直流電源在鐵路電力系統中的拓展應用

李成胤

0 引言

眾所周知，直流電源廣泛應用于計算機房、醫院、礦井、賓館以及高層建筑等領域，同時鐵路系統的許多領域也都離不開穩定的直流電源，例如變配電站（直流操作電源）、信號設備、事故照明等。隨著鐵路建設的飛速發展，直流電源在鐵路電力系統中的應用也得到了進一步的推廣。例如客車整備所地面DC 600 V 電源整流裝置已在新型鐵路客車維修系統中得到應用，本文將結合工程實例對其做相應介紹。

1 應用背景

國內首列DC 600 V供電列車于1998年在鄭州鐵路局武昌至北京正式開通運營，并達到了預期的目的。此后，DC 600 V 列車供電系統作為鐵路總公司的一項技術政策，應用到高速列車和動車組，取得了良好的社會效益和經濟效益。從國家能源政策和環境保護政策出發，以接觸網供電的電力機車集中向客車供電的DC 600 V 供電系統，無疑具有技術和經濟上的優勢。而對該類車輛進行整備及檢修作業時，受現場作業條件、安全以及環境等因素 的限制，無法用機車對車輛進行供電，為滿足車輛檢修、運用部門的實際需求，在寧啟線復線電氣化改造工程中的泰州站和南通站客車整備所各設計了一套地面DC 600 V 整流裝置。

2 技術參數

地面DC 600 V 整流裝置主要技術參數如下：

輸入電壓：AC 10 kV（對于10 kV 電源接引困難的場所，也可采用AC 0.4 kV 或接觸網27.5 kV）

輸出電壓：DC 600 V

穩壓精度：≤±5%

輸出電壓可調范圍：DC 100～700 V

紋波系數：≤±10%

輸出電壓上升率：≤100 V/ms（具有軟啟動功能）

額定功率：2×400 kW

額定電流：2×667 A

3 設計方案

3.1 方案組成

地面DC 600 V 電源整流裝置主要由高壓設備、整流變壓器、低壓整流設備和股道末端直流電源箱等組成。

3.2 基本原理

由高壓配電系統引入三相10 kV 交流電源，經整流變壓器變壓后輸出兩路三相500 V 交流電，送入控制柜，經保護、控制后送入整流柜內進行三相半控整流輸出直流600 V，再經過平波電抗器濾波，通過電纜送至股道末端電源箱，最后通過KC20D電力連接器把DC 600 V 電源送入客車車輛進行檢修作業。地面DC 600 V 電源整流裝置原理模型見圖1。

圖1 地面DC 600 V 電源整流裝置原理模型圖

3.3 高壓設備

高壓開關柜采用新型的充氣式斷路器、充氣式負荷開關環網柜結構，具有體積小、強度高、免維護等優點。開關柜內包括：斷路器單元、負荷開關＋熔斷器單元。斷路器單元作為整流設備的進線，同時具備計量功能；負荷開關＋熔斷器單元作為變壓器的饋線。高壓開關柜接線詳見圖2。

圖2 高壓開關柜接線圖

3.4 整流變壓器

變壓器選擇三相干式風冷變壓器，即高壓側一個繞組為10 kV，二次側兩繞組，一繞組是0.4 kV，另一繞組為0.5 kV，容量為2×630 kV·A。同時要求整流變壓器部分不能對0.4 kV 輸出有影響或干擾，不能出現諧波問題。多繞組移相整流變壓器要求變壓器的效率＞98%。

3.5 低壓整流設備

低壓整流設備主要由控制柜、整流柜、L-C-R柜組成。其作用是把交流電源整流成直流600 V 電源，并根據網壓及負載變化實時快速調節，保持電壓輸出穩定，并實行各種保護功能。整流設備原理接線詳見圖3。

