DC600V空调客车供电系统常见故障处理.docx

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DC600V空调客车供电系统常见故障处理

西安铁路职业技术学校

毕业论文（设计）

题目：

DC600V空调客车供电系统常见故障的处理

系别：

机电工程

专业：

铁道车辆

学号：

1230461

姓名：

张攀

指导教师：

王秋鹏

2015年5月18日

DC600V空调客车供电系统常见故障的处理

摘要：

随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，旅客对列车速度和舒适度的要求也越来越高。

旅客列车加装空调、电开水炉等用电设备后，列车用电量增大，随之而来的是供电设备容量、质量的加大。

近年来，虽然采用了国外引进的轻型发电机组，但发电车的轴重仍然不能完全满足提速列车轴重的要求。

因此，解决问题的惟一办法是取消发电车，加速发展电网供电列车。

1997年10月，铁道部下达了1998年将在SS8型电力机车、25K型空调客车的基础上，进行由电力机车供电的一列列车样车设计、试制、试验及运用考核的任务。

为此，四方车辆研究所于1997年l1月开始对国内外列车供电技术状况进行分析、研究，最终确认DC600V集中供电、分散变流列车供电系统仅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。

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。

该列车于1998年10月1日正式投入运用，担当武昌至北京间K79／8O次旅客运输任务，列车投入运用后供电系统性能良好。

首列DC600V机车供电系统具有以下优点：

（1）机车采用整流方式提供DC600V电源，技术成熟，可靠性高。

（2）采用2路DC600V供电方式，具有一定的冗余。

一路电源故障时，另一路仍可向客车供电。

（3）各车厢变流器放在车下（指单层客车），不占用车上空间，不会减少定员。

不挂发电车，可以多挂一辆客车，增加客运收入。

（4）各车厢独立性强，列车编组灵活。

（5）DC110V全列贯通，各车厢IX；l1Ov供电系统互补性强，可靠性高。

（6）供电系统具有集中控制功能，操作简单。

可以实现DC600V／AC380V兼容供电。

（7）供电装置部件立足国内技术，有利于民族工业的发展和降低成本，有利于推广运用为探讨、积累内燃机车列车供电技术的经验，1998年开始研制二动九拖内燃动车组时决定采用DC600v列车供电系统。

该内燃动车组于1999年1O月正式投入运用，担当上海至南京等地间的旅客运输任务。

目前，DC600V供电系统已在电力、内燃动车组及武昌至北京间第2列K79／80次列车上推广运用。

关键字：

DC600V；供电系统；故障；方法

（一）供电系统综述

我国机车供电空调列车采用DC600V集中供电、分散变流供电方式。

集中供电，即机车提供DC600V等级的列车供电母线电压，列车设2路互相独立的DC600V供电干线。

对于SS8。

机车供电列车，客车2路DC600V电源由SS8机车提供；对于动车组，拖车的2路DC600V电源分别由2个动车提供。

分散变流供电，即各车厢上的变流器将DC600V电压逆变成三相380V、单相220V交流电源后向车厢用电设备供电。

为保证控制及照明不间断，各车厢设DCll0V电源，列车设Dcl1Ov供电干线。

由机（动）车司机台上带电触点的供电钥匙、列车集控线与供电设备间构成供电集控电路，只需司机操作供电钥匙就可自动启动或停止各车厢的供电设备。

机（动）车设主电路接地保护电路，各车厢设漏电检测，某一车厢发生接地故障，引起机车供电中断后，只需司机将供电钥匙复位后重新转入供电位，接地故障车可立即切除，列车恢复供电。

