【科普向】中国铁路客车供电模式及发电车的发展

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【科普向】中国铁路客车供电模式及发电车的发展

2023-09-14 09:43| 来源: 网络整理| 查看: 265

部分资料来自《我国铁路空调发电车的发展历程》(中国中车南京浦镇车辆有限公司高级工程师 施青松)和《铁路客车供电方式的发展历史》(百度贴吧火车迷之家吧)。

【非空调车时代】

上世纪50到80年代,我国铁路客车普遍使用轴驱式发电机,给照明装置、通风系统、广播系统、轴温报警装置等设备提供电力。轴驱式发电机吊挂在客车的车底架下(或转向架的构架上)。当客车运行时,利用车轴的转动,通过皮带带动发电机轴的转动,发出的电能通过车体配线向车内供电,并向蓄电池充电;当列车速度低或停车时,则由蓄电池通过车体配线向车内各用电器具供电。安装有发电机及蓄电池的车厢称为“母车”,未安装的称“子车”。 如22型客车由J5型轴驱式感应子发电机(5kW,部分7kW)、控制箱、整流箱、24个2V蓄电池组组成。

YZ22型客车,转向架上装有轴驱式发电机

为了创造更舒适的乘坐体验,我国从德国进口了24型客车,发电模式均为自发电。24型客车车厢底部下挂了柴油机、发电机和空调机。采用35 kW交流发电机,发电机与DC110V碱性蓄电池组并联供电。25B型的软卧车、硬卧宿营车、餐车、GW车、试验车等安装了空调机组 (但仍是锅炉供暖),由本车车下柴油发电机组给空调机组供电。小型柴油发电机组一般仅供本车空调机组使用,输出3NAC 380V/220V,功率有24KW、32KW、 40KW、48KW等,冷却方式有风冷和水冷2种。风冷柴油发电机组一般采用车下吊挂安装方式,柴油机主要有F6L912型柴油机、F6L913Z型增压柴油机;水冷柴油发电机组一般安装在车上,柴油机主要有潍柴 495、南昌4105、进口perkinsll04系列四缸柴油机和康明斯、沃尔沃5升机系列柴油机。单车独立供电车辆可以随意摘挂和编组(但子车连续编挂不得超过2辆,首尾1辆为限)、发电设备不占用车内空间、局部故障不影响全列车供电,但由于发电功率低,无法适应大功率用电设备如空调的普及使用,降低了乘坐舒适性。而车下柴油发电机组加大了车辆自重,无法满足提速要求。

24型客车,底部装有柴油发电机组

【空调发电车时代】

从上世纪80年代起,随着我国铁路客车技术的提升以及旅客对乘坐舒适性有了更高的要求,旅客列车上开始应用大容量用电设备,空调发电车应运而生。

1985年,南京浦镇车辆厂生产出了中国第一批中短途用双层空调客车,该空调客车使用发电车集中供电方式。而与这一批车配套的则是TZ型空调发电车。TZ型空调发电车采用MTU发电机和采用西门子技术的交流发电机组。车体为有贯通中梁全钢焊接机构,其断面轮廓主要尺寸与25型客车基本相同。配电室和休息室采用窗式空调各一台,设有油炉室专供冬季柴油机预热和采暖。首批990kw大功率TZ型空调发电车的上线结束了中国进口组装大功率发电车的历史。

1987年,原铁道部利用京广铁路衡广复线建设的日元贷款余额,国际招标采购了168辆中国国内使用的车长25.5米集中供电空调客车,1989-1990年间完成了168辆客车的生产任务,后将其定型为25A型客车。与25A相配套的TZ2型空调发电车装备有3台MTU183发电机组,车体采用耐候钢,有中梁薄壁筒型整体承载结构,侧墙为平板,取消了加强压筋。在配电室和休息室车厢各安装一台日本进口的CU54型空调机组;采用了日本进口轴承、迷宫式轴箱等新技术。TZ2型空调发电车虽然只生产了10台,但为25型空调客车大量普及提供了强有力的支撑,因此,该车被视为我国铁路新型空调发电车生产发展的里程碑。

