铁路客车分布式照明系统设备下限额定电压的分析与确定

铁路客车分布式照明系统设备下限额定电压的分析与确定

郝志敏,冯立辉

中车唐山机车车辆有限公司   河北省唐山市   063035

摘要：随着高速铁路电气化的快速发展,高速铁路在世界范围内得到广泛应用。我国于20世纪90年代开始探索高速电动铁路的建设,并明确提出：电气化区段，客车供电由电力机车提供。旅客列车在电气化区段采用电力机车供电，其非常可观的经济性和合理性已被世界铁路的发展所证实。再经发展我国开发了以CRH和谐系列和CR复兴系列为代表的高速车辆。

关键词：铁路客车；照明；电压

引言

铁路客车客室照明系统布线通常采用总线获得供电电压和控制信号，而此时照明控制器远端的灯具设备有显著的线路压降。铁路客车照明系统设计需要考虑照明系统安装环境等多种因素的影响。在车辆供电方面，来自车辆的标称供电电压为DC110V（－30％，＋25％），照明系统设计时，如果只将车辆的标称供电电压作为设计接口参数，未将照明控制器引起的压降和线路压降考虑在内，势必会导致供电接口远端的灯具无法启动或功能不良。本文以铁路客车客室照明常见的灯带为例，对灯具设备的下限额定电压进行了分析与确定，分析过程中考虑了照明控制器的内部设计结构和总线线路压降对其造成的影响。

1铁路客车直流供电系统的特点

电力机车的列车供电装置接触电网后将25KV单相高压交流电降压、整流、滤波成600V直流,分两路向空调客车供电，通过空调客车DC110V电源装置将600V直流变换成110V直流，向照明、控制等负载供电，同时给蓄电池组充电。因此铁路客车直流供电系统具备以下特点：(1)从国家的能源政策和环境保护政策目的出发，以接触网供电的电力机车集中向客车供电的DC600V供电系统，无疑具有技术和经济上的优势。(2)电力机车采用单相相控整流方式提供DC600V电源，采用两路供电，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)各车厢逆变器放置在车下，不占有客车空间。(4)不联挂发电车则可以多联挂一辆客车，增加客运收入。(5)各车厢独立性强，列车编组灵活。(6)DC110V全列贯通。

2DC110V电源供电原理

铁路客车的DC110V电源装置（充电器）输出电流分三个部分，一部分向本车蓄电池充电，另一部分供给本车照明、控制等负载，还有一部分通过二极管向列车母线供电。电流传感器是测量充电器输出总电流的传感器，当充电器的输出电流超过其允许电流（如70A）时，控制IGBT的驱动脉冲变窄，使输出电压降低，输出电压降低后充电器不会向其他客车输出电流，同时还可以减小蓄电池电流，以使总的输出电流降低。要注意的是：由于全列蓄电池、充电器通过二极管并联，因此各个客车的充电器的输出电压尽可能地保持一致，否则电压调整高的充电器要向列车母线提供更多的电流。

3客室灯带平面布置及主要技术参数

照明控制器内部设计主要考虑了电阻电路中的二极管（整流桥）的导通压降、断路器的接触电阻、印刷电路板上的铜线电阻，计算得到照明控制器总压降；配线电阻考虑了电缆电阻、连接器接触电阻和端子排接触电阻，分析得到配线部分的总阻值和线路上的压降。图1为本文用于分析铁路客车客室双排灯带平面布置情况。图1中，客室配置了两排灯带，每排灯带为12个灯具，灯具L1～L12为1排，灯具L13～L24为1排，L12和L24为最远端灯具。车辆通过照明控制器给两排灯具进行供电。表1为铁路客车照明系统相关技术参数。两排灯具的车辆布线完全相同，因此仅针对其中的一排进行分析。照明系统布线涉及的照明控制器、电缆、连接器、端子排以及各灯具设备组成的电路系统，如图2所示。根据客室照明布线示意图，系统的总压降由两部分组成，照明控制器引起的压降和线路上的配线电阻引起的压降。灯具设备下的限额定电压为车辆最小供电电压减去照明控制器压降和线路上配线电阻引起的压降。

