（电气工程专业论文）青藏客车电气系统的设计与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 青藏客车是我国乃至世界上首次在海拔高达5 0 0 0 米的高原上运营的铁路客 车。因此在设计和制作过程中，我们充分考虑了青藏铁路的特殊地理环境及其 恶劣的气候条件，为了使青藏客车能够在高原上安全运营，我们多次到高原对 列车上的电气设备和电气元件进行实地试验，选用了合格的电气设备和电气元 件。本论文是在南车四方机车车辆股份公司成功制造出我国第一列青藏客车的 基石 l 上，解决了该车在设计阶段和高原试验过程电气系统运行中出现的部分问 题。 ( 1 ) 论文介绍了青藏铁路的地理环境和气候条件，提出了在设计过程所需 要解决的实际问题及实现方法。 ( 2 ) 论文从实际情况出发对青藏客车进行了硬件方面的设计，分别对列车 的供电系统、控制系统、网络系统以及列车电气设备间的逻辑控制软件实现做 了详细的叙述，解决了空调和制氧机的之间联控问题。 ( 3 ) 根据在高原情况下青藏车上控制用电气元件的试验结果，选用了合适 的电气元件，应用在青藏客车上。考虑到列车运营的安全性和乘客乘车的舒适 性，对综合控制柜一逆变器一空调一制氧机之间的逻辑控制关系做了详尽的说 明，并且分别咀控制柜、制氧机为中心进行了相应的控制关系认证。 l 4 ) 通过对首列青藏客车整个电气系统在青藏铁路的试运营结果的总结， 得出高原状况下对不同电气元件的影响程度。 关键词：青藏客车、电气设备、逻辑控制、青藏铁路 话南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t m c t q i n g z a n gc o a c hi sat r a i nw h i c hi sf i r s tu s e di nq i n g z a n gp l a t e a u t h ea l t i t u d eo ft h ep l a t e a ue v e nm o u n t e da t5 0 0 0k m i t ss p e c i a lg e o g r a p h y e n v i o r o m e n ta n db a dc l i m a t ec o n d i t i o nh a sb e e nc o n s i d e r e dd u r i n gd e s i g n a n dm a n u f a c t u r e i no r d e rt om a k et h et r a i nr u 几s a f t l yo nt h ep l a t e a u ， m a n yt e s t sh a v eb e e nd o n ei nt h eq i n g z a n gp l a t e a ua b o u tt h ee l e c t r i c a l p a r t m e n t sa n de q u i p m e n t s ， t h eq u a l i f i e dp r o d u c t sh a v e b e e nc h o s e n m y p a p a rw a sw r i t t e na f t e rm ye x p e r i e n c ei nt h ed e s i g na n dt e s t si nt h e p l a t e a ua n dw a sb a s e do nt h ef i r s tq i n g z a n gt r a i nm a n u f a c t u r e d s u c c e s s f u l l yb yt h en a n c h es i f a n gl o c o m o t i v ea n dr o l l i n gs t o c kc o 盯【p a n y ( 1 ) t h eg e o g r a p h ye n v i o r o m e n ta n d b a dc l i m a t ec o n d i t i o no fq i n g z a n g r a i l w a yh a v eb e e ng i v e ni nt h i sp a p e r ， a n dp u tf o r t ht h eq u e s t i o n si n t h ep r a t i c a la p p l i c a t i o na n dt h es o l u t i o nm e t h o d sh a v eb e e ng i v e n ( 2 )h a r i 如a r ed e s i g na b o u tt h ee l e c t r y p r o v i d i n gs y s t e m st h e c o n t r 0 1s y s t e m sa n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r es p e e i f i e di nt h e p a p e r a n dm a k ead e t a i l e dd i s c u s s i o na b o u tt h et h e1 0 9 i c a lc o n t r o l s