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SS4G电气线路
一、主电路
SS4改型电力机车主电路是以SS4、SS5和SS6型机车为基础,并吸收了8K和6K机车的一些先进技术而设计的,它具有如下主要特点:
a)采用传统的交一直电传动型式,牵引电机为串励式脉流牵引电机,与他励式及复励式比较,前者制造技术成熟,主电路及控制电路比较简单,相对来说比较可靠;
b)采用转向架独立供电方式,全车四个二轴转向架,具有相应的四台独立的相控式主整流器。
这种供电方式的优点,一是能够充分提高粘着利用,因为可对一节车前后两台转向架进行电气式轴重补偿,二是一台主整流器故障时,可切除一台转向架,保留3/4的牵引能力;
c)机车主整流器采用三段不等分半控调压整流电路,与经济四段桥相比,尽管在低级位上功率因数较低,但可大大简化控制系统,减少操作过电压,提高系统的可靠性;
d)机车采用加馈电阻制动,每节车四台牵引电机主极绕组串联,由一台励磁半控桥整流器供电,与常规电阻制动相比,加馈制动具有三大优点,一是可加宽调速范围,将最大制动延伸至零(为安全着想,SS4改型机车为10km/h),二是能较方便的实现恒制动力控制,三是取消了常规的半电阻制动接触器,简化了控制电路;
e)机车全部采用霍耳传感器检测直流电流、电压信号,以利司机安全,并提高系统的控制精度;
f)机车采用双接地继电器保护、每一台转向架电气回路单元各接一台主接地继电器,以利于查找接地故障;
g)为提高机车功率因数和改善通讯干扰,机车增加了PFC装置。
1、网侧高压电路(25kV)
网侧高压电路的主要设备有受电弓1AP、空气断路器4QF、高压电压互感器6TV、高压电流互感器7TA,避雷器5F,主变压8TM的高压绕组AX,PFC用电流互感器109TA,以及二节车之间的25kV母线采用高压连接器2AP连接。
低压部分有自动开关102QA、网压表103PV、电度表105PJ、PFC用电压互感器100TV,以及接地电刷110E、120E、130E和140E。
网侧电流从接触网流入升起的受电弓,经25kV车顶母线,分两路,一路为本节车,经主断路器4QF,主变压器AX绕组→车体→车体与转向架间软线→轴箱电刷→车轮→钢轨,另一路经高压连接器2AP到另一节车的车顶母线。
网侧高压电路中的低压电路主要用于检测机车网压和提供电度表用的电压信号。
SS4改型机车网侧高压电路,与以往的机车相比,具有如下特点:
a)在25kV网侧电路中,加设了新型金属氧化物避雷器5F,以取代以的放电间隙,作过电压和雷击保护;
b)加设了网侧高压互感器(25kV/100V),该互感器与SS4、SS5和SS6型机车通用,为便于司机在司机室内掌握受电弓的升降状况,该互感器设置在受电弓电路后,主断路器之前;
c)为提高机车的可靠性,实现机车的简统化,通用化设计,采用了传统的空气断路器;
d)加设有PFC控制用电压、电流互感器。
2、整流调压电路
为实现转向架独立控制方式,每节车采用二套独立的整流调压电路,分别向相应的转向架供电,牵引绕组alblx1和a2x2供电给主整流器70V,组成前转向架供电单元,牵引绕组a3b3x3和a4x4供电给主整流器80V,组成后转向架供电单元。
图1为前转向架单元的整流调压简化电路,图中所示整流调压电路为三段
不等分整流调压电路,其中各段绕组的电压为:
Ua2x2=Ua1x1=2Ua1b1=2Ub1x1=695.5V
三段不等分整流桥的工作顺序如下所述:
首先投入四臂桥,即触发T5和T6,投入a2x2绕组。
T5、T6、D3和D4顺序移相,整流电压由零逐渐升至l/2Ud(Ud为总整流电压),Dl和D2续流。
在电源正半周时,电流路径为a2→D3→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→D2→D1→T6→X2→a2,当电源处于负半周时,电流路径为X2→T5→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→D2→D1→D4→a2→X2。
