李成胤

0 引言

眾所周知，直流電源廣泛應(yīng)用于計算機房、醫(yī)院、礦井、賓館以及高層建筑等領(lǐng)域，同時鐵路系統(tǒng)的許多領(lǐng)域也都離不開穩(wěn)定的直流電源，例如變配電站（直流操作電源）、信號設(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)合工程實例對其做相應(yīng)介紹。

1 應(yīng)用背景

國內(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通運營，并達到了預(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技術(shù)政策，應(yīng)用到高速列車和動車組，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。從國家能源政策和環(huán)境保護政策出發(fā)，以接觸網(wǎng)供電的電力機車集中向客車供電的DC 600 V 供電系統(tǒng)，無疑具有技術(shù)和經(jīng)濟上的優(yōu)勢。而對該類車輛進行整備及檢修作業(yè)時，受現(xiàn)場作業(yè)條件、安全以及環(huán)境等因素 的限制，無法用機車對車輛進行供電，為滿足車輛檢修、運用部門的實際需求，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（對于10 kV 電源接引困難的場所，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（具有軟啟動功能）

額定功率：2×400 kW

額定電流：2×667 A

3 設(shè)計方案

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、控制后送入整流柜內(nèi)進行三相半控整流輸出直流600 V，再經(jīng)過平波電抗器濾波，通過電纜送至股道末端電源箱，最后通過KC20D電力連接器把DC 600 V 電源送入客車車輛進行檢修作業(yè)。地面DC 600 V 電源整流裝置原理模型見圖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

高壓開關(guān)柜采用新型的充氣式斷路器、充氣式負荷開關(guān)環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)，具有體積小、強度高、免維護等優(yōu)點。開關(guān)柜內(nèi)包括：斷路器單元、負荷開關(guān)＋熔斷器單元。斷路器單元作為整流設(shè)備的進線，同時具備計量功能；負荷開關(guān)＋熔斷器單元作為變壓器的饋線。高壓開關(guān)柜接線詳見圖2。

圖2 高壓開關(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。同時要求整流變壓器部分不能對0.4 kV 輸出有影響或干擾，不能出現(xiàn)諧波問題。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)壓及負載變化實時快速調(diào)節(jié)，保持電壓輸出穩(wěn)定，并實行各種保護功能。整流設(shè)備原理接線詳見圖3。

圖3 整流設(shè)備原理接線圖

（1）控制柜。通過控制柜可實現(xiàn)控制兩路電源同時投入，也可控制單獨一路電源投入?？蓪崿F(xiàn)過載、接地、斷路器等保護動作，以及電流、電壓的信號顯示。當(dāng)風(fēng)機接觸器、電源接觸器合上后，有相應(yīng)電源指示。當(dāng)過流、接地、熔斷器等保護動作后，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車電傳動中較成熟的交-直變流控制技術(shù)對可控硅整流模塊實現(xiàn)恒壓、限流控制，根據(jù)電壓、電流的反饋信號與控制給定值比較后，通過控制晶閘管觸發(fā)，實現(xiàn)輸出恒定為DC 600 V 電源。

選擇可控硅整流模塊時，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，起安全保護作用。

由于列車維修用電啟動電壓較大，整流模塊還應(yīng)具備軟啟動功能。這就需要在可控整流模塊中串入RL 負載，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 軟件仿真計算得出。

另外，在L-C-R 柜中還應(yīng)裝有接地保護裝置，檢測直流側(cè)正線或負線及相關(guān)電器的漏電流，保護動作時，跳開主電源，并有信號燈顯示信號。

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收放功能的KC20D 插頭，將DC 600 V 電源送入車輛進行檢修。本次設(shè)計吸取了以往工程經(jīng)驗，將KC20D 插頭與直流電源箱進行整合設(shè)計（即將KC20D 插頭整合入箱），并對KC20D 插頭增加了自動收放功能，在提高運用維護效率的同時，也降低了安全隱患。

3.7 保護設(shè)置

（1）高壓側(cè)保護。選用優(yōu)質(zhì)真空開關(guān)、電動操作、微控保護裝置，具有延時速斷保護、定時限過流保護、高壓側(cè)零序過流保護、低壓側(cè)定時限/反時限零序過流保護，低電壓保護、過電壓保護、過負荷保護、過溫報警、超溫保護等功能。

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

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

（4）直流側(cè)保護。選用多功能的可控硅觸發(fā)板，通過對三相電流不平衡、缺相及輸出直流的過壓、欠壓、過流、短路等檢測，準(zhǔn)確快速地調(diào)整直流電壓的輸出，當(dāng)出現(xiàn)異常時及時關(guān)閉可控硅，防止故障的擴散；增加PLC 控制電路，通過電壓變送器、電流變送器等，輸入電壓、電流、漏電、溫度等信號，當(dāng)出現(xiàn)異常時及時輸出控制信號，有效保護電源。

4 結(jié)語

DC 600 V 供電系統(tǒng)已經(jīng)確定了中國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》，DC 600 V 供電系統(tǒng)是符合我國鐵路運行特點的供電方式之一。隨著國家對鐵路行業(yè)的大力發(fā)展，相信該項技術(shù)今后在鐵路客車整備系統(tǒng)中會得到廣泛的應(yīng)用。

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

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

[3]TB/T1508-2010 機車電氣屏柜技術(shù)條件[S].