楊 君，劉永志，王永剛，孫利蘋，劉斕波

（1 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035；2 第二炮兵駐天津地區(qū)軍事代表室，天津300308； 3 唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063035）

高原特種運(yùn)輸車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 君1，劉永志2，王永剛1，孫利蘋1，劉斕波3

（1 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035；2 第二炮兵駐天津地區(qū)軍事代表室，天津300308； 3 唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063035）

文章研究分析了高原特種運(yùn)輸車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合具體設(shè)計(jì)實(shí)例介紹了高原特種運(yùn)輸車單車供電電氣系統(tǒng)負(fù)載計(jì)算、供配電方案的確定及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

高原；軌道客車；電氣系統(tǒng)

青藏鐵路是當(dāng)今世界海拔最高、線路最長的高原鐵路，目前已全面開通運(yùn)營。沿途地勢開闊，從格爾木到拉薩，全長1 142 km，海拔最高達(dá)到5 072 m；海拔高度超過4 000 m以上有960 km，4 500 m以上的為800 km；晝夜溫差大；風(fēng)沙雨雪強(qiáng)度大，強(qiáng)紫外線照射，空氣干燥，雷電、靜電危害大。特殊的氣候和地理環(huán)境對于軌道客車制造技術(shù)提出了更高的要求。

高原特種運(yùn)輸車在高原物資運(yùn)輸中發(fā)揮著骨干核心作用，是高原軌道客車的重要組成部分之一。研究分析高原特種車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、高原特種車單車供電電氣系統(tǒng)負(fù)載計(jì)算、供配電方案以及高原特種車監(jiān)控系統(tǒng)，對于保證車輛的安全可靠運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高海拔車輛電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要遵循環(huán)境適應(yīng)性原則。下面分析了高海拔環(huán)境條件對電器件和電纜的影響并列出了具體的修正系數(shù)，介紹了海拔對介電強(qiáng)度的影響以及防雷保護(hù)設(shè)計(jì)。

1.1 高原環(huán)境下對電器件和電纜工作性能影響

青藏鐵路格拉段的最高海拔為5 072 m，設(shè)計(jì)中海拔按照5 000 m進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和選型。依據(jù)廠家提供的安裝條件和環(huán)境對電器件工作性能的修正系數(shù)，綜合考慮負(fù)載性質(zhì)和實(shí)際運(yùn)用條件后，得出下列電器件選型修正系數(shù)。

對特定負(fù)載和特定工作狀態(tài)，某些電器件的修正不一定完全按高原修正，可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。例如實(shí)際設(shè)計(jì)選用的空調(diào)供電斷路器，則應(yīng)完全按平原選用，因?yàn)楦鶕?jù)氣象資料在青藏線格拉段，最高氣溫在30℃，空調(diào)全冷工況工作的機(jī)會很少，而此空調(diào)機(jī)組在制冷工況下的工作電流大于采暖工況下工作電流，所以可以按照平原全冷工況計(jì)算，不必進(jìn)行高原修正。

（1）AC 380 V塑殼斷路器的選用和修正原則：影響因素有高原降容，高海拔使熱脫扣提前動作，見表1。

表1 按海拔5 000 m塑殼斷路器的修正系數(shù)

（2）微型斷路器的選用和修正原則：影響因素有高原降容、使用環(huán)境溫度，并排安裝數(shù)量，以及滿載系數(shù)，高海拔使熱脫扣提前動作，見表2。

表2 按海拔5 000 m微型斷路器的修正系數(shù)

（3）接觸器的選用和修正原則：影響因素有高原降容、安裝環(huán)境，見表3。

表3 按海拔5 000 m接觸器的修正系數(shù)

（4）熱繼電器的選用和修正：影響因素因高原散熱影響，高海拔使熱脫扣提前動作；同等工作電流下5 000 m海拔使用整定值需增加到平原的1.15倍，實(shí)際折算降容系數(shù)約0.87。對綜合控制柜，因?qū)嶋H只有空調(diào)風(fēng)機(jī)選用熱繼電器，而風(fēng)機(jī)性質(zhì)負(fù)載在高原工作時電流下降約0.9，所以不必修正。

（5）電纜選用和修正原則：影響長期安全載流量因素有高原散熱影響溫升、多芯（按4～6芯同時）并列敷設(shè)，見表4。

表4 按海拔5 000 m電纜通流能力修正值

1.2 介電強(qiáng)度要求

在GB/T16935.1－2008《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第1部分原理、要求和試驗(yàn)》中給出了與海拔高度關(guān)系的修正系數(shù)。由于爬電距離和電氣間隙的實(shí)際測量，對系統(tǒng)來講是非常困難的，所以采用工頻耐壓和沖擊耐壓的方式驗(yàn)證介電強(qiáng)度。

1.3 防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

為避免雷電對電氣系統(tǒng)的破壞，消除對旅客人身安全的威脅，車輛設(shè)置防雷系統(tǒng)。

防雷系統(tǒng)包括車頂天線（包括衛(wèi)星電視天線）和車內(nèi)電氣裝置（電氣綜合控制柜）的防雷電涌裝置（SPD）和列車級接地裝置。

列車級接地裝置由車端接地連接器和軸端接地回流裝置等組成。一旦有雷電，則通過SPD，經(jīng)車體、轉(zhuǎn)向架軸端回流裝置將雷擊電流安全的導(dǎo)入大地。

2 電氣系統(tǒng)負(fù)載計(jì)算和供配電方案

特種運(yùn)輸車供電方案為單車供電，即由本車安裝的柴油發(fā)電機(jī)組（懸吊于車下）為本車交流用電負(fù)載供電。一般每輛車設(shè)置2臺柴油發(fā)電機(jī)組，兩臺機(jī)組互為備用。