当T5和T6满开放后,六臂桥投入,第一步是维持T5和T6满开放,触发T1和T2,绕组albl投入。
电源处于正半周时,电流路径为a2→D3→7l号导线→平波电抗器→电机→72号导线→T2→b1→a1→D1→T6→X2→a2,当电源处于负半周时,电流路径为X2→T5→7l号导线→平波电抗器→电机→72号导线→D2→a1→b1→T1→D4→a2→x2。
此时,T1、T2、D1和D2顺序移相,整流电压在1/2Ud—3/4Ud之间调节。
当T1和T2满开放后,T1、T2、T5和T6维持满开放,并触发T3和T4,blxl绕组投入,T3和T4顺序移相,整流电压在3/4Ud—Ud之间调节,当电源处于正半周时,电流路径为a2→D3→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→T4→X1→a1→D1→T6→X2→a2,当电源处于负半周时,电流路径为X2→T5→71号导线→平波电抗器→电机→72号导线→D2→a1→x1→T3→D4→a2→x2。
在整流器的输出端还分别并联了两个电阻75R和76R、其电阻的作用有二个:
一是机车高压空载做限压试验时,作整流器的负载,起续流作用;二是正常运行时,能够吸收部分过电压。
3、牵引电路
机车的牵引电路,即机车主电路的直流电流部分,其简化电路见图2。
机车牵引供电电路,采用转向架独立供电方式,第1转向架的第l台牵引电机1M与第2台牵引电机2M并联,由主整流器70V供电。
第2转向架的第3台牵引电机3M与第4台牵引电机4M并联,由主整流器80V供电,两组供电电路完全相同且完全独立。
每一牵引电机支路的电流路径基本相同,现以第1牵引电机支路为例加以说明。
其电流路径为正极母线71→平波电抗器11L→线路接触器12KM→电流传感器111SC→电机电枢→位置转换开关的“牵”—“制”鼓107QPR1→位置转换开关的“前”—“后”鼓107QPVl→主极磁场绕组→107QPV1→牵引电机隔离开关19QS→107QPR1→负极母线72。
与主极磁场绕组并联的有固定分路电阻14R,一级磁削电阻15R和接触器17KM,二级磁削电阻16R和接触器18KM,14R的阻值为0.20350Ω,它与主极绕组并联后,实观机车的固定磁削级,其磁削系数力0.96。
15R的阻值为0.0237Ω,通过接触器17KM的闭合,投入15R,实现机车的一级磁削级,其磁削系数为0.70。
16R的阻值为0.0102Ω,通过接触器18KM的闭合,投入16R,实现机车的二级磁削级,其磁削系数为0.54。
当17KM和18KM同时闭合时,15R、16R同时投入,实现机车的三级磁削级,其磁削系数为0.45。
图2机车牵引工况下简化电路图(1架)
牵引电机故障隔离开关19QS、,29QS、39QS和49QS均为单刀双投开关,有上,中,下三个位置。
上为运行位,中为牵引工况故障位,下为制动工况故障位。
当牵引电机之一故障时,将相应牵引电机故障隔离开关置中间位,其相应常开联锁接点打开相应线路接触器,该电机支路跟供电电路完全隔离,若误将隔离开关置向下位,则由于线路接触器已打开,虽然无电流,但导线14与16或24与26或34与36或44与46之一相连,故障电机在电位上并不能与主电路隔离,若为接地故障,则仍会引起接地继电器动作。
库用开关20QP和50QP为双刀双投开关;在正常运行时,其主刀与主电路隔离,其相应辅助接点接通受电弓升弓电磁阀,方可升弓,在库用位时,其主刀将库用插座30XS或40XS的库用电源分别与2M电机或3M电机的电枢正极引线22或32及总负极72或82连接,其辅助接点断开受电弓升弓电磁阀的电源线,使其在库用位时不能升弓,只要20QP或50QP之一在库用位,即可在库内动车。