TZ/TZ2型空调发电车后期均归类为KD25G型空调发电车。

TZ型空调发电车,型号已归为KD25GTZ2型空调发电车,型号已归为KD25G

1994-1995年间,我国与韩国合作,生产了30辆25C型客车,其中两辆为空调发电车。KD25C型发电车采用CW-1A转向架(后因设计缺陷存在安全隐患,转向架更换为CW-2G),装有全车故障自检测监控系统,能集中检测全列车车门开关状况、轴温,并具有自动报警、提供故障处理程序等功能。由于25C型客车生产成本过高,此后并未继续生产。

KD25C空调发电车,目前在广州局管内闲置

1991年,在25A型客车的基础上研制了25G型空调客车,采用空调发电车集中供电、三相四线制AC380V交流供电模式。KD25G配置了三台康明斯公司生产的KTA19型发电机组;车体采用无中梁薄壁筒型整体承载结构,平板无压筋侧墙;在车顶设置单元式空调装置;采用金属迷宫式密封轴箱,在轴箱上安装了轴温报警用数字式传感器。

KD25G空调发电车,目前运用数量最多的发电车型号

1993-1996年,我国生产了两批25Z型客车。25Z型客车同样是采用了发电车集中供电的供电方式。KD25Z空调发电车车体采用高强度耐候钢制造的无中梁薄壁筒型整体承载结构。该车还使用了德国克诺尔制动机公司用微机控制的MGSI电子防滑器。KD25Z型发电车最后虽然未全路普及,但其研制和提速试验数据为后来生产的KD25K和KD25T空调发电车积累了大量经验。

KD25Z型空调发电车

1996年,以25Z型空调客车为技术基础进一步改进发展的25K型空调客车开始生产。KD25K发电机组分为两种,分别是康明斯公司和MTU公司的柴油机组。而在KD25K上,空气弹簧悬挂技术、双管制供风系统、防滑装置等新技术得到了应用。

KD25K型空调发电车

第五次大提速之后的2006年7月1日,青藏铁路正式开通运营,25T高原型空调客车正式投入运营。因青藏线的特殊应用环境,为保证列车运行用电稳定,需要在编组中加挂发电车,KD25T型高原发电车由此诞生。KD25T高原发电车装用大功率电喷式柴油发电机组,走行部分采用中车四方客车车辆有限公司研制的SW-QD160转向架,同时还设置了供氧系统。此外,为配合机车直流供电的兼容性,KD25T高原发电车采用了DC600V的供电制式,也是我国除集通铁路部分KD25G以外唯一一种使用DC600V供电制式的发电车。

KD25T高原发电车配属内蒙古集通铁路公司的KD25G空调发电车,使用DC600V供电制式

【机车供电时代】

在电气化铁路发展初期,发电车很好地解决了空调客车的供电问题,与轴驱供电相比有诸多明显的优点,具有较好的机动性和广泛的适应性,但随开行车次的增加,运行噪声和燃油排放污染对沿途的影响也凸显出来。主要原因有以下几点:①占用列车编组,增加机车牵引重量,减少列车定员数,发电车的轴重不能完全满足提速列车轴重的要求。②运营成本高,每台空调发电车的购置费用高,且需消耗大量昂贵的柴油。发电车工作时,需要有专门的乘务人员操作、监控。③污染环境,有废水、废油、废气的排放。

随着铁路电气化进程的加快普及,并借鉴国外铁道客车供电技术,20世纪80年代,中国铁路开始研究电力机车向客车供电技术,对高压输电、集中变流、分散变流等技术做了大量的试验研究工作。原铁道部委托四方车辆研究所等单位于1997年开始对国内外列车供电技术状况进行分析、研究,最终确认600伏直流(简称DC600V)集中供电、分散变流列车供电系统适合我国当前的电子、电力技术水平,而且便于与国外列车供电技术接轨。采用DC600V供电电压,是参照了国外供电制式并结合我国国情和技术现状所作出的选择。高压供电从经济性考虑虽然具备优势,但是采用高压供电系统无疑需将降压、整流和逆变环节全部集中在客车上,其安装和配重难度较大。而机车集中整流后向客车供电,由客车分散变流,在技术上没有太大的困难。由于直/交变换存在电压利用率的问题,所以要达到输出AC380V,要求输入电压应在DC600V左右。同时基于国外有直流540V、600V、660V、750V等级,所以我国采用DC600V电压,一方面可以提高逆变器的可靠性,另一方面这个等级的电压,实际在绝缘、耐压等方面与AC380V基本一致,安全性好。 鉴于电力机车供电与发电车供电兼容的原则,首列DC600V集中供电、分散变流列车设计为DC600V/AC380V供电兼容列车。列车供电干线电压制式为DC600V,电力牵引工况和内燃牵引工况均能较好满足其要求,从而可兼顾列车在电气化区段由电力机车供电和在非电气化区段由内燃机车供电两种需求,适合我国铁路运输方面存在的同一车次列车可能需要在上述两种区段运行的特点。

