現(xiàn)在列車上手機充電給旅客帶來了方便，那么旅客列車上的電是從哪里來的呢?今天就帶您了解旅客列車供電手段、技術(shù)的變遷和發(fā)展。
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旅客列車電力供應(yīng)，是根據(jù)列車牽引動力的形式，客車電氣化的程度，列車編組情況和供電設(shè)備的經(jīng)濟性等方面進行選擇，通常分為兩種：
①獨立供電;②集中供電。
我國旅客列車供電的歷程可以分成三個階段：
①獨立供電 ②集中供電 ③機車供電。
獨立供電階段
早期的旅客列車上沒有電器的，無需考慮供電問題。隨著時代的發(fā)展，車內(nèi)逐漸出現(xiàn)了電扇、電燈等的小功率用電器，為了解決用電的問題，采用了軸驅(qū)式發(fā)電機來向車內(nèi)供電，軸驅(qū)供電就是列車運行時，車軸帶動發(fā)電機向車內(nèi)供電，并向蓄電池充電;停車時，由蓄電池供電。
我國22型客車就是采用這種方式來為車內(nèi)供電，為低壓交直流供電系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由J5型軸驅(qū)式感應(yīng)子發(fā)電機(5kW，部分經(jīng)改造后功率提升為7kW)、控制箱、整流箱、24個2V蓄電池組組成。帶發(fā)電機的客車成為母車，不帶的為子車，運用中可實際根據(jù)需求靈活改變子母車的配比。
軸驅(qū)發(fā)電可以說是整個列車供電史中的先驅(qū)，解決了向客車供電從無到有的問題，但是在實際的運用中軸驅(qū)發(fā)電卻存在很多的問題。
J5型軸驅(qū)式感應(yīng)子發(fā)電機雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護的優(yōu)點。但限于當時設(shè)計水平及工藝、材料等因素的制約，電機自重較大(169kg)、效率較低。
在經(jīng)過幾次列車提速后，振動頻率提高等使得電機對轉(zhuǎn)向架的沖擊力增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架及電機吊架相應(yīng)部位產(chǎn)生疲勞裂紋危及行車安全，同時，電機自身缺乏過載保護裝置，在負荷過大時易燒毀電機繞組。
J5軸驅(qū)電機實際輸出功率大大低于額定功率，運用單位不得不增加列車中的母車比例，在大編組旅客列車的子母車配比已達1:1，無形中增加了設(shè)備開支。
同時，由于發(fā)電機配備數(shù)量的增加，給列車電壓統(tǒng)調(diào)造成困難，降低了發(fā)電機組的實際使用壽命，價格昂貴的鉛蓄電池壽命規(guī)定為4.5年，而實際使用壽命僅為3年。目前，仍存在極少數(shù)仍帶有軸驅(qū)發(fā)電的客車仍在運用。
隨著旅客對舒適度的提高、空調(diào)旅客列車的出現(xiàn)和科技的發(fā)展，從80年代開始，我國發(fā)展了用柴油作為燃料的發(fā)電車提供三相交流380V(下文簡稱AC380V)交流電壓對空調(diào)列車集中供電來替代軸驅(qū)發(fā)電，也就是我們常見的空調(diào)發(fā)電車。與此同時，軸驅(qū)發(fā)電模式中出現(xiàn)了30kW的小功率柴油發(fā)電機組的供電方式。
這種供電方式在車底架下懸掛30kW的小功率柴油發(fā)電機組，例如25B型的軟臥車、硬臥宿營車、餐車、公務(wù)車、試驗車等。這種供電式的特點是：電源與用電負載在一個車上，供、用電系統(tǒng)簡單。
這類空調(diào)客車便于機動使用;既可編掛在大編組空調(diào)列車上由發(fā)電車供電，也可單獨自身供電;可在任意線路上運行。但因柴油發(fā)電機組的功率有限，沒有其他車外供電能力。
30kW的小功率柴油發(fā)電機組的供電方式只是一個小插曲。