o f t _ i 】r a r eu s e di nt h ee l e c t r i c a le q u i p m e n to ft r a i n ，e s c p e c i a l l yi nt h e a s s o c i a t ec o n t r 0 1a b o u ta i r c o n d i t i o n8 n do x y g e np r o v i d i n gm a c h jn p ( 3 ) a c c o r d i n gt h et e s tc o n c l u s i o no fe l e c t r i c a lp a i t m e n t su s e di n t h et r a i n ，p r o p e rp r o d u c t sa r ec h o s e ni nt h ed i s i g na n da p p l i e di nt h e q i n g z a n gt r a i n c o n s i d e r e da b o u tt h er u n n i n gs a f e t yo ft r a i na n dr i d e c o m f o r ti n d e x ，ig i v e st h ed e t a i l e d1 0 9 i c a lc o n t r 0 1b e t w e e nt h er e l a t i o n o f s y n t h e t i cc o n t r o lc a s e c o n v e r t e r a i r c o n d i t i o n o x y g e np r o v i d i n g m a c h i n e a n dt n a i n l yd e m o s t r a t et h ec o n t r 0 1r e l a t i o nb e t w e e na i r c o n d i t i o n a n do x y g e n ( 4 ) i m p r o v e m e n ti sp r o v i d e da f t e rt h es u m m a r i z eo ff i r s tq i n g z a n g t r a i n st r i a lr u n n i n gc o n c l u s i o n k e y w o r d ：q i n g z a n gc o a c h ：e l e c t r i c a le q u i p m e n t ：c o n t r 0 1 r e l a t i o n ：q i n g z a n gr a i l w a y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 青藏铁路的特殊地理环境 青藏铁路是我国实施茵部大开发战略的标志性工程，东起青海省省会西宁， 西至西藏自治区首府拉萨，全长1 9 5 6 公里。其中，西宁至格尔木段8 1 4 公里已 于1 9 7 9 年铺通，1 9 8 4 年投入运营。青黻铁路格尔木至拉萨段，北起青海省格尔 木市，经纳赤台、五道粱、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山，再经西藏自治区 安多、那曲、当雄、羊八井，至拉萨，全长1 1 4 2 公里，其中新建线路1 1 1 0 公 里，于2 0 0 1 年6 月2 9 日正式开工。 青藏铁路是当今世界海拔最高、线路最长的高原铁路，格尔木至拉萨段沿 途经过海拔4 0 0 0 米以上的地段有9 6 0 公里，翻越唐古拉山的铁路最高点海拔 5 0 7 2 米。沿线地质条件复杂，经过多年连续冻土地段5 5 0 公里。根据设计，青 藏铁路施工总工期为6 年，设计输送能力为客车8 对，单向货流密度5 0 0 万吨。 青藏铁路目前己完成投资6 5 亿元，至去年底完成铺轨1 2 1 公里，胜利抵达 昆仑山。2 0 0 3 年是青藏铁路建设全面攻坚年，建设队伍将在全线海拔最高、自 然条件最差、气候恶劣的无人区，全面展开5 5 0 公里冻土区段工程施工。全年 计划完成投资5 6 亿元，正线铺轨1 9 0 公里，架梁6 3 4 孔。已经与去年全线完工。 1 2 青藏铁路特殊的气候蔡件及对旅客列车的影响和要求 1 2 1 青藏铁路特殊的气候条件 青臧铁路跨越青海和西藏两省区，线路通过地区深居大陆内部，远离海洋， 绝大部分地区为高原腹地，具有独特的冰缘干旱气候特征。区内寒冷干早，气 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 候多变，四季不明，与我国东北多年动土区相t b ，具有气候年差较小，日差较 大的特点。 青藏铁路通过的地区海拔高与4 0 0 0 米的地段长达9 6 0 k m ，最高的唐古拉山 垭口，海拔高度为5 0 7 2 米。海拔高于4 0 0 0 米以上的地区，空气稀薄，气压较 低，历年平均气压为4 6 3 m m h g ，为海平面的6 0 7 0 。空气中含氧量少，比 海平面减少3 8 9 分一4 6 。沿线气候条件恶劣，仅多年冻土区段就长达5 5 0 k m 。 其经过的地区，气候寒冷，年平均气温2 一6 ，最高气温2 5 一2 6 ， 最低气温3 5 一4 5 ，日平均气温低于o 的时间为2 3 5 3 3 0 天。