DC 600 V在铁路空调客车供电系统的应用

1 引言
    铁路空调客车供电系统是为车上电气负载和自动化装置提供电能的装置，有单独供电、集中供电和混合供电3种方式。早期的客车供电方式简单，主要采用小功率轴驱式发电机和蓄电池并联供电方式。目前我国非空涮客运列车仍采用这种供电方式。为提高旅客的舒适度，现代铁路客车均安装了空调、冰箱、彩电信息显示屏等设备，平均每辆车所需的功率比早期增加了几倍甚至几十倍，不同电器的电压制式也不尽相同，相应地对列车供电系统提出了很多新的要求。

2 国外铁路空调客运列车供电系统的发展
    国外高速客运铁路发展的典型代表日本、法国、德国等发达国家列车供电系统已普遍采用静止变流器供电方式，该方式可靠性高、与列车网络融合、自动化程度高、维护操作简便。比如德国ICE系列、法国TGV系列，意大利的ETR系列，西班牙AVE系列高速动车组及日木的新干线列车等均采用这种供电方式。

3 我国空调列车供电方式的发展
3．1 发电车集中供电系统
    发电车相当于一个移动电站，通常发电车内配置有3台300 kW柴油发电机组，主要机型为KTA 19－G2型和MTU12 V 183TA 12型，采用交流3相4线制，2路供电，电压AC400/230 V,50 Hz，车端设有KC20电力连接线，可从发电车任一端与列车联挂，主干线负载容量按20辆计算，不小于600 kW。发电车集巾供电的空调列车应用了柴油机发电技术：车载单元空调制冷采暖技术；AC 220 V照明及应急电源技术：集中轴温报警技术和GPS卫星地面遥感技术等。虽然具有供停电灵活、方便，不受线路、天气及机车限制；供电故障率低，机组间相互干扰少等优点，但也存在发电车柴油发电机组噪声、废气污染问题等缺点。还需要消耗大量的石油产品。
3．2 空调客车DC 600 V供电系统
    DC 600 V旅客列车供电系统是铁路机车车辆T程中的重要系统，DC 600 V系统在吸取法国TGV、德国ICE、日本新干线以及欧洲多电压制列车供电系统特点的基础上，根据中国旅客列车的具体情况，进行了优化设计。利用牵引网电能通过机车给旅客列车供电，以达到甩掉发电车，实现提高列车运输能力、节能、环保和列车运行高速化的目的。

4 空调客车DC 600 V供电系统
4．1 DC 600 V供电系统的工作原理
    DC 600V供电系统采用机车集中整流，客车分散逆变方式，构成了交一直一交变流供电系统。电力机车将25 kV电网单相交流电降压、整流、滤波成DC 600 V，向客车供电。客车配置逆变电源及充电器，根据用电设备的需要，将机车提供的DC 600 V变换成单、三相交流电及DC 110 V。配电及控制屏柜保证设备配电及安全保护。客车设置了DC 110 V蓄电池组，解决了列车通过分相段无电区的难题。系统采用两套独立供电电路。直一交变流器安装在车下，不减少车厢定员。独特的机车车辆两级保护系统实现了故障自动切除。系统具有集中控制、自动启动、自动复位、操作简单等特点。
    DC 600 V供电系统的工作过程：电网通过电力机车向列车供电，在机车的主变压器上增加2个列车供电绕组，将受电弓接收的25 kV单相交流高压电降压；采用2套独立工作的单相半控整流装置将单相交流电整流成2路DC 600 V电源。通过KC20D电气连接器向列车母线供电，机车主电路原理图如图1所示。