1.机（动）车供电装置

1．1SS8电力机车供电装置

1．1．1供电参数

供电电压：

DC600（1±0．05）V；供电功率：

2×400kW；供电电压纹波系数：

小于5%。

1．1．2I作原理

电网通过电力机车向空调旅客列车供电。

Ss8机车主变压器增加2个列车供电绕组，将受电弓接收的25kv单相交流高压电降压；采用2套独立工作的单相半控整流装置将单相交流电整流成2路直流电，分向列车供电。

主电路原理图见图1。

供电绕组a—x、aa—xa从主变压器抽头输出，每绕组输出额定电压870V、电流600A，功率522kW。

交流真空接触器KM630KM31是供电装置工作总开关；同步变压器T5、T6提供整流用同步移相电压信号及整流器投入或停止的电压提示信号。

整流器V3，、V4。

为单相半控桥式整流，额定输出电压600V、电流670A，容量400kW。

滤波电抗L5、L6分别与电容C29C30。

构成滤波电路，电抗值为9mH，电容值为10400，滤波后输出电流脉动率小于3o%；R71R72分别为电容C29C30的放电电阻，接触器KM30、KM31断开后，电容端电压由600V降至50V需要30s。

电阻R67、R68分别与电容C31、C32。

组成过压保护电路；TA7、TA8分别与KC11KC构成交流侧过流保护装置，过流整定值为1000（1土0．1）A；电流互感器SC9、SC10。

及电压互感器SV5.SV6构成直流侧恒压限流控制及过流保护控制。

主电路的接地采用传统的有源保护电路，接地继电器与机车蓄电池串联后与直流输出干线的负线相连。

为保证DC600V／AC380V兼容的安全性，机车加装供电集控器。

司机台上设有供电钥匙，由司机转换该钥匙来控制交流真空接触器的闭合与分断。

主司机台上显示屏中“列车供电I”、“列车供电II”、“供电接地I”、“供电接地II”、“供电输出”是列车供电时工作和故障状态显示。

副司机台左侧电流电压表分别显示2路供电输出的电流值、电压值。

供电输出插座KC20D位于机车两端。

电力动车组动力车供电装置主电路除容量外均与SS机车相同，不再重复。

1．2内燃动车供电装置

1．2．1供电参数

KC20D供电电压：

DC600（1土0．05）V；供电功率：

400kW；供电电压纹渡系数：

小于5%。

1．2．2工作原理

内燃动车主发电机与供电（辅）发电机制成一体，主发电机与供电发电机同轴串联布置。

主发电机输出整流后电力供给牵引电动机，供电发电机输出整流后电力供拖（客）车用电。

供电主电路主要由一台供电发电机和给其励磁的感应子发电机、整流装置、恒压励磁调节器、用于接通或切断向拖（客）车供电的供电接触器、供电连接器和一些保护电路组成。

主电路原理图见图2。

恒压励磁调节器取整流输出电压作为反馈信号。

调节与供电发电机配套的感应子励磁机的励磁，控制供电发电机恒压输出{通过直流侧电流（EXP）、电压（SCM）互感器检侧信号实现输出过流、过压保护功

能。

供电发电机输出侧电流互感器LH、整流装置ZL和过流继电器LJ组成过流保护装置。

主电路的接地采用传统的无源保护电路，接地继电器通过整流电路与供电发电机中性点相接。

司机台上设2把供电钥匙，分别控制前后动车的供电，由司机转换该钥匙来控制供电励磁机威磁接触器LLC及供电接触器GC的闭合与分断。

主司机台上显示屏中“供电I”、“供电Ⅱ”、“供电I故障”、“供电Ⅱ故障”是列车供电时工作和故障状态显示。

电流表、电压表分别显示供电辖出的电流值和电压值。

供电输出插座KC20D位于动车后端。

2.客车供电装置

客车供电装置由车端连接器、列车供电干线、配电柜、变流器、蓄电池组、充电器、空调控制柜、照明控制柜等部件组成供电系统主电路工作原理图见图3。

机（动）车提供的2路DC600V电源通过车端连接器引入配电柜，配电柜将其中一路输入变流器及充电器变流器将DC600V变换成三相380V、50Hz交流电，通过配电柜向电开水炉、温水箱、废排风机等用电负载供电，并通过空调控制柜向空调机组供电。

充电器将600V直流电变换成1i0V直流电，向蓄电池充电的同时通过照明控制柜向车内照明及供电装置控制系统等负载供电每辆车设蓄电池组，蓄电池组与ii0V干线间采用二极管隔离。