同时,通过相应的联锁接点可分别接通12KM和22KM或32KM和42KM,从而使1M或4M通电,以便于工厂或机务段出厂试验时试电机转向、出入库及镟轮。
空载试验转换开关lOQP和60QP为叁刀双投开关,当机车出于正常运行位时,1OQP和60QP将1位和4位电压传感器112SV和142SV分别与1M和4M的电枢相连,其相应辅助接点接通12KM、22KM、32KM和42KM的电空阀。
当机车处于空载试验住时,10QP和60QP将112SV和142SV分别与主整流器70V和80V的输出端相连,同时短接76R和86R,其相应辅助接点断开线路接触器12KM、22KM、32KM和42KM的电空阀电源线,使10QP或60QP置于试验时,电机与整流器脱开,确保空载试验时的安全性。
每一台牵引电机设有一台直流电流传感器和一台直流电压传感器,其作用除提供电子控制的电机电流与电压反馈信号外,还通过电子柜处理后,作为司机台电流表与电压表的信号检测,直流电压传感器设置在电枢两端,与SS4型机车一致,它有两个优点:
一是在牵引与制动时,司机台均能看牵引电机电压,二是二台并联的牵引电机之一空转时,电枢电压的反应较快。
另外,取消了传统的电机电流过流继电器,电机的过流信号由直流电流传感器经电子柜发出,而进行卸载或跳主断。
牵引电机过流保护整定值为1300A,允差+5%。
4、加馈制动电路
SS4改型机车与其它机型主要不同之处是采用了加馈制动电路,主要优点是能够获得较好的制动特性,特别是低速制动特性。
加馈电阻制动又称为(“补足”)电阻制动。
它是在常规电阻制动的基础上面发展的一种能耗制动技术。
根据理论分析可知,机车轮周制动力为B=CφIZ,其中φ为电机主极磁通,IZ为电机电枢电流。
在常规的电阻制动中,当φ保持不变时,Iz随着机车速度的减小而减小。
因此,机车轮周制动力也随着机车速度的变化而变化。
为了克服机车轮周制动力在机车低速区域减小的状况。
加馈电阻制动采用从电网中吸收电能,并将该电能补足到Iz中去,此获得理想的轮周制动力。
机车处于加馈电阻制动时,经位置转换开关转换到制动位,牵引电机电枢与主极绕组脱离,与制动电阻串联,且同—转向架的二台电机电枢支路并联之后,与主整流器串联构成回路。
此时,每节车四台电机的主极绕组串联连接,经励磁接触器,励磁整流器构成回路。
由主变压器励磁绕组供电。
其简化电路见图3。
图3机车制动工况下简化电路图(1架)
以1M电机为例,叙述一下电路电流的路径:
a)当机车速度高于33km/h时,机车处于纯电阻制动状态。
其电流路径为71母线→11L平波电抗器→12KM线路接触器→111SC电流传感器→1M电机电枢→107QPRl→位置转换开关“牵”—“制”鼓→13R制动电阻→73母线→D4→D3→71母线;
b)当机车速度低于时33km/h时,机车处于加馈电阻制动状态。
当电源于正半周时,其电流路径为a2→D3→71母线→1lL平波电抗器→12KM线路接触器→111SC电流传感器→1M电机电枢→107QPR1位置转换开关“牵”—“制”鼓→13R制动电阻→73母线→T6→X2→a2;当电源处于负半周时,其电流路径为X2→T5→71母线→1lL平波电抗器→12KM线路接触器→111SC电流传感器→1M电机电枢→107QPRl位置转换开关“牵”-“制”鼓→13R制动电阻→73母线→D4→a2→X2;
c)加馈电阻制动时,主变压器的励磁绕组a5X5经励磁接触器9lKM向励磁整流器99V供电,并与lM—4M电机主极绕组串联,且励磁电流方向与牵引时相反,由下往上。
从励磁整流器的输出端开始,其电流路径为9l母线→199SC电流传感器→90母线→107QPRl位置转换开关“牵”—“制”鼓→19QS→107QPV1→D12→D11→107QPV→14母线→107QPR2→29QS→107QPV2→24母线→108QPR4→49QS→108QPV4→D41→D42→108QPV4→44母线→108QPV3→39QS→108QPV3→D32→D3l→92KM励磁接触器→82母线。
