提高供电电压。减少蓄电池用电量便于长期停站时利用市电，但要求机组工作可靠、噪声与振动较小、使用维修方便。这种供电方式适用于带有空气调节装置的软卧车、宿营车。发电机采用三相感应子交流发电机，工作电压为110V，功率为10～40kW。

2.集中供电

对于用电量较大并且是固定编组的列车，采用全列车集中供电的方式，有利于减少设备投资、节约有色金属、减轻机车动力与供电设备重量以及便于运用维修等。

列车集中供电的电源，对于非电气化区段，由列车发电车上的柴油发电机组供给；对于电气化区段，可以由接触网通过电力机车上的变压器提供。

（1）柴油发电车供电

由发电车的柴油发电机组集中供电时，供电电压一般为线压400V、相压230V、三相、50Hz，通过车端连接器向连挂的客车分两路送电。输电线压降应不大于5％。这种供电制式的优点是用电负载，如异步电动机、日光灯、控制电器与保护元件等可直接采用民用产品。但输电电流与所需要的三相四线制输电线截面积都较大，穿管难度较大，对连接器的插头和插座间接触电阻要求非常严格，要求小于0.0008Ω。因此，在可能的条件下应将供电线电压提高。

（2）接触网供电

我国电气化区段接触网电压为单相、工频25kV，经电力机车主变压器变换为单项工频2×1500V后输送给连挂客车的输电线，输电功率为800kV·A。由于输出电压较高，因此输电线与车端连接器必须具有良好的绝缘性能。连接器必须带有钥匙，以保证操作安全。

由接触网供电的客车，其用电负载的特点是：

①空调机组电动机仍采用三相异步电机；

②由分散于每辆客车中三相逆变器供电；

③采暖电加热器与电开水炉由降压变压器提供220V单相电源；

④照明与通风机由带有发电机的蓄电池组供电并通过逆变器变换成交流电，以保证摘挂机车时也能正常工作。

电气化接触网客车供电方式有机车供电、电源车供电和DC 600V/AC 380V兼容供电三种。

3.混合供电

鉴于目前铁路牵引动力还存在多种类型。铁路车辆（如机械冷藏车）的一些特殊运输条件，除了前述两种供电方式之外，还有必要采用第三种方式，即混合供电。

混合供电方式有下列几种：

（1）车辆照明和通风机由轴驱式发电机与蓄电池组并联供电，而车上的采暖电热元件则由电气化铁道的接触网供电，这种供电方式适用于电化区段的普通客车。

（2）列车或车组正常运用时由柴油发电机组供电，而当列车或车组空载或停站时由轴驱式发电机与蓄电池组并联供电。目前与非空调客车连挂时的空调软卧客车以及机械冷藏列车中宿营车采用这种供电方式。

4.车辆供电方式的选择

通过前面的学习，我们知道铁道车辆的供电方式和供电系统的各种不同的类型，铁道客车车辆在具体选择供电方式时，应从下列几个方面进行综合考虑：

（1）车种及用途；

（2）车辆在列车中的编组方式；

（3）车辆电气负荷的类型、功率以及它们的用电要求；

（4）在保证可靠供电的条件下供电设备的经济性。

【任务实施】

下面以某客车车辆段车电车间供电班组学习为例进行本次任务的完成。

1.普通客车的单独供电形式认知

我国传统的普通铁路客车车辆单独供电是在每辆客车上安装一套独立的供电系统，当车辆用电量较小时，每2辆或3辆车共用一套独立供电装置，此时安装有发电设备的客车称为母车，不带发电设备的车称为子车，子、母车之间通过车端电力连接器沟通车内输电线。

在指导教师的引导下，在客车车辆段的技术作业站中找出22型、23型客车，或通过多媒体资料找出以下两种类型的供电方式的客车或相关资料，说明这种供电方式的基本特点。

（1）车轴发电机供电

如图1-7所示是采用车轴驱动的发电机与蓄电池组并联向客车负载供电，普通22型和23型客车就是采用这种供电方式。教师组织学员简单分析48V供电系统的基本组成和原理。

（2）小型柴油发电机组供电

如图1-8所示为单车30kW柴油发电机组供电装置，由图1-8可知这种供电方式是在客车底部装设小型柴油发电机组向负载供电，这种供电方式适用于单独或分开连挂且装有空调装置的软卧车、宿营车和别的类型的客车。如我国生产的RW22型空调软卧车和YW22B型宿营车采用的就是这种供电方式。

2.集中供电

（1）柴油发电车集中供电

如图1-9和图1-10所示分别为采用康明斯和MTU柴油发电机组驱动的两种供电装置，这种供电装置的基本特点是由专门的供电装置向整列车的负载进行供电，适用于用电量较大并且是固定编组的列车（如全列空调客车）。

发电车的柴油发电机组集中供电电压一般为三相线400V、相压220V、频率50Hz，通过车端电力连接器分两路向客车送电。这种供电方式的优点是用电负载和控制器件可直接采用民用产品，但所需的输电干线截面积较大，干线穿管施工难度大，对连接器插头与插座间接触电阻要求非常严格（小于0.0008Ω）。

（2）电气化区段的接触网DC 600V供电制式

我国铁路电气化接触网供电的额定电压为单相工频25kV，由接触网供电的旅客列车，通过客运电力机车主变压器，将受电弓取得的单相工频25kV的电压，转变为DC 600V的直流电压，输送给所牵引的客车。主要特点是：空调机组电动机为三相异步电机，三相电源由分散于每辆客车中的三相逆变器供电；采暖电加热器与电开水炉由降压变压器提供220V的单相电源；照明与通风机由带有充电机的蓄电池组供电并通过变换器变换成交流电，以保证摘挂机车时也能正常工作。

