第二十三章 电力机车辅助电路 本章主要介绍电力机车辅助线路的作用、组成和辅助设备的设置等内容，以SS8型机车为代表讲述其辅助线路的工作原理、分析方法，并讨论SS8型机车的列车供电系统。通过学习要达到的要求是： 1、熟悉旋转劈相机的起动方法； 2、理解SS8机车辅助线路的工作原理及保护，掌握其分析方法； 3、能理解和分析SS8机车列车供电电路。 第一节 电力机车的辅助设备 电力机车的辅助设备是为保证主线路中各电气设备的正常工作而设置的。辅助线路是指将辅助设备及其相关的电气设备连接而成的线路。辅助线路能否正常工作，直接影响主线路能否正常工作，亦即影响机车的正常工作。 辅助线路中的设备主要有分相设备、空气压缩机组、通风机组、油泵及其它设备如取暖设备、通风设备、电热玻璃、热饭电炉、空调等。本节将介绍辅助设备的设置、辅助机组的起动、旋转劈相机的起动及辅助电路的组成等基本原理。 一、辅助线路组成 电力机车的辅助线路主要由电源电路、负载电路、保护电路组成。电源电路由主变压器辅助绕组提供单相380V和220V交流电源，再由劈相机劈成三相交流电源供给辅助机组。负载电路包括三相负载电路和单相负载电路。其中三相负载主要有空气压缩机电动机、通风机电动机、油泵电动机，通过三相交流接触器控制其工作。单相负载主要有一些加热、取暖元件，由转换开关控制其工作。保护电路主要是在辅助电路发生过流、接地、过电压、欠电压和单机过载故障时，使相应电器动作，从而达到及时保护的电路。 二、分相设备 在单相交流供电的电力机车上，若选用三相异步电动机作为辅助电机，机车内须设有分相设备，以便将单相电转变为同频率的三相电供给三相电机。分相设备主要有旋转劈相机、静止劈相机两种。静止劈相机是由晶闸管构成的一种变流器，由整流器与逆变器两部分组成，这种变流器又称为辅助电源。这里我们仅介绍旋转式异步劈相机的启动工作原理。 1.旋转劈相机的起动 旋转劈相机的结构与原理已在第十章中介绍过，它可以视为单相电动机与一个三相发电机的组合体，旋转劈相机的起动可分为直接起动和间接起动两种方式。劈相机直接起动的原理线路如图23-1所示。在接入单相电源时，闭合接触器A，电流一路通过C1-C4-C2绕组，另一路经C1-C4-C3绕组再经接触器A、起动电阻R到C2与电源构成回路。前一回路可近似看作纯电感负载，其电流滞后电源电压为90°，而后一回路为电阻——电感负载，其电流滞后电源不到90°，当电阻值较大时，电流可与电压相位接近，这样，两个支路的电流间就有一个相位差。此外，由于两回路绕组在空间布置上有一角度差，这就满足了单相电动机起动的两个基本条件，在电机内将产生一椭圆形的旋转磁场，使电枢转动。当电机电枢转动起来以后，在定子三相绕组中产生三相感应电势，由C1、C2、C3输出三相交流电，C1一C4、C2-C4称为电动相，C3-C4称为发电相。在劈相起动起来后，可以使线路中的接触器A断开，切除起动电阻R。国产电力机车均采用直接启动的方式。  图23-1劈相机直接起动的原理 三、 辅助设备的设置和起动 1、辅助设备的设置 电力机车上的各种辅助设备是为了保证机车正常运行和实现各种辅助功能而设置的，其中主要是保证主线路各电气设备的正常工作。根据机车的要求，一般有以下辅助设备： (1)分相设备。前已述及在单相交流供电的电力机车上，若选用了三相异步电动机作为辅助电机，机车内须设有分相设备，以便将单相电转变为三相电供给三相电机。分相设备是辅助线路的关键设备，同时又是辅助电路的薄弱环节，为了提高电力机车的可靠性，通常电力机车设置有两台劈相机的共同工作，或者设置一台劈相机，由一台通风机兼做劈相机用，这样如果劈相机出现故障，另一台劈相机或通风机仍能保证辅助电路的正常工作。 (2)空气压缩机及其驱动电机(简称压缩机组)。空气压缩机的作用是产生电力机车上用压缩空气 (也称风源)，其压缩空气不仅要提供机车上所有风动电器(如受电弓、主断路器、两位置转换开关、电空接触器、各种阀等)的操纵控制，更重要的是空气制动系统的动力源，故电力机车上设置有2台空气压缩机，有一定储备，以保证系统工作的可靠性，从而保证行车的安全。 (3)通风机及其驱动电机(简称通风机组)。通风机用以冷却牵引电动机、整流硅机组、牵引变压器散热器、平波电抗器、制动电阻及其它设备。 (4)循环油泵。油泵用来使牵引变压器的冷却油强迫进行循环，以进行变压器内部的冷却。 (5)其它辅助设备。主要有用来改善工作条件而设置的取暖、通风设备，此外还有电热玻璃、热饭电炉等设备。 2、辅助机组的起动 机车上的辅助机组一般不需要调速，因此采用直接起动的方式，缩短起动时间，但是直接起动时起动电流较大，若所有辅机同时起动，将会因为从电网取用电流过大而使网压过分降低，严重时会导致辅机起动失败。所以，常用辅助机组分别起动的方式解决电机同时起动带来的电流冲击问题，分别起动不致使网压过分降低。也有的机车采用电阻降压的起动方式起动辅助电机，以减小起动电流，缺点是增加了附加设备。 机车上的辅助电机一般不需要调速。也有的机车为加强对主线路某些设备的通风冷却，在牵引运行时，使通风机全速工作，当机车由牵引转入惰行时，仍使通风机以半速运转，其缺点是使相应的线路复杂了。 鉴于机车辅助电机的工作条件一般都较差，因而对电机的要求也较高，在选用电机时应有一定的裕量。另外，在实际运用中，辅助线路的故障也不少，为了能在发生故障的情况下使机车维持运行，保证铁路运输畅通，在辅助线路中也应设置故障运行线路。 第二节 韶山8型机车辅助电路 SS8机车辅助电路亦是采用传统的单—三相供电系统，辅机均采用三相异步电动机拖动。电源来自主变压器的辅助绕组a6-b6-x6，其中a6 -x6的额定电压为389V，a6-b6的额定电压229V。机车在库内可通过辅助电路库用插座13SX引入380V单相或三相电源，将6QP投向库用位，则辅助电路设备即可由库内电源供电。SS8机车设有列车供电装置，可供客车车厢空调、采暖、照明、开水炉等电器的用电需要。供电采用集中整流，分散逆变。SS8机车辅助电路原理图见附图二。 一、单——三相供电系统 1、劈相机分相起动（见图23-2） SS8型电力机车采用旋转式劈相机，型号为YPX2—280M—4，380V，57KW。采用电阻分相起动，通过其相应的接触器15KM控制劈相机的运转与停止。起动电阻53R的通断由接触器29KM控制，起动过程由劈相机起动继电器1AK监测并控制起动电阻回路的开断。1AK的工作电源（DC110V）从导线454经13KT联锁由导线281引入。  图23-2 劈相机分相起动 劈相机起动过程如下：当按下劈相机按键开关后，接触器29KM闭合，起动电阻投入，15KM闭合劈相机开始起动，这时劈相机起动继电器监测劈相机发电相电压（由导线261、262引入）来间接反映劈相机的转速，当劈相机转速达到约0.9nH，也即1AK测得其发电相电压接近于比较电压（额定网压下，该电压值约为220V，由导线201、206引入）时1AK动作，使29KM主触头打开，断开起动电阻（53R）回路，劈相机起动完成，同时1AK失去工作电源处于闭置状态。 2、通风机电动机电容分相起动 劈相机故障时，特设第一牵引通风机电动机3MA兼作劈相机，采用电容分相起动。在机车运行中，劈相机一旦发生故障，为保证其它辅机继续工作，可切除劈相机，而以起动电容23C对牵引通风机电动机3MA直接进行分相起动。这时要把劈相机故障转换开关15QS打向“1FD（2）”位，即把1AK监测劈相机发电相电压的引入线转接到3MA的第三相上，同时必须把闸刀开关5QP倒向起动电容位（因起动电阻不能起动通风机）。起动过程仍由起动继电器1AK控制，起动完成后1AK常开联锁闭合，使29KM线圈失电，其主触头打开，切除起动电容。在运用中以3MA替代劈相机作电容分相起动时，司机的操纵与使用劈相机时相同。需要说明的是3MA电容分相起动后，实现单—三相供电系统功能的同时，仍能担负自身的通风任务。 3、库用电源电路（见图23-3）  图23-3 库用电源电路 机车在库内可通过辅助电路入库插座13XS引车入库的380V单相或三相电源。此时，将6QP倒向“库用”位。可使用的库内电源有两种： （1）库内三相电源 一般在段内不需起动劈相机，直接起动辅机时使用。