负极母线82为主整流器80V与励磁整流器99V的公共点,由此形成两个独立的接地保护电路系统。
第一转向架牵引电机1M和2M电枢、制动电阻及主整流器70V,组成前转向架主接地保护系统。
由主接地继电器97KE担负保护功能,第二转向架牵引电机3M和4M电枢、制动电阻及主整流器80V,励磁整流器99V组成第二转向架接地保护系统,由主接地继电器98KE担负保护功能。
制动工况时,当一台牵引电机或制动电阻故障后,应将相应隔离开关置向下故障位,则线路接触器打开。
电枢回路被甩开,主极绕组无电流,但有电位。
为了能在静止状况下检查加馈制动系统是否正常,机车在静止时,系统仍能给出50A的加馈制动电流(此时励磁电流达到最大值930A),机车在此加馈电流作用下,将有向后动车的趋势,这一点应引起高度重视,以利司机安全。
5、PFC电路
SS4改型机车主电路设置有四组完全相同的PFC装置,该装置是通过滤波电容和滤波电航的串联谐振,来降低机车的三次谐波含量,提高机车的功率因数。
它主要由真空接触器(电磁式)、无触点晶闸管开关、滤波电容、滤波电抗和故障隔离开关等电器组成,见图4。
机车采用的电磁式真空接触器具有接通、分断能力大,电气和机械寿命长等优点。
在电路中,采用该真空接触器的作用和目的主要有二点,一是当无触点晶闸管开关被击穿重燃时,利用其分断能力大的优势起电路的保护作用;二是采用该真空接触器之后,可简化机车的控制系统和机车的结构设计。
在PFC电路中设置有故障隔离开关,用于防止PFC电路出现接地时而做故障处理。
当故障隔离开关处于故障位时,一方面使PFC电路与机车主变压器的牵引绕组完全隔离,另一方面,通过其辅助联锁控制真空接触器主触头分断,同时,其主闸刀还将对电容器进行放电。
图477PFC装置的电路结构图
为确保人身安全,当司机取出司机钥匙时,在每组PFC电路中的滤波电容和滤波电抗上并联了一个低值电阻(800Ω),使得滤波电容上的电压能够快速放电。
该电阻的投入是靠一高压继电器(116KM、126KM、156KM和166KM)来实现的。
该高压继电器是在JZl5中间继电器的基础上改进设计的。
6、保护电路
SS4改型机车主电路保护包括短路、过流、过压和主接地保护等四个方面,现分述如下:
6.1短路保护
当网侧出现短路时,通过网侧电流互感器7TA-原边过流继电器101KC,使主断路器4QF动作,来实现保护,其整定值为320A。
当次边出现短路时,经次边电流互感器176TA、177TA、186TA及187TA-电子柜过流保护环节,使主断路器4QF动作,来实现保护,其整定值为3000A,允差±5%。
6.2在整流器的每一晶闸管上各串联一个快速熔断器,实现元件击穿短路保护之用。
6.3过流保护
牵引电机的过流保护考虑到牵引工况和制动工况时,牵引电机的状况不同,其过流保护的整定值和保护方式设置的也不同。
在牵引工况时,牵引电机的过流保护是通过直流传感器1llSC、121SC、131SC和141SC→电子柜→主断路器来实现的,其整定值为1300A,允差土5%A。
在制动工况时,牵引电机的过流保护是通过直流电流传感器1llSC、121SC、131SC和141SC→电子柜→励磁过流中间继电器559KA→励磁接触器91KM来实现的,其整定值为1000A,允差±5%。
在制动工况时,还设有励磁绕组的过流保护,它是通过直流电流传感器199SC→电子柜→励磁过流中间继电器559KA→励磁接触器91KM来实现的,其整定值为1150A,允差±5%。
6.4机车的过电压包括大气过电压、操作过电压、整流器换向过电压和调整过电压等。
大气过电压的保护主要采用二种方式,一是在网侧设置新型金属氧化物避雷器5F,二是在各主变压器的各次边绕组上设置有RC吸收器及非线性电阻。
牵引绕组上的RC吸收器由71C与73R、72C与74R、81C和83R、82C和84R构成,励磁绕组上的RC吸收器由93C与94R构成,辅助绕组上的RC吸收器由255C和260R构成。