    DC 600 V供电装置由车端连接器，列车供电干线，配电柜，变流器，蓄电池组，充电器，空调控制柜，照明控制柜等组成。机车提供的2路DC 600 V电源通过车端连接器引入配电柜，将其中一路输入变流器及充电器。变流器将DC 600 V变换成2相380 V，50 Hz交流电，通过配电柜给电开水炉、温水箱、废排风机等供电，并通过空调控制柜给空调机组供电。充电器将600 V直流电变换成110 V直流电，给蓄电池充电的同时通过照明控制柜给车内照明及供电装置控制系统供电。每辆车设蓄电池组，并与110 V十线间采用一极竹隔离。车内采用日光灯照明，照明变换器将110 V直流电变换成220V交流电。
    配电柜控制空调控制柜、变流器、充电器的电源。机(动)车控制配电柜电源。在车厢内，两路DC 600 V首先进入电源控制柜，并分配输人的DC 600 V电源供给逆变器和充电器。逆变器将DC 600 V变换成AC380V电源，并输出到空调控制柜，供给空调机组。充电器将DC 600 V变换成DC 115 V电源，供本车蓄电池充电和照明。客车供电系统主电路原理图如图2所示。

4．2 DC 600 V供电系统的主要特点
    机车采用单相相控整流或全波整流提供DC 600 V电源，采用2路供电，具有电源后备；采用逆变技术，各车厢逆变器放在车下，不占用客车空间；各车厢独立性强，列车编组灵活；控制系统采用DC 110 V，供电系统互补性强，可靠性高；采用大功率高频开关电源；供电系统实现集中控制，操作简单；实现全列行车安全和空调参数网络监控，并与地面联网。由于加挂发电车，可多编挂1辆客车，增加运力及收入。

5 DC 600 V供电系统运行中的问题及建议
    DC 600 V供电系统投运，总体性能一直比较稳定，故障率比较低，具有操作简单、维修费用低等优点。但在扩大投运发现了一些问题：如变换器的输出电压波形对小电动机等负载绝缘寿命的影响；变换器的输出电压调制频率对内燃机车接地保护电路电流的影响；变换器车上、车下分体结构接线麻烦，影响变换器的抗干扰性能；充电器散发的热量引起配电间的温度偏高等。为解决上述问题，目前，制订供电系统及主要部件的技术要求及试验检验方法对变换器等主要部件的性能提出新要求。如对变换器输出电压波形电压上升率、重复电压最大值、输出电压的谐波含量作了新规定；变换器将采取主电路、控制电路一体结构，使车上、车下连线仅剩几根工作状态显示及集控线用线；要求变换器、充电器安装放在车下(指单层车)，以便改善配电间环境等。建议从以下两方面改进。
    (1)机车DC 600 V电源供电品质有待提高机车DC600 V电源是供电系统的关键，从目前25T型、动车组及25 G型DC 600 V运行情况可知：机车输出电压经常在500～700 V间振荡，电压波动不稳，极易导致逆变器、充电器发生保护停机或损坏。并且部分机车带载能力较差，需对其进行冗余改造。夏季温度高时，特别是始发时，列车负载较大，机车送电困难，客车空调完全不能使用。即便机务段采用应急处理措施，始发时逐辆半载加载。建议合理地选择电力机车电源的滤波电抗，消除供电系统可能出现的低频震荡。目前机务段己逐步进行改造，效果良好。
    (2)逆变器故障较多DC 600 V客车供电系统25G型各次列车逆变器故障很多，特别是当夏季负载较大时，由于每节车厢只配置了1台逆变器，一旦出现故障，该节车空调机组将停止工作，车内舒适度急剧变差。但25T型DC 600 V逆变器问题相对较少，关键是每节车配备有2台逆变器，互为备用。建议每节车厢只配备1台逆变器，采用单路AC380V供电，连接线前后贯通，确保空调良好。最关键的是提高逆变器的质量和可靠性。

6 结语
    现代客运列车供电系统为满足列车上电器不断增多的需求，服从列车总体布置的需要，保证有良好的社会及经济效益。普遍采用静止变流器供电方式，DC 600 V供电系统确定了中国旅客列车新的供电模式，达到国际先进水平，该项技术已经成为铁道行业标准《TB/T3063旅客列车DC 600 V供电系统技术条件》，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，具有广泛的推广运用前景。