风沙大，年 平均大风日1 1 5 一n 6 天。平均雷暴日数6 8 8 2 天。且为紫外线高辐射区。 总之，青藏铁路与我国其它地区的铁路的地理及气候条件相比较有以下特 点：1 、气压低、缺氧；2 、寒冷、日温差大；3 、多风、干燥：4 、紫外线辐射 强烈；5 、霄暴日多。 1 2 2 特殊气候条件对旅客列车的影响和要求 a 1 低气压、低氧 青藏铁路格拉段海拔高与4 0 0 0 米的路段长达9 6 5 k m ，占全长的8 5 。而 海拔高于3 0 0 0 米以上的地区的低气压、低氧会给人的健康带来很大的影响，常 有高原病发生。为此，对客车主要有以下的要求： ( 1 ) 车内设置供氧设备和提供缓解高原反应的药物。在高原海拔高于3 0 0 0 米 以上的地区，由于空气的氧分压低，进入人体肺部的氧也相应减少，不能满足肌 体的需要，当缺氧较重时，一些敏感的器官可能受到损害。为此，客车必须安装 供氧设备和提供缓解高原反应的药物用于旅客因缺氧感觉不舒适时使用。 ( 2 ) 设置充气、加压装置。在青藏线路格尔木到昆仑山口，海拔高度在很 短的时间内从2 8 2 8 米迅速提升到近5 0 0 0 米的高度，会使旅客产生一系列的高原 反应，因此，青藏铁路客车上必须设计充气加压装置，创造一个不高于海拔2 0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 米的空气压力环境。 ( 3 ) 提高车体密封性能。膏藏铁路特殊的地理环境要求客车充气、加压、 增氧，为减少氧气的流失，必须提高客车车体的密封性能。 ( 4 ) 其他要求，正常大气压下，开水温度为l o o ：海拔3 0 0 0 米时温度为7 0 左右。因此，电开水炉应设加压装置，确保车上能正常供应开水1 0 0 。 另外，列车空气制动系统受环境气压影响很大，应采取相应措施，确保列车 管压力正常。 b ) 低温、日温差大 高原地区空气稀薄，大气温度容易散失，1 天的温差却可达1 5 3 0 。在这 样的气温条件下，青藏铁路客车应考虑以下问题： ( 1 ) 客室设置电加热采暖装置。车辆的采暖有温水系统采暖和电加热采暖。 温水系统采暖因与大气相通，不利于车辆的密封；电加热采暖结构简单、效率 高，不影响车辆的密封。青藏铁路客车电加热装置要保证在车内形成空气对流 状态，充分利用加热功率。 ( 2 ) 提高车体防寒隔热性能。为了使客车的车内温度保持在一定范围内， 除了安装加热设备外，还必须要求车体具有良好的隔热性能。 c ) 风沙大、空气干燥 青藏铁路沿线常刮大风。且风向昼夜不同，强风不仅降低了气温，而且使 得空气极为干燥，年平均相对湿度只有5 0 左右。因此，青藏铁路客车应满足以 下要求： ( 1 ) 抗风沙。青藏铁路沿线因年大风日较多，大风不仅使车辆的运行阻力 增大，风中的沙尘对车体也会造成剧烈的冲击，侵蚀客车的外部。因此，要减 小车辆的运行阻力和沙尘对车辆的冲击侵蚀作用，车体外部应为流线型设计， 所有外露部件的结构，如车体的门、窗应与钢结构平滑过渡，车端及车下设备应 有良好的保护装置。 ( 2 ) 室内设簧加湿装置。青藏铁路所处地区雨量少，大风又加速了物体表 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 面水分的蒸发，空气极为干燥，处于这种干燥、寒冷的环境中，人的体液会大 量蒸发，引起严重脱水。因此，在客室内应设置加湿装置，以保证旅客的舒适 性。 1 3 本文研究设计的主要内容和目标 本论文充分考虑了青藏铁路的地理条件和恶劣的气候环境，对青藏客车的 电气系统进行了特殊的设计，除了考虑了特殊的地理条件对车上普通的电器设 备的特殊要求外，尤其是对新添加的制氧机系统做了比较全面的软件控制来保 证其能正常工作。因此，本车的电气系统重中之重在于制氧机、空调、逆变器 以及综合控制柜之间的逻辑控制关系的实现。本论文除了进行电气系统的设计 外，并结合本人在首列青藏客车调试过程中出现的控制逻辑上的问题提出相应 的改进建议，以便在接下来的青藏客车的制造过程中加以改进，从而制造出更加 安全、舒适的青藏客车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章青藏客车电气系统的工作原理 2 1 青藏客车电气系统的工作原理简介 青藏客车的电气基本原理是在2 5 t 型车的基础上并且根据青藏铁路的具体 地理位置和特殊的气候环境加以改进的，其主要是增加了制氧机系统、窗玻璃 的伴热等，并且在软件上实现了空调、制氧机、逆变器及综合配电柜的协调工 作。 本车采用d c 6 0 0 v 的单电源供电模式。其d c 6 0 0 v 来自青藏空调发电车。通 过d c 6 0 0 v 直接给室内电热、端部电热供电，并且为每车的逆变器、提供直流电 源。而由逆变器输出的a c 3 8 0 v 电源为车上的三相交流负载供电，充电机为蓄电 池充电并且为本车的控制电路和照明电路提供电源，另外它还为单相逆变器提 供电源。至于车上p l c 以及各传感器所需要的电源则分别有两个电源转换模块 提供。本电气系统的原理部分主要是空调、制氧机、逆变器及综合配电柜的配 套问题。这在下面的章节将做详细的介绍。 2 2 青藏客车上主要电气设备的工作原理 青藏客车上主要的电气设备是车上空调机组及制氧机，在此对列车的空调 机组及制氧机的工作原理做详细的介绍。 