浅析动车组的辅助供电系统

张文斌,宫卫南

(1 铁道部驻长春车辆验收室,吉林长春130062;2 长春轨道客车股份有限公司,吉林长春130062)

列车辅助供电系统的可靠性、可用性、安全性非常重要,以高速动车组为依据,对辅助供电系统在动车组上的应用及主要性能进行研究,将会给列车的辅助供电技术发展提供一些借鉴,为列车安全、高速、舒适的运行提供行之有效的保障,具有重要的应用价值。

1 辅助供电系统的基本原理及组成

动车组为动力分散的交流传动系统,8辆编组,分为2个单元,4动4拖。动车组辅助供电系统原理图如图1所示。

图1 辅助供电系统原理图

1.1 辅助供电系统组成

辅助供电系统主要包括辅助变流器、充电机、蓄电池、单相逆变器、单相变压器等部件。动车组共设有4台辅助变流器,2车和7车上各装有一个单辅助变流器,在4车和5车中各装有一个双辅助变流器;充电机和蓄电池只在4车和5车设置;单相逆变器和单相变压器每车都有设置。所有辅助变流器输出通过干线并联在一起为中压负载供电,所有充电机与蓄电池输出也通过干线并联在一起为低压负载供电。另外为了方便车辆检修,在两个双辅助变流器各设置1个库用插座。

1.2 辅助供电系统工作原理

辅助变流器的输入电源为DC3 000 V,取自牵引变流器的中间直流环节。在动车(1车、8车、3车、6车)上各装有一个牵引变流器,正常情况下2车和7车上的单辅助变流器,分别连接至1车、8车内的牵引变流器的中间电路。在5车和4车上的双辅助变流器,分别连接至3车 、6车内的牵引变流器的中间电路。在每个牵引单元的双辅助变流器和单辅助变流器的输入侧均设有冗余设计,当一个单元中的一个牵引变流器出现故障时,正常工作的一个牵引变流器,可为本单元的全部辅助变流器供电。

所有辅助变流器的输出端都连接到列车母线上,同步提供三相交流440 V、60 Hz的电源。母线贯穿整个列车,出现故障时,通过断开辅助变流器的输出接触器可实现隔离。辅助变流器装置通过三相交流440 V、60 Hz母线全部实现同步,无需单独的同步线。空调系统、充电机、主空气压缩机、主变压器与牵引装置的冷却系统为三相交流440 V、60 Hz电源的主要用电设备。

充电机连接到三相交流440 V、60 Hz供电母线上。充电机输出电压为DC110 V,通过DC110 V供电母线为DC110 V用电负载供电。充电机只能为本车蓄电池充电。DC110 V母线贯穿整个列车,分为 BD、BN1、BN23种。BD为不间断电源,即不通过触点开关等中间环节直接将供电母线与蓄电池连接,BN1、BN2为常规电源,通过触点开关将供电母线与蓄电池连接。蓄电池为车载应急电源,在充电机故障时保证车辆重要负载的工作。

动车组每节车都配有单相逆变器,由DC110 V供电母线供电,并为每节车提供单相交流230 V、50 Hz电源,方便旅客使用。各车之间的单相交流230 V、50 Hz电源并不连接。另外,动车组每节车都配有单相变压器,由三相交流440 V、60 Hz供电母线供电,并为每节车提供单相交流230 V、50 Hz电源,为列车中的低功率加热装置供电。各车之间的单相交流230 V、50 Hz电源并不连接。

为了能够在高压设备接地或列车停车时操作三相交流440 V、60 Hz列车母线的组件,可以为三相交流440 V、60 Hz列车母线提供三相交流380 V、50 Hz外部电源,电源插座设在4车和5车的双辅助变流器上。整个动车组的外部电源通常仅由两个辅助变流器装置中的一个提供。

2 辅助供电系统主要部件的性能及参数

2.1 辅助变流器

辅助变流器的功能是把牵引变流器中间直流环节的直流电转换为3AC 440 V、60 Hz交流电,为车载设备提供中压电源。分单辅助变流器和双辅助变流器两种。辅助变流器装置安装在车下。辅助变流器中装有功率半导体、开关装置、保险丝、控制系统组件、冷却系统组件和电感组件。辅助变流器装置通过强制风冷系统冷却。单辅助变流器和双辅助变流器的原理图分别见图 2、图 3。

图2 单辅助变流器简化原理图

辅助变流器的主要技术参数:

输入电压:DC 2 700～3 600 V;

输出电压:3 AC 440 V、60 Hz;

额定功率:1×160 kVA(单辅),2×160 kVA(双辅);

控制电压:DC 110 V。

2.2 充电机

充电机的功能是把三相交流电转换为DC 110 V电源,对蓄电池组进行充电,同时向与充电机并联的负载供电。

图3 双辅助变流器简化原理图

充电机的主要技术参数:

输入电压:3 AC 440 V、60 Hz;3 AC 380 V、50 Hz;

输出电压:DC 110 V;

最大输出电流:544 A;

额定输出功率:60 kW。

2.3 蓄电池

蓄电池的功能是在系统故障情况下,作为应急系统电源,向重要负载供电。

蓄电池的主要技术参数:

蓄电池(单节)

类型:FNC1502H R;

标称电压:1.2 V(单节);

标称容量:160 Ah;

尺寸:115×122×309(单节);

质量:7.05 kg(单节)。

蓄电池组

标称电压:100.8 V;

标称容量:2×160 Ah。

3 辅助供电系统的冗余设计

为保证动车组安全稳定运行,列车供电系统采用冗余设计。在辅助变流器的输入端,一个牵引单元的两台牵引变流器互为冗余,在正常情况下1车、8车的牵引变流器的中间直流环节分别给2车、7车单辅助变流器供电;3车、6车的牵引变流器的中间直流环节分别给4车、5车双辅助变流器供电。在一台牵引变流器故障情况下,本单元的另一台牵引变流器给本单元的所有辅助变流器供电,保证辅助供电系统正常工作。辅助变流器由于是并联输出,这样就构成了输出的冗余。DC 110 V分配的冗余通过将冗余可用载荷转移到总线 BN1和BN2上实现。当一台充电机故障时,另一台负责向列车所有的直流负载供电。但本车蓄电池不再被充电,因为电池的充电彼此不连接。当辅助变流器单元故障,例如由于接触线电压故障或因为所有主断路器断开,电池的充电模式结束。充电的电池这时向电池总线供电。

当一个单辅助变流器单元或一个牵引变流器单元故障时,不会减少必须的供电。当两个单辅助变流器单元故障或一个双辅助变流器单元故障时,只有与旅客舒适度相关的负载需减少。有效功率管理确保在冗余可被使用的情况下最大可能范围的可用输出。这通过检测辅助变流器单元的输出电流来保证。当最大输出电流超过时,空调系统或取暖系统的输出被减少。

4 结束语

从动车组辅助供电系统的调试、试验及运行情况看,该系统工作可靠,能够满足列车辅助用电需求,保证列车正常安全运行。冗余设计是提高列车安全可靠性的重要对策,对提高列车运行的安全系数有很大作用。

[1] 钱立新.世界高速铁路技术[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[2] 董锡明.高速动车组工作原理与结构特点[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[3] EN 50155铁路应用-铁道车辆上用的电子设备[S].

[4] EN 50121-3-2铁路应用-电磁兼容性-第3-2部分:铁道车辆:车上设备[S].