在空調(diào)發(fā)電車運用成熟，機車供電鋪開之前，曾有部分路局計劃將車底架下懸掛的小功率柴油發(fā)電機組功率進行改造，分別加裝100kW或200kW等級的柴油發(fā)電機組，在小編組空調(diào)旅客列車(即編組不超過10輛的空調(diào)列車，或全列中空調(diào)客車的編掛數(shù)量不超過10輛的混編旅客列車)中編掛一輛這種帶發(fā)電機組的客車，并在該車上進行控制操作、向全列供電。
彼時小編組空調(diào)列車都是采用發(fā)電車供電，由于編組輛數(shù)不多，使用負載不大，空調(diào)發(fā)電車只需單機供電，備用率過高、能力過剩，又因長期在低負荷狀態(tài)下運行，對柴油發(fā)電機組也不利。隨著機車供電鋪開，這個計劃就戛然而止了。
最后總結(jié)一下獨立供電階段的特點：
①車輛可以隨意摘掛和編組(但子車連續(xù)編掛不得超過2輛，首尾1輛為限)
②發(fā)電設(shè)備不占用車內(nèi)空間
③局部故障不影響全列車供電。
集中供電階段
即空調(diào)發(fā)電車供電，是目前我國普速空調(diào)列車主要的供電方式之一，全路仍有數(shù)量龐大的空調(diào)發(fā)電車。發(fā)電車整備后的總重在65t左右，車上裝有三臺300kW的進口康明斯柴油發(fā)電機組或MTU柴油發(fā)電機組，總?cè)萘繛?00kW，每臺機組可單獨運行亦可并車運行，向旅客列車供電時，兩臺機組工作，一臺備用，總輸出功率為2 x 300kw。
供電制式為三相四線制(400/230V,50Hz)，可從發(fā)電車任一端與列車聯(lián)掛，并分兩路主干線通過裝設(shè)于車端的四個電力連接器對外供電，每路輸電干線的額定電流為750A。發(fā)電車上有機房，配電室，乘務(wù)員室(生活區(qū))，工作時要有乘務(wù)人員值守。
國普速空調(diào)列車主要的供電方式之一
空調(diào)發(fā)電車并不是直接由柴油機來發(fā)電，而是由柴油機帶動發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機采用的是引進德國西門子技術(shù)生產(chǎn)的IFC5及IFC6高性能發(fā)電機。配送電的關(guān)鍵部件(如主開關(guān)等)，都是選用國內(nèi)最先進的產(chǎn)品。
全列車電網(wǎng)采用交流三相四線制，兩路供電，電壓制式AC380V/50Hz;車廂主干線負載容量按20輛計算，不小于600kW。每輛車的車端部均設(shè)有KC20A電力連接器(安裝有橡膠防護裝置)、播音連接器、通信連接器等。
使用空調(diào)發(fā)電車供電狀況穩(wěn)定，受外界因素干擾少，可以在任何區(qū)段運行工作。只要燃料充足，可以長時間不間斷地供電，解決了軸驅(qū)式發(fā)電停車時不能發(fā)電，只能靠蓄電池組短時供電的問題。
然而，從經(jīng)濟效益方面考慮，空調(diào)發(fā)電車供電也并不是那么理想，主要原因有以下幾點：
①占用列車編組，增加機車牽引重量，減少列車定員數(shù)。
②運營成本高，每臺空調(diào)發(fā)電車的購置費用為300多萬元人民幣，需消耗大量昂貴的柴油。發(fā)電車工作時，需要有專門的乘務(wù)人員操作、監(jiān)控。
③污染環(huán)境，有廢水、廢油、廢氣的排放。也正是這些因素，才會有前文所介紹的那段改造計劃的插曲。
實現(xiàn)機車向列車供電，尤其是在電氣化區(qū)段用電力機車向列車供電，其非?？捎^的經(jīng)濟性、合理性已經(jīng)被世界鐵路的發(fā)展所證實。所以也推動了旅客列車供電技術(shù)轉(zhuǎn)向機車供電階段。
從“七五”期間開始，鐵道部科技司會同部內(nèi)各司局、中國鐵路機車車輛工業(yè)總公司曾多次召開會議，對機車向空調(diào)列車供電進行可行性論證。在綜合比較國外空調(diào)客運列車供電方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國客運量大、列車編組長等特點，選擇了“高壓輸電、分散變流”的供電方式。
確定列車供電電壓為單相50Hz、3000V(你沒看錯…還真是這個數(shù)值)，并組織科研力量進行供電裝置的開發(fā)研制。研制過程中發(fā)現(xiàn)這種供電方式雖具有列車干線數(shù)量少、導(dǎo)線截面小等優(yōu)點，但需在客車上加裝高壓箱、降壓變壓器、整流器.逆變器等設(shè)備。
