高速动车组辅助供电系统的研究

高速动车组辅助供电系统的研究

邹业鑫 吴强

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省 青岛市 266000 ）

摘要：高速铁路动车组作为铁路运输的关键环节，在承担大量客运任务的同时，依赖于一个高效且稳定的供电系统来确保顺畅运行。动车组辅助供电为列车的空调、牵引系统、冷却设备、照明和信息显示等辅助设备提供必要的电能。该系统的稳定性直接关联到列车的运行安全和乘客的舒适体验。当前，我国动车组的辅助供电系统仍面临一些挑战，例如电源转换效率低下和电力质量波动等问题。因此，深入研究并优化辅助供电系统，对于提升动车组整体性能和安全性具有至关重要的作用。

关键词：高速动车组、辅助供电系统、优化策略

引言：本研究旨在从辅助供电系统的结构、电源转换技术和电力质量等方面进行深入分析研究。本文分析目前高速动车组辅助供电系统存在的问题，制定改进方案；从辅助供电系统的结构如何，对系统进行优化设计；研究电源转换技术，探究高效低损耗的电源转换方案；分析电力质量问题，研究如何提高系统的电力质量和稳定性。希望能为读者提供有效参考。

一、辅助供电系统的简单介绍

辅助供电系统是动车组中不可或缺的一部分，它通过牵引变压器的辅助绕组、辅助电源箱（APU）、辅助整流器箱（ARf）等核心部件，为动车组的非牵引设备提供电力。系统分为交流和直流两大子系统。在国内主流动车组中，三相负载电源通常由辅助变流器提供，而直流负载则由充电机供电，确保了动车组在运行过程中的电力供应稳定和设备的正常运行。

二、高速动车组辅助供电系统的研究

（一）供电电压

鉴于我国实况，用于交流的电力设施规定的名义电压被定为交流AC380V/50Hz，然而，提供能源的电源的名义电压被设为AC400V/50Hz。鉴于此，高铁辅助供电系统的母线额定电压选用AC400V/50Hz 较为适宜。至于常规直流600V的铁道客运列车，其直流操控系统的供电电压规范则为直流110V。这一电压制式在电器元件选择和控制系统设计方面已经相当成熟。此外，与直流24伏供电相比，直流110伏供电制式技术成熟，车载电子设备兼容性好在经济效益上更具优势，因此，直流供电系统母线的电压设计为直流110伏。

（二）供电模式

1、交流供电模式

为了保障动车在穿越断电区间时交流供电系统不间断输电，辅助变流装置会从主变流设备的直流中间环节吸取所需电力，并提供交流电源。每个动车组由独立的牵引模块组成，其中每模块配备两台四象限整流模块设备，并且每台设备都通过中间直流缓解与辅助变流装置相连接。这样的安排确保了即使一个四象限模整流模块失效，另一台也能保障对辅助变流装置的电力供应，从而在系统架构上实现了一定程度的备份机制。另一方面，全列车通过统一的电力母线接受由所有辅助变流装置输出的三相AC400V/50Hz电源，以此完成列车内部的电力网络互联。这项技术布局有效提升了整个动车组电能供应的稳定性与调节自由度。

2、直流供电模式

DC110V直流供电系统是新一代高速动车组电气控制的核心，对列车安全至关重要，同时也影响着乘客的舒适度。为确保直流供电系统的稳定性和安全性，动车组配备了四套独立的DC110V直流电源装置，包括充电机和蓄电池，它们相互作为备份，保障充电机出现故障时系统仍能正常运行。供电体系由两级构成：首级直联储能电池的不间断供电主线“BD”，它负责维系关键时段电能供应的连续性；第二级则包括两条母线电源L1和L2，这两条线路分别通过接触器与充电设备及储能电池建立联系，向列车提供持续稳定的电力。为了提升对紧急关键设备电力供应的可靠性，例如紧急照明系统、中央控制模块以及人机交互界面等。至于极其关键的设施，比如应急照明装置、司乘操控面板、信号指示灯、制动防滑装置以及列车无线通讯系统等，直接通过不间断供电干线"BD"连接到蓄电池，以确保在任何情况下都能获得连续稳定的电力供应。这种设计显著提升了动车组在关键电力需求下的可靠性和安全性。