2.1 電氣系統(tǒng)負(fù)載計(jì)算

高原運(yùn)輸車電氣負(fù)載包括生活區(qū)空調(diào)、載物間空調(diào)、充電機(jī)、淋浴器、生活區(qū)電熱、插座、燃油泵、增壓泵、管路、廁所排水排便伴熱、油箱油管伴熱、廚房設(shè)備。經(jīng)計(jì)算得出全車用電功率為41.928 k W，見表5。

根據(jù)車輛使用情況并兼顧柴油發(fā)電機(jī)組利用率，考慮將淋浴器和插座與廚房用電設(shè)備互鎖。

互鎖后全車用電功率＝互鎖前全車用電功率－淋浴器功率－插座用電功率＝41.928－1.05－2.25＝38.628 k W

最終計(jì)算所得的全車用電功率為38.628 k W。根據(jù)此值，選擇使用40 k W的柴油發(fā)電機(jī)組為本車供電。

表5 運(yùn)輸車電氣系統(tǒng)負(fù)載k W

2.2 供配電方案

根據(jù)以上負(fù)載計(jì)算，確定最終供電方案：由40 k W柴油發(fā)電機(jī)組為本車供電，車輛設(shè)置2臺40 k W柴油發(fā)電機(jī)組，兩臺機(jī)組互為備用。

車輛設(shè)置AC 380 V漏電報(bào)警器、電子防滑器等；因車輛配置空調(diào)、制氧系統(tǒng)，增加相關(guān)部分裝置；因高原車需配置集便系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相關(guān)部分及配線。具體系統(tǒng)方案如圖1所示。

2.3 柴油發(fā)電機(jī)組選型

（1）柴油發(fā)動機(jī)

高原環(huán)境對柴油發(fā)動機(jī)的影響主要表現(xiàn)在輸出功率和燃油消耗率。柴油發(fā)動機(jī)組的功率修正系數(shù)與海拔高度和環(huán)境溫度有關(guān)，圖2為DEUTZ柴油機(jī)組的修正系數(shù)曲線圖。

圖1 高原特種運(yùn)輸車電氣系統(tǒng)方案圖

圖2 不同海拔及溫度條件下道依茨柴油機(jī)組功率修正系數(shù)圖

（2）交流發(fā)電機(jī)

雖然在高原地區(qū)的環(huán)境溫度將隨著海拔高度的升高而下降，但是由于空氣密度降低，散熱效果將變差，造成發(fā)電機(jī)的溫度升高而影響絕緣壽命，為了補(bǔ)償溫度造成的功率下降問題，需要對發(fā)電機(jī)輸出功率進(jìn)行修正。

在不同海拔高度條件下不同廠家的發(fā)電機(jī)組修正系數(shù)不同，表6為利萊森瑪發(fā)電機(jī)在海拔5 100 m、25℃環(huán)境溫度時的功率降：海拔每上升500 m，修正3%；溫度每上升5℃，修正3%。

（3）選型

在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)柴油機(jī)組和發(fā)電機(jī)組的修正系數(shù)圖表選擇適合海拔5 000 m條件下應(yīng)用的柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)動機(jī)為BF6L914型道依茨柴油發(fā)動機(jī)組；交流發(fā)電機(jī)為利萊森瑪?shù)腖SA43.2L65型發(fā)電機(jī)。

表6 利萊森瑪發(fā)電機(jī)在海拔5 100 m、25℃環(huán)境溫度時的功率降

（4）高原柴油發(fā)電機(jī)組對油箱容積的影響

因高原環(huán)境導(dǎo)致柴油發(fā)動機(jī)組的燃油消耗率增加，在設(shè)計(jì)中考慮適當(dāng)加大油箱容積。

3 監(jiān)視、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)視、監(jiān)控系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、控制、監(jiān)視為一體的自動測控系統(tǒng)，系統(tǒng)對產(chǎn)品運(yùn)輸車內(nèi)的溫度、濕度、振動和車內(nèi)“器材”情況自動監(jiān)控和報(bào)警。車輛端部設(shè)置通訊連接器，通過通訊連接器和監(jiān)控主機(jī)之間敷設(shè)的通訊電纜，實(shí)現(xiàn)車與車之間的互聯(lián)互通。

系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

單車供電電氣系統(tǒng)成功應(yīng)用在高海拔地區(qū)軌道車輛上。在高海拔特種運(yùn)輸車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，遵循了環(huán)境適應(yīng)性原則，研究開發(fā)了與高海拔環(huán)境相適應(yīng)的由40 k W高原型柴油發(fā)電機(jī)組供電的單車供電電氣系統(tǒng)供電方案。此外，文中介紹了一種更加適合高原特種運(yùn)輸車的監(jiān)控系統(tǒng)方案，該方案對于高原特種運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)有借鑒意義。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖

［1］ 何丹爐，侯方東.青藏高原鐵路客車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.鐵道車輛，2008，（8）：20-22.

［2］ 陳鴻濱.探討高原型柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用［J］.移動電源與車輛，2008，（1）：15-20.

Design and Realization of Electrical System for High-Altitude Special Transport Vehicle

YANG Jun1，LIU Yongzhi2，WANG Yonggang1，SUN Liping1，LIU Lanbo3
（1 R＆D Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China；2 Tianjin Military Delegate Office of Second Artillery Corps，Tianjin 300308，China；3 Tangshan Technical Colloge，Tangshan 063035 Hebei，China）

In this paper，the design principle of electrical system for high-altitude special transport vehicle is researched and analyzed.Based on specific design examples，it introduces electrical loading calculation and power supply scheme of single coach power supply system.In the end，it introduces design of monitored control system in detail.

plateau；railway vehicle；electrical system

U260.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.09

1008－7842（2014）03－0035－04

?）女，高級工程師（

2013－11－01）