鄒士濤 蔡利軍

（沈陽(yáng)鐵路局，沈陽(yáng) 110000）

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SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

鄒士濤 蔡利軍

（沈陽(yáng)鐵路局，沈陽(yáng) 110000）

從SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)與原DC 600V列車供電系統(tǒng)的比較出發(fā)，介紹SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的技術(shù)特點(diǎn)。SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)產(chǎn)品已在現(xiàn)場(chǎng)投入使用，其性能日臻完善并得到驗(yàn)證。

SS9電力機(jī)車；AC 380V列車供電系統(tǒng)；技術(shù)特點(diǎn)

鐵路旅客列車作為一個(gè)移動(dòng)的供電電網(wǎng)，其客車本身一般沒(méi)有發(fā)電裝置，客車用電依靠貫通列車供電電網(wǎng)提供，列車的供電電網(wǎng)又由專門(mén)的列車供電裝置提供電能，可以滿足較多地設(shè)備用電需求。

為滿足鐵路AC 380V供電制式的客車動(dòng)輒數(shù)百千瓦的用電需求，25G型（速度等級(jí)120km/h）、25K型（速度等級(jí) 140km/h）客車的供電主要是通過(guò)加掛 1節(jié)空調(diào)發(fā)電車來(lái)實(shí)現(xiàn)，25T型（速度等級(jí)160km/h）客車的供電則通過(guò)DF11G型內(nèi)燃機(jī)車來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前都采用進(jìn)口的 MTU或者康明斯柴油發(fā)電機(jī)組來(lái)完成AC 380V供電輸出，存在運(yùn)行成本高、燃油污染大、運(yùn)用效率低、維修困難等問(wèn)題。

為適應(yīng)建設(shè)和諧社會(huì)、促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，降低運(yùn)用成本，沈陽(yáng)鐵路局在鐵路系統(tǒng)率先啟動(dòng)了SS9電力機(jī)車［1］改造，加裝了以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的AC 380V列車供電系統(tǒng)，使電力機(jī)車可提供AC 380V供電電源，對(duì)原有的列車供電裝置進(jìn)行了重大變革。

1 總體思路

SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車可直接向 AC 380V供電制式的旅客列車供電，打破了原來(lái)只能由內(nèi)燃機(jī)車或者空調(diào)發(fā)電車向客車輸出AC 380V供電電源的歷史，并完全摒棄了大功率柴油發(fā)電機(jī)組，具備劃時(shí)代的意義。

2）與現(xiàn)有的電力機(jī)車DC 600V列車供電系統(tǒng)相比，目前的AC 380V列車供電系統(tǒng)對(duì)列車供電電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行了簡(jiǎn)化，將原來(lái)各DC 600V客車車廂的分散逆變改為由SS9電力機(jī)車集中逆變，省略了各客車的三相逆變器和單相逆變器等電氣設(shè)備，大幅降低了列車供電電網(wǎng)的構(gòu)建成本。

作為電力機(jī)車列車供電系統(tǒng)的全新產(chǎn)品，SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)在成熟的兩電平變流控制平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用了大功率整流、高頻逆變、交流輸出VVVF軟啟動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)架構(gòu)與主流的DC 600V列車供電系統(tǒng)［2］保持一致，即列車供電系統(tǒng)包含兩路獨(dú)立的列車供電回路，利用電力機(jī)車兩個(gè)獨(dú)立供電繞組（AC860V），經(jīng)整流、濾波、逆變和隔離變化后為列車提供兩路獨(dú)立的AC 380V供電電源，額定輸出功率400kVA保持不變。

充分結(jié)合主流DC 600V列車供電系統(tǒng)成功運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)并考慮運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題［3］及其不斷的改進(jìn)措施［4］，一并在SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)中加以體現(xiàn)。

為滿足SS9電力機(jī)車技術(shù)進(jìn)步及改進(jìn)的需要，整個(gè)列車供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分利用了當(dāng)今先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，采用了新的電子元器件及新工藝，貫徹簡(jiǎn)統(tǒng)化、模塊化、系列化的設(shè)計(jì)思想，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)含量。

2 技術(shù)參數(shù)

2.1電氣參數(shù)

SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)主要電氣參數(shù)如下：

額定輸入電壓：2×AC860V/50Hz。

輸入電壓允許波動(dòng)范圍：AC 592V～AC 1077V。

額定輸出電壓：2×3AC 380V/50Hz（三相四線）。

控制精度：±5%。

輸出電壓允許波動(dòng)范圍：±10%。

頻率允許波動(dòng)范圍：50±1Hz。

輸出電壓正弦畸變率：≤10%。

輸出電壓諧波含量：≤5%。

額定輸出交流電流：2×607A。

額定輸出功率：2×400kVA。

效率：≥90%。

與原來(lái)使用的進(jìn)口柴油發(fā)電機(jī)組相比，單路輸出功率更高，供電品質(zhì)更好，抗沖擊電流能力更強(qiáng)。

2.2使用條件

SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)正常使用條件：

海拔：≤2500m。

工作環(huán)境溫度：-40℃～40℃。

存儲(chǔ)溫度：-40℃～60℃。

空氣濕度：最濕月月平均相對(duì)濕度不大于95%（月平均最低溫度為25℃時(shí)）。

振動(dòng)和沖擊：符合GB/T 21563—2008中1類A級(jí)規(guī)定。

安裝條件：設(shè)備安裝在能防止風(fēng)、沙、雨、雪直接侵襲的機(jī)車車體內(nèi)部。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

以往交直電力機(jī)車DC 600V列車供電系統(tǒng)的元器件分布一般較為分散，未全部集中到相應(yīng)的列車供電柜中，導(dǎo)致系統(tǒng)整體規(guī)劃較差，后期維護(hù)困難。

參照鐵標(biāo)“TB/T 3063—2011 旅客列車 DC 600V供電系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)”［5］的要求和SS9電力機(jī)車的空間布置特點(diǎn)，SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)將原先分散的的兩路獨(dú)立的列車供電回路分別集成到兩組完全相同的列車供電柜和濾波柜中，每組柜內(nèi)都包含獨(dú)立的主電路和供電控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　AC 380V列車供電系統(tǒng)架構(gòu)圖

SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)這種改進(jìn)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）每個(gè)列車供電回路的元器件都是完整、獨(dú)立的，都包含不控整流、直流濾波、三相逆變、交流濾波、隔離變換等環(huán)節(jié)，系統(tǒng)集成度高。

2）兩組列車供電柜和濾波柜都是完全一樣的，因此在機(jī)車大部件布置時(shí)可對(duì)稱放置，降低了設(shè)計(jì)難度。

3.2設(shè)計(jì)冗余可靠

由于列車供電裝置關(guān)系到正常鐵路運(yùn)輸秩序及旅客乘車舒適度的問(wèn)題，因此 SS9電力機(jī)車 AC380V列車供電系統(tǒng)采用了以下措施來(lái)保證系統(tǒng)可靠性：

1）兩路列車供電回路同時(shí)工作，互為熱備冗余，客車可自由選擇供電電源。即使機(jī)車某一路電源出現(xiàn)故障，客車在采取適當(dāng)減載的情況下，機(jī)車另外一路電源也可以保障全列車的供電。

2）主電路設(shè)計(jì)方面，對(duì)系統(tǒng)可靠性影響較大的元器件如IGBT、二極管、電容等，至少預(yù)留了兩倍以上的電氣裕量。并且注意選用工作環(huán)境溫度更寬廣的新型元器件，保證了系統(tǒng)具備更寬廣的工作環(huán)境溫度，可適應(yīng)高低溫運(yùn)用的需要。

3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，每一路列車供電回路均采用了冷備冗余的A/B兩組控制系統(tǒng)，某一組出現(xiàn)故障時(shí)可通過(guò)開(kāi)關(guān)快速切換。

3.3控制邏輯簡(jiǎn)化

為保證列車供電系統(tǒng)安全運(yùn)行，以往交直電力機(jī)車DC 600V列車供電系統(tǒng)的控制邏輯設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，中間涉及環(huán)節(jié)較多（包括邏輯控制單元LCU、機(jī)車供電集中控制器、供電鑰匙、多個(gè)中間繼電器等），這樣不僅列車供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率大大增加，而且機(jī)車布線復(fù)雜，不利于機(jī)車后期維護(hù)和檢修。

動(dòng)物保健聯(lián)盟公布的報(bào)告顯示，澳大利亞人對(duì)自己寵物的信任程度甚至遠(yuǎn)高于對(duì)朋友的。大概正因如此，澳大利亞人很舍得為愛(ài)寵花錢(qián)，致力于讓自己的小伙伴享受優(yōu)越的服務(wù)。

SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)吸取了原列車供電系統(tǒng)運(yùn)用的成功經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將以往通過(guò)硬連線方式逐級(jí)傳遞的邏輯控制信號(hào)改為直接從機(jī)車端子排處獲取相關(guān)信號(hào)，送入SS9機(jī)車AC 380V列車供電控制系統(tǒng)中，由列車供電控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握供電鑰匙、主斷等狀態(tài)信號(hào)，并決定列車供電柜何時(shí)啟動(dòng)、何時(shí)停止工作。這樣設(shè)計(jì)的好處是：

1）SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)掌握了全部的控制邏輯信息，在列車供電柜異常停止工作時(shí)可進(jìn)行診斷，提示司機(jī)和檢修人員快速查找問(wèn)題。

