任务4　25型空调客车供电系统认知

【活动场景】

在我国铁道车辆客车供电检修车间、具有客车供电试验装备（设施）或供电模型的试验室，或在能展示铁道车辆供电技术的多媒体教室进行。

【任务要求】

1.了解国内、外铁道车辆供电电源技术的发展概况。

2.掌握空调客车供电系统的基本工作原理和特点。

3.了解空调客车供电系统的经济效益。

【知识准备】

25型铁路空调客车包括25A型、25B型、25G型、25K型和25T型，其中25T型是技术含量最高的一种，25型铁路空调客车供电系统是为铁路客车25型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三种方式。为提高旅客乘坐的舒适度，现代铁路客车上均安装了空调、冰箱、信息显示等设备，平均每辆车所需的用电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，有直流的，也有交流的，这就相应地对列车供电系统提出了很多新的要求。

1.国外铁路空调客运列车供电系统简介

目前，国外高速客运铁路发展的典型代表日本、法国、德国等发达国家的旅客列车供电系统已普遍采用了静止变流器供电方式，这种供电方式有可靠性高、与列车网络融合、自动化程度高、维护操作简便等优点。德国ICE系列、法国TGV系列、意大利ETR系列、西班牙AVE系列高速动车组以及日本的新干线列车等均采用了这种供电方式。

（1）德国ICE系列车型供电系统

德国的ICE系列车型采取分散变流方式，ICE-1、ICE-2采用单相交流供电母线的方式，由牵引变压器将接触网单相AC 15kV电压降至AC 1000V，通过供电母线直接对各车供电，再由各车上配置的变压器或交—直—交变流器转换为本车电器需要的电压对本车电器供电。ICE-3、ICE-T则采用直流供电母线的方式，在变压器车上配置整流器，输出DC 670V，然后通过供电母线对各车供电，再由各车上配置的逆变器或变流器转换为本车电器需要的电压对本车电器供电。

（2）法国TGV系列车型供电系统

法国的TGV系列车型采取相对集中变流方式，列车同时设置直流供电母线和交流供电母线。在列车编组中某2辆或几辆车几部各配置1台中功率变流器，变流器通过DC 500V供电母线得电，输出两相交流380V，通过各自相连的不同三相交流供电母线对各车负载供电。

2.我国铁路空调客车供电方式的发展历程

（1）发电车集中供电系统

发电车集中供电是从20世纪90年代初开始在我国铁路推广应用的一项技术。发电车相当于一个移动电站，通常车内配置有3台300kW柴油发电机组，主要机型为KTA 19-G2型和MTU 12V 183TA 12型，采用交流三相四线制，2路供电，电压AC 400/230V、50Hz，车端设有KC20电力连接线，可从发电车任一端与列车连挂，主干线负载容量按20辆计算，不小于600kW。

在发电车集中供电的空调列车中应用了柴油机发电技术、车载单元空调制冷采暖技术、AC 220V照明及应急电源技术、集中轴温报警技术和GPS卫星地面遥感等技术。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，但也存在以下几个方面的缺点：

①发电车柴油发电机组噪声、废气污染问题严重，虽然进行了一定改造，如加消声器等，但并不能解决根本问题。

②需要消耗大量的石油产品。众所周知石油是十分重要的战略资源，而我国早已成为石油进口大国，随着我国经济的快速发展，对石油的需求也会越来越大。只有减少对石油的依赖，才是保证铁路运输这个国民经济大动脉的根本出路。

（2）空调客车DC 600V供电系统

从2004年开始，我国铁路第五次大提速，铁路空调客车大范围采用电力机车DC 600V供电的形式。DC 600V列车供电系统的研制、运用填补了我国铁路机车向客车供电的空白，目前我国铁路的高速列车及动车组均采用DC 600V供电系统。DC 600V旅客列车供电系统是铁路机车车辆工程中的重要系统，它确立了中国铁路旅客列车新的供电制式，是中国铁路客运旅客列车发展中的一项重要技术进步。DC 600V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，根据我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向旅客列车供电，以达到甩掉发电车，实现提高列车运输能力、节能、环保和运行高速化的目的。

3.空调客车DC 600V供电系统

（1）空调客车DC 600V供电系统的工作原理

DC 600V旅客列车供电系统采用机车集中整流、客车分散逆变的方式，构成了旅客列车交—直—交变流供电系统。电力机车将25kV电网单相交流电降压、整流、滤波成DC 600V，向客车供电；客车本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 600V变换成单相、三相交流电及DC 110V。配电及控制屏柜保证设备配电及安全保护。为保证照明及控制系统的可靠工作，客车设置了DC 110V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，具有一定的冗余设计。直—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。供电系统及其部件具有完全的自主知识产权，成本价格低，配件供应充足。