2 2 1 空调机组的工作原理 空调机组做为现代客车的重要电器设备其工作的f 常与否直接影响的旅客 的舒适度，因此其工作逻辑的控制与设计是至关重要的，由于青藏铁路气温低、 日温差大的特点，因此青藏客车对空调机组进行了特殊设计。下面就根据空调 日温差大的特点，因此青藏客车对空调机组进行了特殊设计。下面就根据空调 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 机组原理图简要的说明其在不同的气温环境下空调机组的各种工况【2 4 】【矧。( 原理 图详见附图2 1 ) 空调机组的工作模式是由转换开关s a 2 控制的。 曲空调机组的平原工作模式 以下各工况是在主电路供电正常且逆变器正常工作的情况下，各电气元件 的动作逻辑关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 g 争 粤 l 嚣 i 图2 1 空调机组电气原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 ) “s a 2 ”置“试验冷”位 接触器k m l 2 吸合，通风机运转，接触器跚1 4 吸合，冷凝风机运转；把q 4 1 ( 或q 4 2 ) ( 试验空调半开关) 闭合，接触器k m l 6 ( 或k m l 7 ) 吸合，压缩机m 1 6 ( 或k 陋1 7 ) 运行； 2 ) “s a 2 ”置“试验暖”位 接触器胁1 1 吸合，通风机运转，把q 4 l ( 或q 4 2 ) ( 试验空调半开关) 闭合， 接触器酬1 8 ( 或k m l 9 ) 吸合，电加热器m 1 8 ( 或m 1 9 ) 运行； 3 ) “s a 2 ”置“自动”位 此时可根据室温或外温的变化空调相应工作在制冷或制暖工况。 “自动”位有弱风、半暖、全暖、强风、半冷和全冷6 种工况，根据环境温度 交化，各工况自动转更换。( 备注：空调制冷工况受室温传感器控制，而制暖工 况受外温传感器控制) 当室温从2 2 5 上升到2 5 5 的过程中，通风机接触器跚1 2 闭合，空调 机组进入遥风工作状态； 当室温从2 5 5 上升到2 7 5 过程中，冷凝风机接触器k m l 4 闭合，冷凝 风机运行，延时6 0 秒，压缩机接触器i ( m 1 6 ( 或酬1 7 ) 闭合，压缩机m 1 6 ( 或 m 1 7 ) 运行：空调机组进入半冷工作状态； 当室温上升到2 7 5 以上，接触器k m l 7 ( 或脚1 6 ) 闭合，压缩机m 1 7 ( 或 m 1 6 ) 运行，通风机接触器k m l 2 闭合，i ( m l l 断开，空调机组进入全冷工作状态； 当室温从2 6 下降到2 4 过程中，接触器蹦1 7 ( 或k m l 6 ) 跳开，接触器 酬1 6 ( 或蹦1 7 ) 保持闭合，通风机接触器l ( m l l 闭合，k m 也琏斤开空调机组进入 半冷工作状态； 当室温从2 4 下降到2 1 过程中，接触器k 疆1 6 ( 或酬1 7 ) 跳开，空调机 组进入通风工作状态； 当室温从2 l 下降到1 5 过程中 工作状态： 当外温从1 5 下降到5 过程中 接触器蹦l l 闭合；空调机组进入通风 电加热器接触器k m l 8 ( 或k m l 9 ) 闭合 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 机组电加热器d r l l ( 或d r l 2 ) 运行，空调机组进入半暖工作状态； 当外温在5 以下，k m l 9 和k m l 8 闭合，机维电加热器d r l 2 和d r l l ，空调机 组进入全暖工作状态； 当外温从5 上升到1 5 过程中，接触器酬1 8 ( 或k m l 9 ) 跳开，k m l 9 ( 或 k m l 8 ) 保持闭合，空调机组进入半暖工作状态； 当外温上升到1 5 以上，k m l 9 ( 或酬1 8 ) 跳开，k 1 1 1 保持闭合，空调机组 进入通风工作状态； 4 ) 新风门调节控制 新风调节装置驱动电源线3 根，线号为u 2 3 a 、u 2 3 b 和n 2 3 继电器k a l 9 闭 合，风门开大，u z 3 a 和n 2 3 之间电压为a c 2 2 0 v ，同时u 2 3 b 和n 2 3 无电压输出。 继电器k a l 9 、k a 2 9 闭合，风门关小，u 2 3 a 和u 2 3 b 与n 2 3 之间电压都为2 2 0 v 。 不通电时保持原位。 新风调节装置位置反馈电位器信号线3 根，在该电位器上施加d c l o v 电压 后，位置反馈输出o 1 0 v 信号，0 对应风口最小，1 0 v 对应风口全开。 平原工况调节门开度分为四档：全开、i 档、i i 档、i 档。 表2 1 平原工况新风门开度 外温 k l d 3 5 t d k l d 4 0 t d k l d 5 3 t d 制冷及通风 3 5 i 档i 档i 档 工况( 夏季) 一5 全开全开全开 一5 且 一2 0 档1 i 档i i 档 工况( 冬季) 一2 0 档i 档档 ( 试验时外温由电位器模拟) 5 ) 风压开关工作 接触器k m l 2 闭合( 或k m l l ) ，接触器k m l l 断开( 或k m “闭合) 。同时通 风运行2 s 后，风压丌关f y l 6 闭合，u 4 0 7 a 和u 4 0 7 b 接通；否则进行故障处理。 