车内采用日光灯照明，照明变换器将ii0V直流电变换成220V交流电。

空调控制柜、变流器、充电器的控制电源均受配电柜控制。

配电柜控制电源受机（动）车控制。

2．1连接器

车端连接DC600V采用KC20D型电力连接器，外形及安装尺寸与KC20A型电力连接器相同，4对接触对的容量相同，2对作为DC600V正线连接，2对作为DC600V负线连接。

DC600V采用SL21型电力连接器，2对接触对的容量相同，1对作为DCI10V正线连接，1对作为DC600V负线连接。

集控线通过集控连接器中2对～4对接触对相连（二动动车组需4对）。

2．2配电柜

配电柜设有DC600VI路、I路供电选择电路，可以方便地选择其中一路向变流器、充电器供电，设有多路380V、220V交流供电电路，将变流器输出的交流电分别向温水箱、电开水炉、客室电加热器、废排风机及其他负载供电。

配电柜内设有本车漏电检测，检测本车DC600V供电线路及三相交流负载的对地绝缘电阻，当对地绝缘阻值小于24（i土0．15）kI3时，漏电检测输出继电器不闭合，DC600V供电接触器不吸合，DC600V停止向本车厢供电。

2．3变流器

变流器将直流600V变换成三相380V、50I-k交流电，以满足车辆设备用电需要。

变换器采用电压型桥式逆变电路，其功率开关器件为IGBT元件；控制电路采用微机控制，具有贯穿短路、过压、欠压、过流、散热器过热等保护功能以及IGBT元件故障和电子控制故障检测功能为解决散热及防雨雪、防风、防脏物、防飞石碰撞问题，变流器采用整体密封、整体散热的箱体结构。

变换器具有延时（15S）输出功能；列车过无电区时，变换器采用VVVF自动控制启动方式，电动机启动电流冲击小。

变换器具有承受负载冲击的能力，空调压缩机开停时，变换器不会发生停机后再启动现象。

主电路主要由直流600V隔离接触器K1、充电电阻R1、充电电阻短接接触器K8、快速熔断器FU1、电容C1、电压测量装置S、开关元件IGBT、吸收模块、交流侧隔离接触器k等组成。

