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SS3B电力机车主电路探究论文










SS3B 电力机车主电路探究

xxx



业:机车车辆

主考学校:兰州交通大学 准考证号:xxx 指导教师姓名职称:xxx(副教授) 甘肃省高等教育自学考试办公室印制 年 月 日


机车车辆专业 本科论文

SS3B 电力机车主电路探究 To explore the main circuit of SS3B electric locomotive

王富江 Wang fu jiang

兰州交通大学自考本科毕业论文





SS3B 电力机车是第二代机车技术产物 SS3型电力机车的改产品, 技术有承前启后的也 有被取代的必要性。 SS3B 型电力机车调压方式采用了以单向半控桥式整流电路为调压理 论基础的不等分三段桥半控整流电路, 三级磁弱升速的具有磁弱和调压配合控制型的调 压电路。 供电方式是转向架电机并联独立供电方式, SS3B 型电力机车的制动方式是加馈 电阻制动。 此外, 由于 SS3B 型电力机车的电气设备布置与电气控制等方面与 SS3型电力 机车设计的更加合理, 这是该电力机车拥有恒流启动, 准恒速限压运行的调速控制特性。 随着新型电力机车应用和推广工作的深入,列车技术的改进和发展,SS3B 型电力机 车的安全性、可靠性和节能性等问题已成为阻碍它继续推广的障碍,如:SS3B 型电力机 车功率因数是并不理想的三段桥整流装置所产生的谐波, 给正常运行的电网造成干扰乃 至危害, 使辅助电路系统提供电力的劈相机的启动接触器线圈经常烧坏, 造成停车事故, 牵引变压器渗、漏油故障等,这些情况不仅给机车的正常运行带来隐患,也增加了机车 的检修成本。 本论文主要对 SS3B 型电力机车主电路的构成及所用电气设备的参数、 组成部分及维 护作了简单的介绍。引言部分介绍了 SS3B 型电力机车的构成和参数以及主电路的构成 部分。第一章介绍二极管和整流管等电子元件;第二章介绍 SS3B 型电力机车主电路中的 网侧高压电路,调压整流电路,牵引、整流电路,主电路保护电路。第三章开始介绍主 电路中的各种高压电器做了简单的介绍,第三章介绍主变压器及平波电抗器。第四章介 绍硅整流装置。第五章介绍小部件高压电器包括主断路器、受电弓和电控接触器。

关键词:韶山 3B 型电力机车;主电路;介绍与探究 论文类型:应用研究

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SS3B 电力机车主电路探究

Abstract
SS3B electric locomotive is the product of second generation locomotive technology products of SS3 type electric locomotive, technology and need to be replaced. SS3B type electric locomotive voltage regulating method using one-way half controlled bridge rectifier circuit pressure theory foundation for the adjustment of unequal three stage bridge half controlled rectifier circuit, three stage magnetic weak acceleration has magnetic weak and pressure control type voltage regulating circuit. Power supply is the bogie motor parallel independent power supply mode, braking system for SS3B electric locomotive is resistance brake and feed. In addition, the design of SS3B type electric locomotive electrical equipment layout and electrical control and SS3 electric locomotive is more reasonable, this is the electric locomotive with constant current startup, quasi constant speed limit control pressure operation control characteristics. With the electric locomotive application and promotion work in depth, the improvement and development of train technology, safety, reliability and efficiency of SS3B type electric locomotive has become an obstacle to it to extend the obstacles, such as: power factor of SS3B type electric locomotive is the harmonic generated three bridge rectifier is not ideal, cause the interference and damage to the normal operation of the grid, the auxiliary circuit traction transformer oil leakage, seepage, etc., which not only brings hidden trouble to the normal operation of the locomotive, but also increases the cost of maintenance of locomotive. This thesis mainly consists of the main circuit of SS3B electric locomotive and the parameters used for electrical equipment, parts and maintenance are introduced. The introduction part introduces the structure and parameters of type SS3B electric locomotive and constitute the main circuit part. The first chapter introduces the diodes and rectifiers and other electronic components; the second chapter introduces the network side high voltage circuit of main circuit in SS3B electric locomotive, traction, pressure regulating rectifier

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II-

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circuit, rectifier circuit, main circuit protection circuit. The third chapter begins with the introduction of a variety of main circuit of HV to do a simple introduction, third chapter of main transformer and smoothing reactor. The fourth chapter introduces the silicon rectifying equipment. The fifth chapter introduces the widget high-voltage electrical appliances including main circuit breaker, pantograph and an electric contactor. Keywords: Shaoshan 3B electric locomotive; main circuit; introduced and explored Type of thesis: Application Research

