楊 濤

（沈陽(yáng)鐵路局，沈陽(yáng) 110000）

?

AC 380V列車供電系統(tǒng)

楊 濤

（沈陽(yáng)鐵路局，沈陽(yáng) 110000）

簡(jiǎn)要介紹了列車供電系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，重點(diǎn)闡述了采用變流器供電方式的AC 380V列車供電系統(tǒng)，介紹了其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，與空調(diào)發(fā)電車供電方式進(jìn)行了比較，并對(duì)客運(yùn)AC 380V列車供電系統(tǒng)的發(fā)展闡明了觀點(diǎn)。

列車供電系統(tǒng)；客運(yùn)列車；AC 380V列車供電系統(tǒng)

客運(yùn)列車供電系統(tǒng)［1］是為鐵路旅客列車上各種電器提供電源的系統(tǒng)設(shè)備。目前鐵路上主流的25型空調(diào)列車供電系統(tǒng)主要存在兩種供電制式，一種為三相交流 380V/50Hz，基本采用空調(diào)發(fā)電車或者內(nèi)燃機(jī)車集中供電，一種為DC 600V，主要由客運(yùn)電力機(jī)車集中供電［2］。前者是在20世紀(jì) 80年代中后期我國(guó)鐵路列車開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用空調(diào)設(shè)備時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和使用條件而制定的，而后者是在靜止變流器供電方式成熟的基礎(chǔ)上，1998年開(kāi)始成功應(yīng)用在 K79/80次快速列車上，2004年鐵路第五次大提速以后開(kāi)始批量應(yīng)用。

基于部分直達(dá)列車和快速列車采用了電力機(jī)車向列車進(jìn)行DC 600V供電［3］的技術(shù)后，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但受制于當(dāng)時(shí)的變流技術(shù)水平，電力機(jī)車仍然無(wú)法直接向AC 380V供電列車進(jìn)行供電，而這些列車由于存量、線路等原因，目前的保有量仍然非常大，以沈陽(yáng)鐵路局為例，初步調(diào)查數(shù)量為1900輛左右，約占全局列車的40%。

1 既有AC 380V列車供電系統(tǒng)

既有AC 380V列車供電系統(tǒng)主要由AC 380V供電電源裝置、電力連接器、供電母線、客車電氣綜合控制柜、應(yīng)急供電系統(tǒng)等組成。

現(xiàn)有的客運(yùn)AC 380V列車供電系統(tǒng)絕大部分都依靠空調(diào)發(fā)電車提供電源，其系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　現(xiàn)有AC 380V列車供電系統(tǒng)示意圖

1.1空調(diào)發(fā)電車

25G型（快速K）、25K型（特快T）AC 380V供電列車的目前主要是通過(guò)加掛一節(jié)空調(diào)發(fā)電車來(lái)解決。發(fā)電車一般裝有3×300kW進(jìn)口康明斯柴油發(fā)電機(jī)組（或MTU柴油發(fā)電機(jī)組），每臺(tái)機(jī)組可單獨(dú)運(yùn)行，亦可并車運(yùn)行。

供電制式為交流三相四線制，380V/50Hz，可從發(fā)電車任一端與列車連掛，并分兩路供電母線通過(guò)設(shè)于車每端的4個(gè)電力連接器供電。

1.2內(nèi)燃機(jī)車

25T型（直達(dá)特快 Z）列車的供電由于運(yùn)行速度較快，目前只能通過(guò)數(shù)量極少的DF11G型內(nèi)燃機(jī)車來(lái)實(shí)現(xiàn)牽引和供電。DF11G型內(nèi)燃機(jī)車裝有德國(guó)進(jìn)口的MTU12V183TB12G型供電用輔助柴油機(jī)及LSA47.1L11-4P型發(fā)電機(jī)，供電制式與空調(diào)發(fā)電車一致，最大供電功率為2×400kW。

通過(guò)柴油機(jī)燃燒柴油轉(zhuǎn)化成機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，為空調(diào)列車提供電源，其能耗也是非常高的。以武昌客車車輛段武昌-上海的 K121/2次列車為例，該車次每組18節(jié)車廂，包含硬座、硬臥等車型，2004年全年實(shí)際消耗燃油482t，費(fèi)用高達(dá)兩三百萬(wàn)元，再加上人工、維修等成本，每年的運(yùn)行開(kāi)支相當(dāng)驚人［4］。除此之外，空調(diào)發(fā)電車或內(nèi)燃機(jī)車因?yàn)槿加托孤哆€存在著一定的火災(zāi)隱患［5］。

2 新型AC 380V列車供電系統(tǒng)

隨著電氣化鐵路逐步擴(kuò)展和電力機(jī)車變流技術(shù)的重大進(jìn)步，已有的AC 380V列車仍然依靠大功率柴油發(fā)電機(jī)組供電已不能滿足形勢(shì)發(fā)展的需要，而存量的AC 380V列車升級(jí)為DC 600V列車需要加裝三相逆變器、單相逆變器、充電機(jī)、客車電氣控制柜等設(shè)備，投資大、周期長(zhǎng)。