2）SS9電力機(jī)車AC 380V供電控制系統(tǒng)采用110V輸入電路檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，性能好，輸入電流只有毫安級(jí)，功耗大大降低，還可以避免出現(xiàn)繼電器機(jī)械故障。

3）SS9電力機(jī)車AC 380V供電控制系統(tǒng)采用微機(jī)控制方式后，為控制邏輯功能的擴(kuò)展和調(diào)整提供了可能，調(diào)試更加方便。

3.4供電控制系統(tǒng)改進(jìn)

供電控制系統(tǒng)基于株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司的新型逆變控制平臺(tái)設(shè)計(jì)，具有“標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、信息化”的特點(diǎn)。系統(tǒng)在出色完成3AC 380V調(diào)節(jié)、各種保護(hù)功能以及與機(jī)車顯示屏通訊功能外，還體現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，主要有：

1）供電控制級(jí)的核心模塊采用雙核浮點(diǎn)DSP、FPGA等高速處理器進(jìn)行運(yùn)算，系統(tǒng)精度更高，調(diào)節(jié)控制響應(yīng)更靈敏。

2）逆變控制級(jí)采用硬件編程方式實(shí)現(xiàn)脈沖形成與分配功能，修改、調(diào)試、維護(hù)方便，控制精度高。驅(qū)動(dòng)級(jí)脈沖電路也在原有基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)設(shè)計(jì)，高壓隔離、抗干擾性更好。

3）人機(jī)接口級(jí)對(duì)外采用了工業(yè)以太網(wǎng)接口，可獨(dú)立處理數(shù)據(jù)記錄、診斷、通訊與轉(zhuǎn)儲(chǔ)等工作，功能大為豐富，使得系統(tǒng)真正具備實(shí)現(xiàn)信息化的數(shù)字基礎(chǔ)。

3.5系統(tǒng)信息化

以往交直電力機(jī)車DC 600V列車供電系統(tǒng)受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，只能通過(guò)RS485通訊向機(jī)車顯示屏傳送輸出電壓、輸出電流和三四條故障信息，對(duì)外輸出的信息量非常少。而在 SS9電力機(jī)車 AC 380V列車供電系統(tǒng)中，一方面通過(guò)電壓傳感器、電流傳感器和開(kāi)關(guān)輔助節(jié)點(diǎn)等實(shí)時(shí)采集了系統(tǒng)狀態(tài)信息，另一方面還根據(jù)特定條件和算法判斷、生成了二十多種系統(tǒng)故障信息，在升級(jí)了機(jī)車顯示屏程序之后上可全部顯示出來(lái)，對(duì)外輸出的信息包含以下幾個(gè)方面：

1）模擬量信息：列車供電系統(tǒng)三相交流輸出電壓、三相交流輸出電流和單相交流輸入電壓等。

2）數(shù)字量信息：列車供電系統(tǒng)內(nèi)輸入端接觸器、充電接觸器、輸出端接觸器等開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)。

3）故障信息：具備模塊級(jí)的故障自診斷功能以及完善的變流故障診斷和保護(hù)功能。列車供電系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)對(duì)外輸出的故障信息，包括模塊內(nèi)IGBT芯片故障、三相交流輸出過(guò)壓/過(guò)流、三相不平衡等。

另外AC 380V列車供電系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的人機(jī)級(jí)接口、高速數(shù)據(jù)通道和外部配套的專用地面分析軟件，可實(shí)時(shí)顯示列供輸出電壓、輸出電流等波形圖、可更加直觀地了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)內(nèi)采用了大容量、高速存儲(chǔ)芯片進(jìn)行故障記錄，詳細(xì)故障記錄高達(dá)100條，故障清單列表超過(guò)1000條，可完全覆蓋到機(jī)車長(zhǎng)交路運(yùn)行的周期。

SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)對(duì)外輸出的信息量大大增加，對(duì)外輸出的手段也更加靈活、方便，有利于促進(jìn)機(jī)車信息化，提高維護(hù)檢修的效率，極大地方便了司機(jī)和檢修人員。

3.6柜體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

SS9電力機(jī)車AC 380V列車供電系統(tǒng)由兩組完全相同的列車供電柜和濾波柜組成。

列車供電柜采用模塊化設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)非常緊湊，按功能劃分為5個(gè)部分：

1）變流器部分，主要是一個(gè)集成了不控整流及IGBT逆變的變流器模塊。

2）供電控制單元，包括了DCU機(jī)箱、濾波器和電源分配模塊等。

3）高壓電器部分，主要包含主接觸器、充電接觸器、充放電電阻和電流、電壓傳感器等高壓器件。

4）支撐電容器部分，包括3個(gè)IGBT模塊連接的支撐電容器。

5）冷卻室部分，由IGBT模塊的翅片散熱器、離心風(fēng)機(jī)和風(fēng)道組成。

列車供電濾波柜的總體結(jié)構(gòu)按功能劃分為兩個(gè)部分：

1）冷卻室部分，包括濾波變壓器、斜流風(fēng)機(jī)、三相濾波電容和風(fēng)道等，冷卻風(fēng)由柜體頂部吸入冷卻室，經(jīng)過(guò)濾波變壓器后，由柜體底部吹出。