当机车主断路器4QF打开或接通主变压器空载自流时,机车将产生操作过电压,通过避雷器5F和牵引绕组上的RC吸收器能够对此操作过电压进行限制。
机车的主整流器70V和80V、励磁整流器99V的每一晶闸管及二极管上均并联有RC吸收器,以抑止整流器的换向过电压。
另外,牵引电机的电压有主整流进行限压控制,其限制值为1080V,允差±5%。
6.5接地保护
牵引工况下,每“转向架供电单元”设一套接地保护系统,除网侧电路外,主电路任一点接地时,接地继电器均动作,无“死区”,接地继电器动作之后,通过其联锁使主断路器动作,实现保护。
制动工况下,具有两套独立回路,励磁回路属于第二回路,为消除“死区”回路各电势均为相加关系,为此,励磁电流方向与牵引时相反,改为由下而上故电枢电势方向亦相反,改为下正上负。
当制动工况发生接地故障时,接地继电器动作。
通过其联锁使主断路器动作,实现保护。
第一转向架供电单元的接地保护系统由接地继电器97KE、限流电阻193R、接地电阻195R、隔离开关95QS、电阻19lR和电容197C组成;第二转向架供电单元的接地保护系统由接地继电器98KE、限流电阻194R、接地电阻198R、隔离开关96QS、电阻192R和电容198C组成。
其中191R与197C、192R与198C是为了抑止97KE或98KE动作线圈两端因接地故障引起的尖峰过电压而设置的。
95QS和96QS的作用在于当接地故障不能排除,但仍需维持故障运行时,通过将其置故障位,,使接地保护系统与主电路隔离,接地继电器不再动作而跳主断路器。
此时,195R或196R与主电路相连,接地电流经此流至“地”。
7、设备代号流水数字与线号的编制说明
设备代号由二部分组成,即流水数字和文字符号。
其中,文字符号全面执行GB7159《电气技术中的文字符号制订通则>>中的规定,主电路设备代号中的流水数字的编制原则是以十位数字来划分的,划分的原则如下:
a)十位数字为“0”,代表机车原边电路上的设备;
b)十位数字为“1”,代表机车第一位电机支路上的设备;
c)十位数字为“2”,代表机车第二位电机支路上的设备;
d)同理,十位数字为“3”或“4”,分别代表机车第三、四位电机支路上的设备;
e)十位数字为“7”或“8”,分别代表机车第二、二转向架上的次边绕组和整流器上的设备;
f)十位数字为“9”,分别代表机车励磁绕组,励磁整流器和主接地上的设备;
g)PFC主电路上的设备无以上规则。
主电路导线的线号编制,基本上采用上述规则,除与电子柜接口导线线号全部采用四位数数字(千位数字为‘‘l”)外,其余导线线号为1-199。
二、辅助电路
SS4改型电力机车辅助电路系统采用传统的单—三相供电系统,辅机均采用三相异步电动机拖动,电源来自变压器的辅助绕组a6-b6-x6,其中a6-x6的额定电压为399.86V,b6-x6的额定电压为226V,单相交流电源从a6-x6经库用转换刀开关235QS至导线201、202给各辅机及窗加热、取暖设备供电,机车在库内可通过辅助电路库用插座294XS引入380V单相或三相电源,将235QS投向库用位,则辅助电路设备即可由库内电源供电。
1、单-三相供电系统
1.1辟相机分相启动
SS4改型电力机车采用的劈相机,型号为YPX3-280M-4,380V,57kW,辟相机的运转与停止通过其相应的接触器201KM控制,劈相机是单相电动机与三相发电机的组合,起动时必须在第二电动相绕组与发电相绕组间接入起动电阻263R进行分相起动,起动电阻的接通与开断由接触器213KM来执行。
起动过程由劈相机起动继电器283AK监测并控制起动电阻回路的开断。