而在電力機(jī)車上按照列車負(fù)載特點(diǎn)定制開(kāi)發(fā)一套新型AC 380V列車供電裝置，可直接向列車提供三相交流 380V供電電源，再加上列車的適應(yīng)性改造，具備投資少、見(jiàn)效快、無(wú)污染、維修成本低等優(yōu)點(diǎn)。

新型客運(yùn)AC 380V列車供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　新型AC 380V列車供電系統(tǒng)示意圖

2.1電力機(jī)車列車供電裝置

配置有AC 380V列車供電裝置的電力機(jī)車，除完成牽引任務(wù)外，還負(fù)責(zé)AC 380V列車的供電。

列車供電裝置設(shè)有兩路三相逆變電源，兩路之間電氣上相互獨(dú)立，其輸出分別各與一路AC 380V供電母線連接。兩路逆變電源正常時(shí)保證全列車所有負(fù)載的正常應(yīng)用，當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，全列車減載運(yùn)行，由另外一路電源負(fù)責(zé)對(duì)全列車供電。

AC 380V列車供電裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定輸入電壓：?jiǎn)蜗郃C860V/50Hz；

額定輸出電壓：三相四線制3AC 380V/50Hz；

額定輸出功率：2×400kW。

與柴油發(fā)電機(jī)組提供電源的途徑不同，電力機(jī)車AC 380V列車供電裝置完全從電網(wǎng)取電，并通過(guò)交-直-交等電力電子技術(shù)完成電源轉(zhuǎn)換，保持了輸出供電制式不變，充分滿足了列車用電需求。

2.2供電母線及電力連接器

由于供電制式和最大供電功率保持不變，新型AC 380V列車供電系統(tǒng)的列車供電母線和電力連接器仍可與既有AC 380V列車供電系統(tǒng)保持兼容，即兩路獨(dú)立供電電源通過(guò)車每端四個(gè)電力連接器（型號(hào)：DL4AC500/425）貫通，將電力機(jī)車和AC 380V列車形成統(tǒng)一的列車電網(wǎng)。

全列車設(shè)有兩路完全獨(dú)立的 AC 380V供電母線，U相、V相和W相仍然采用2×120mm2客車電纜，N相仍然采用2×50mm2客車電纜。

2.3客車不間斷電源裝置

絕大部分AC 380V列車的照明及控制電源均為AC 380V/220V，因此新型AC 380V列車供電系統(tǒng)需要在客車上加裝不間斷電源裝置。該裝置基于在線式UPS的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，其最顯著的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的真正不間斷供電：在列車供電電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，一方面給照明及控制回路供電，一方面給儲(chǔ)能電池（磷酸鐵鋰電池，容量為 60AH）充電；當(dāng)列車供電電網(wǎng)突發(fā)停電時(shí)，不間斷電源立即開(kāi)始工作，由儲(chǔ)能電池給照明及控制回路所需電源，維持正常的供電，不會(huì)造成照明閃爍、控制設(shè)備復(fù)位等問(wèn)題。

不間斷電源主要技術(shù)參數(shù)如下。

額定輸入電壓：3AC 380V/50Hz

輸入電壓允許波動(dòng)范圍：AC 320～440V

輸出電壓：AC 220V/50Hz（正弦波）

正常/應(yīng)急供電轉(zhuǎn)換時(shí)間：≤10ms

單次應(yīng)急供電時(shí)間：≥30min/2kW

周期性應(yīng)急供電時(shí)間：不間斷（每周期 10min有電，2min無(wú)電）。

2.4客車電氣綜合控制柜

兩路AC 380V電源同時(shí)接入每輛客車后，仍由原客車的電氣綜合控制柜進(jìn)行電源選擇，該電路主要包括三相交流接觸器、空氣開(kāi)關(guān)、邏輯控制電路等，完成輸入母線選擇、負(fù)載分配等功能。

考慮到電力機(jī)車過(guò)分相時(shí)供電電源會(huì)頻繁出現(xiàn)中斷，造成接觸器等器件頻繁動(dòng)作，因此客車電氣綜合控制柜的控制電源和照明回路用電不再?gòu)墓╇娔妇€上直接取電，而是改從客車不間斷電源裝置獲得，這樣保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.5應(yīng)急供電系統(tǒng)

既有的客車應(yīng)急供電系統(tǒng)基本未做調(diào)整，仍由應(yīng)急電源、充電設(shè)備及其配電回路組成。應(yīng)急電源是由蓄電池組提供的直流電源，正常時(shí)由充電機(jī)對(duì)蓄電池組進(jìn)行浮充，當(dāng)供電母線停止供電后，充電機(jī)停止工作，由蓄電池提供直流電源供列車的應(yīng)急負(fù)載如應(yīng)急照明使用。一般AC 380V列車，其應(yīng)急供電電源（蓄電池組）電壓等級(jí)為DC 48V，僅供本車的應(yīng)急負(fù)載使用。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1創(chuàng)新點(diǎn)