b ) 空调机组的高原工作模式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 高原工作模式对于空调机组来说，高原制冷工况和平原的制冷工况没有区 别，差别在于高原空调机组工作时，新风门的开度仅受制氧机控制。对于制热 工况，只有当空调机组满足平原全暖工况，且外温低于一2 0 时启动第三档电加 热器，另外在高原电加热工作时空调的通风机为强风工作状态。 高原工作状态：发出制氧机高原工作信号，继电器k a 3 1 吸合。 1 ) 新风门调节 此时新风调节门动作只受制氧机控制，不受空调控制。 新风调节装置驱动电源线3 根，线号为u 2 3 a 、u 2 3 b 和n 2 3 。u 2 3 a 和n 2 3 接 通a c 2 2 0 v 时风口增大；u 2 3 a 、u 2 3 b 和n 2 3 接通a c 2 2 0 v 时风口减小；不通电时 保持原位。( 客室氧浓度控制新风门开度) 2 ) 空调机组“自动半暖” 高原模式下与平原模式下接触器动作相同，仅通风机处于强风工作状态。 机组进入半暖工作状态。 3 ) 空调机组“自动全暖” 当外温在一2 0 以下，接触器l ( m 1 8 、接触器k m l 9 及k m 2 1 均处于闭合状态， 空调机组进入全暖工作状态。通风机处于强风工作状态。 4 ) 空调机组试验废排风机动作 废排风机即用于排放车厢内废气的电机。 废排风机电源线3 根，线号为u 7 a 、u 7 b 和n 7 。当空调机组的通风机k m l 2 吸合时，废排风机接触器k m 2 3 吸合：废排风机高速运行，u 7 b 和n 7 之间电压为 a c 2 2 0 v ，同时u 7 a 和n 7 之间无电压。当空调机组的通风机k m l l 合时，废排风 机接触器k m l 3 吸合。废排风机低速运行时，u 7 a 和n 7 之间电压为a c 2 2 0 v ，同 时u 7 b 和n 7 之间无电压。 2 2 2 制氧机的工作原理 制氧机系统设置工作方式选择开关，分手动、停止、自动三种方式。制氧 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 机控制方式设在“停止”位：启动命令无效，综合控制柜即使提供d c l l o v 控 制电源，制氧机的所有部分即包括空压机、预热、加热都不能得电，但制氧机 控制器处于待机状态并解除高原制氧工作信号。 1 ) 制氧机在自动位时 在该工况下有的功能需要在编列试验时进行验证。 先合上空压机主电源开关q 4 8 和控制电源开关q 3 3 ，作好启动准备。 空调启动后，空调风压正常则常开点k a 3 0 吸合，将空调风压正常信号送给制氧 机。 然后通过制氧机控制柜给制氧机发出“高原启动制氧机信号”，制氧机接收 到高原信号后，给逆变器发出制氧机启动请求d c l l 0 v 有源信号4 2 1 ，逆变器接 到制氧机启动请求后，给制氧机发出启动允许d c l l o v 有源信号4 2 2 ，制氧机随 逆变器输出同时软启动。制氧机启动后由氧气浓度控制制氧机。 通过制氧机控制柜给制氧机发出“停止制氧机信号”，制氧机接收到停机信 号后关闭空压机。 2 ) 制氧机在手动位时 制氧机控制方式设在手动位时，不受高原信号控制。 先合上空压机主电源开关q 4 8 和控制电源开关q 3 3 ，作好启动准备。 空调启动后，空调风压正常则常开点k a 3 0 吸合，将空调风压正常号送给制氧机。 制氧机给逆变器发出制氧机启动请求d c l l o v 有源信号，逆变器接到制氧机启动 请求后，给制氧机发出启动允许d c l l o v 有源信号，制氧机随逆变器输出同时软 启动。制氧机启动后不受氧气浓度控制。( 因此该工作状况只是在试验时使用， 且该工况存在一定的缺陷) 3 ) 新风门控制 试验风门增大、减小动作是否准确。将高原制氧工作信号短接，在制氧机 控制柜的y q 0 l 端口输入4 2 0 【i l a 电流信号，改变电流值，观察综合控制柜触摸 屏风口开度，电流值增大则新风口增大，电流值减小则新风口减小。风门位置， 应分别在综合控制柜和制氧机控制柜上显示。 新风风门调节和控制在高原制氧工作时由制氧机系统控制并提供相应的电 源，空调系统与此相关的信号等全部切断。平原工作时，制氧机系统与此相关 的信号等也要全部切断。 在制氧机准备工作或准备输出富氧空气之前必须先发出制氧机工作信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 无源常开触点表示处于高原制氧工作模式，空调系统通风转到强风模式，不再 对新风门进行调节和控制，而全部交给制氧系统控制，并由制氧机提供新风调节 器的电源和模拟董信号的电源) 。 空调机组风压正常信号 试验空调风压对制氧机的控制功能。在制氧机工作的过程中，将空调机组 停掉，则k a 3 0 常开点断开，空调机组风压正常信号断开，制氧机应停止工作。 以上的空调及制氧机工作工况，需要与综合控制柜、逆变器进行配套试验， 只有它们的配合缜密才能满足客车的实际工作需要。因此在以下的章节中会对 它们的逻辑配合进行详细的介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第三章青藏客车电气系统设计 3 1 青藏客车电气系统的硬件设计 3 1 1 青藏客车的供电回路 青藏客车做为2 5 t 型铁路客车，其供电回路共分为：d c 6 0 0 v 、a c 3 8 0 v 、 单相2 2 0 v 以及d c l l o v 控制回路等【”。