283AK的工作电源(DC110V)从导线53l经533KT常开连锁由导线281引入,当按下劈相机按键开关后,接触器213KM闭合,起动电阻投入,201KM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279、280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283AK测得其发电相电压接近于比较电压(额定网压下,该电压值为220V,由导线202、206引入)时,283AK动作,其常开联锁闭合,导线561、568连通,则劈相机起动中间继电器566KA得电,使213KM及劈相机起动延时时间继电器533KT失电,213KM主触头打开,开断了起动电阻(263R)回路,劈相机起动完成。
同时,533KT常开联锁并断了导线531与281通路使283AK失去工作电源处于闲置状态。
辟相机起动电阻有三个抽头即备有两组,当第一组烧损可换另一组使用。
1.2通风机电动机电容分相启动
第一台牵引通风机电机3MA的电容分相启动电路是为辟相机发生故障而特设的电路。
在机车运行中,辟相机一旦发生故障,为保证其他辅机继续工作,即可切除辟相机,而以启动电容253C对风机电机3MA直接进行分相启动,这时要把辟相机故障转换开关242QS,打向“2”位,即把283AK监测辟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296QS倒向启动电容位(因启动电阻不能启动通风机),启动过程由启动继电器283AK控制,启动完成后283AK常开联锁闭合,使213KM线圈失电,其主触头打开,切除启动电容。
在运用3MA替代辟相机时,作电容分相启动时,司机操控与使用辟相机相同。
由于两节车的辅助电路未重联,因此可以一节车做辟相机电阻分相启动,另一节车(辟相机故障)做3MA电容分相启动。
2、三相负载电路
当辟相机启动完毕后,辅助回路导线201、201、203即可提供三相不对称电源,这时,各辅机可依次投入工作。
SS4改进型电力机车三相负载有:
压缩机电动机2MA一台,牵引通风机3、4MA(YFD-280S-4,37KW)二台,制动风机电动机5、6MA二台,变压器风机电动机7MA一台,变压器油泵8MA一台,各辅机电动机均通过其相对应的交流接触器203KM~212KM进行分合控制,为了改善辟相机供电系统的三相电源对称性,在3~5MA电动机的D2、D3之间接入移相电容247~252C,随电动机作负载投入而投入。
235QS为库用转换开关,机车在电网下,235QS倒向“运行”位,则主变压器辅助绕组a6-x6通过导线204、205经235QS与导线201、202连接。
从而给辅助电路提供380V单相电源,若机车处在库内时,235QS须倒向“库用”位,此时可使用的库内电源有两种:
a)库内单相电源:
一般在机务段内不起辟相机,直接启动辅机时使用,把库内三相电源接到库用插座294XS的207、208、209三点上,通过235QS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;
b)库内单相电源:
仅在制造厂或大修库内电源容量大时使用,单相电源送至库用插座294XS的207、208两点上(为插座上部两点位置),经235QS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,使库用插座上的第三点(209点)不带电,再就是若电源线误接至接点208、209上时,避免劈相机走单相。
3、单相负载电路
3.1380V单相负载电路
由导钱20l、202供电,经自动开关232QA至导线264给窗加热玻璃273EH、274EH提供380V单相交流电源。
3.2220V单相负载电路
该电路负载包括司机室空调和取暖、加热电路,该220V电源取自导线202、206。
一路经空调电源箱277AS供空调机280EV使用,自动开关230QA作该电路的过载保护;一路经转换开关245QS,向脚炉、侧墙暖风机和后墙暖风机供电,自动开关233QA作该电路的过载保护;另一路向
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