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鐵路客車供電方式的發展歷史(從48V到DC600V)

軌道交通資訊與知識---軌道交通圖書館


鐵路客車供電系統是鐵路客車的重要組成部分,早期的22型采用DC48V供電,隨著鐵路客車的發展和旅客乘坐舒適度的要求,早期的25B型車開始安裝空調,隨之出現了單車自帶發電機組供電的客車,后演變至采用發電車AC380V集中供電,隨著鐵路速度的提高及電氣化鐵路的普及,現在又發展為DC600V機車供電……

鐵路客車供電方式按時代發展的順序主要分為單車獨立供電、發電車集中供電和機車供電。       


一、單車獨立供電(20世紀50-80年代)

1、軸驅式發電機供電

早期的旅客列車主要包括21型、22型、25B型車,電氣裝置主要有照明裝置、通風系統、廣播系統、軸溫報警裝置等,將軸驅式發電機吊掛在客車的車底架下(或轉向架的構架上)。當客車運行時,利用車軸的轉動,通過皮帶帶動發電機軸的轉動,發出的電能通過車體配線向車內供電,并向蓄電池充電;當列車速度低或停車時,則由蓄電池通過車體配線向車內各用電器具供電。安裝有發電機及蓄電池的車廂稱為“母車”,未安裝的稱“子車”。 

如22型客車由J5型軸驅式感應子發電機(5kW,部分7kW)、控制箱、整流箱、24個2V蓄電池組組成。



2車下柴油發電機組供電

為了更佳的乘坐環境,20世紀80年代從原民主德國進口的24型客車為自發電空調客車,車廂底部下掛了柴油機、發電機和空調機。采用35 kW交流發電機,發電機與DC110V堿性蓄電池組并聯供電。


25B型的軟臥車、硬臥宿營車、餐車、公務車、試驗車等安裝了空調機組 (但仍是鍋爐供暖),由本車車下柴油發電機組給空調機組供電。小型柴油發電機組一般僅供本車空調機組使用,輸出3NAC 380V/220V,功率有24KW、32KW、 40KW、48KW等,冷卻方式有風冷和水冷2種。風冷柴油發電機組一般采用車下吊掛安裝方式,柴油機主要有F6L912型柴油機、F6L913Z型增壓柴油機;水冷柴油發電機組一般安裝在車上,柴油機主要有濰柴 495、南昌4105、進口perkinsll04系列四缸柴油機和康明斯、沃爾沃5升機系列柴油機。


單車獨立供電車輛可以隨意摘掛和編組(但子車連續編掛不得超過2輛,首尾1輛為限)、發電設備不占用車內空間、局部故障不影響全列車供電,但由于發電功率低,無法適應大功率用電設備如空調的普及使用,降低了乘坐舒適性。而車下柴油發電機組加大了車輛自重,無法滿足提速要求。


二、發電車集中供電(20世紀80-90年代)

20世紀80年代開始,隨著鐵路客車的技術提升以及旅客乘坐舒適度要求的不斷提高,25型新型空調旅客列車的普及,我國發展了用柴油作為燃料的發電車提供三相交流380V(簡稱AC380V)對空調列車集中供電,也就是我們常說的空調發電車。

車上裝有三臺300KW的進口康明斯柴油發電機組或MTU柴油發電機組,總容量為900KW,每臺機組可單獨運行亦可并車運行,向旅客列車供電時,兩臺機組工作,一臺備用,總輸出功率為2×300KW。




早在60、70年代,原四方機車車輛廠就已研制出用于廣九鐵路的22型、25型空調發電車(時稱TZ特種車)及空調客車,發電車柴油發電機組的裝機容量為3×200KW,供電制式為3NAC 380V/220V、50Hz。1987年,四方廠又率先研制出柴油發電機組裝機容量為3×300KW、具有自動并車功能的大功率發電車(KD型、2路干線供電)。1989年,原浦鎮車輛廠、長春客車廠研制了2×500 KW MTU柴油機組大功率發電車。1996年,鐵道部組織原長客、四方、浦鎮、唐山等主機廠在之前各自研制的發電車基礎上進行了電氣原理圖及主要關鍵設備(包括柴油發動機、發電機、控制柜、自動并車裝置等)的統型。

25G型、25K型客車分別定型于1992年、1998年。空調發電車裝有柴油機、發電機、變壓器等發電設備和值班人員辦公室,工作時要有乘務人員值守。空調發電車主要有KD25G、KD25Z、KD25K等。



 