机车部分DC 600V供电系统的基本工作过程是：电网通过电力机车向空调旅客列车供电，在电力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25kV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 600V电源，通过KC20D电气连接器向空调列车母线供电，电力机车供电的主电路原理图如图1-17所示。

空调客车部分DC 600V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、照明控制柜等部件组成。客车供电系统主电路工作原理图如图1-18所示。机车提供的两路DC 600V电源通过车端连接器引入配电柜，配电柜将其中一路输入变流器及充电器。变流器将DC 600V变换成三相380V、50Hz交流电，通过配电柜向电开水炉、温水箱、废排风机等用电负载供电，并通过空调控制柜向空调机组供电。充电器将600V直流电变换成110V直流电，向蓄电池充电的同时通过照明控制柜向车内照明及供电装置控制系统等负载供电。每辆车设蓄电池组，蓄电池组与110V干线间采用正负隔离。车内采用日光灯照明，照明变换器将110V直流电变换成220V交流电。

空调控制柜、变流器、充电器的控制电源均受配电柜控制。在车厢内，两路DC 600V首先进入电源控制柜，电源控制柜将输入的DC 600V电源进行分配，供给逆变器和充电器。逆变器将DC 600V电源，变换成AC 380V电源，并输出到空调控制柜内，供给空调机组，充电器将DC 600V电源变换成DC 110V，供本车蓄电池充电和照明等其他用电负载用。

（2）空调客车DC 600V供电系统的主要特点

①机车采用单相相控整流或全波整流方式提供DC 600V电源，采用2路供电，具有后备电源。

②采用了逆变技术，各车厢逆变器放在车下，不占用客车上部空间。

③各车厢独立性强，列车编组灵活。

④控制系统采用DC 110V供电，供电系统互补性强、可靠性高。

⑤采用了大功率高频开关电源。

⑥供电系统实现集中控制，操作简单，可减少车辆乘务员人数。

⑦实现全列行车安全和空调参数网络监控，并可与地面联网。此外由于不用加挂发电车，可多编挂1辆客车，增加运力及收入。

4.25T型空调客车DC 600V供电系统的经济效益和社会效益简要分析

（1）经济效益

从基本投资上分析：1辆DC 600V机车供电的25T型空调客车与1辆25K型空调客车主要供电设备的投资相比，电气控制及网络系统增加约6.5万元，逆变电源和充电器约22万元，蓄电池约3.2万元。按18辆客车、1辆机车编组计算，机车供电列车总投资额增加约593.6万元。1辆发电车的价格为380万元（康明斯机组）和420万元（MTU机组），平均按400万元计算，由此可以计算出，采用机车供电的每列客车比采用发电车供电的每列客车增加的投资额约为193.6万元。

从维修投资上分析：1辆大功率发电车1年中消耗小修费1.5万元，中修费8万元（3年平均计算），大修费20万元（7年平均计算），日常维修费约2.2万元，共计费用31.7万元。根据西安—北京Z19/20次列车1年的运用考核，发现机车供电客车的器件损坏率较低。逆变器更换了18个器件，1组IGBT模块，2个控制板，充电器更换了3组IGBT模块，配电柜更换了指示仪表，共计费用约12万元。机车供电方式的列车与大功率发电车供电方式的列车相比，其维修费用将减少19.7万元。

从能源消耗分析在相同负载条件下，发电车供电和机车DC 600V供电的用电量是一致的，但由于柴油发电机组是靠燃油发电，存在能量转换效率问题，因此机车供电能源费用比大功率发电车节约至少10万元。从人员费用上分析采用机车供电方式，每列车可减少2～3名发电车乘务员，同时由于采用网络监控技术，可以减少2～3名乘务员，按1.5万元/（人·年）计算，1列车可减少6万元左右的人工费。

从客运收入上分析机车供电后，由于甩掉了发电车，可多挂1辆客车，按西安—北京间硬卧定员66人、客满率60％、票价243元/人、全年350天（15天维修）计算，全年客运收入增加337万元。

从经济效益分析，1列采用电网供电的空调列车与1列采用大功率发电车的空调列车相比，虽然投资费用增加了193.6万元，但全年直接经济收入增加372.7万元，这样除第一年购车需要投资193.6万元、直接经济效益为179.1万元外，以后每年的经济效益增长为372.7万元以上。

（2）社会效益

采用DC 600 V列车供电系统后，在车站与铁路沿线，因每辆大功率发电车造成的85dB（A）以上的噪声污染随之消失；采用DC 600V列车供电系统后，车站与铁路沿线因每辆大功率发电车造成的每年近400t柴油的燃油污染随之消失；每列车甩掉1辆发电车而多挂1辆客车，18列空调客车甩掉18个发电车后改为DC 600V供电，相当于增加了1列车的运能。同时，发电车的存在也不利于列车提速；新技术的应用为乘务体制的改革提供了有力的技术支持，达到减员增效的目的。