下面就分别对上述各种回路做简要的介 绍。 1 ) d c 6 0 0 v 供电回路 d c 6 0 0 v 由青藏空调发电车供给，它除了为本车的两个逆变器提供电源外， 同时也为本车的端都电热提供电源，其电路图如下3 1 所示。其直流供电模式 分为自动和手动两种，而手动又可分为直流一路和直流二路供电两种方式。以 上供电模式的实现可以通过原理图分析出其具体实现方法。在此就不详细叙述 了。 2 ) a c 3 8 0 v 供电回路及单相2 2 0 v 供电回路 a c 3 8 0 v 用电器及单相2 2 0 v 用电设备均是通过三相逆变器提供的，上述用 电设备的控制是通过继电器控制来实现的，其具体实现详见图3 2 示。 3 ) d c1 1 0 v 控制回路及照明供电回路 d c l l o v 是通过a c 3 8 0 v 整流而来的，其主要是做为d c 6 0 0 v 供电回路、 a c 3 8 0 v 用电设备以及单相2 2 0 v 用电器的控制电源，并且为照明回路、轴温报 警主机以及防滑主机提供电源。所以，d c l l o v 在本车的电气系统中的作用是相 当重要的。其主要供电原理详见图3 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 1 2d c 6 v 回路的电流、电压检测疑保护 d c 6 0 0 v 电压保护。 过压保护试验自动位时，当母线供电电压大于d c 6 6 0 v ，并且过压持续时 间超过2 0 秒，p l c 应自动切除当前存在故障的供电回路，系统自动转移到另一 路无故障的回路供电。相应地，触摸屏显示相应的供电故障信息，供电故障指 示灯被点亮。d c 6 0 0 v 低压保护由逆变器完成。 d c 6 0 0 v 绝缘检测装置试验供电转换开关置于“停止”位，将d c 6 0 0 v 绝缘 检测装置设定旋钮置于5 0 a ，闭合4 q f 6 检测装置电源指示灯亮，1 9 0 对一4 8 l 电 压应为d c 4 8 v 。按下绝缘测试按钮2 s b l ，绝缘检测装置漏电红色指示灯亮，1 9 0 无d c 4 8 v 输出。 车辆d c 6 0 0 v 漏电保护试验将d c 6 0 0 v 绝缘检测装置设定旋钮置于1 0 0 i i i a ， 触摸屏设定“漏电电流保护值”设定为l o o i i l a ，断开所有d c 6 0 0 v 供电负载，供 电转换开关置于“自动”位，闭合4 q f 6 ，4 q f l 3 、4 q f 8 ，检测装置电源指示灯亮， 通过漏电电流互感器人为制造漏电流，当漏电流超过l o o i i l a 时，绝缘检测装置 漏电指示灯亮，本车绝缘故障指示灯亮，触摸屏显示绝缘故障并进行存储，漏电 不允许车辆自动断电。需要大家注意的是当d c 6 0 0 v 超过漏电电流保护值时，亦 即发生d c 6 0 0 v 漏电报警时，空调停止工作。只有在排除了故障恢复正常供电时， 空调才可以恢复工作。 3 1 3 本车网络及车辆网络 单车网络主要包括以下项目： 入 供电p l c 和防滑器、轴报仪、逆变器间通信，供电p l c 是否正确显示防滑器、 轴报仪、逆变器的实时数据。( 以上各数据均在综合控制柜触摸屏上实时显 示) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 车辆连挂情况下，网络主要包括以下项目 入综合控制柜内p l c 与列车网关联接。h ”，通过局部操作网络( l o n w 。r b ) 通讯 接口“”，实现对全列客车供电的监控( 即可以在任何一节车厢的供电p l c 触 摸屏上显示其它车辆的供电) ，并实时监视其它车辆总线上的节点( 如：逆变 器、防滑器等) 信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图3 1 直流6 0 0 v 供电电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 2 车下电源及逆变器负载 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图3 3d c l l o 负载及其控制回路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 2 青藏客车综合控制柜内电气元件的选型 青藏车的电气系统是通过p l c 进行逻辑控制的，其中用到的电气元件还包 括继电器、接触器、空气开关及普通的开关【1 1 【2 3 】1 2 2 】等。在对它们进行选型时主 要考虑的是回路的负载。然而，由于青藏铁路的特殊性，其对电气元件的要求 也不尽相同，故此我们为了行车的安全性在模拟高压地面实验室进行了相应的 试验，井对其参数进行了验证。 青藏铁路的高海拔对客车的电气系统主要有以下几个方面的影响，因此在 选择电气元件时应从这几个方面进行考虑。 直击雷和感应雷造成的过电压对电气系统的毁灭性破坏； 低气压和空气稀薄造成的发热部件温升增加； 低气压使电气部件的内、外绝缘性能下降； 低气压使开关电器灭弧性能下降，电寿命缩短； 低气压和空气稀薄影响电线电缆的散热而使其载流量减少： 低气压和空气稀薄影响热保护器件的散热使其热脱扣值发生变化； 低气压和空气稀薄使得风机类和空压机类负载的电功率下降。 