双逆电源中2个变换器的主电路结构完全一致。

其中一台变换器的输出接一个单相变压器，将AC380V降为AC220V主电路原理图见图4。

为避免变换器工作在空载状态及冬季采暖工况时输出电压降低，由空调控制柜提供“系统工作信号”、电热信号”。

控制系统内部有故障诊断和记忆功能，检测到故障信号时自动将变换器切除。

双逆电源中2台变换器的控制相互独立，其中一台变换器有故障不能正常工作时，另一台变换器正常工作。

面板上有工作状态、故障状态指示灯。

2．4DCl10V供电装置

DCll0V供电装置有充电器、蓄电池组等部件组成。

2．4．1蓄电池组

采用78节中倍率碱性蓄电池（200km／h电力动车组采用籀国产镍镉免维护电池），额定电压93．6v；

容量为100Ah，额定充电电压为l15V。

最大允许充电电流为25A。

2．4，2充电器

充电器将600V直流电变换成l10V直流电，向蓄电池充电的同时向DC110V用电负载供电。

充电器采用高频DC-DC变换技术，其功率开关器件为IGBT元件；控制电路具有短路、过压、过流、散热器过热、蓄电池接反等保护措施。

主电路采用桥式电路，开关频率20kHz。

具有效率高、质量轻、体积小、避开了音频噪声区等优点。

为提高可靠性，采用冗余设计，即采用2台～3台模块并联运行方式各模块电路完垒独立，1台模块故障时，对其他模块工作不产生影响。

充电器具有限流恒压充电功能，符合蓄电池组充电特性要求（最大充电电流为25A）；具有蓄电池低压保护功能，当电池电压低于93．6V时，自动切断大电流负载。

电网供电中断后再恢复时，能够自动投入正常运行

2．5空调控制柜

空调控制柜与发电车供电列车用空调控制柜的控制功能大体相同。

其不同点为：

DC600V系统中空调

控制柜采用DC110V电源；增加了对变换器的控制信号线；1T2控制柜中380V交流电源分2路，分别由2台变流器供电。

2．6照明控制柜

照明控制柜将DCll0V用电负载实行分级控制车厢应急照明、供电设备控制用电、轴报及防滑用电由DC110V列车干线提供，客室照明等其他负载由本车蓄电池供电。

2．7照明变换器

照明变换器将DC110V电变换成AC220V电，供日光灯照明用电。

其技术要求除输入电压不同外，其他性能均与现用的DC48V／AC220V照明变换器相同。

（二）DC600V在铁路空调客车供电系统的应用

铁路空调客车供电系统是为车上电气负载和自动化装置提供电能的装置，有单独供电、集中供电和混合供电3种方式。

早期的客车供电方式简单，主要采用小功率轴驱式发电机和蓄电池并联供电方式。

目前我国非空涮客运列车仍采用这种供电方式。

为提高旅客的舒适度，现代铁路客车均安装了空调、冰箱、彩电信息显示屏等设备，平均每辆车所需的功率比早期增加了几倍甚至几十倍，不同电器的电压制式也不尽相同，相应地对列车供电系统提出了很多新的要求。

1.国外铁路空调客运列车供电系统的发展

   国外高速客运铁路发展的典型代表日本、法国、德国等发达国家列车供电系统已普遍采用静止变流器供电方式，该方式可靠性高、与列车网络融合、自动化程度高、维护操作简便。

比如德国ICE系列、法国TGV系列，意大利的ETR系列，西班牙AVE系列高速动车组及日木的新干线列车等均采用这种供电方式。

2.我国空调列车供电方式的发展

2．1发电车集中供电系统

   发电车相当于一个移动电站，通常发电车内配置有3台300kW柴油发电机组，主要机型为KTA19－G2型和MTU12V183TA12型，采用交流3相4线制，2路供电，电压AC400/230V,50Hz，车端设有KC20电力连接线，可从发电车任一端与列车联挂，主干线负载容量按20辆计算，不小于600kW。

发电车集巾供电的空调列车应用了柴油机发电技术：

车载单元空调制冷采暖技术；AC220V照明及应急电源技术：

集中轴温报警技术和GPS卫星地面遥感技术等。

虽然具有供停电灵活、方便，不受线路、天气及机车限制；供电故障率低，机组间相互干扰少等优点，但也存在发电车柴油发电机组噪声、废气污染问题等缺点。

还需要消耗大量的石油产品。

2．2空调客车DC600V供电系统

   DC600V旅客列车供电系统是铁路机车车辆T程中的重要系统，DC600V系统在吸取法国TGV、德国ICE、日本新干线以及欧洲多电压制列车供电系统特点的基础上，根据中国旅客列车的具体情况，进行了优化设计。

利用牵引网电能通过机车给旅客列车供电，以达到甩掉发电车，实现提高列车运输能力、节能、环保和列车运行高速化的目的。

（三）客车DC600V供电电源主电路的设计

目前，在电气化区段，列车供电系统，由装在机车（拖车）内的客车供电装置将接触网、受电弓送来的的25kV单相交流电，经降压整流，滤波成600V直流电压，提供DC600V电乐等级的列车供电母线。

各空调客车通过配电柜供电选择开关将其中一路600V直流送入空调逆变电源装置（简称逆变器）及直流110V电源装置（简称充电器），分别向空调、电开水炉、冰箱等三相交流电器负载、电视机等单相220V插座供电，并在给蓄电池充电的同时向照明、供电控制等直流负载供电。

由于现有的客车DC600V供电电源装置的主电路采用是晶闸管单相半控整流电路，功率因数低，输出电压经常在500～700V间振荡，电压波动不稳，极易导致客车上的逆变器、充电器发生保护停机或损坏。

