HXD2型电力机车运用与管理.docx

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HXD2型电力机车运用与管理

题目：

和谐D2型电力机车运用与管理

专业：

电器工程及其自动化（电力机车）

学号：

XXXXXXX

姓名：

XXXX

指导教师：

XXXX

学习中心：

直属学习中心

XX交通大学

远程与继续教育学院

2020年6月3日

院系XX交通大学网络教育学院电气工程系专业电气工程及其自动化（电力机车）

年级2018级1班学号XXXXX姓名XXXX

学习中心直属学习中心指导教师XXX

题目和谐D2型电力机车运用与管理

指导教师

评语

是否同意答辩过程分（满分20）

指导教师（签章）

评阅人

评语

评阅人（签章）

成绩

答辩组组长（签章）

年月日

毕业论文任务书

班级2018级1班学生姓名XXX学号XXXX

开题日期：

2020年2月28日完成日期：

2020年6月2日

题目和谐D2型电力机车运用与管理

1、本论文的目的、意义了解和谐D2型机车的运用与管理，在线路上充分发挥和谐D2型电力机车的使用，并加深自己在和谐D2型电力机车的知识储备，了解和谐D2型机车的实际运用，理论与实践是我的主题，在工作与生活中探索它的价值，牢记它的思路与原理，同时加深了我对电空制动机的知识范围的认识，也使我养成了独立思考能力。

1、学生应完成的任务系统的学习和谐D2型电力机车的运用和管理。

2、论文各部分内容及时间分配：

（共5周）

第一部分选题（1周）

第二部分收集资料（1周）

第三部分填写论文（1周）

第四部分论文检查（1周）

第五部分提交论文（1周）

评阅或答辩（周）

3、参考文献

1温中建蔡海翔.HXD2型大功率交流传动电力机车网络控制系统[J].电力机车与城轨车辆,2011.

2 张大勇张黎陆阳.和谐型8轴9600kW电力机车牵引传动系统技术特点分析[J].铁道机车车辆,2008

3李海新彭冬良.基于DTECS网络控制平台的城轨车辆门控软件设计[J].电力机车与城轨车辆,2011

4张曙光.HXD2型电力机车-和谐型大功率交流传动机车技术丛书[J].中国铁道出版社，2009.7

5铁道部运输局机务部组织编写.HXD2型电力机车.[J].中国铁道出版社，2012.12

备注

指导教师：

年月日

审批人：

年月日

诚信承诺

一、本设计是本人独立完成；

二、本设计没有任何抄袭行为；

三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消

本人答辩（评阅）资格。

　　　　　　　　　　　　　承诺人（钢笔填写）：

　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日

摘要

HXD2（和谐电2）型电力机车为八轴10000千瓦交流传动货运机车，由中国北车集团大同电力机车有限责任公司与法国阿尔斯通交通股份公司在阿尔斯通公司的PRIMABB43700型电力机车的基础上联合开发。

机车采用微机网络控制，标准化、模块化设计，具有恒功范围宽、轴功率大、粘着特性好、功率因数高、谐波干扰小、维护率和全寿命运营成本低、适用范围广等优点，是中国铁路装备技术现代化的重要标志产品之一。

HXD2型电力机车具备强大的功率及牵引力，可单机牵引7000吨重载列车；机车具备多机无线重联远程同步控制功能，三机重联满足20000吨以上重载列车的牵引要求。

机车按25吨轴重设计，去掉车内配重可实现23吨轴重。

机车在-40℃环境条件下可正常存放，采取加温和防寒措施后可正常运用。

关键词：

电力机车大功率交流机车重载列车

第一章绪论

1.1概述

交流传动八轴9600kW货运电力机车（以下简称新HXD2型机车）的总体技术基于同车公司HXD2型机车，采用了大功率异步牵引电机、牵引变压器、单轴控制、IGBT元件组成的水冷变流器、微机网络控制系统、电子控制的制动系统、独立通风冷却等技术。