机车供电是由电力机车或内燃机车提供2路 (2×400KW)DC600V电源给空调旅客列车。在电气化区段,采用由电力机车集中供电、客车分散变流的供电方式;在非电气化区段,由DF11G型内燃机车向客车提供DC600V电源。机车设2套独立的DC600V电源装置,电力机车主变压器有2个辅助绕组,分别通过2套DC600V电源装置的相控整流、滤波后输出DC600V、2×400kW电源;DF11G型内燃机车把2个辅助发电机组的三相交流电分别整流后输出2路DC 600V电源。客车DC600V供电系统主要由以下装置组成:逆变电源装置(简称逆变器箱)、DC600V/DC110V电源装置(简称充电机箱)、电气综合控制柜、蓄电池箱、车端连接器及布线等设备组成。

电力机车在运行时同时向客车车厢输出DC600V直流电,各车厢使用逆变技术,逆变为AC380V、AC220V、DC110V供客车使用,新造的25G/T车在车底下有逆变器箱和充电机箱。采用PLC控制无主网络监控系统,实现全自动监控。标准配置客车车载电源箱内安装有两台容量及硬件结构完全相同的35KVA逆变器和一台容量为15KVA的隔离变压器,两个逆变器分别编号为1号逆变器和2号逆变器。简配客车车载电源箱内安装有一台35KVA的逆变器和一台容量为15KVA的隔离变压器。DC600V供电客车通过综合控制柜按车厢号(分奇偶)自动选择1路DC600V供电。车下安装逆变电源装置和充电机。逆变电源装置包括2×35kVA逆变器和1个15kVA三相四线制隔离变压器。2×35kVA逆变器将DC600V逆变成2路3NAC380V、50Hz交流电,向空调机组、电开水炉等三相交流用电负载供电。8kW充电机将DC600V变换成DC110V直流电,给蓄电池组充电的同时,向照明、供电控制等直流负载供电。客室电热器和温水箱采用DC600V直接供电。采用2×35kVA逆变器供电主要基于单车负载容量较大和增加供电系统的可靠性。其中一个逆变器主要给空调机组供电,另一个给开水炉、伴热负载等交流负载供电。正常情况下,2个逆变器相互独立,互为热备份;当其中一个发生故障时,由另一个继续供电,但部分受控负载要减载运行(如空调机组自动转入半冷或半热工况)。如25T硬座车:逆变器Ⅰ逆变的AC380V交流电为一位端空调供电,逆变器Ⅱ逆变的AC380V交流电为二位端空调、电开水炉供电,同时经15kVA隔离变压器输出三相四线制AC380V交流电,为本车交流插座、废排风机、伴热系统提供单相AC220V交流电源。25T型餐车:逆变器Ⅰ逆变的AC380V交流电为空调和厨房8kW凹灶供电,逆变器Ⅱ逆变的AC380V交流电经15kVA隔离变压器输出三相四线制AC380V交流电,为本车交流插座、伴热系统提供单相AC220V交流电源,同时为厨房其余电灶、电开水炉、蒸饭箱等供电。客室电热器、温水箱等电阻性负载采用DC600V供电,一方面减轻了逆变器的冬季负载,另一方面减少了中间环节,提高了效率和可靠性。电气化区段每隔25~58 km有一个分相区,DC600 V电源装置在过分相区时无电,逆变器和充电机均无输出。

安装在25T型客车底部的逆变器DF11G内燃机车上的DC600V机车供电插座

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附:配有机车供电系统的机车型号

东风系列:DF4DF、DF11G

韶山系列:SS7C、SS7D、SS7E、SS8、SS9(沈阳局部分SS9机供制式已改造为AC380V)

和谐系列:HXD1D、HXD1G、HXD3C、HXD3D、HXD3G、HXN3K、HXN5K



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