這些設(shè)備的體積和質(zhì)量較大，不利于客車軸重的輕型化，也不便于與現(xiàn)有客車供電系統(tǒng)的兼容。
“八五”期間，我國對機車向客車供電技術(shù)的必要性、經(jīng)濟效益以及技術(shù)可行性等方面進行了多次論證，認真分析了國外列車供電技術(shù)及其發(fā)展的特點，并結(jié)合國情，對高壓輸電、集中變流、分散變流等技術(shù)做了大量的試驗研究工作。
1995年開始，在對高速列車及200km/h電動旅客列車的研究中，又進行了認真的技術(shù)經(jīng)濟比較，確定了600伏直流(下文簡稱DC600V)供電方式。能為旅客列車供電的直供電機車中，除了DF4DF和部分DF11G機車“復(fù)辟”般的采用AC380V制式外，其余直供電機車均為DC600V制式。
為什么要從集中供電階段到機車供電發(fā)展?供電電壓制發(fā)生了改變?圖為采用AC380V供電制式的DF11G型機車。
列車供電干線電壓制式為DC600V，電力牽引工況和內(nèi)燃牽引工況均能較好滿足其要求，從而可兼顧列車在電氣化區(qū)段由電力機車供電和在非電氣化區(qū)段由內(nèi)燃機車供電兩種需求，適合我國鐵路運輸方面存在的同一車次列車可能需要在上述兩種區(qū)段運行的特點。
客車空調(diào)機組需要的電壓是AC380V/50Hz，電壓及頻率均須恒定，顯然上述兩種電壓是不符合要求的，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換，即變流。將供電變流設(shè)備分散安裝，整流電源配置于機車上，技術(shù)上比較成熟，可靠;機車上為供電增加設(shè)備較少，體積和質(zhì)量增加也較小，對機車的布置及軸重影響小，這無論在電力機車還是內(nèi)燃機車上均較易實現(xiàn)。
列車供電干線電壓制式采用DC600V，在客車上就只需配置完成直一交逆變功能的逆變電源，便能提供空調(diào)機組所需的AC380V/50Hz電壓，而且電壓波形可為正弦波形，不需要在整流電源與逆變電源之間再增加諸如直一直變換這類環(huán)節(jié)。
這樣，不僅客車上增加的設(shè)備少，體積和質(zhì)量較輕，整個供電系統(tǒng)的造價和維護成本也相應(yīng)降低。且DC600V供電制式采用“集中整流、分散變流”的布置方式，即整流電源只配置于機車或某一二輛車上，逆變電源、充電機等分散配置于各輛車上，供電系統(tǒng)的質(zhì)量在全列車上分配較均勻。
因而采用DC600V供電制式，是一種能較好兼顧電力機車供電和內(nèi)燃機車供電及客車需要等各方面因素的供電方式。圖為安裝在25T型客車底部的電源逆變器。
機車供電階段
機車供電可分為內(nèi)燃機車/動車組直供電和電力機車/動車組直供電。國鐵內(nèi)燃直供電機車只有兩型：DF4DF和DF11G。DF4DF型機車是專供達成鐵路(部分機車已經(jīng)轉(zhuǎn)配)，這種機型是以DF4D型機車為基礎(chǔ)，在機車上安裝了簡單的列車供電系統(tǒng)，柴油機帶著主副發(fā)電機組，由副發(fā)電機發(fā)電供應(yīng)列車。
因為沒有穩(wěn)壓系統(tǒng)，為了保證供電電壓的穩(wěn)定，當機車對列車供電時，不論在何種工況下，都要求柴油機在960r/min以上工作。
DF4DF型機車的特點是：
①供電為副發(fā)電機一整流柜一列車，結(jié)構(gòu)簡單。
②對原型DF4D機車改動小。
③對列車供電時，機車運行中的調(diào)控性能差，柴油機在高速下運行，磨耗相對比較大。
雖然DF4DF型機車的設(shè)計要求之一“既要保證機車的牽引功率，又要能為列車供電提供所需的350kW的功率”;機車裝配的16V240JZD型柴油機在供電時標稱功率可達2110kW，廠方稱能夠保證機車的正常牽引功率。