新HXD2型机车单轴功率1200kW，最高运用速度120km/h。

机车在海拔不超过2500m，最大相对湿度95%，环境温度（遮荫处）在-25℃至+40℃可正常运行，采取加温和防寒措施后可在-40℃的环境条件下能够按照机车额定功率正常工作，车外橡胶件及阀在-50℃环境下可正常使用。

新HXD2型机车采用B0-B0+B0-B0配置，机车由双节机车（A节、B节）联挂组成，两节机车（A节、B节）的结构基本相同，每节机车具有单端司机室，两节机车（A节、B节）的两个司机室通过中间走廊以及两节机车连挂处的橡胶风挡、渡板相贯通。

机车采用“交－直－交”电传动方式，25kV/50Hz的电压制式，单轴控制，电压型牵引变流器和三相交流异步牵引电动机。

新HXD2型机车是由中国HXD2型系列机车发展而成，机车上采用的主要部件是HXD2型系列机车的先进、成熟的技术和标准化和模块化部件。

新HXD2型机车主要包括以下几个子系统：

受电弓、真空主断路器、避雷器、高压隔离开关、高压电压互感器、高压电流互感器、主变压器、IGBT四象限整流逆变装置、交流异步电机等组成的主电路系统；辅助变流装置、辅助电机等构成的辅助电路系统；机车内部的各电子控制装置或系统，机车微机网络控制系统采用TCN网；制动系统增加气动重联等功能；机车安装车载安全防护系统（6A），增加行人光闪警示功能；贯穿在各子系统内的独立通风冷却系统；高强度车体；高粘着、低动力作用转向架、压车铁等其它附属装置。

在机车的标准配置中，单节机车整备重量为100t，对应轴重为25t。

1.2技术特点

新HXD2型按照交流传动9600kW八轴货运电力机车技术规范进行了改进设计，其总的技术特点表现在以下几个方面：

1.机车轴重为25t。

2.机车工作的环境温度-40°C～+40°C之间。

3.机车总体设计采用模块化设计技术，大部分部件基于HXD2型系列机车平台设计，其先进性、成熟性、通用性和可靠性得以充分的体现。

4.机车采用宽大于700mm的中间走廊，增加了所有设备的易接近性；机车采用整体独立通风系统，防止机械间设备污染，保证了司机室的清洁。

5.机车实行独立轴控方式，包括四象限整流控制、逆变控制、防空转/防滑控制和安全保护控制。

6.机车变流技术采用了先进的IGBT元件，使机车单轴功率可达到1200kW。

机车总功率达到9600kW。

变流模块采用易拆卸技术，这些模块还带有定位针，防止不同模块的错插。

7.两组相同的辅助静止变流器为机车提供辅助电源。

通常一个变流器提供380V、50Hz频率的电源，而另一个提供变频电源。

在降级运行模式工况下，每个变流器都能为全部辅助设备供电。

8.按照用户要求配置机车信号设备及无线列调设备。

9.整体承载式焊接车体结构，无横梁框架式波纹板侧墙，有中梁并与台架合成统一的底架；可以承受纵向压缩3600kN和拉伸2500kN的高强度；在-40℃低温下具有良好冲击韧性值的特殊原材料，使机车的适用范围更广。