5.空调客车DC 600V供电系统在运用中存在的问题及建议

DC 600V供电系统投入运行以来，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。但在扩大运用过程中发现了一些问题：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动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，在制定供电系统及其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了新的要求，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、充电器采用放在车下（指单层车）安装方式，以便改善配电间环境等。可以相信，供电系统中各部件按新的要求进行改进、对产品质量按规定要求进行严格和管理、进一步提高车辆供电系统总装水平后，DC 600V供电系统一定会有良好的运用可靠性。DC 600V供电系统目前从运用中已反映出较多问题，需不断完善，以下简单谈谈需改进的两个方面。

（1）机车DC 600V电源供电品质有待提高

机车DC 600V电源是供电系统的关键，从目前25T型、动车组及25G型DC 600V运用情况可知，其供电电源不是十分可靠。机车输出电压经常在500～700V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，仅2008年6月份，西安客车车辆段就发生7起供电电压不稳而停电故障，并且部分机车带载能力较差，需对其供电控制系统进行冗余改造，提高机车电源带载能力。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。即便车辆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振荡，对机车负载进行冗余改造，目前机务段已逐步进行改造，改造后的效果比较良好。

（2）逆变器故障较多

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，旅客反映强烈。但25T型DC 600V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，这样就有一半的富余，不是很经济。因此可考虑每节车厢只配备1台逆变器，这样整列车的备用逆变器（功率设计可达100kV·A）采用单路AC 380V供电形式，连接线前后贯通。一旦某节车逆变器出现故障时，即可由该备用逆变器供电，既可减少逆变器的配置数量，又可保证逆变器出现故障时能及时供电，确保空调良好。当然备用应急逆变器只能提供1、2节车厢的负载。这是基于运用中单节车厢逆变器出现问题远比同时2节或多节车厢逆变器出现问题的几率要高，这样改动比较经济适用，当然最关键的是提高逆变器的质量和可靠性。

客运列车供电系统为满足列车上电器不断增多的要求、服从列车总体布置的需要以及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，这已成为客运列车供电系统发展的趋势与方向。DC 600V旅客列车供电系统确定了中国旅客列车新的供电模式，填补了机车向客车供电的空白，达到国际先进水平。DC 600V供电系统是既符合先进技术的发展方向，又符合我国铁路运用特点的供电方式之一，未来将会有更大的发展。

【任务实施】

本次任务建议在铁道车辆电源技术的检修工作现场或车辆供电试验室进行，以铁道车辆空调电气控制柜常见简单故障处理为例来完成，目的在于更深层次地认知铁道空调客车供电方式的基本技术和技能。

1.作业方法、步骤

（1）发现故障（由技术人员或指导教师设置2件以上的故障）；

（2）根据原理图和故障现象分析原因，判断故障所在环节；

（3）排除故障。

2.质量标准

（1）经处理后的控制柜能恢复正常工作；

（2）不扩大故障范围或造成新故障；

（3）处理程序符合要求，处理过程中无电器打火、冒烟现象；

（4）各元器件安装要符合要求。

3.安全注意事项

（1）故障处理时，务必切断电源，同时挂上作业警示牌，不带电处理故障；

（2）正确使用各测量仪表、工具（如万用表、试电笔、电流表等），确保设备和人身安全。

4.典型案例分析

案例1　空调控制电源不供电

（1）控制开关Q跳开或损坏；

（2）时间继电器KL损坏或接触不良；

（3）高低压损坏或接触不良。

案例2　制暖系统不工作（通风机工作正常）

（1）SA1的5-6、7-8、9-10接触不良；

（2）温控仪ATC不工作；

（3）KA3、KA4损坏或接触不良；

（4）转换继电器KL损坏；

（5）时间继电器KT1、KT2损坏；

（6）交流接触器KM8、KM9损坏；

（7）热保护元件FT3、FT4跳开；

（8）熔断器FuT1、FuT2熔断。

案例3　通风机不工作或只有强（弱）风一种

（1）转换开关SA1的触点1-2、3-4接触不良或SA2的触点1-2、3-4接触不良；

（2）KM1、KM2或KM3损坏；

（3）热继电器FR1动作或损坏；

（4）通风机1M损坏。

案例4　制冷系统不工作（通风机工作正常）

（1）SAl的7-8、9-10、11-12接触不良，SA3的触点接触不良；

（2）温控仪ATC损坏；

（3）KA3、KA4损坏或接触不良；

（4）热继电器FR4跳开或损坏，KM4损坏；

（5）KM6、KM7损坏；

（6）压力保护器件FP1、FP2动作跳开；

（7）低温保护元件FT1、FT2动作；

（8）压缩机过流继电器FA6、FA7动作；

（9）压缩机电机6M、7M损坏；

（10）因漏氟造成压缩机工作但不制冷。

以上这些故障处理方法主要是查找原因，接触不良者应予以修理，不能修缮的或损坏的元器件则更换。