但是在實際的運用中，DF4DF型機車的表現(xiàn)卻差強人意，在向列車供電的條件下，僅能滿足向小編組旅客列車供電并同時保證足夠的牽引力。一旦向旅客列車供電，便無法牽引大編組旅客列車達速，運用效能遠不及同系列非直供電的DF4D型機車，所以DF4DF型并未大規(guī)模生產(chǎn)。
直到DF11G型機車問世之前，內(nèi)燃直供電機車一直處于空窗期。雖然內(nèi)燃直供電機車處于空窗期，但是內(nèi)燃直供電動車組卻在那個時期有過短暫的輝煌。圖為DF4DF型機車在牽引大編組旅客列車，注意機車后第一位的空調(diào)發(fā)電車。
客列車，注意機車后第一位的空調(diào)發(fā)電車
內(nèi)燃動車組直供電我們選取其最具代表性的NJZ2動車組進行介紹，NZJ2動車是一種準高速動車，具有比較成熟的列車供電控制系統(tǒng)，柴油機帶主副發(fā)電機組，由于加裝列車供電電壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)，不論柴油機在何種工況都能以穩(wěn)定的電壓向列車供電。NZJ2動車供電系統(tǒng)具有如下特點：
①列車供電線路比較成熟可靠。
②具有電壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)。
③不論柴油機在何種運用工況下，均可以向列車正常供電。
④有利于柴油機的正常運用。但由于NZJ2動車的裝車功率低(在2940～3234kW之間)，因此在列車運行時必須兩節(jié)動車同時工作，運行方向前部動車主要負責(zé)牽引，尾部動車主要負責(zé)列車供電。
一旦其中一節(jié)動車故障，全車組就“原地趴窩”了，這個問題在NJZ2動車組后末期運用中頻發(fā)。
如果NZJ2動車能夠安裝大功率柴油機(4263kW左右)，單機就具備足夠的功率滿足牽引和供電雙重功能，那么在運行中就不需要雙機同時工作，對于提高運用效率、減小機車及柴油機磨耗、降低運輸成本、增加旅客列車的編組量都有重要的意義。
這個設(shè)想是美好的，但已證實不可行，我國到目前為止最成功的一款直供電內(nèi)燃機車DF11G型采用制式為重聯(lián)型。
DF11G型內(nèi)燃機車，是戚墅堰機車廠為中國鐵路第五次大提速而設(shè)計生產(chǎn)的重聯(lián)型準高速內(nèi)燃機車。機車設(shè)計能滿足我國鐵路第五次大提速開行直達特快列車的要求，即以160km/h的最高速度一次運行超過1600公里、單司機值乘、具備列車供電。
DF11G重聯(lián)型準高速內(nèi)燃機車裝備了德國進口的MTU12V183TB12G型供電用輔助柴油發(fā)電機組及LSA47.1L11-4P型發(fā)電機，最大供電功率2X400kW，能為列車提供AC380V或DC600V的電力，供電方式為通過輔助柴油機發(fā)電機組發(fā)電，經(jīng)相控整流轉(zhuǎn)換為客車供電。
該供電方式架構(gòu)簡單，但也存在較大的缺點。首先，輔助柴油機發(fā)電機組勢必會增加機車的總重，而軸重問題是困擾內(nèi)燃機車高速客運的主要難題;其次，牽引發(fā)電機和列車供電用的輔助發(fā)電機分離的架構(gòu)不利于電能在兩者之間的自由分配;最后，這種架構(gòu)無法利用機車電阻制動時回饋的電能作為列車供電時的電能輸入使用。
近年來，隨著國內(nèi)HXN系列交流傳動內(nèi)燃貨運機車的廣泛使用，交流傳動內(nèi)燃機車的平臺已經(jīng)得以完善。為了解決DF11G型機車存在的缺點，在目前HXN3大功率交流傳動內(nèi)燃機車平臺下，設(shè)計了一種新的列車供電系統(tǒng)架構(gòu)。
利用架控模式的牽引主回路具有兩組相互獨立的中間直流環(huán)節(jié)即主發(fā)整流輸出的特點，分別從其中抽出部分電能作為列車供電系統(tǒng)的電能輸入，然后進行斬波降壓、逆變隔離后再整流輸出DC600V。
這樣不僅降低了機車軸重，還因其列供直流電能輸入和牽引中間直流環(huán)節(jié)共用的特點，可以較好的實現(xiàn)牽引電能和列供電能彼此之間的實時分配;還可在機車電阻制動工況下，把列車供電作為牽引電機回饋制動時的負載，利用牽引電動機回饋到中間直流環(huán)節(jié)的電能為列車供電提供電能輸入。