10.采用B0-B0转向架、分体轮对，机车装有轴承故障监测装置，保证了机车运行的很高的粘着利用，高的安全性和舒适性。

11.司机室设计满足规范化司机的设计要求，机车采用双座椅，满足单司机操纵要求。

12.高度重视防火性能，要求机车在设计、制造以及原材料、部件防烟火特性等方面严格遵循国际相关标准的规定。

13.机车配备卫生间、空调、热水壶、取暖设备等生活设施，保障了司乘人员的生活需求。

1.3机车主要技术参数

一、主要技术参数

总体参数

轨距1435mm

轴式2（B0-B0）

机车速度120km/h

轴重25t

尺寸限界

车钩中心线距轨面高度为（新轮）880±10mm

受电弓降弓状态时滑板距轨面高度（新轮）≤4800mm

在牵引时，受电弓滑板距轨面工作高度5200～6500mm

齿轮箱最低点距轨面高度不小于（新轮）120mm

转向架扫石器距轨面高度（可调）30mm

主要结构参数

机车前后车钩中心距（单节机车）19075mm

机车车体宽度2856mm

机车最大宽度（车体外附属设备处于工作状态）3285mm

机车车顶距轨面高度3874mm

机车转向架中心距10060mm

机车转向架固定轴距2600mm

主要控制参数

电压制式（允许在17.5kV～31kV范围内波动）AC25kV/50Hz

在22.5kV到29kV网压下，机车轮周功率为9600kW

网压从22.5kV到19kV，轮周功率从9600kW线性减小，

网压在19kV时，机车轮周功率为8064kW

网压从19kV到17.5kV，轮周功率从8064kW线性下降到0

网压从29kV到31kV，轮周功率从9600kW线性下降到0。

在网压波动范围内，辅助功率一直有效。

车轮周牵引功率（持续制）9600kW

车轮周电制动功率（持续制）9600kW

机车起动牵引力≥760kN

机车速度

恒功时最低速度62.4km/h

最高运行速度120km/h

最高试验速度132km/h

机车持续制牵引力≥554kN

机车最大再生制动力≥510kN

恒功率速度范围：

牵引工况时速度为62.4～120km/h；再生制动工况时速度为67.8～120km/h

最大再生制动力从10km/h～0km/h线性下降至0。

机车功率因数≥0.98

机车电传动型式：

机车采用交-直-交电传动形式，电源侧采用四象限变流器，

电机侧采用变压变频式逆变器，向三相异步牵引电动机供电。

每个电机由各自的逆变器供电（轴控）。

机车总效率（机车在额定网压下，在牵引工况下发挥持续额定功率时）≥0.85

图1-1HXD2型电力机车外观图

第二章设备布置

2.1概述

新HXD2型机车的设备布置是按照标准化、模块化的设计理念，结合使用要求而完成的。

机车由双节机车（A节、B节）联挂组成，两节机车（A节、B节）的结构基本相同，每节机车具有单端司机室，两节机车（A节、B节）的两个司机室通过中间走廊以及两节机车连挂处的橡胶风挡、渡板相贯通。

