电力机车重联供暖加热系统的设计与实现

摘 要 从重联机车乘务员角度，设计电力机车辅助回路重联供暖加热系统，在电力机车双机或多机重联回送过程中，实现对补机机车司机室取暖、加热装置的供电，改善司乘环境。

【关键词】电力机车 回送

1 引言

电力机车双机或多机重联回送时，为保证行车安全，补机机车不得升起受电弓，无法从接触网获得电源，对机车电暖器、电炉子、电热水器等进行取暖加热。在严寒天气长交路重联回送时，重联机车司机室内温度达零下十几度，高寒地区甚至达到零下三十几度，无法提供温热的饮食及温暖的环境，极大影响乘务员身心健康和作业质量，为此设计电力机车辅助回路重联供暖加热系统，解决电力机车重联回送过程中司机室无法取暖、加热的实际需求，是一个很实际、很必要的问题。

2 设计思路

针对这一问题，通过对机车电路结构进行了细致分析，我们认为以本务机车辅助回路为电源，通过电源适配装置和重联电缆，分配给各补机机车，作为辅助回路电源，用以取暖，比较切合实际，而且这种设计对机车原有电路设计改变不大，能够实现韶山型电力机车重联取暖功能。

2.1 电源的选取

2.1.1 重联取暖电源选取

韶山型电力机车利用受电弓自接触网受电，驱动牵引电机产生牵引力，同时，将网侧单相25KV交流电降压劈相为三相380V交流电后，对机车辅助系统供电，机车电暖器、电炉子、电热水器均能开启，提供取暖、加热功能。

所以，利用本务机车辅助回路交流三相380V为电源，通过加装电源适配装置和重联电缆，为重联补机电暖器、电炉子等取暖、加热装置提供电源，其示意图如图1。

2.1.2电源适配装置的选取

利用本务机车辅助回路三相380V或重联电缆的三相380V进行降压整流为装置自身供电，双路供电。

2.2 电源适配装置工作模式

每台装置均设有“本务”和“补机”两种工作模式。机车重联后本务机车的装置选择“本务”模式，装置将本务机车辅助回路三相380V输送给重联电缆，与本务机车重联的所有补机重联电缆均有三相380V电压（如图2红色部分）。补机机车的装置选择“补机”模式，装置将重联电缆的三相380V输送给补机辅助回路，向取暖装置供电（如下图绿色部分）。重联机车中任意一台机车均可作为“本务”或“补机”模式工作，但不能有两台及以上同时处于“本务”模式。

2.3 保护设计

2.3.1 “本务”模式下的保护功能

（1）输入过压保护，线电压大于450V时进行断电保护。

（2）重联输出总功率过功率保护，输出总功率超过30kW时自动断电进行保护。

（3）输出短路、过流保护。

（4）输出前进行回路导通检测、对地绝缘检测、线间短路检测。

（5）输出前进行模式校对，检测没有第二个机车处于“本务模式”（装置启动前检测重联电缆相电压为零，以防止相序短路）。

（6）与本务机车劈相机顺序启动保护。

2.3.2“补机”模式下的保护功能

（1）输入欠压，线电压

（2）单机输出过功率保护，三相功率>3kW。

（3）输出短路、过流保护。

（4）电钥匙开启自动关机保护，且需人工重启。

2.4 其它特殊功能

（1）过分相模式自动保持功能，即机车过分相时，三相将断电，保持工作模式记忆一段时间，过分相重新上电后，本务机车和重联机车自动按原模式工作。

（2）长时间待机自动关机功能，即系统三相上电后，1分钟内未选择工作模式，装置自动关机，需重新开机后方能工作。

（3）使用了单片机来控制各台机车电源适配装置的“本机”、“补机”工作模式，进行LED灯汉字显示，使得系统有较好的人机界面和安全保护。

3 系统研制

该系统主要由两部分组成：一是重联线，二是各机车上的电源适配装置。

3.1 电源适配装置

该装置由输入输出和单片机控制两大模块组成，原理框图见下图，其各单元的主要技术原理和作用分述如图3。

3.1.1 KM

输入输出接触器，其闭合与断开受单片机控制模块的控制。当KM断开时，装置从机车电路中切除，防止装置在待机时对机车电路造成的影响。当电源适配器处于“本务”模式工作时，KM闭合经重联电缆向补机机车上的电源适配器输送三相380V电压，当电源适配器处于“补机”模式工作时，KM闭合通过重联电缆自本务机车上的电源适配器获取三相380V电压，并输送给补机加热取暖用电器。

3.1.2 保护逻辑单元

对机车电钥匙开关的联锁线进行判断，电源适配器处于“补机”模式工作时，补机机车电钥匙开启，则本系统不能工作，以防止补机升弓后发生相序短路，见图4。

3.1.3 电流、电压采样单元

是测量的关键控制部分。通过电压、电流计算，在电源适配器处于“本务”模式工作，输出功率大于30KW时，断开KM接触器；在电源适配器处于“补机”模式工作，输出功率大于3KW时，断开KM接触器。通过电压、电流的控制，完成功率输出限制和过流、欠压保护。

同时，在电源适配器处于“本务”模式工作时，在KM接触器闭合前，检测负载电路三相电压为0V，方可闭合KM接触器，以防止多台机车组建为供电系统后，两台机车电源适配器同时处于“本务”状态，发生相序短路。

3.1.4 电源模块

将相电压降压整流，作为电源适配器工作电源，当电源适配器开机，电源模块输出1min后，电源适配器没有选择工作模式，电源适配器将自动关机。

3.1.5 闪存

在机车过分相时三相断电后，记忆电源适配器工作模式一段时间（5min），过分相重新上电后，自动按原模式工作，5min后三相没有上电，电源适配器将自动关机。

3.1.6 MCU

使用目前性价比较高的STC51系列。此芯片功耗小，抗干扰力强，并可进行系统编程，使用十分方便。作为控制单元的单片机完全可以满足使用要求。通过软件编程达到控制目的。

3.1.7 LED灯

使用使用矩形汉字覆膜灯，其具有亮度高、稳定性好。通过汉字覆膜显示。极大的方便了操作者的使用，观察直观。

3.1.8 AD转换单元

通过隔离将输入输出模块的输出电压、电流传入MCU，通过运算将输出电压、电流换算为功率进行限制。

4 产品制造

为保持装置的稳定性、可靠性，元件一律选用工业级元件。在元件选型上，保留50%以上的容量系数。

产品装车后，分别进行了进2、3、5台机车连挂测试，达到了预期效果。

5 主要技术参数

电源电压： 三相AC380V

开关量控制输入： DC77V～127V

输出电压： 三相AC380V、单相AC220V

输出功率： 本务模式30KW，补机模式3KW

作者单位

呼和浩特铁路局集宁机务段 内蒙古自治区乌兰察布市 012000