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铁路客车供电方式的发展历史(从48V到DC600V)

发布时间 : 2017-03-03字体[ 大 ][ 中 ][ 小 ]

铁路客车供电系统是铁路客车的重要组成部分,早期的22型采用DC48V供电,随着铁路客车的发展和旅客乘坐舒适度的要求,早期的25B型车开始安装空调,随之出现了单车自带发电机组供电的客车,后演变至采用发电车AC380V集中供电,随着铁路速度的提高及电气化铁路的普及,现在又发展为DC600V机车供电……

铁路客车供电方式按时代发展的顺序主要分为单车独立供电、发电车集中供电和机车供电。

一、单车独立供电(20世纪50-80年代)

1、轴驱式发电机供电

早期的旅客列车主要包括21型、22型、25B型车,电气装置主要有照明装置、通风系统、广播系统、轴温报警装置等,将轴驱式发电机吊挂在客车的车底架下(或转向架的构架上)。当客车运行时,利用车轴的转动,通过皮带带动发电机轴的转动,发出的电能通过车体配线向车内供电,并向蓄电池充电;当列车速度低或停车时,则由蓄电池通过车体配线向车内各用电器具供电。安装有发电机及蓄电池的车厢称为“母车”,未安装的称“子车”。

如22型客车由J5型轴驱式感应子发电机(5kW,部分7kW)、控制箱、整流箱、24个2V蓄电池组组成。

2、车下柴油发电机组供电

为了更佳的乘坐环境,20世纪80年代从原民主德国进口的24型客车为自发电空调客车,车厢底部下挂了柴油机、发电机和空调机。采用35kW交流发电机,发电机与DC110V碱性蓄电池组并联供电。

25B型的软卧车、硬卧宿营车、餐车、公务车、试验车等安装了空调机组(但仍是锅炉供暖),由本车车下柴油发电机组给空调机组供电。小型柴油发电机组一般仅供本车空调机组使用,输出3NAC380V/220V,功率有24KW、32KW、40KW、48KW等,冷却方式有风冷和水冷2种。风冷柴油发电机组一般采用车下吊挂安装方式,柴油机主要有F6L912型柴油机、F6L913Z型增压柴油机;水冷柴油发电机组一般安装在车上,柴油机主要有潍柴495、南昌4105、进口perkinsll04系列四缸柴油机和康明斯、沃尔沃5升机系列柴油机。

单车独立供电车辆可以随意摘挂和编组(但子车连续编挂不得超过2辆,首尾1辆为限)、发电设备不占用车内空间、局部故障不影响全列车供电,但由于发电功率低,无法适应大功率用电设备如空调的普及使用,降低了乘坐舒适性。而车下柴油发电机组加大了车辆自重,无法满足提速要求。

二、发电车集中供电(20世纪80-90年代)

20世纪80年代开始,随着铁路客车的技术提升以及旅客乘坐舒适度要求的不断提高,25型新型空调旅客列车的普及,我国发展了用柴油作为燃料的发电车提供三相交流380V(简称AC380V)对空调列车集中供电,也就是我们常说的空调发电车。

车上装有三台300KW的进口康明斯柴油发电机组或MTU柴油发电机组,总容量为900KW,每台机组可单独运行亦可并车运行,向旅客列车供电时,两台机组工作,一台备用,总输出功率为2×300KW。

早在60、70年代,原四方机车车辆厂就已研制出用于广九铁路的22型、25型空调发电车(时称TZ特种车)及空调客车,发电车柴油发电机组的装机容量为3×200KW,供电制式为3NAC380V/220V、50Hz。1987年,四方厂又率先研制出柴油发电机组装机容量为3×300KW、具有自动并车功能的大功率发电车(KD型、2路干线供电)。1989年,原浦镇车辆厂、长春客车厂研制了2×500KWMTU柴油机组大功率发电车。1996年,铁道部组织原长客、四方、浦镇、唐山等主机厂在之前各自研制的发电车基础上进行了电气原理图及主要关键设备(包括柴油发动机、发电机、控制柜、自动并车装置等)的统型。

25G型、25K型客车分别定型于1992年、1998年。空调发电车装有柴油机、发电机、变压器等发电设备和值班人员办公室,工作时要有乘务人员值守。空调发电车主要有KD25G、KD25Z、KD25K等。