从结构上分，机车设备布置大致可分为司机室设备布置、机械间设备布置、车顶设备布置、车下设备布置等部分。

机车设备布置如图2-1所示。

1-司机室设备布置；2-机械间设备布置；3-车顶设备布置；4-车下设备布置

图2-1HXD2型机车总体设备布置图

2.2车顶设备布置

两节机车（A节、B节）车顶设备布置分为第1顶盖设备布置、第2顶盖设备布置、第3顶盖设备布置。

两节机车（A节、B节）的第1顶盖设备布置、第2顶盖设备布置完全相同，A、B节机车顶盖设备布置的区别在于B节机车第3顶盖上安装有卫生间通风口。

两节机车（A节、B节）的车顶高压电路通过安装在第3顶盖上的高压连接器连接。

A节机车顶盖设备布置如图2-2所示。

1-第1顶盖设备布置；2-第2顶盖设备布置；3-第3顶盖设备布置

图2-2顶盖设备布置

2.2.1顶盖设备布置

第1顶盖上部安装的设备有：

受电弓、高压电压互感器、带有避雷器和扼流电抗器的主断路器组件、接地开关、受电弓支持绝缘子、母线支持绝缘子、母线、高压套管、压缩机排风口罩和风道组装等。

第1顶盖上部设备布置如图2-3所示。

第1顶盖下安装有机械间照明灯、受电弓升弓阀板及高压电压互感器罩、布线和管路等。

1-受电弓；2-高压电压互感器；3-避雷器；4-扼流电抗器；5-风道组装；6-母线支持绝缘子；7-接地开关；8-主断路器；9-压缩机风口；10-25kV套管

图2-3第1顶盖上部设备布置

第2顶盖上部安装的设备有：

高压隔离开关1个、母线支持绝缘子5个、母线3组、人孔盖（活动天窗）1组、人孔盖接地装置1组、透气网装配1组和空气过滤器2组等。

第2顶盖下部安装的设备有：

车内照明灯2组、登顶梯1组、人孔盖锁1个、布线和布管等。

第2顶盖设备布置如图2-4所示。

1-绝缘子；2-母线；3-高压隔离开关；4-人孔盖（活动天窗）；5-梯子；6-风道组装

图2-4第2顶盖设备布置

A节第3顶盖安装的设备有：

母线支持绝缘子、母线和高压连接器等。

B节第3顶盖安装的设备有：

母线支持绝缘子、母线、高压连接器、卫生间通风口等。

第3顶盖（A节）设备布置如图2-5所示。

1-绝缘子；2-母线；3-高压连接器

图2-5第3顶盖设备布置（A节）

2.3司机室设备布置

新HXD2型机车司机室设备主要包括司机室端部设备布置，司机室侧面设备布置，司机室顶部设备布置，司机室内部设备布置，司机室内侧墙设备布置，司机室内前部设备布置，司机室顶棚设备布置，司机室后墙设备布置。

司机室整体效果如图2-6所示。

图2-6HXD2型机车司机室整体效果图

2.3.1司机室操纵台

操纵台作为电力机车人机交互的主要部件，司机通过操纵台各个控制电器件，向机车控制系统发出指令；同时通过仪表、显示屏来反馈和显示机车各部分的运行状态，以实现控制机车的牵引、制动等的功能。

司机通过操纵台上的电钥匙开关，可以实现对整个机车电源启动及断开操作；通过控制扳键开关，可以对受电弓进行升降操作，对主断路器进行合分操作，对车外、车内及底架下的照明进行控制；通过操作主司机控制器，可以对机车进行运行、加速、减速等控制；通过操作相应按钮和开关，可以在运行过程中进行过分相操作；通过操作制动控制器和紧急按钮，可以进行机车制动及紧急制动操作。

在机车运行过程中，操纵台模块上的各种显示设备可以显示机车运行状态和线路状态。

通过制动显示屏和压力表，可以显示总风缸、均衡风缸、总风管、列车管、制动缸压力和列车充风流量的信息，以及故障诊断和报警信息；通过微机显示屏，可以显示机车运行时各部件的运转状态，以及机车牵引信息；通过监控显示屏，可以显示机车运行的当前及前方线路状况和运行实时速度。

机车操纵台设计采用双司机值乘方案，主要的显示设备和控制设备，均布置在主司机一侧；需要经常观测和操作的设备，都在主司机最佳视线及操作范围内；仅有一个高音风笛布置在副司机一侧。

操纵台分为上下两部分，上面操纵台部分安装显示设备及主要的控制设备；下部箱体分为左、中、右三个柜体，安装制动管路系统、控制I/O模块和刮雨器控制模块等设备；主副司机脚踏区域下面均安装脚炉，主司机脚踏区域安装撒沙脚踏开关、无人警惕开关和低音风笛脚踏开关。

司机操纵台设备布置如图2-7所示。

1-高音风笛、无人警惕按钮、后视镜阀；2-制动控制器；3-制动显示屏；4-6A显示屏；5-自动换端、停放制动、停放缓解按钮；6-监控显示屏；7-盹睡摄像头、扳键开关组；8-微机屏；9-司机控制器、定速按钮、手动过分相按钮；10-路况摄像头；11-多功能模块；12-CIR操作终端、高音风笛按钮、电笛按钮；13-高音风笛按钮；14-右柜内安装：

刮雨器模块、高低音电磁阀、温度传感器；15-安装脚炉、膝炉、接触器；16-中柜内安装：

I/O模块、加热片、高压端子排；17-中柜面板组装上安装：

空调、刮雨器控制板、转换开关、打印机、扬声器、220V插座；18-安装脚踏开关、脚炉、膝炉、端子排；19-左柜面板上安装重联电话、车载通话器；柜内安装制动指令转换器、制动管路、对外连接器。