在電氣化鐵路發展初期,發電車很好地解決了空調客車的供電問題,與軸驅供電相比有諸多明顯的優點,具有較好的機動性和廣泛的適應性,但隨開行車次的增加,運行噪聲和燃油排放污染對沿途的影響也凸顯出來。主要原因有以下幾點:①占用列車編組,增加機車牽引重量,減少列車定員數,發電車的軸重不能完全滿足提速列車軸重的要求。②運營成本高,每臺空調發電車的購置費用高,且需消耗大量昂貴的柴油。發電車工作時,需要有專門的乘務人員操作、監控。③污染環境,有廢水、廢油、廢氣的排放。

隨著鐵路電氣化進程的加快普及,并借鑒國外鐵道客車供電技術,20世紀80年代,中國鐵路開始研究電力機車向客車供電技術。這既符合國家能源政策,又能為客車提供足夠容量的電源,改善旅行條件,同時增加列車編組,減輕列車自重,具有明顯的經濟效益和社會效益。劉志軍任部長后,鐵道部自2003年提出取代空調發電車集中供電轉為機車供電的DC600V直流電分散逆變技術,空調發電車逐步退出人們的視線,基本不再生產。

2005年由于青藏線特殊的運用環境,為保證列車運行的用電,需要在車列中加掛發電車。KD25T高原型空調發電車裝用大功率電噴式柴油發電機組,采

用SW-QDl60型轉向架;設置了供氧系統,此外為配合機車直流供電的兼容 性,高原型空調發電車采用DC600V供電方式,也是我國至今唯一一種使用DC 600V供電方式的發電車。


受2008年雪災時鐵路癱瘓的影響,當時鐵道部又重提了發電車的重要性,2012年春運胡亞東副部長提到在全國鐵路沿線準備了1000多部獨立的發電車,一旦牽引供電中斷,或者指揮行車的系統電力中斷,臨時、獨立的發電車可以應急發電,保證指揮系統的順暢。



三、機車供電(20世紀末至今)

隨著鐵路電氣化進程的加快普及,并借鑒國外鐵道客車供電技術,20世紀80年代,中國鐵路開始研究電力機車向客車供電技術,對高壓輸電、集中變流、分散變流等技術做了大量的試驗研究工作。

鐵道部委托四方車輛研究所等單位于1997年開始對國內外列車供電技術狀況進行分析、研究,最終確認600伏直流(簡稱DC600V)集中供電、分散變流列車供電系統適合我國當前的電子、電力技術水平,而且便于與國外列車供電技術接軌。

采用DC600V供電電壓,是參照了國外供電制式并結合我國國情和技術現狀所作出的選擇。高壓供電從經濟性考慮雖然具備優勢,但是采用高壓供電系統無疑需將降壓、整流和逆變環節全部集中在客車上,其安裝和配重難度較大。而機車集中整流后向客車供電,由客車分散變流,在技術上沒有太大的困難。由于直/交變換存在電壓利用率的問題,所以要達到輸出AC380V,要求輸入電壓應在DC600V左右。同時基于國外有直流540V、600V、660V、750V等級,所以我國采用DC600V電壓,一方面可以提高逆變器的可靠性,另一方面這個等級的電壓,實際在絕緣、耐壓等方面與AC380V基本一致,安全性好。 

鑒于電力機車供電與發電車供電兼容的原則,首列DC600V集中供電、分散變流列車設計為DC600V/AC380V供電兼容列車。


列車供電干線電壓制式為DC600V,電力牽引工況和內燃牽引工況均能較好滿足其要求,從而可兼顧列車在電氣化區段由電力機車供電和在非電氣化區段由內燃機車供電兩種需求,適合我國鐵路運輸方面存在的同一車次列車可能需要在上述兩種區段運行的特點。


機車供電是由電力機車或內燃機車提供2路 (2×400KW)DC600V電源給空調旅客列車。在電氣化區段,采用由電力機車集中供電、客車分散變流的供電方式;在非電氣化區段,由DF11G型內燃機車向客車提供DC600V電源。

機車設2套獨立的DC600V電源裝置,電力機車主變壓器有2個輔助繞組,分別通過2套DC600V電源裝置的相控整流、濾波后輸出DC600V、2×400kW電源;DF11G型內燃機車把2個輔助發電機組的三相交流電分別整流后輸出2路DC 600V電源。


電力機車DC600V供電裝置主電路原理圖


客車DC600V供電系統主要由以下裝置組成:逆變電源裝置(簡稱逆變器箱)、DC600V/DC110V電源裝置(簡稱充電機箱)、電氣綜合控制柜、蓄電池箱、車端連接器及布線等設備組成。


電力機車在運行時同時向客車車廂輸出DC600V直流電,各車廂使用逆變技術,逆變為AC380V、AC220V、DC110V供客車使用,新造的25G/T車在車底下有逆變器箱和充電機箱。采用PLC控制無主網絡監控系統,實現全自動監控。標準配置客車車載電源箱內安裝有兩臺容量及硬件結構完全相同的35KVA逆變器和一臺容量為15KVA的隔離變壓器,兩個逆變器分別編號為1號逆變器和2號逆變器。簡配客車車載電源箱內安裝有一臺35KVA的逆變器和一臺容量為15KVA的隔離變壓器。