要明确：由接触网供电的客车，由于输电电压较高，因此输电干线与车端电力连接器必须具有良好的绝缘性能，以保证输电安全。

下面以SS8型电力机车供电系统为例来认识供电系统的主要配件和结构。

①机车供电装置

如图1-11所示，SS8型机车受电弓接收由电网输送过来的25kV单相交流高压电，经降压后，采用2套独立工作的单相半控整流装置将单相交流电整流成2路直流电，每路额定输出电压600V、电流670A、容量400kW，通过机车两端供电输出插座KC20D分别向列车供电。DC 600V机车供电系统优点如下。

a.机车采用整流方式提供DC 600V电源，技术成熟、可靠性高。

b.采用两路供电方式，具有一定冗余；一路电源故障时，另一路仍可向客车供电。

c.各车厢变流器放在车下，不占用车上有效空间。

d.取消了发电车。

e.各车厢独立性强，列车编组灵活。

f.DC 110V全列贯通，各车厢DC 110V供电系统互补性强、可靠性高。

g.供电系统可集中控制，操作简单，可实现DC 600V/AC 380V兼容供电。

②客车供电装置

客车供电装置由车端连接器、列车供电干线、配电柜、逆变器、蓄电池组、充电器、空调控制柜、照明控制柜等部件组成，图1-12和图1-13所示分别为DC 600V电力连接器和DC 110V电力连接器。

机（动）车提供的两路DC 600V电源通过车端连接器引入配电柜，配电柜将其中一路输入逆变器及充电器。逆变器将DC 600V变换成三相380V/50Hz交流电，通过配电柜向电开水炉、温水箱、废排风机等用电负载供电，并通过空调控制柜向空调机组供电。

充电器将600V直流电变换成110V直流电，向蓄电池组充电，同时通过照明控制柜向车内照明及供电装置控制系统等负载供电。每辆车设蓄电池组，蓄电池组与110V干线间采用二极管隔离。车内采用日光灯照明，照明变换器将110V直流电变换成220V交流电。

空调控制柜、变流器、充电器的控制电源均受配电柜控制。配电柜控制电源受机（动）车控制。

a.连接器

车端连接DC 600V采用KC20D型电力连接器，外形及安装尺寸与KC20A型电力连接器相同。4对接触对的容量相同，2对作为DC 600V正线连接，2对作为DC 600V负线连接。

DC 110V采用SL21型电力连接器，2对接触对的容量相同，1对作为DC 110V正线连接，1对作为DC 110V负线连接。

集控线通过集控连接器中2～4对接触对相连（动车组需4对）。

b.配电柜

如图1-14所示为空调客车配电柜的内部结构图。配电柜里设有DC 600VⅠ路、Ⅱ路供电选择电路，可以方便地选择其中一路向变流器、充电器供电，设有多路380V、220V交流供电电路，将变流器输出的交流电分别向温水箱、电开水炉、客室电加热器、废排风机及其他负载供电。

配电柜内设有本车漏电检测，检测本车DC 600V供电线路及三相交流负载的对地绝缘电阻，当对地绝缘阻值小于（24±0.15）kΩ时，漏电检测输出继电器不闭合。DC 600V供电接触器不吸合，DC 600V停止向本车厢供电。

c.逆变器

如图1-15所示为25T型客车的逆变器的结构图，逆变器将DC 600V变换成三相380V、50Hz交流电，以满足车辆设备用电需要。逆变器采用电压型桥式逆变电路，其功率开关器件为IGBT元件；控制电路采用计算机控制，具有贯穿短路、过压、欠压、过流、散热器过热等保护功能以及IGBT元件故障和电子控制故障检测功能。为解决散热及防雨雪、防风、防脏物、防飞石碰撞问题，逆变器采用整体密封、整体散热的箱体结构。逆变器具有延时（15s）输出功能；列车过无电区时，逆变器采用VVVF自动控制启动方式，电动机启动电流冲击小。逆变器具有承受负载冲击的能力，空调压缩机开停时，逆变器不会发生停机后再启动现象。主电路主要由DC 600V隔离接触器、充电电阻、充电电阻短接接触器、快速熔断器、电容和电压测量装置、开关元件IGBT、吸收模块、交流侧隔离接触器等组成。双逆电源中2个逆变器的主电路结构完全一致，其中一台逆变器的输出接一个隔离变压器，将AC 380V降为AC 220V。为避免逆变器工作在空载状态及冬季采暖工况时输出电压降低，由空调控制柜提供“系统工作信号”、“电热信号”。控制系统内部有故障诊断和记忆功能，检测到故障信号时自动将逆变器切除。双逆电源中2台逆变器的控制相互独立，其中一台逆变器有故障不能正常工作时，另一逆变器正常工作。面板上有工作状态、故障状态指示灯。

d.DC 110V供电装置

如图1-16所示为25T型客车110V电池组的实物图，DC 110V供电装置有充电器、蓄电池组等部件组成。蓄电池组采用7、8节中倍率碱性蓄电池（20km/h电力动车组采用德国产镍镉免维护电池），额定电压93.6V、容量为100A·h、额定充电电压为115V、最大允许充电电流为25A。充电器将600V直流电变换成110V直流电，向蓄电池充电的同时向DC 110V用电负载供电。充电器采用高频DC-DC变换技术，其功率开关器件为IGBT元件。控制电路具有短路、过压、过流、散热器过热、蓄电池接反等保护措施。主电路采用桥式电路，开关频率20kHz，具有效率高、质量轻、体积小、避开了音频噪声区等优点。充电器具有限流恒压充电功能，符合蓄电池充电特性要求（最大充电电流为25A）。具有蓄电池低压保护功能，当电池电压低于93.6V时，自动切断大电流负载。电网供电中断后再恢复时，能够自动投入正常运行。