高鐵動(dòng)車組新型電力分配系統(tǒng)研究

雷繼海

摘 要：自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)取得大力的發(fā)展，在這個(gè)基礎(chǔ)上，原來的傳統(tǒng)列車已經(jīng)完全滿足不了人們的出行要求，制約了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此在2003年左右我國大力發(fā)展高速動(dòng)車組，在短時(shí)間內(nèi)取得了舉世矚目的成就，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。作為完全電力驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力分散分布型動(dòng)車組，高壓電力分配系統(tǒng)對(duì)其尤其重要?；诖?，本文主要闡述了傳統(tǒng)動(dòng)車組電力分配的弊端，以及新型高速動(dòng)車組電力效率的分布概念，標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建，介紹了動(dòng)車電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和模塊功能介紹，希望能為今后我國高速動(dòng)車的設(shè)計(jì)帶來幫助。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組;電力分配;車輛研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.154

0 引言

對(duì)高速動(dòng)車組而言，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)開發(fā)方式已經(jīng)過時(shí)，所以動(dòng)車組的設(shè)計(jì)必須以系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行模塊化，智能化的設(shè)計(jì)。因此作為動(dòng)車組上一切動(dòng)力的基礎(chǔ)，電力分配設(shè)計(jì)尤其重要。

1 傳統(tǒng)電力設(shè)計(jì)的弊端

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的弊端是：第一，設(shè)計(jì)效率低下，電力分配混亂，能源損耗大，功耗浪費(fèi)嚴(yán)重。第二，電力設(shè)備設(shè)施安裝位置不科學(xué)，傳輸線路雜亂，一些信號(hào)線路干擾嚴(yán)重，輕則導(dǎo)致列車閃報(bào)故障，重則影響列車行車安全。第三，電力控制系統(tǒng)落后，智能化程度低，在列車相對(duì)狹小的空間里各種操控設(shè)備分配不合理，對(duì)操作，運(yùn)維，售后等要求過高，故障的檢測，調(diào)試，處理的效率低，成本增加。

2 新型電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念

針對(duì)動(dòng)車組空間有限，設(shè)備繁雜，電力供應(yīng)環(huán)境（高速運(yùn)動(dòng)中觸網(wǎng)供電）惡劣等特點(diǎn)，首先需要對(duì)各種設(shè)備的電力需求，以及整車車輛布局進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，減少不必要的電力配送和損耗。

3 新型動(dòng)車組供電系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)動(dòng)車組電力特性，一般車輛電力分為網(wǎng)側(cè)電壓供電系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)。網(wǎng)側(cè)電壓供電系統(tǒng)的功能就是將來自接觸網(wǎng)的電能傳輸?shù)搅熊囯姎庀到y(tǒng)之前對(duì)其進(jìn)行變壓和濾波處理。輔助供電系統(tǒng)的功能是提供列車交流和直流電源，系統(tǒng)的電源是由主變壓器通過網(wǎng)側(cè)變流器提供的。無電源連接時(shí)蓄電池系統(tǒng)可以提供電源啟動(dòng)列車。

3.1 網(wǎng)側(cè)供電系統(tǒng)

網(wǎng)側(cè)電壓系統(tǒng)對(duì)來自接觸網(wǎng)的25kV交流線路電壓進(jìn)行濾波，從而保護(hù)列車不受過電壓的影響，此外還保護(hù)接觸網(wǎng)不受列車短路的影響，基本設(shè)備分為車頂部分和底架部分。

3.1.1 車頂部分設(shè)備

新型動(dòng)車組車頂部分設(shè)備主要包括：受電弓，主斷路器，瞬態(tài)電抗器，網(wǎng)側(cè)電壓互感器（VMT），避雷器，高壓隔離開關(guān)，接地開關(guān)。

受電弓是動(dòng)車組和接觸網(wǎng)之間的接觸裝置，當(dāng)動(dòng)車組需要接通/斷開供電時(shí)，受電弓即升起或降下。受電弓的操縱是通過一個(gè)氣動(dòng)平衡系統(tǒng)來完成的，弓頭與接觸網(wǎng)保持接觸。受電弓設(shè)有自動(dòng)降弓裝置 （ADD），ADD對(duì)弓頭碳滑條受損情況進(jìn)行檢測，一旦檢測到任何損壞，就會(huì)降下受電弓，同時(shí)，在碳滑條沒有更換之前，ADD還會(huì)阻止升弓。