圖3 整流設備原理接線圖

（1）控制柜。通過控制柜可實現控制兩路電源同時投入，也可控制單獨一路電源投入?？蓪崿F過載、接地、斷路器等保護動作，以及電流、電壓的信號顯示。當風機接觸器、電源接觸器合上后，有相應電源指示。當過流、接地、熔斷器等保護動作后，也有相應故障顯示。

（2）整流柜。整流柜中電子控制裝置采用機車電傳動中較成熟的交-直變流控制技術對可控硅整流模塊實現恒壓、限流控制，根據電壓、電流的反饋信號與控制給定值比較后，通過控制晶閘管觸發，實現輸出恒定為DC 600 V 電源。

選擇可控硅整流模塊時，需要根據整流變壓器提供的輸入電壓和可控硅輸出的整流電壓計算出晶閘管的耐壓、耐流參數，并考慮一定裕量。

（3）L-C-R 柜。由于可控硅整流會產生較大的紋波，并且電源的輸出電流較大，要取得良好的濾波效果，須采用LC 組成的L 型濾波器。而與電容相并聯的電阻R 是放電電阻，釋放電容上電壓，起安全保護作用。

由于列車維修用電啟動電壓較大，整流模塊還應具備軟啟動功能。這就需要在可控整流模塊中串入RL 負載，用以減緩電壓速率，起到平穩輸出電壓的作用。具體電阻、電感值可以用MATLAB 的SIMULINK 軟件仿真計算得出。

另外，在L-C-R 柜中還應裝有接地保護裝置，檢測直流側正線或負線及相關電器的漏電流，保護動作時，跳開主電源，并有信號燈顯示信號。

3.6 股道末端直流電源箱

股道末端直流電源箱的作用是利用具有自動收放功能的KC20D 插頭，將DC 600 V 電源送入車輛進行檢修。本次設計吸取了以往工程經驗，將KC20D 插頭與直流電源箱進行整合設計（即將KC20D 插頭整合入箱），并對KC20D 插頭增加了自動收放功能，在提高運用維護效率的同時，也降低了安全隱患。

3.7 保護設置

（1）高壓側保護。選用優質真空開關、電動操作、微控保護裝置，具有延時速斷保護、定時限過流保護、高壓側零序過流保護、低壓側定時限/反時限零序過流保護，低電壓保護、過電壓保護、過負荷保護、過溫報警、超溫保護等功能。

（2）變壓器保護。采用干式免維護專用整流變壓器，智能保護有效地測量及控制干式變壓器三相繞組溫度，具有自動啟停風機、超溫報警、超溫跳閘、故障報警及計算機通訊接口等功能。

（3）低壓交流側保護。選用高性能的具有過壓、過流及短路保護的主開關；設有多功能的參數儀，通過電流互感器，接入電流、電壓信號，能準確地檢測和控制三相電流不平衡、缺相、過壓、欠壓、過流及短路等保護，當出現故障時控制主接觸器斷開及時切斷主電路；增加快速熔斷器，達到多級保護。

（4）直流側保護。選用多功能的可控硅觸發板，通過對三相電流不平衡、缺相及輸出直流的過壓、欠壓、過流、短路等檢測，準確快速地調整直流電壓的輸出，當出現異常時及時關閉可控硅，防止故障的擴散；增加PLC 控制電路，通過電壓變送器、電流變送器等，輸入電壓、電流、漏電、溫度等信號，當出現異常時及時輸出控制信號，有效保護電源。

4 結語

DC 600 V 供電系統已經確定了中國旅客列車新的供電模式，并且該技術已經成為鐵道行業標準TB/T3063-2011《旅客列車DC 600 V 供電系統技術要求及試驗》，DC 600 V 供電系統是符合我國鐵路運行特點的供電方式之一。隨著國家對鐵路行業的大力發展，相信該項技術今后在鐵路客車整備系統中會得到廣泛的應用。

[1]TB/T3063-2011 旅客列車DC600V供電系統技術要求及試驗[S].

[2]TB /T10008-2006 鐵路電力設計規范[S].

[3]TB/T1508-2010 機車電氣屏柜技術條件[S].