直流电源在铁路电力系统中的拓展应用

李成胤

0 引言

众所周知，直流电源广泛应用于计算机房、医院、矿井、宾馆以及高层建筑等领域，同时铁路系统的许多领域也都离不开稳定的直流电源，例如变配电站（直流操作电源）、信号设备、事故照明等。随着铁路建设的飞速发展，直流电源在铁路电力系统中的应用也得到了进一步的推广。例如客车整备所地面DC 600 V 电源整流装置已在新型铁路客车维修系统中得到应用，本文将结合工程实例对其做相应介绍。

1 应用背景

国内首列DC 600 V供电列车于1998年在郑州铁路局武昌至北京正式开通运营，并达到了预期的目的。此后，DC 600 V 列车供电系统作为铁路总公司的一项技术政策，应用到高速列车和动车组，取得了良好的社会效益和经济效益。从国家能源政策和环境保护政策出发，以接触网供电的电力机车集中向客车供电的DC 600 V 供电系统，无疑具有技术和经济上的优势。而对该类车辆进行整备及检修作业时，受现场作业条件、安全以及环境等因素 的限制，无法用机车对车辆进行供电，为满足车辆检修、运用部门的实际需求，在宁启线复线电气化改造工程中的泰州站和南通站客车整备所各设计了一套地面DC 600 V 整流装置。

2 技术参数

地面DC 600 V 整流装置主要技术参数如下：

输入电压：AC 10 kV（对于10 kV 电源接引困难的场所，也可采用AC 0.4 kV 或接触网27.5 kV）

输出电压：DC 600 V

稳压精度：≤±5%

输出电压可调范围：DC 100～700 V

纹波系数：≤±10%

输出电压上升率：≤100 V/ms（具有软启动功能）

额定功率：2×400 kW

额定电流：2×667 A

3 设计方案

3.1 方案组成

地面DC 600 V 电源整流装置主要由高压设备、整流变压器、低压整流设备和股道末端直流电源箱等组成。

3.2 基本原理

由高压配电系统引入三相10 kV 交流电源，经整流变压器变压后输出两路三相500 V 交流电，送入控制柜，经保护、控制后送入整流柜内进行三相半控整流输出直流600 V，再经过平波电抗器滤波，通过电缆送至股道末端电源箱，最后通过KC20D电力连接器把DC 600 V 电源送入客车车辆进行检修作业。地面DC 600 V 电源整流装置原理模型见图1。

图1 地面DC 600 V 电源整流装置原理模型图

3.3 高压设备

高压开关柜采用新型的充气式断路器、充气式负荷开关环网柜结构，具有体积小、强度高、免维护等优点。开关柜内包括：断路器单元、负荷开关＋熔断器单元。断路器单元作为整流设备的进线，同时具备计量功能；负荷开关＋熔断器单元作为变压器的馈线。高压开关柜接线详见图2。

图2 高压开关柜接线图

3.4 整流变压器

变压器选择三相干式风冷变压器，即高压侧一个绕组为10 kV，二次侧两绕组，一绕组是0.4 kV，另一绕组为0.5 kV，容量为2×630 kV·A。同时要求整流变压器部分不能对0.4 kV 输出有影响或干扰，不能出现谐波问题。多绕组移相整流变压器要求变压器的效率＞98%。

3.5 低压整流设备

低压整流设备主要由控制柜、整流柜、L-C-R柜组成。其作用是把交流电源整流成直流600 V 电源，并根据网压及负载变化实时快速调节，保持电压输出稳定，并实行各种保护功能。整流设备原理接线详见图3。

图3 整流设备原理接线图

（1）控制柜。通过控制柜可实现控制两路电源同时投入，也可控制单独一路电源投入。可实现过载、接地、断路器等保护动作，以及电流、电压的信号显示。当风机接触器、电源接触器合上后，有相应电源指示。当过流、接地、熔断器等保护动作后，也有相应故障显示。

（2）整流柜。整流柜中电子控制装置采用机车电传动中较成熟的交-直变流控制技术对可控硅整流模块实现恒压、限流控制，根据电压、电流的反馈信号与控制给定值比较后，通过控制晶闸管触发，实现输出恒定为DC 600 V 电源。

选择可控硅整流模块时，需要根据整流变压器提供的输入电压和可控硅输出的整流电压计算出晶闸管的耐压、耐流参数，并考虑一定裕量。

（3）L-C-R 柜。由于可控硅整流会产生较大的纹波，并且电源的输出电流较大，要取得良好的滤波效果，须采用LC 组成的L 型滤波器。而与电容相并联的电阻R 是放电电阻，释放电容上电压，起安全保护作用。

由于列车维修用电启动电压较大，整流模块还应具备软启动功能。这就需要在可控整流模块中串入RL 负载，用以减缓电压速率，起到平稳输出电压的作用。具体电阻、电感值可以用MATLAB 的SIMULINK 软件仿真计算得出。

另外，在L-C-R 柜中还应装有接地保护装置，检测直流侧正线或负线及相关电器的漏电流，保护动作时，跳开主电源，并有信号灯显示信号。

3.6 股道末端直流电源箱

股道末端直流电源箱的作用是利用具有自动收放功能的KC20D 插头，将DC 600 V 电源送入车辆进行检修。本次设计吸取了以往工程经验，将KC20D 插头与直流电源箱进行整合设计（即将KC20D 插头整合入箱），并对KC20D 插头增加了自动收放功能，在提高运用维护效率的同时，也降低了安全隐患。

3.7 保护设置

（1）高压侧保护。选用优质真空开关、电动操作、微控保护装置，具有延时速断保护、定时限过流保护、高压侧零序过流保护、低压侧定时限/反时限零序过流保护，低电压保护、过电压保护、过负荷保护、过温报警、超温保护等功能。

（2）变压器保护。采用干式免维护专用整流变压器，智能保护有效地测量及控制干式变压器三相绕组温度，具有自动启停风机、超温报警、超温跳闸、故障报警及计算机通讯接口等功能。

（3）低压交流侧保护。选用高性能的具有过压、过流及短路保护的主开关；设有多功能的参数仪，通过电流互感器，接入电流、电压信号，能准确地检测和控制三相电流不平衡、缺相、过压、欠压、过流及短路等保护，当出现故障时控制主接触器断开及时切断主电路；增加快速熔断器，达到多级保护。

（4）直流侧保护。选用多功能的可控硅触发板，通过对三相电流不平衡、缺相及输出直流的过压、欠压、过流、短路等检测，准确快速地调整直流电压的输出，当出现异常时及时关闭可控硅，防止故障的扩散；增加PLC 控制电路，通过电压变送器、电流变送器等，输入电压、电流、漏电、温度等信号，当出现异常时及时输出控制信号，有效保护电源。

4 结语

DC 600 V 供电系统已经确定了中国旅客列车新的供电模式，并且该技术已经成为铁道行业标准TB/T3063-2011《旅客列车DC 600 V 供电系统技术要求及试验》，DC 600 V 供电系统是符合我国铁路运行特点的供电方式之一。随着国家对铁路行业的大力发展，相信该项技术今后在铁路客车整备系统中会得到广泛的应用。

[1]TB/T3063-2011 旅客列车DC600V供电系统技术要求及试验[S].

[2]TB /T10008-2006 铁路电力设计规范[S].

[3]TB/T1508-2010 机车电气屏柜技术条件[S].