在电气化铁路发展初期,发电车很好地解决了空调客车的供电问题,与轴驱供电相比有诸多明显的优点,具有较好的机动性和广泛的适应性,但随开行车次的增加,运行噪声和燃油排放污染对沿途的影响也凸显出来。主要原因有以下几点:①占用列车编组,增加机车牵引重量,减少列车定员数,发电车的轴重不能完全满足提速列车轴重的要求。②运营成本高,每台空调发电车的购置费用高,且需消耗大量昂贵的柴油。发电车工作时,需要有专门的乘务人员操作、监控。③污染环境,有废水、废油、废气的排放。

随着铁路电气化进程的加快普及,并借鉴国外铁道客车供电技术,20世纪80年代,中国铁路开始研究电力机车向客车供电技术。这既符合国家能源政策,又能为客车提供足够容量的电源,改善旅行条件,同时增加列车编组,减轻列车自重,具有明显的经济效益和社会效益。刘志军任部长后,铁道部自2003年提出取代空调发电车集中供电转为机车供电的DC600V直流电分散逆变技术,空调发电车逐步退出人们的视线,基本不再生产。

2005年由于青藏线特殊的运用环境,为保证列车运行的用电,需要在车列中加挂发电车。KD25T高原型空调发电车装用大功率电喷式柴油发电机组,采

用SW-QDl60型转向架;设置了供氧系统,此外为配合机车直流供电的兼容性,高原型空调发电车采用DC600V供电方式,也是我国至今唯一一种使用DC600V供电方式的发电车。

受2008年雪灾时铁路瘫痪的影响,当时铁道部又重提了发电车的重要性,2012年春运胡亚东副部长提到在全国铁路沿线准备了1000多部独立的发电车,一旦牵引供电中断,或者指挥行车的系统电力中断,临时、独立的发电车可以应急发电,保证指挥系统的顺畅。

三、机车供电(20世纪末至今)

随着铁路电气化进程的加快普及,并借鉴国外铁道客车供电技术,20世纪80年代,中国铁路开始研究电力机车向客车供电技术,对高压输电、集中变流、分散变流等技术做了大量的试验研究工作。

铁道部委托四方车辆研究所等单位于1997年开始对国内外列车供电技术状况进行分析、研究,最终确认600伏直流(简称DC600V)集中供电、分散变流列车供电系统适合我国当前的电子、电力技术水平,而且便于与国外列车供电技术接轨。

采用DC600V供电电压,是参照了国外供电制式并结合我国国情和技术现状所作出的选择。高压供电从经济性考虑虽然具备优势,但是采用高压供电系统无疑需将降压、整流和逆变环节全部集中在客车上,其安装和配重难度较大。而机车集中整流后向客车供电,由客车分散变流,在技术上没有太大的困难。由于直/交变换存在电压利用率的问题,所以要达到输出AC380V,要求输入电压应在DC600V左右。同时基于国外有直流540V、600V、660V、750V等级,所以我国采用DC600V电压,一方面可以提高逆变器的可靠性,另一方面这个等级的电压,实际在绝缘、耐压等方面与AC380V基本一致,安全性好。

鉴于电力机车供电与发电车供电兼容的原则,首列DC600V集中供电、分散变流列车设计为DC600V/AC380V供电兼容列车。

列车供电干线电压制式为DC600V,电力牵引工况和内燃牵引工况均能较好满足其要求,从而可兼顾列车在电气化区段由电力机车供电和在非电气化区段由内燃机车供电两种需求,适合我国铁路运输方面存在的同一车次列车可能需要在上述两种区段运行的特点。

机车供电是由电力机车或内燃机车提供2路(2×400KW)DC600V电源给空调旅客列车。在电气化区段,采用由电力机车集中供电、客车分散变流的供电方式;在非电气化区段,由DF11G型内燃机车向客车提供DC600V电源。

机车设2套独立的DC600V电源装置,电力机车主变压器有2个辅助绕组,分别通过2套DC600V电源装置的相控整流、滤波后输出DC600V、2×400kW电源;DF11G型内燃机车把2个辅助发电机组的三相交流电分别整流后输出2路DC600V电源。

客车DC600V供电系统主要由以下装置组成:逆变电源装置(简称逆变器箱)、DC600V/DC110V电源装置(简称充电机箱)、电气综合控制柜、蓄电池箱、车端连接器及布线等设备组成。