（三）辅助供电系统电源设备

1、 辅助变流器

在新一代高速动车组的设计中，为了满足整体布局、动力需求及系统冗余性，配备4台辅助变流器。

2、直流电源

直流电源系统由充电机和蓄电池组成。经过计算确定，动车组的直流负载功率大约为50KW。为确保直流电源供应的多重保障，设计了两个直流电源设备，它们可以互相作为备份使用，每个单元的额定功率为60KW。

三、动车组辅助供电系统的故障处理措施分析

关于高速动车辅助供电系统的故障问题， 其处理的相应措施主要是以下步骤：

（一）应急处理

首先实施对辅助供电系统的扩充充能作业，旨在保障动车组三相负责设备的正常工作，同时对辅助供电体系进行故障诊断，明确是辅助变流器自身故障或是干线及负载设备导致的问题。紧接着，借助司机操作台RS系统复位功能来查找辅助供电系统的故障原因，以缩减故障排查范围，提出有针对性的应急处置及维修策略。

（二）检修测试

另一方面，检修高速动车组辅助供电系统时，需要对内部电路和车辆相关电路进行绝缘性和电流导通性测试。如果测试未通过，应对相关电路元件进行更换。更换电路元件后，应仔细核对电线编号和端子，如果条件允许，进行校线

及单车设备及整车系统功能性测试确保高速动车组的辅助供电系统能够更加科学、安全地运行。

（三）重视故障记录

在高速动车组的检修过程中应重视对辅助变流器故障的记录。通过这些记录，如果未来遇到类似问题，可以迅速采取有效措施进行处理，同时也可以利用这些数据进行分析，以支持决策。在处理高速动车组辅助供电系统的故障时，需要检查辅助电源连接器及接线端子是否安装到位或存在松动情况。一旦存在异常可能影响辅助供电系统电源质量，更可能因线缆虚接导致端子热熔甚至发生火灾等风险。

四、高速动车组辅助供电系统需注意的事项

 辅助变流器是辅助供电系统的核心，其性能直接影响整个系统的稳定性和效率。研究表明，辅助变流器在负载变化时的输入输出波形变化和频谱分析是关键因素之一。通过模拟仿真的方法，可以研究不同变流器拓扑的输出响应，并对其输出波形的频谱进行分析，以确保在各种负载条件下都能提供高质量的电力输出

辅助供电系统设计需适应频繁启动和停止运行的负载需求，确保系统在面对复杂负载时的稳定性和响应能力。例如，香港地铁辅助变流器通过采用双CPU构成的控制单元，实现了状态数据实时显示、故障数据记录存储和可视化分析，从而提高了系统的可靠性和故障处理能力。

应用减振降噪和电磁辐射防护技术，减少辅助供电电源对其他设备正常工作的影响。例如，电磁感应式无线供电系统通过在电缆和连接器的连接处添加共模扼流线圈，可以有效抑制噪声辐射，降低噪声水平。在强电磁环境下，辅助供电系统需要具备有效的电磁防护措施。研究表明，强电磁防护技术包括限幅器技术、频率滤波技术和能量选择防护技术，这些技术可以为电子信息装备在复杂电磁环境下提供保护2。系统级电磁防护需要从前后门一体防护、场路一体防护、多域联合防护等多个角度进行设计，以确保系统的全面防护。中国铁路牵引电网采用统一的电压标准（单相交流25KV/50HZ），这种标准化优势简化了设计，减少了因多流制供电需求而在牵引回路和辅助供电系统设计以及机车运行中可能引入的复杂性。

结语：综上所述，为了提升高速动车组辅助供电系统的可靠性，确保车辆辅助供电的多重保障，并简化供电系统的设计，同时减少成本，每个供电单元应配备一套辅助供电系统。当某个供电单元的辅助供电系统出现故障时，可以通过车辆逻辑电路实现不同供电单元间的扩展供电，这样的冗余设计避免了每个供电单元都需要配备两套辅助供电系统，从而有效降低了车辆的成本。