3 2 1 综合控制柜内电气元件在不同海拔条件下的测量参数比较 青藏客车电气系统中使用的电气元件均是经过地面模拟高原实验室进行试 验通过的，且大都在高原的试验运营过程中符合设计的要求。实验室模拟实验 进行了配电装置的防雷击试验、发热部件的温升试验、电气间隙和爬电距离的 验证试验、电线电缆的载流量试验、热保护器件的整定参数试验、接触器的通 断拉弧和预期电寿命试验，通过常压试验和低气压( 模拟海拔5 0 0 0 m ) 试验的对 比，得出了相关的修正系数。具体情况如下所述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 配电装置的防雷击 针对在g p s 、g p r s 、d c 6 0 0 v 、a c 3 8 0 v 、d c l l o v 系统加设的防雷浪涌吸收保 护器( 英文缩写s p d ) ，2 0 0 5 年4 月1 1 日，在中国石化集团安全工程研究院( 防 雷装置实验室) 对供电及控制系统进行了雷击试验。试验情况见表3 1 表3 1 吸收保护器雷击试验结果 施加部位施加波施加电流值结果备注 形( k a ) g p s 天线标准 5 未损坏 g p r s 天线 8 2 0us 5 未损坏 l o n 网线 5 未损坏 电流冲 击波形 d c 6 0 0 v1 5 3 0 _ 只s p d 打坏。 改进质通过 a c 3 8 0 v1 5 3 0 未损坏 d c l l 0 v1 5 3 0 未损坏 从试验结果看，s p d 在对雷击电流进行泄放的同时，其残压能有效地将后续 被保护电路的过电压限制在2 0 0 0 v 以下，可有效抵御霄击过电压的侵袭。 3 2 2 接地装置体电阻测量 接地装置体直流电阻测量 试验数据见表3 2 表3 2 接地装置体直流电阻测量 接地装置型出厂编号两端电压通过电流( a )接触电阻 号( m v )( m q ) e c 3 ( q z )0 5 0 4 0 0 32 2 82 21 0 3 6 4 7 75 00 9 5 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 接地装置体冲击接地阻抗测量，见表3 3 表3 3 接地装置体冲击接地阻抗测量 接地装置型 出厂编号冲击电流接地阻抗( r 岫) 号( k a ) e c 一3 ( q z ) 0 5 0 4 0 0 3 2 9 92 1 o 5 0 92 1 0 1 5 4 21 2 o 3 0 8 6 0 3 2 3 接触器线圈温升 主要对选用的交直流接触器、继电器( 沙尔特宝、a b b 、天津铁源、p l c ) 的线圈温升做了常压和低气压( 5 3 k p a ) 的对比试验，结果，低气压时的温升比 常压下有所增加，但均未超过其线圈的绝缘等级所要求的温升，且有较大裕度。 试验数据见表4 。 表4接触器线圈温升 常压低气压 器件名称 供货商 ( 1 0 l i3 k p a )( 5 4 k p a ) 负载状况 增长 型号温升环温温升环温 ( ) ( k )( )( k )( ) 单极直流 沙尔特宝 8 4 52 1 98 9 72 1 9 主触点通1 8 a 6 2 接触器1 9 3电流 双极直流主触点通过 ， 接触器2 9 6 沙尔特宝 7 4 42 1 97 8 42 1 95 4 电流1 0 3 a 单极直流 沙尔特宝 8 2 62 1 98 7 82 l _ 9 主触点通过 6 3 接触器1 3 7电流7 5 a 单极直流 接触器 沙尔特宝 8 8 92 1 99 6 02 1 9 主触点通过 8 0 1 6 3 电流4 0 a 4 6 71 6 34 8 01 9 2 触点带s 2 9 6 中间继电天津铁源2 8 线圈，电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 器1 5 5 0 4 a 。 p l c 剧继电 2 1 52 2 22 6 71 7 9 触点带a l l 6 0 m r o n2 4 4 器b 1 0 5 一d e 线圈 交流接触a b b 6 5 91 6 67 2 g1 7 9 1 1 k w 风机 1 0 6 + 1 0 a 电阻负 器a l l 6 载。 交流接触 a b b 6 6 61 6 66 9 41 7 9 1 1 姗风机。 4 2 器a l l 2 交流接触 a b b 6 4 21 6 66 6 31 7 9 1 1 k w 风机 3 3 + l l a 电阻负 器a l 4 0 载。 3 2 4 电气间隙和爬电距离的验证 主要对选用的交直流接触器、继电器( 沙尔特宝、a 髓、天津铁源、p l c ) 的线圈温升做了常压和低气压( 5 3 k p a ) 的对比试验，结果，低气压时的温升比 常压下有所增加，但均未超过其线圈的绝缘等级所要求的温升，且有较大裕度。 试验数据见表3 4 。 