图2-7操纵台设备布置简图

2.4机械间设备布置

机械间采用中间走廊，走廊的宽度大约700mm，设备组件均安装在中央走廊的两侧，采用斜对称均衡布置。

两节机车（A节、B节机车）机械间设备布置基本相同，不同之处在于：

在A节机车机械间布置有生活设备柜，B节机车相同位置布置有卫生间；机车机械间布置如图2-8所示。

1-微机柜；2-6A柜；3-主变流柜（2组）；4-复合冷却塔（2组）；5-无线电台柜；6-通用柜；7-安全设备柜；8-端部通风（2组）；9-生活设备柜（A节）/卫生间（B节）；10-工具柜（2组）；11-辅助变流柜；12-制动柜；13-风源系统（压缩机+干燥器+风源柜）；14-侧墙过滤器（2组）

图2-8机车机械间设备布置

2.4.1微机柜

微机控制柜主要包括TCMS、24V电源、12V电源和110V负载保护电路。

TCMS主要包括中央控制单元MPU、远程控制单元、TCN网关单元。

TCMS主要功能是实现机车特性控制、逻辑控制、故障监视和诊断，并将有关信息送到司机操纵台上的微机显示屏。

110V负载保护电路主要是对110V负载进行故障保护和相应得逻辑控制。

微机控制柜主要设备为连接器、网关、MPU、RIOM2、温控器、热风机、加热板、行灯插座、开关按钮、110V电压表、110V断路器、端子排、中间继电器、接触器、24V电源、12V电源。

中间继电器面板安装了涉及各个控制环节的继电器，这些继电器均采用快插拔技术，方便维修。

微机柜的总体外形和内部设备布置如图2-9所示。

图2-9微机柜外形和内设备布置图

2.4.2安全设备柜与无线电台柜

安全设备柜安装在机车机械间内，主要承担了整车行车安全的监控和机车信号的接收和传递等功能。

安全设备柜集中布置了第三方设备，并且预留了事故状态记录器及预留设备电源滤波器等设备的安装空间。

无线电台柜上部装有电源能耗记录仪和自动过分相信号处理器，信号处理器用于处理车感器接收到的地面感应器信号，完成机车的自动过分相操作；中下部侧壁挂装有一台限鸣控制器，该控制器内部装有3个电源模块和1个电笛功放模块，完成将机车车载DC110V电源转换为DC24V电源，控制DC24V电源的开通和关断以供给辅照灯闪烁电源，为机车电笛供给功率驱动信号三个主要功能；最下层装有空调控制箱；另外，在电台柜中部预留有无限重联装置的安装空间。

2.5车下设备布置

HXD2型机车车下布置的设备有2组转向架、1组主变压器、3组蓄电池柜、2组380V插座箱、4组底架照明灯等，如图2-10所示。

每节机车有三个蓄电池柜，蓄电池柜一、蓄电池柜二和蓄电池柜三串联起来为机车提供稳定的110V直流电源。

1-蓄电池柜三；2-主变压器；3-蓄电池柜二；4-转向架；5-蓄电池柜一

图2-10车下设备布置

2.5.1蓄电池柜一

蓄电池柜一分为两部分，如图2-11所示。

左边部分装有蓄电池组一及110V行灯插座，蓄电池组一是由8节DM-170阀控式密封铅酸蓄电池串连而成。

110V行灯插座为车下提供稳定的110V直流电源。

右边部分装有蓄电池控制单元的隔离开关、熔断器、电阻、自动开关等。

隔离开关和160A熔断器是对与充电机相连的充电回路及蓄电池供电回路起隔离及电流保护作用的；110V插座是实现库内充电功能，而与之相接的50A熔断器则对线路起保护作用；电阻、自动开关构成了接地保护电路。