把库内三相电源接到库用插座13XS的207、208、209三点上，通过6QP及导线203与209之间的连接母线直接为辅助电路提供三相电源。 （2）库内单相电源 当库内具有大容量电源时，可将单相电源送至库用插座13XS的207、208两点上，经6QP给辅助电路提供单相电源，此时须使用劈相机实现单—三相供电系统。若只使用库内单相电源，也可拆开导线203与209之间的连接母线，这样做有两个目的：一是从安全角度考虑，使库用插座13XS的第三点（209点）不带电：二是若电源线误接至接点208、209上时，避免劈相机走单相。 二、负载电路 1、三相负载电路（见图23-4） 当劈相机起动完毕后，辅助电路导线201、202、203即可提供三相不对称电源，这时各辅机可依次投入工作。  图23-4 三相负载电路 SS8型电力机车三相负载有：压缩机电动机1、2MA二台，牵引风机电动机3、4MA二台，制动风机电动机5、6MA二台，变压器风机电动机8MA一台，变压器油泵10MA一台，硅风机电动机7、9、11MA三台。各辅助电动机均通过其对应的交流接触器15KM—25KM进行分合控制，为了改善劈相机供电系统的三相电源对称性，在3MA~5MA电动机的D2—D3相间接入移相电容24C~26C，随电动机作负载投入而投入。 各辅机接触器选用3TB系列三相交流接触器。 2、单相负载电路（见图23-5）  图23-5 单相负载电路 （1）380V单相负载电路 该电路主要是加热元件，由导线201、202供电，一路经自动开关16QA至导线264给窗加热玻璃1~4EH提供380V单相交流电源；另一路经自动开关17QA给壁炉及脚炉提供单相380V电源。21、22QS为窗加热开关，23、24QS为取暖开关，共有三个位置：中间“0”位为关断，“1”位为脚炉、壁炉同时开，“2”位为关断脚炉、开通壁炉，自动开关16、17QA分别作电路的过载保护开关。 （2）220V单相负载电路 该电路负载包括司机室空调及热饭电炉。220V电源取自导线201、206，一路经空调稳压器1、2AS供空调机1、2EV及热风机5、6EH使用，自动开关13QA作该电路的过载保护；另一路经转换开关18QS至220V电源插座12XS，该插座亦可供热饭电炉使用，自动开关12QA作该电路的过载保护。交流库内外转换继电器4KE所起作用是：一是机车在电网下正常工作时，库用转换开关6QP置“运行”位，其常闭联锁使4KE线圈经454导线得电动作，辅助电路202/A区的四组4KE常开联锁闭合，接通导线206—b6而接通220V电源回路，就可供单相220V负载使用。二是机车在使用库内电源时，由于置“库用”位，6QP常闭联锁打开，使4KE线圈失电，故四组4KE常闭联锁闭合，接通导线206—200（地线），使机车在库内亦可获得220V电源。 三、保护电路 SS8机车辅助电路设有过电压、过电流、接地及安全保护。 1、接地保护 在变压器辅助绕组x6与地之间设有辅助电路接地保护电路。这个装置由辅接地继电器3KE、整流元件12U、限流电阻52R、电容27C、辅接地故障开关13QS组成。辅接地保护属有源保护装置，支路经110V控制电源后接地。 当辅助电路某点接地时，辅接地保护系统形成回路，3KE动作吸合，其辅助联锁使主断路器分闸线圈得电跳闸，司机台辅接地信号显示。此时285KE常闭联锁开断，回路串入电阻52R以免出现大电流而烧损接地继电器。同时接通“自锁”电路，保持信号记忆。故障解除后，借助主断路器合闸操作，使3KE恢复。13QS是辅接地保护故障隔离开关。 2、辅机过载保护 SS8机车辅机过载保护采用自动开关保护，各辅机三相回路均接有相应的三相自动开关1～11QA，15QA。当出现辅机单相、短路、堵转等情况引起过流时，由装置的电流互感器检测电流信号，经保护电子控制插板的电路作用，相应的自动开关将进行保护动作，切断三相电源并显示故障信号。 辅机的过载保护用自动开关是热脱扣和电磁脱扣的方式执行保护任务的。该自动开关具有反时限特性，既自动开关动作时间与过载电流成反比关系。短路故障的保护是通过电磁脱扣的方式执行的，该方式动作及时，一旦发生短路故障，自动开关能在此期0.5Ｓ内进行保护动作，切断故障支路。