表3 4接触器线圈温升 常压低气压 器件名称 ( 1 0 1 3 k p a ) ( 5 4 k p a )增长 型号 供货商负载状况 温升环温温升 环温( ) ( k )( )( k )( ) 单极直流接 主触点通1 8 a 触器1 9 3 沙尔特宝 8 4 52 1 j98 9 72 1 96 2 电流 双极直流接主触点通过电 触器2 9 6 沙尔特宝 7 4 4 2 l - 97 8 42 1 95 4 流1 0 3 a 单极直流接 主触点通过电 触器1 3 7 沙尔特宝 8 2 62 1 98 7 82 1 9 6 3 流7 5 a 单极直流接主触点通过电 触器1 6 3 沙尔特宝 8 8 92 1 99 6 02 1 98 o 流4 0 a 中间继电器天津铁渊 4 6 7 1 6 34 8 o1 9 2 触点带s 2 9 6 线2 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 1 5 5 圈，电流o 4 a 。 p l c 用继电 2 1 52 2 22 6 71 7 9 触点带a l l 6 o m r o n2 4 4 器r b l 0 5 一d e 线圈 交流接触器 a b b 6 5 91 6 67 2 91 7 9 1 ，1 k w 风机+ 1 0 a 1 0 6 a l l 6 电阻负载。 交流接触器 a b 8 6 6 61 6 66 9 ，41 7 9 l _ 1 斛风机。 4 2 a l l 2 交流接触器 a b b 6 4 ，21 6 66 6 31 7 9 1 ，1 k w 风机+ 1 l a 3 ，3 电阻负载。 a l 4 0 3 2 5 热保护的整定参数 过载热保护的整定值在海平面通常是以额定电流的1 0 5 倍来整定。但若在 高海拔，其双金属片由于散热效果差而易产生较大的变形位移，使熟继电器过 早保护。因此在高海拔，其整定值的整定倍数应适当加大。试验得出，在海拔 5 0 0 0 m ，热继电器的整定值按额定电流的1 1 0 1 1 5 倍来整定较为适当。 3 2 6 接触器的通断拉弧和预期电寿命 从接触器以及p l c 开关量输出点通断的波形来看。在接通过程，低气压的 影响甚微，在关断阶段，对单极用于d c 6 0 0 v 的接触器来说，低气压带来明显的 关断时间加长、关断产生的功率加大。在单极d c 6 0 0 v 接触器带载连续操作1 5 0 0 次后，将其触点分解检查，发现触点熔蚀较为严重。其它d c l l 0 v 及d c 6 0 0 v 双 极接触器情况则有所改善，从带载连续操作1 5 0 0 次后触点分解检查情况来看， 预期电寿命可达到l o o o o 次以上，三年以上的使用时间。在用于d c 6 0 0 v 的接触 器选型时，将选用双极接触器。 通过在模拟高原实验室对综合控制柜内的电气元件的相关参数进行测试， 验证了所选的元件均符合高原的应用条件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第四章高原环境对青藏客车电器绝缘和温升的影响 高原环境对客车电器的绝缘性能以及温升都有一定程度的影响，为了进一 步加以验证，我们通过对两辆实验车进行了实地的澳4 试。试验数据的测的是在 三种不同的海拔高度下进行的，具体试验地点分别为：四方所( 相当于海平面) 、 格尔木车辆段( 相当于海拔高度3 0 0 0 m 等级) 、青藏线玉珠峰一沱沱河间( 相当 于海拔高度5 6 0 0 m 等级) 进行的。附实验表格。 4 1 绝缘性能 4 1 1 绝缘电阻比较 餐车( 均用1 0 0 0 v 绝缘电阻测试仪测量) m 表4 1 餐车绝缘电阻 餐车车号c 2 5 t8 9 3 3 8 8 设备名称型号规定值试验结果 备注 四方所格尔木玉球峰一沱沱河段 环温：2 2 2 环温：1 7 0 环温：l o 2 相对湿度：6 2 相对湿度：1 7 9 ，； 相对湿度：2 3 脯 3 0 0 m 0 5 0 0m n1 7 5 0 m 01 3 9 0 m 0 预热器l 5 0 0m 01 7 5 0 m 01 3 6 0 m 0 预热器2 5 0 0m q1 7 5 0 m 0l 3 2 0 m n 伴热( 废水箱) t 5 0 0m 01 7 3 0m 01 2 6 0 m 0 空调风机 5 0 0n 01 7 5 0 m q1 2 5 0 m 0 冷凝风机l 5 0 0m q1 7 2 0 m 靠1 2 5 0 衔n 冷凝风机2 5 0 0m q1 7 2 0 m 01 2 5 0 m 0 压缩机l 5 0 0m q1 7 3 0 m 0l 2 3 0 m o 压缩机2 5 0 0m 09 0 0 0 0 01 6 0 0 m 0 人连空压机 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 5 0 0m n1 9 蛳n1 8 a m q 火连空压机伴热 5 0 0m q2 0 州n 1 9 0 m q 大连膜前加热 3 0 0 m q 5 0 0m d2 0 0 0m q1 8 5 0 m q 客室电热 5 0 0m q1 7 0 删0 1 2 0 0 m a 电蒸饭箱l 5 0 0m 01 7 0 0 m 0儿5 0 n q 电蒸饭箱l 5 0 0m 01 7 0 0 m 01 2 3 0 m o 电炸锅 茶水炉 ) 2 0 m q5 0 0m 01 7 5 0m 01 2 0 0 m 0 电磁灶l 5 0 0m n1 9 7 0m d1 2 0 0m q 凹5 k 胃 电磁灶2 5 0 0m 02 0 0 0m 01 2 0 0m 0 凹8 k w 电磁灶l5 0 0m 01 9 6 0m