1.客车DC600V供电电源主电路的设计思路

1．1技术参数要求

   根据客车用电的实际要求，客车DC600V供电电源应满足以下技术要求。

   电源装置的额定输出电压：

DC600V

   输出电压波动范围：

       ±10V

   额定输出功率：

        2×40HDkW

   额定输出电流：

         2×670A

   输出过载电流：

       2×≯750A

1．2设计思路

   现有的客车DC600V供电电源采用的是单相桥式晶闸管半控整流电路，使得网侧总功率因数波动范围为0．5～0．85，当接触网网压高网压时，网侧总功率因数低至0．5；网侧基波功率因数波动范围为0．65～1，高网压时低至0．65；而且输出电压经常在500～700V间振荡，电压波动不稳。

   在所有的单相整流电路中，二极管不控整流电路的的功率因数恒定为0．9，网侧基波功率因数接近1，相对较高，而且波纹系数小，整流电压为0．9Ud；所以，主电路采用二极管整流桥可有效提高客车DC600V供电电源n的功率因数。

装置的额定输入电压为交流860V，经过二极管整流后输出的直流电压为774V，高于客车所需要的600V，所以还需要降压环节。

    另外，该电源的输入电压会随着接触网的网压随时在波动，降压环节的降压比也应该随着变化，因此，采用IGBT斩波电路，通过斩波电路的开通占空比，调节输出电压稳定在600V左右，减小输出电压的波动。

所以，对主电路设计了“二极管整流+IGBT降压斩波”的技术方案。

2.客车DC600V供电电源主电路的设计

   该DC2600V供电电源的额定输出功率为2×400kW，由两组相同的电路构成，每组输出功率为400kW。

两组的电路结构都是一样的，包括预充电电路、二极管整流电路、斩波降压电路、放电电路、接地保护电路、控制单元（包括功率板、控制板、通讯板）、显示和计量电路等构成。

下面以其中一组电路为例说明如图1所示。

2．1预充电电路

   为了防止当控制单元获得DC110V电源，且外部供电申请信号有效时，直接闭合主接触器KM1，交流电源不经过整流电路而通过滤波整流电路造成短路现象，设置了预充电电路。

预充电电路输入侧通过输入端子与机车主变压器的单相860V电源相连。

由KM2、F0、D0及R0组成，当控制单元获得DC110V电源，且外部供电申请信号有效时，先闭合预充电电路的接触器KM2，给电容C1、C2充电，充电完成后闭合主接触器KM1。

 2）输入电压1075v时，额定负载时，开通占空比D=0．62，波形如图4所示。

   3）输入电压650V时，额定负载，斤通占空比D=1，波形如图5所示。

2．2主电路的PSIM仿真结果分析

   通过以上仿真波形可以看出，当输入电压在650～1075V之间不断变化，调节IGBT斩波电路的开通占空比在1～0．62之间，电路可以使输出电压在10ms内稳定在在590～610V之间，输出电压波动在预定的±10V范围内。

达到了预期的设计目标，能满足客车用电的需求。

（四）DC600V电气系统的常见故障与处理方法

由机车集中供电，供电电压为600V，分两路供电。

通过电气综合控制柜供电开关将其中一路600V直流电送入车下逆变电源装置（即逆变器）及110V电源装置（即充电器）；

逆变电源将600V直流电逆成三相AC380V、50Hz交流电，向空调装置和电炊设备等三相交流用电负载供电，隔离变压器输出三相AC380V向伴热系统、冰箱、微波炉等其他三相交流用电负载供电。

充电器将DC600V变换成DC110V，给蓄电池组充电的同时向照明、供电控制等负载供电。

采用I、II路双路供电，根据需要可手动或自动选择I路（II路）供电。

编组时原则上I路、II路负载应均衡，例如：

1、3、5…车由I路供电，2、4、6…车由II路供电；

电源经贯通全列车的输电干线有车底线槽引入车内铁路客车电气综合控制柜，经分配后供给车内各用电设备；

车内各用电设备金属外壳均就近接地。

同类负载间采用环线接线方式。

1.电气综合控制柜常见故障及处理方法

TKDG型铁路客车电气综合控制柜（以下简称综合控制柜）用于DC600V供电的客车，是集电源转换控制、空调机组控制、蓄电池欠压电保护、照明控制等功能单元于一体的智能型综合控制柜。