2）濾波室部分，包括輸出接觸器和 EMI濾波器等。濾波電容器實(shí)現(xiàn)濾波功能，輸出接觸器控制三相AC 380V電源輸出。

系統(tǒng)涉及的各部件采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的方式，產(chǎn)品可利用通用工具進(jìn)行維護(hù)，安裝、拆卸非常簡(jiǎn)便。

3.7物料選型成熟化

綜合考慮使用物料的要素，如現(xiàn)場(chǎng)不良率、年失效率、安規(guī)、壽命、標(biāo)準(zhǔn)件、物料供應(yīng)商的歷史表現(xiàn)等，并結(jié)合和諧機(jī)車DC 600V列供和輔助變流器的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，AC 380V列車供電系統(tǒng)優(yōu)先選用經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應(yīng)渠道可靠、技術(shù)與商務(wù)支持強(qiáng)、交貨及時(shí)的優(yōu)選物料，充分保證產(chǎn)品所使用物料的質(zhì)量，從而有效提高整個(gè)AC 380V列車供電系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

加裝了AC 380V列車供電系統(tǒng)的SS9電力機(jī)車和AC 380V供電客車在長(zhǎng)春、大連進(jìn)行了多次聯(lián)調(diào)聯(lián)試，雖然在編組試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了客車負(fù)載啟動(dòng)沖擊電流大、運(yùn)行過(guò)程中偶然出現(xiàn)三相不平衡等問(wèn)題，但都已經(jīng)通過(guò)優(yōu)化列供系統(tǒng)參數(shù)得到有效解決，供電品質(zhì)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試完全滿足設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用要求，供電電源能滿足最大編組18輛列車直供電的需求。

加裝了AC 380V列車供電系統(tǒng)的SS9電力機(jī)車已在沈陽(yáng)鐵路局小批量投入使用，從2015年5月起負(fù)責(zé)擔(dān)當(dāng)長(zhǎng)春—北京（Z63/Z64）、大連—北京（Z79/Z82 Z81/Z80）兩對(duì)AC 380V供電制式旅客列車的牽引和供電任務(wù)，其性能日臻完善并得到驗(yàn)證。

隨著電氣化鐵路逐步擴(kuò)展和電力機(jī)車變流技術(shù)的重大進(jìn)步，傳統(tǒng)的AC 380V客車仍然依靠柴油發(fā)電機(jī)組供電已不能滿足形勢(shì)發(fā)展的需要，而存量的AC 380V客車統(tǒng)一升級(jí)為DC 600V客車需要加裝車下電源、客車電氣控制柜、鎳鎘堿性電池、大量更換車體布線等，客車改造存在成本大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題。

而在電力機(jī)車上加裝AC 380V列車供電系統(tǒng)，直接向客車提供AC 380V電源，再輔以客車的配套改造，具備免維護(hù)、獨(dú)立性強(qiáng)、編組靈活、高效率、無(wú)污染、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，而且該總體方案的解決成本較低，在運(yùn)用、成本和技術(shù)三者之間取得了較好的平衡，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］余衛(wèi)斌. 韶山 9型電力機(jī)車［M］. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2005：110-117.

［2］徐林云. DC 600V列車供電系統(tǒng)［J］. 鐵道車輛，2001，39（3）：13-16.

［3］康驚濤. 機(jī)車DC 600V供電系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改進(jìn)［Z］. 2004：70-72.

［4］王小方，賀文，李小平，等. 電力機(jī)車DC 600V供電系統(tǒng)的改進(jìn)［J］. 機(jī)車電傳動(dòng)，2004（4）：41-44.

［5］TB/T 3063—2011. 旅客列車DC 600V供電系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)［S］.

Technical Characteristic of AC 380V Power Supply System for SS9 Electric Locomotive

Zou Shitao Cai Lijun
（Shenyang Railway Bureau，Shenyang 110000）

Compared to the AC 380V train power supply system of original DC 600V train power supply system，technical characteristic of AC 380V power supply system for SS9 electric locomotive was presented. The AC 380V power supply system for SS9 electric locomotive have been put into service in field，which performance is improved and verified.

SS9 Electric Locomotive； AC 380V train power supply system； technical characteristic

鄒士濤（1985-），男，山東菏澤市人，大學(xué)，工程師，主要從事鐵路機(jī)車運(yùn)營(yíng)、維護(hù)及技術(shù)升級(jí)工作。