或許在不久將來，將會有采用新供電技術(shù)的直供電內(nèi)燃機車問世。
說完了內(nèi)燃機車/動車組直供電，接下來就該介紹電力機車/動車組直供電了。即通過設(shè)在電力機車或動車組上的受電弓，將接觸網(wǎng)上的單向工頻25kV交流電經(jīng)過相關(guān)設(shè)備變成可供列車電網(wǎng)使用的電能。
1997年11月，在開始研制首列機車向客車供電列車時，對供電方式再次進行了分析比較，按20輛編組考慮，對用電量、電網(wǎng)電壓的波動范圍、國內(nèi)逆變器的技術(shù)水平、電力機車承受列車供電裝置的體積、質(zhì)量及現(xiàn)用空調(diào)客車輸電干線的截流量等方面進行了計算校核。
結(jié)果表明：采用機車集中降壓、整流，DC600V輸電;客車分散變流方式比較符合國情，也可較為方便地實現(xiàn)與現(xiàn)用AC380V供電制式兼容。
在多次論證的基礎(chǔ)上，1997年下半年，鐵道部決定于1998年，在SS8型電力機車、25K型空調(diào)客車基礎(chǔ)上，進行一列由電力機車供電的列車樣車設(shè)計、試制、試驗及運用考核。
該列車由鐵道部四方車輛研究所、株洲電力機車廠、鐵道部株洲電力機車研究所、長春客車廠、四方機車車輛廠、南京浦鎮(zhèn)車輛廠等單位組成了聯(lián)合攻關(guān)小組的研制，從1997年11月開始方案選型到1998年10月1日列車正式投入運行，共11個月的時間。
首列電力機車供電空調(diào)列車由SS8型機車、20輛25K型空調(diào)客車(15輛硬座車、3輛軟座車、1輛行李車、1輛餐車)和1輛試驗用發(fā)電車組成。圖為運用中的第一列機車供電空調(diào)列車。
為保證供電系統(tǒng)設(shè)計的可靠、合理性，攻關(guān)小組于1998年3、5、8、9月分別在四方所、株電廠、鐵道部科學(xué)研究院環(huán)形試驗線、鄭武線進行供電系統(tǒng)地面試驗、樣車(SS8型機車、1輛硬座車、1輛軟座車、1輛餐車)聯(lián)調(diào)試驗、20輛編組供電系統(tǒng)全性能試驗及全列編組試運行試驗。
在完成試運行后，該列車于1998年10月1日投入運用考核，擔(dān)當北京至武昌間K79/80次旅客運輸任務(wù)。首列機車供電空調(diào)列車供電系統(tǒng)采用DC600V/AC380V兼容制式。
在電氣化區(qū)段，列車采用DC600V電力機車供電;在非電氣化區(qū)段，列車仍采用發(fā)電車三相交流供電。
該列車的運營，這標志著我國在機車向列車供電方面已邁出了重要的、實質(zhì)性的一步。之后國鐵進行了三項工作：
①此后生產(chǎn)的電力客運機車都加裝列車供電裝置。
②開展了兼容供電空調(diào)客車的研制，在25K型空調(diào)客車基礎(chǔ)上進行，并對現(xiàn)存數(shù)量龐大AC380V制式客車進行DC600V兼容改造。
③開始生產(chǎn)采用DC600V供電制式的客運列車。
電力動車組的供電原理和電力機車直供電差不多，其輔助供電系統(tǒng)主要由輔助變流器、輔助整流器及相關(guān)組件構(gòu)成。由輔助變流器將25kV交流電轉(zhuǎn)化為三相AC400V電源，經(jīng)輔助整流器提供給車上用電設(shè)備，此外輔助供電系統(tǒng)還具備應(yīng)急供電功能，在斷電后提供短時應(yīng)急電力供應(yīng)。
最后總結(jié)一下機車供電的特點：
①發(fā)電功率大，可以滿足車輛越來越大的用電需求。
②電網(wǎng)電壓高，利于減少車輛供電線損。
③列車需固定編組，不能隨意摘掛，要求電網(wǎng)有非常高的可靠性。目
前我國的鐵路系統(tǒng)點長線多且存在不少跨多區(qū)段的旅客旅客列車，短時間內(nèi)不可能實現(xiàn)全線電氣化和全機車供電還有客車車輛的升級改造，所以目前普速旅客列車的供電方式還是空調(diào)發(fā)電車供電和機車供電并存，供電制式AC380V/DC600V并存(近幾年還有不少AC380V制式的新造客車下線)的局面。