电力机车在运行时同时向客车车厢输出DC600V直流电,各车厢使用逆变技术,逆变为AC380V、AC220V、DC110V供客车使用,新造的25G/T车在车底下有逆变器箱和充电机箱。采用PLC控制无主网络监控系统,实现全自动监控。标准配置客车车载电源箱内安装有两台容量及硬件结构完全相同的35KVA逆变器和一台容量为15KVA的隔离变压器,两个逆变器分别编号为1号逆变器和2号逆变器。简配客车车载电源箱内安装有一台35KVA的逆变器和一台容量为15KVA的隔离变压器。

DC600V供电客车通过综合控制柜按车厢号(分奇偶)自动选择1路DC600V供电。车下安装逆变电源装置和充电机。逆变电源装置包括2×35kVA逆变器和1个15kVA三相四线制隔离变压器。2×35kVA逆变器将DC600V逆变成2路3NAC380V、50Hz交流电,向空调机组、电开水炉等三相交流用电负载供电。8kW充电机将DC600V变换成DC110V直流电,给蓄电池组充电的同时,向照明、供电控制等直流负载供电。客室电热器和温水箱采用DC600V直接供电。

采用2×35kVA逆变器供电主要基于单车负载容量较大和增加供电系统的可靠性。其中一个逆变器主要给空调机组供电,另一个给开水炉、伴热负载等交流负载供电。正常情况下,2个逆变器相互独立,互为热备份;当其中一个发生故障时,由另一个继续供电,但部分受控负载要减载运行(如空调机组自动转入半冷或半热工况)。如25T硬座车:逆变器Ⅰ逆变的AC380V交流电为一位端空调供电,逆变器Ⅱ逆变的AC380V交流电为二位端空调、电开水炉供电,同时经15kVA隔离变压器输出三相四线制AC380V交流电,为本车交流插座、废排风机、伴热系统提供单相AC220V交流电源。25T型餐车:逆变器Ⅰ逆变的AC380V交流电为空调和厨房8kW凹灶供电,逆变器Ⅱ逆变的AC380V交流电经15kVA隔离变压器输出三相四线制AC380V交流电,为本车交流插座、伴热系统提供单相AC220V交流电源,同时为厨房其余电灶、电开水炉、蒸饭箱等供电。

客室电热器、温水箱等电阻性负载采用DC600V供电,一方面减轻了逆变器的冬季负载,另一方面减少了中间环节,提高了效率和可靠性。

电气化区段每隔25~58km有一个分相区,DC600V电源装置在过分相区时无电,逆变器和充电机均无输出。为了避免频繁断电对控制系统和应急设备的影响,照明装置和控制系统采用DC110V供电。在接触网有电时,由充电机向照明装置、控制系统等负载供电,而过分相区时则由蓄电池组供电。为了防止本车蓄电池过放或短路故障时导致系统崩溃,保证对重要负载(如轴温报警器、防滑器等)的供电,全列蓄电池通过阻断二极管并联。尾灯、共线电话等设施基于信号运用仍采用DC48V供电。

1、内燃机车供电

主要有两款机车可以直供电,大连的DF4DF和戚墅堰的DF11G。

DF4DF是大连厂1999年在东风4D提速客运机车基础上为达成铁路公司和石长铁路公司专门开发的一款客运机车,采用AC380V制式向客车供电,至2004年共生产了25台。它的特点是通过微机控制系统向旅客列车供电,既能牵引列车又可以取代客运列车中的发电车向列车空调、电加热器和照明等供电。这货和DF4DK的区别就在于排障器上方的机供插座。

DF11G是戚墅堰机车车辆厂为完成我国铁路第五次大提速而专门研制的双机重联型准高速干线客运内燃机车,机车装有辅助柴油发电机组,最大供电功率2×400kW,供电制式为AC380V或DC600V。

车迷称作“小猪“(AC380制式,其机供口为灰色,多用于牵引、机供进口BSP型25T客车。)”和”大猪“(DC600制式,其机供口为大红色,多用于牵引、机供国产25T和25G客车。

2、电力机车供电

主要有SS7C、SS7D、SS7E、SS8、SS9以及HX系列的HXD1D、2D、3C、3D等。供电制式均为DC600V。

客车采用机车直供DC600V供电系统,能够取消发电车,增加1节客车,减少燃油和噪声污染,既符合能源政策,实现节能减排,又能增加运能,具有明显的社会效益和经济效益。

由于我国铁路系统点长线多且存在不少跨多区段的旅客旅客列车,短时间内不可能实现全线电气化,所以目前普速旅客列车的供电方式是空调发电车供电和机车供电并存,供电制式AC380V/DC600V并存的局面。如近期招标还有不少AC380V制式25G型车。


   

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