新型 AC 380V列車供電系統(tǒng)以電力機(jī)車 AC 380V列車供電裝置為核心，配合既有AC 380V列車的適應(yīng)性改造，其創(chuàng)新點(diǎn)主要如下。

1）加裝了AC 380V列車供電裝置的電力機(jī)車在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了向AC 380V旅客列車直接供電，打破了原來(lái)柴油發(fā)電機(jī)組壟斷三相交流供電的歷史，機(jī)車電源技術(shù)取得了重大突破。

2）列車供電電網(wǎng)最終使用的電能，來(lái)自于電氣化區(qū)段的電網(wǎng)，并完全通過(guò)電力電子變流裝置的變換處理。

3）首次在鐵路列車上加裝不間斷電源裝置，使客車可較好地兼容電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車/空調(diào)發(fā)電車的供電電源。

3.2優(yōu)點(diǎn)

與基于柴油發(fā)電為基礎(chǔ)的既有AC 380V列車供電系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)如下。

1）提升列車運(yùn)能，增收節(jié)支綜合經(jīng)濟(jì)效益好。據(jù)測(cè)算，一列含空調(diào)發(fā)電車的AC 380V列車，因?yàn)槿加拖?、維修費(fèi)和人工成本等，每年至少比一列直供電列車多消耗約100～200萬(wàn)元成本。同時(shí)由于編組中甩掉了發(fā)電車，可多掛一輛載客列車，按照長(zhǎng)春-北京間硬臥定員66人、客滿率80%、票價(jià)244.5 元/人、全年350天（15天維修）計(jì)算，全年客運(yùn)收入還可以增加451萬(wàn)元。因此每年每列車增收節(jié)支的直接經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)約600萬(wàn)元。

2）低碳環(huán)保，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。采用新型AC 380V列車供電系統(tǒng)后，每輛空調(diào)發(fā)電車每年造成的近500t燃油污染會(huì)隨之消失，相當(dāng)于直接減少 1500t二氧化碳的排放量。另外還可以避免發(fā)電車85dB以上的噪音污染。

3）新型AC 380V列車供電系統(tǒng)采用免維護(hù)設(shè)計(jì)，日常檢修工作量少。所有關(guān)鍵部件都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)自主研發(fā)，零配件采購(gòu)方便，維修費(fèi)用低廉。

4）有效避免了空調(diào)發(fā)電車的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5）可大幅減少空調(diào)發(fā)電車的乘務(wù)員，實(shí)現(xiàn)減員增效。

與現(xiàn)有的DC 600V列車供電系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)也很顯著：

1）每節(jié)客車不必再增加三相逆變器、單相逆變器等分散變流的電源設(shè)備，按照一節(jié)客車20萬(wàn)元計(jì)算，18輛客車為一個(gè)編組，至少可減少列車供電系統(tǒng)的總體構(gòu)建成本360萬(wàn)元，而且還降低了客車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)的難度。

2）由電力機(jī)車集中逆變，提供了電源使用的效率，降低了電源轉(zhuǎn)換的損耗。

3）交流接觸器的使用壽命比直流接觸器更長(zhǎng)、采購(gòu)成本更低。

4 結(jié)論

新型AC 380V列車供電系統(tǒng)從2015年11月起，已在大連—北京間的直達(dá)特快列車（Z81/0 Z79/82）上投入使用，運(yùn)行狀態(tài)良好，完全滿足正常的鐵路運(yùn)輸要求。

目前所有運(yùn)行在鐵路電氣化區(qū)段的AC 380V供電的旅客列車，通過(guò)電力機(jī)車和客車的技術(shù)升級(jí)和改造，由電力機(jī)車直接供電，可不再使用柴油發(fā)電機(jī)組供電，將產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的市場(chǎng)空間。

［1］吳強(qiáng). 客運(yùn)列車供電系統(tǒng)［J］. 機(jī)車電傳動(dòng)，2003（5）：54-56，61.

［2］徐林云. DC600 V列車供電系統(tǒng)［J］. 鐵道車輛，2001，39（3）：13-16.

［3］徐林云. 首列機(jī)車供電空調(diào)列車供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介［J］.鐵道車輛，1999，37（4）：9-10，3.

［4］睢杰. 發(fā)電車燃油消耗分析及節(jié)能措施［J］. 鐵道車輛，2007，45（2）：44-44.

［5］張斗，錢生明，張曉昌. 發(fā)電車MTU柴油機(jī)組火災(zāi)隱患分析及預(yù)防措施［J］. 鐵道車輛，2004，42（8）：41-42.

AC 380V Power Supply System for Passenger Train

Yang Tao
（Shenyang Railway Bureau，Shenyang 110000）

Development of train power supply system is briefed. Focus is put to the converter power supply，the structure and characteristics of AC 380V power supply system，which is compared to the power supply system of diesel-alternator wagon. Opinions are aired to the development trend of AC 380V power supply system of passenger train.

power supply system； passenger train； AC 380V power supply system

楊 濤（1982-），男，遼寧省遼陽(yáng)市人，大學(xué)，助理工程師，主要從事機(jī)車維護(hù)、管理及技術(shù)升級(jí)工作。