主斷路器（LCB）用來將受電弓接收的網(wǎng)側(cè)電流與動(dòng)車組用電設(shè)備相連，將供電線路與主變壓器連接或切斷，發(fā)生過載或短路時(shí)切斷線路。LCB由TCMS控制，其開閉取決于實(shí)際的網(wǎng)側(cè)電壓或司機(jī)的要求，在動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)斷開與電網(wǎng)的連接，出于安全的原因，當(dāng)在與LCB連接的網(wǎng)側(cè)電壓電路上進(jìn)行操作時(shí)，可通過接地開關(guān)對(duì)LCB的變壓器側(cè)進(jìn)行接地。

瞬態(tài)電抗器可抑制主變壓器原邊的電流突變，保護(hù)主變壓器不受LCB在關(guān)閉操作時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓的影響。

網(wǎng)側(cè)電壓互感器（VMT）的功能是測量來自接觸網(wǎng)的電壓，從而對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。網(wǎng)側(cè)電壓互感器1（VMT1）可以檢測網(wǎng)側(cè)電壓是否在允許范圍內(nèi)，從而控制LCB閉合或打開。網(wǎng)側(cè)電壓互感器2（VMT2）通過微型斷路器和隔離變壓器向動(dòng)車的牽引系統(tǒng)提供網(wǎng)側(cè)電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制單元（DCU）通過電壓信號(hào)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行監(jiān)控。

避雷器，使用了兩種不同的避雷器來保護(hù)系統(tǒng)不受過電壓的影響。避雷器1（SA1）設(shè)置在受電弓旁，與其輸出和車體連接，功能是保護(hù)網(wǎng)側(cè)電壓系統(tǒng)和高壓箱輸入側(cè)。避雷器2（SA2）設(shè)置在高壓箱內(nèi)，功能是保護(hù)主變壓器。

高壓隔離開關(guān)，它們受TCMS系統(tǒng)的控制。在正常狀態(tài)下兩個(gè)隔離開關(guān)處于閉合狀態(tài)，僅當(dāng)發(fā)生故障時(shí)或需要手動(dòng)隔離單元組時(shí)，隔離開關(guān)才會(huì)打開。隔離開關(guān)與受電弓之間配置有硬線回路，只有在降弓狀態(tài)下才允許執(zhí)行閉合和分?jǐn)鄤?dòng)作。

接地開關(guān)用于高壓回路接地，確保在對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)時(shí)的安全。每個(gè)主斷路器均配置有接地開關(guān)，將主斷路器的兩端接地。

3.1.2 底架部分設(shè)備

動(dòng)車組底架上的供電系統(tǒng)包括安裝在同一個(gè)單元的主變壓器和一個(gè)原邊電流互感器。

主變壓器為所有的變流器模塊提供電源，將網(wǎng)側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成適合牽引系統(tǒng)的電壓。

底架電流互感器測量原邊主繞組的電流，所測值被用于變流器控制算。

3.1.3 輔助供電系統(tǒng)

輔助供電系統(tǒng)的功能是提供列車交流和直流電源，系統(tǒng)的電源是由主變壓器通過網(wǎng)側(cè)變流器提供的。無電源連接時(shí)蓄電池系統(tǒng)可以提供電源啟動(dòng)列車。輔助供電設(shè)備置于車輛底架，輔助供電主要設(shè)備包括輔助逆變器系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)，它們與牽引系統(tǒng)同時(shí)置于變流器和濾波器箱內(nèi)。

輔助逆變器系統(tǒng)將來自網(wǎng)側(cè)變流器直流環(huán)節(jié)的直流電壓（1650 VDC）轉(zhuǎn)化成固定頻率和振幅的三相電壓。輔助變壓器將電壓降至3x400V/50Hz，功率通過三相總線分配到各種負(fù)載，例如壓縮機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)和蓄電池充電機(jī)等。

蓄電池系統(tǒng)提供110V直流的電源，其中蓄電池充電機(jī)將三相400V交流電轉(zhuǎn)化成蓄電池的直流電壓為蓄電池充電，然后通過蓄電池接觸器將蓄電池連到電池總線，向列車的110V直流負(fù)載供電。

4 結(jié)束語

保證動(dòng)車組的電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和分配的科學(xué)性是保障列車安全行駛的基礎(chǔ)和前提，隨著高鐵技術(shù)的發(fā)展以及人們出行對(duì)舒適便捷性需求的提高，新型動(dòng)車組的電氣設(shè)備類型呈現(xiàn)復(fù)雜化的發(fā)展趨勢，動(dòng)車組供電系統(tǒng)的模塊化，智能化在未來高鐵發(fā)展體系中尤為重要。

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