DC600V供電客車通過綜合控制柜按車廂號(分奇偶)自動選擇1路DC600V供電。車下安裝逆變電源裝置和充電機。逆變電源裝置包括2×35kVA逆變器和1個15kVA三相四線制隔離變壓器。2×35kVA逆變器將DC600V逆變成2路3NAC380V、50Hz交流電,向空調機組、電開水爐等三相交流用電負載供電。8kW充電機將DC600V變換成DC110V直流電,給蓄電池組充電的同時,向照明、供電控制等直流負載供電。客室電熱器和溫水箱采用DC600V直接供電。


DC600V列車供電原理圖


采用2×35kVA逆變器供電主要基于單車負載容量較大和增加供電系統的可靠性。其中一個逆變器主要給空調機組供電,另一個給開水爐、伴熱負載等交流負載供電。正常情況下,2個逆變器相互獨立,互為熱備份;當其中一個發生故障時,由另一個繼續供電,但部分受控負載要減載運行(如空調機組自動轉入半冷或半熱工況)。如25T硬座車:逆變器Ⅰ逆變的AC380V交流電為一位端空調供電,逆變器Ⅱ逆變的AC380V交流電為二位端空調、電開水爐供電,同時經15kVA隔離變壓器輸出三相四線制AC380V交流電,為本車交流插座、廢排風機、伴熱系統提供單相AC220V交流電源。25T型餐車:逆變器Ⅰ逆變的AC380V交流電為空調和廚房8kW凹灶供電,逆變器Ⅱ逆變的AC380V交流電經15kVA隔離變壓器輸出三相四線制AC380V交流電,為本車交流插座、伴熱系統提供單相AC220V交流電源,同時為廚房其余電灶、電開水爐、蒸飯箱等供電。




客室電熱器、溫水箱等電阻性負載采用DC600V供電,一方面減輕了逆變器的冬季負載,另一方面減少了中間環節,提高了效率和可靠性。



電氣化區段每隔25~58 km有一個分相區,DC600 V電源裝置在過分相區時無電,逆變器和充電機均無輸出。為了避免頻繁斷電對控制系統和應急設備的影響,照明裝置和控制系統采用DC110V供電。在接觸網有電時,由充電機向照明裝置、控制系統等負載供電,而過分相區時則由蓄電池組供電。為了防止本車蓄電池過放或短路故障時導致系統崩潰,保證對重要負載(如軸溫報警器、防滑器等)的供電,全列蓄電池通過阻斷二極管并聯。尾燈、共線電話等設施基于信號運用仍采用DC48V供電。

1、內燃機車供電

主要有兩款機車可以直供電,大連的DF4DF和戚墅堰的DF11G。

DF4DF是大連廠1999年在東風4D提速客運機車基礎上為達成鐵路公司和石長鐵路公司專門開發的一款客運機車,采用AC380V制式向客車供電,至2004年共生產了25臺。它的特點是通過微機控制系統向旅客列車供電,既能牽引列車又可以取代客運列車中的發電車向列車空調、電加熱器和照明等供電。這貨和DF4DK的區別就在于排障器上方的機供插座。


DF11G是戚墅堰機車車輛廠為完成我國鐵路第五次大提速而專門研制的雙機重聯型準高速干線客運內燃機車,機車裝有輔助柴油發電機組,最大供電功率2×400kW,供電制式為AC380V或DC600V。

車迷稱作“小豬“(AC380制式,其機供口為灰色,多用于牽引、機供進口BSP型25T客車。)”和”大豬“(DC600制式,其機供口為大紅色,多用于牽引、機供國產25T和25G客車。



2、電力機車供電


主要有SS7C、SS7D、SS7E、SS8、SS9以及HX系列的HXD1D、2D、3C、3D等。供電制式均為DC600V。具體可參見本公眾號之前文章最完整的韶山型系列電力機車》和《HXD1/2/3系列大功率電力機車》。


客車采用機車直供DC600V供電系統,能夠取消發電車,增加1節客車,減少燃油和噪聲污染,既符合能源政策,實現節能減排,又能增加運能,具有明顯的社會效益和經濟效益。

由于我國鐵路系統點長線多且存在不少跨多區段的旅客旅客列車,短時間內不可能實現全線電氣化,所以目前普速旅客列車的供電方式是空調發電車供電和機車供電并存,供電制式AC380V/DC600V并存的局面。如近期招標還有不少AC380V制式25G型車。



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