辅机的过流保护是通过热脱扣形式执行的，该方式保护动作的时间长短由本支路中故障电流的大小决定：故障电流越大，则保护动作的时间越短；故障电流越小，则保护动作的时间越长。自动开关脱扣动作后，需间隔约２～３min后，才能恢复接通。 3、过电压保护 采用跨接在辅助绕组a6-x6两端的RC过电压保护电路，由电阻51R、21C组成，吸收过电压。 4、过电流保护 辅助电路过电流保护采用过电流继电器10KC，在辅助绕组短路或其它原因造成辅助电路短路，其电流超过2800A时，则10KC吸合动作使机车主断路器分闸，并显示辅过流信号。 5、安全联锁 SS8型机车设有安全门锁装置，由门锁保护阀YV控制。当YV得电时，控制风缸风经YV通向升弓风缸，同时锁闭钥匙箱，安全锁钥匙无法取出；当YV失电时，切断风源，钥匙箱上司机电钥匙插孔露出解锁，安全锁钥匙才能取出从而开启各室门。保护阀线圈由双路供电： 一路由控制电源线454→主电路入库转换开关7QS、8QS联锁→车顶门行程开关7QP联锁→YV线圈。 另一路由a6x6→204、205导线引入→4T降压→11u整流→导线217→YV线圈。 即使出现控制电路切断而机车高压供电依然存在的情况，YV线圈仍有一路交流供电，安全锁的钥匙仍无法取出，各室门依然打不开，从而达到确保人身安全的目的。 但该装置在运用中出现一些问题，如在靠近司机室正司机端的高压柜门锁在打开门时只要按下锁扣按钮，钥匙照样能取出，锁闭门时用强力关门照样可以升弓合闸。再如运行途中若出现钥匙折断在钥匙箱孔中，则控制风路无法开通，造成升不起弓，因此运用部门在升弓风路上加了冗余，在YV进出风管路上并联一个风管用一个阀门控制，正常情况下，阀门关闭不起作用，YV环节出现故障时则阀门打开，短接管短接钥匙箱风路，从而保证了升、降弓的正常工作。 第三节 列车供电系统 长期以来，我国普通客车一直采用轴驱式发电机供电，软卧空调车有利用柴油发电机和轴驱式发电机两种。轴驱式空调客车供电方案，由于其效率低，且停电时不能发电，从而限制了该供电方式的发展。随着客车空调装置的普遍使用，从80年代起，我国开始研制使用柴油机发电车提供三相380V交流电对空调列车集中供电，但是根据我国的能源政策，在电气化区段采用发电车供电，从发展的角度是不合理的，所以自1998年科研部门开始研究机车向旅客列车供电技术。目前这一系统已研制成功，在SS8型电力机车上使用。 一、列车供电系统组成及工作原理 该系统包括电力机车向旅客列车供电的电源装置，DC600/AC380V兼容供电空调客车，该客车上包括客车充电器、空调采暖用逆变电源，列车安全供电控制监测装置(集控供电控制器、客车漏电检测器等)。在电气化区段运行时采用电力机车集中供电(DC600V)，客车分散变流供电方式。在非电气化区段运行时，仍采用现用大功率发电车三相交流供电方式。图23-6所示为空调列车供电原理图。 （1）电气化区段系统运行方式：电气化区段，SS8型机车列车供电装置将受电弓接受的25KV单相交流电，经降压整流，滤波成600V直流电压，分两路向空调客车供电。空调客车通过配电柜供电选择开关将其中一路600V直流送入空调逆变电源装置(简称逆变器)及直流110V电源装置〈简称充电器〉。逆变器将600V直流逆变成三相5OHZ交流电向空调、电开水炉等三相交流电器负载供电。DC110V充电器将600V直流变换成110V直流，给蓄电池充电的同时向照明、供电控制等负载供电。 (2)非电气化区段系统运行方式：非电气化区段，内燃机车牵引兼容空调客车时可采用现用大功率发电机系统供电，其输出为双路380V三相50HZ。空调车只需通过配电柜供电  图23-6 空调列车供电原理图 选择开关将其中一路直接向空调装置、电开水炉等220V交流三相用电负载供电，通过充电器将三相交流电变换成直流110V蓄电池组充电的同时，向照明、供电控制等负载供电。另外也可采用专用发电车600V直流供电，此输出为双路600V直流空调客车的运行方式同电气化区段运行方式。 (3)控制电路：由于电气化区段存在分相区，因此电力机车在向客车供电时存在瞬时断电状态，为保证照明不间断，防止有节点控制器件的频繁开闭，供电系统的控制电路及照明均采用直流110V电源，每辆客车设置100Ah蓄电池组，全列车设DC110干线，以保证充电故障时客车的应急照明及控制等用电。 为防止误操作客车配电柜供电开关引起DC600V、AC380V供电回路短路，确保列车安全供电，列车设供电集控系统。供电集控系统由机车发电车上的集控器及贯穿全列车的集控线组成。机车或发电车供电均受供电钥匙及各车辆供电控制开关位置的制约，机车或发电车只有得到供电钥匙各车厢供电控制选择开关处于相对应的状态位时，才能向客车供电。 供电系统设置二级接地保护检测，以提高供电安全性。客车设本车漏电检测电路，当DC600V供电线路及三相交流用电负载对地绝缘不良时，自动切除DC600V供电。机车设有源接地保护，当空调列车干线或三相负载对地绝缘低于允许值时，保护电路动作，停止机车向客车供电。 二、 机车列车供电电源 SS8型机车设有向列车供电系统。采用集中整流分散逆变方式，即集中由机车整流。机车上设有两套供电绕组及整流装置，同时工作分别向列车供给两路DC600V电源，车辆各用户根据需要变换、取用，机车列车供电电路作为机车电气线路的一个独立系统分为主电路和控制电路。  图23-7 列车供电系统主电路工作原理图 列车供电系统主电路工作原理如图23-7所示。主电路的功能是将供电绕组输出的交流电压整流滤波成为直流600V向列车供电。它由二套相同的整流电路组成，分别向客车供电。主要电气设备有：主变压器供电绕组a7x7、a8x8电压为870V，列车供电接触器30KM、31KM，半控桥式整流装置3V、4V，滤波电路5L、6L、29C、30C，列车供电保护插座15～18XS及保护器件。下面以Ⅰ路供电电路为例介绍主电路的构成及工作原理。 供电绕组a7x7输出870V电压→真空交流接触器30KM→整流器3V半控桥整流(整流输出额定电压平均值600V，额定电流670A，α=57.82°) →滤波电抗器5L和滤波电容29C→导线309、311→列车供电插座15XS、17XS→客车车厢。 主电路的检测及保护分为： (1)过压吸收电路由阻容吸收网络67R、31C、压敏电阻6RV组成。 (2)接地保护电路由11QP接地故障隔离开关、限流电阻73R、经济电阻69R、接地继电器7KE及浪涌吸收电容33C组成。主电路的接地沿用传统有源保护电路，目的是消除保护死区，提高保护的可靠性。当列车供电主电路及客车600V干线上发生接地故障时，7KE动作，使供电接触器30KM断开，切断该路供电。接地故障若不能排除，可将11QP置非常位，使30KM断开，则该路供电无法继续工作。需指明与牵引主电路不同的是主列供电主电路不能在只有一点接地故障时带故障运行，以防止客车供电主干线发生多点接地而使事故扩大。 (3)过流保护电路:交流侧过流保护由11KC、7TA组成，过流整定值为1000A土10%。当出现交流侧过流时，11KC动作使30KM断开，切除供电电路。 直流侧过流由9SC、5SV检测送入微机，构成恒压限流控制及过流保护控制。当检测到供电输出(即直流侧)过流时，由微机发出指令使30KM断开。 小 结 辅助线路中的辅助设备是为保证主线路正常工作和实现各种辅助功能而设置。主要有为供给三相异步电动机三相电的分相设备；为产生压缩空气用以进行空气制动、驱动部分电空电器的压缩机组；用以冷却牵引电动机、硅整流机组、主变压器、平波电抗器、制动电阻等电器设备的通风机组等。辅助线路通常有电源部分、三（单）相负载、保护电路组成。辅助线路的保护有过电压、过电流、接地、欠电压及单机过载保护等。SS8型电力机车的辅助电路与其他韶山系列机车辅助电路大同小异。 机车向客车供电技术是一项新技术，它采用DC600V供电制式。 复习思考题 1、国产交直系电力机车辅助电路中设有那些主要设备？ 2、辅助机组为什么要采用分别起动方式？ 3、简述旋转劈相机的工作原理。 4、辅助线路主要由那几部分组成？ 5、SS8机车正常运行中，设201线接地，试分析其保护动作原理。 6、简述SS8机车列车供电系统的作用及组成。 7、熟悉SS8机车列车供电系统控制电路的工作原理。