4线路压降

将１２个灯具设备作为一个整体负载，其照明系统简化电路如图３所示。根据图３所示电路，当输入端电压取最小值（７７Ｖ）时，该电路满足式（２）：２．２＋Ｒｉ×Ｉ１＋Ｐ／Ｉ１＝７７（1）式中：Ｐ———灯具总功率。将Ｒｉ（０．０１２Ω）、Ｐ（１８０Ｗ）代入式（２）得：Ｉ１＝２．４１（Ａ）。根据上述计算结果，Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３引起的压降为：Ｒｉ×Ｉ１＝０．０１２×２．４１＝０．０２８９２（Ｖ）。在实际设计中，电缆安装路径上每2个灯具之间都要预留一定的检修余量，以便能够对灯具设备进行维护。客室长度约为18m，假设每段预留线长为0.3m，线路上总共有10段这样的预留线缆。因此，线路总长度为21m。由于电路回路需要同时考虑正线和负线，所以电缆总长度为21x2=42m。电缆分布电阻为：0.0137x42＝0.5754（Ω）。总线式布线电路中连接器数量较多，其接触电阻不可忽略，接触电阻决定于连接器本身的结构与制造工艺。以插针式连接器为例，连接器的接触电阻可以在连接器的产品参数数据页中查询，连接器插针，按制造工艺分为机加工插针和冲压成形插针；按表面处理分为表层镀金插针、０．４μｍ镀金插针和０．７５μｍ镀金插针，本文选用０．４μｍ镀金的机加工制造插针，其单点接触电阻＜３ｍΩ，按其最大值来计算，即为０．００３Ω，因此，所有连接器的总接触电阻为：０．００３×１３＝０．０３９（Ω）。端子排与连接器类似，但端子排的每一处连接有２个连接点。查询端子排产品参数数据可以获取其接触电阻阻值，本文每一处端子排连接其接触电阻取值为６ｍΩ，即０．００６Ω。因此，所有端子排的总接触电阻为：０．００６×１１＝０．０６６（Ω）。配线电阻总阻值为电缆电阻、连接器接触电阻、端子排接触电阻三者之和，即：０．５７５４＋０．０３９＋０．０６６＝０．６８０４（Ω）。由于线路上的各个灯具分别接入供电总线（干路），使得干路上的电流值在空间分布上呈线性递减规律，即照明控制器的近端电流（I1，12个灯具的总工作电流）最大，远端电流（I12，单个灯具的工作电流）最小，且I12＝1/12xI1＝1/12x2.41＝0.201(A)。干路上的平均电流Iave＝1/2×（I1＋I12）＝1.31（A），因此，线路上的压降Uc＝0.6804×1.31＝0.891(V)。

5优化接地技术

优化接地是抑制铁路客车电气系统电磁干扰的主要方法之一，可根据接地功能分为接地保护，电力机车分有源接地与中点接地，有源接地与中点接地相比缺点是：不隔离供电的负载对地电压相对较高，DC600V正线及交流负载线对地电压为710伏，提高了对绝缘的要求，绝缘利用不对称，EMI效果差。中点接地与有源接地相比的优点是：各线对地电压对称（为正、负300伏）可以充分利用绝缘，EMI效果好。推荐采用中点接地方式。

结束语

实际运用中，在列车供电正常工作的情况下，铁路客车使用充电器供电，此时供给车载直流设备的电压高于标称电压Ｕｎ（介于Ｕｎ～１．２５Ｕｎ之间）；在使用蓄电池供电的情况下，供给车载直流设备的电压低于标称电压（介于０．７Ｕｎ～Ｕｎ之间）。如果该铁路客车属于分布式安装设备，通常具有较长的布线路径，在这种情况下，必须在系统设计中考虑线路压降造成的影响，并考虑其系统内部电路设计对供电电压的压降影响。照明控制器中供电回路中串联的二极管是供电压降中最显著的影响因素，因此，在供电线路的设计中应尽可能地减少或避免使用二极管。

参考文献

[1]孔冀康.高速轨道客车LED照明技术优化控制研究[D].吉林大学,2020.

[2]张银龙.LED灯具在青藏车客室照明系统中的应用[J].内燃机与配件,2020(03):222-223.

[3]张俊国,王卫.客车灯光的智能控制[J].客车技术与研究,2019,41(05):50-51+62.

[4]沈鹏.基于视觉仿真的列车客室照明设计[D].北京交通大学,2019.