图2-11蓄电池柜一

2.5.2蓄电池柜二

蓄电池柜二主要由蓄电池组二、温度传感器（ST-BA）和110V行灯插座组成。

蓄电池组二由20节蓄电池组成。

温度传感器紧贴蓄电池安装，这样就可以准确的检测到蓄电池的温度，并把数据传输到辅助控制单元，有效的控制充电电流，达到保护蓄电池的目的。

具体结构如图2-12所示。

图2-12蓄电池柜二

2.5.3蓄电池柜三

蓄电池柜三由蓄电池组三与柜体组成，蓄电池组三由20节蓄电池组成，具体结构如图2-13所示。

图2-13蓄电池柜三

第三章主电路

3.1主电路概述

交流传动八轴电力机车主电路电气系统主要由网侧电路、四象限整流电路、中间直流电路、牵引逆变电路、库内动车电路等相关电路组成。

网侧电路，由1台受电弓，1台高压隔离开关，1个高压电压互感器，1台主断路器，1台高压接地开关，1台避雷器，1个高压电流互感器，主变压器原边绕组，1个接地侧电流互感器和4个回流装置，以及1台高压连接器组成。

接触网电流通过受电弓进入机车，经主断路器，通过高压电流互感器进入车内，经25kV高压电缆与主变压器原边A1端子相连，经过主变压器原边，从A0端子流出，通过低压电流互感器和4个并联的回流装置，从轮对回流至钢轨。

接触网电压通过受电弓进入机车，通过高压电压互感器将网压提供给牵引变流柜、司机操纵台上的网压表和机车电度表。

接触网电压通过受电弓进入机车，经过主断路器、高压隔离开关和高压连接器送至另一节机车，若其中一节机车高压电路出现故障，可通过断开故障节机车上的高压隔离开关来实现隔离。

图3-1主电路图

3.2四象限整流电路

四象限整流电路，每节机车采用两组主变流柜，分别由主变压器的牵引绕组供电，主变流柜再分别给四个牵引电动机供电。

每组主变流柜包含2组牵引变流器，每组牵引变流器由独立的整流单元、直流电路和逆变单元构成，具体包括接触器、输入电流互感器、充电电阻、四象限整流器、中间电路、电机逆变器、输出电流互感器等组成。

每节机车4组牵引变流器的主电路和控制电路相对独立，分别为4个牵引电动机提供交流变频电源。

当其中一组或几组发生故障时，可通过微机显示屏，利用触摸开关将故障单元切除，剩余单元仍可继续工作,实现整车的冗余控制。

以机车第一组牵引变流器整流电路为例，来说明电路的工作原理：

如图所示，C（PC）PMFC开关支路为预充电电路，用以防止接触器C（IS）PMCF合闸时的电流冲击。

当接触器C（PC）PMFC闭合时，中间电压为零时，主变压器的牵引绕组通过充电电阻向四象限整流器供电，给中间直流回路支撑电容充电，当中间直流电压达到一定电压时，延时一段时间工作接触器C（IS）PMCF闭合，同时切除接触器C（PC）PMFC，完成中间电路预充电，随后牵引绕组继续向中间直流回路支撑电容充电，直至1800V，牵引变流器起动充电过程完成，逆变器可以投入工作。

机车再生制动时，逆变器工作在整流状态，四象限整流器工作在逆变状态，并通过中间直流回路向主变压器牵引绕组馈电，将再生能量回馈至接触网。

图3-2四象限整流电路图

3.3中间直流电路

中间直流电路位于网侧四象限整流器与电机逆变器之间。

机车牵引电机逆变器采用的是电压型逆变器，为了稳定中间回路电压，并联了大容量的支撑电容，同时它还对四象限脉冲整流器和逆变器产生的高次谐波电流进行滤波。

中间直流电路主要由中间电压支撑电容、瞬时过电压限制电路、二次谐波滤波器、主接地保护电路和中间电压检测电路组成。

瞬时过电压限制电路由IGBT、二极管及限流电阻组成。

当检测中间回路过压时，IGBT导通，将滤波电容强制放电，降低中间回路电压。

主接地保护电路由三个电阻和一个电压传感器构成。

通过检测接地检测电阻的电压值来判