综合控制柜具有检测、控制、诊断保护、信息提示、联网通讯功能，实现供电及控制系统的综合控制，可进行车对车通信，并逐步实现车对地、地对车的计算机联网通讯。

综合控制柜实现了客车电气控制系统的小型化、智能化、集成化和系统化。

综合控制柜根据预设参数实现自动控制，减轻了操作人员的工作强度，避免由于人为误操作的事故，便于操作和维护。

综合控制柜对整车电气系统参数进行实时监测，出现故障时及时进行保护动作，避免了由于保护不及时而引起的严重后果。

综合控制柜可对轴温状态进行监视和显示。

综合控制柜充分考虑了整车各个电气功能部件的协调工作，整个电气系统工作更加安全可靠。

根据电气系统布线的有关规范和实际存在的问题，不同系统、不同电压等级、不同电流类别的导线尽量相互隔离，结构设计上尽量减少相互间电磁干扰。

综合控制柜的控制方案以自动为主，同时考虑控制系统故障的应急措施，包括极端情况下的手动应急措施。

综合控制柜主要具备六大部分功能：

1.电源转换控制功能；2.空调机组控制功能；3.蓄电池欠压保护功能；4.照明供电功能；5.轴温、车下电源箱状态监视功能；6.联网通讯功能。

2.常见主要故障及处理方法

故障1：

DC110V漏电故障

1.漏电报警检测装置安装在播音车照明控制柜内，当发生DC110V正线或负线接地，正常情况下漏电报警器会自动报警并显示正线或负线接地。

DC110V负线接地是常见故障，因全列DC110V负线是贯通的，排查该故障比较繁琐。

查故障时先确定漏电报警器好坏后，再往下查。

2.列车在库内一般采用分段排除法，先将播音车一位端39芯、DC110V连接器断开，逐步分批次查找漏电车。

再将播音车二位端39芯、DC110V连接器断开，逐步分批次查找漏电车。

确定漏电车后，分别断开蓄电池箱内的电池开关和在综合控制柜柜内的所有DC110V空开及KM4接触器负110V线包线，再把接线端子上负110V电线（车下引上线）断开，线头并包好后，再合上电池开关，用DC110V、15W白炽灯或万用表检查车下是否漏电。

3.若无漏电现象，再将综合控制柜柜内的接线端子上负110V电线及KM4接触器线包负110V线重新连接好，用DC110V、15W白炽灯或万用表检查车上是否漏电，若漏电，将端子排上所有负线分段分批逐步排查，直至查到故障线。

列车在运行时，漏电一般根据现场情况具体对待。

故障2：

综合控制柜柜内接线端子及连接电线烧损

一般情况下，直接更换烧损端子及连接电线。

该问题多发生在车辆运行初期，由于柜内电器元件较多，接线接口较多，易产生接线虚接现象，给车辆安全造成一定隐患。

所以，在库内要定期专人对柜内各端子接线出用红外线测温仪测温，查看有无超温现象。

以便提前发现问题，消除隐患。

故障3：

显示触摸屏显示英文或时显时不显，无法正常工作

一般发生该问题，主要可能是与显示触摸屏连接插线插头松动、插头内部电线虚焊或脱落造成。

将插头线插紧，打开插头将电线重新焊牢即可消除故障。

若没上述现象，显示英文可能是PLC程序丢失造成，应尽快联系厂家（四方所）处理。

不要盲目乱按显示触摸屏或自行拆卸显示触摸屏、PLC内部元气件。

故障4：

显示触摸屏报本车DC600V绝缘故障

1.一般发生该问题，主要是负载（逆变器、充电机、空调机、电热器、电茶炉等）漏电、本车DC600V连接线破损漏电、漏电值超100mA造成。

2.需进行一一逐步排查，消除隐患。

故障5：

显示触摸屏显示为黑屏故障

一般情况下，主要是综合控制柜柜内电源模块（输入DC110V、输出DC24V、DC12V）损坏造成。

车辆在运行中发生该问题，将电源模块输入DC110V正、负线拆除，线头分包