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摘 引



要 ..................................................................................................................................... I 言 ................................................................................................................................. - 1 1.1 大功率整流二极管 ................................................................................................. - 2 1.1.1 结构与伏安特性 .......................................................................................... - 2 1.2 半控型电力电子器件——晶闸管 ........................................................................ - 3 1.2.4 晶闸管的测试、保护和应用 ...................................................................... - 7 -

Abstract .................................................................................................................................... II 1 电力电子器件 ................................................................................................................... - 2 -

2 主电路 ............................................................................................................................... - 9 2.1 网侧高压电路 ........................................................................................................ - 9 2.2 调压整流电路 ......................................................................................................... - 9 2.3 牵引、制动电路 .................................................................................................. - 11 2.4 主电路保护电路 .................................................................................................. - 13 2.4.1 过电压保护 ................................................................................................ - 13 2.4.2 过电流保护 ................................................................................................ - 14 2.4.3 接地保护 .................................................................................................... - 14 3 主变压器与平波电抗器 ................................................................................................. - 16 3.1 主变压器的技术参数和结构 .............................................................................. - 16 3.1.1 主要技术参数 ............................................................................................ - 16 3.1.2 结 3.2.1 铁 3.2.2 线 构 ........................................................................................................ - 18 心 ........................................................................................................ - 21 圈 ........................................................................................................ - 21 3.2 平波电抗器 ........................................................................................................... - 20 -

3.3 电流互感器 ........................................................................................................... - 21 4 硅整流装置 ..................................................................................................................... - 24 4.1 整流装置的结构与组成 ....................................................................................... - 24 4.2 整流装置的均流、均压及保护 ........................................................................... - 25 -

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4.3 触发脉冲输出部分 ............................................................................................... - 27 5.高压电器 .......................................................................................................................... - 28 5.1 主断路器 ............................................................................................................... - 28 5.1.1 与其它类型的断路器相比,空气断路器具有下列优点: ................... - 28 5.1.2 TDZlA-10/25 型空气断路器主要技术参数 ............................................. - 28 5.1.3 基本结构及主要部件的作用 ................................................................... - 29 5.2 受 电 弓 .............................................................................................................. - 32 5.2.1 结 构 ......................................................................................................... - 33 5.2.2 动作原理 .................................................................................................... - 33 5.2.3 受电弓的维护和调整 ................................................................................ - 34 5.3 电空接触器 ........................................................................................................... - 35 结 致 论 ............................................................................................................................. - 38 谢 ............................................................................................................................. - 39 -

参 考 文 献 ....................................................................................................................... - 40 附录 A 韶山 3B 型电力机车主电路原理图 .................................................................... - 41 -

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韶山 3 型电力机车是我国电力机车第二代产品, 是吸收第一代韶山 1 型和韶山 2 型 电力机车成熟经验,并在韶山 1 型电力机车改进的基础上,设计试制而成的大功率客、 货运干线电力机车。 韶山 3 型(代号 SS3)电力机车依据 1977 年 11 月铁道部下达的设计任务书,1978 年年底设计试制完成样机,经型式试验、技术改进、运行考核,于 1982 年 12 月通过部 级技术鉴定后投入批量生产。随着晶闸管相控调压技术在电力机车上的应用日趋成熟, 1992 年开始,改进后的韶山 3 型 4000 系(简称韶山 3B 型)电力机车开始批量生产。 韶山 3B 型电力机车采用大功率硅整流管和晶闸管组成的桥式全波整流电路, 晶闸管 相控平滑调压及采用恒流、 准恒速限压控制, 使机车具有无极加速特性, 从而启动平稳、 加速度大;采用小时功率 800kW、具有补偿绕组的脉流串励 4 极牵引电动机,功率与韶 山 3 型相同,比韶山 1 型机车提高 14.3%,机车具有更大的牵引力;机车轮轴制动功率 达 4000kW 采用立式电阻制动装置, 电阻制动功率比韶山 1 型机车提高 25%, 机车具有更 大的制动力,同时,由于韶山 3B 型机车具备加馈电阻制动特性,强化了机车低速工况下 的制动能力,比韶山 3 型电力机车具有更优越的制动特性;构架式承载结构车体,不但 结构简单,工艺性好,且有较高的强度,车体可满足事故工况下救援起吊机车的承载要 求;C0 转向架、不等轴距、平拉杆牵引装置和弹性轴箱拉杆传递牵引力,使之有较好 的轴重转移性能和曲线通过性能;一系悬挂为钢圆簧,二系悬挂为叠片式橡胶弹簧,并 配置有垂向和横向液压减振器,结构简单,维修量小,也有较好的动力学性能;箱式单 缸制动器、闸瓦间隙自动调节,使基础制动系统简化,性能可靠,方便维护;牵引电机 抱轴半悬挂、双边斜齿减速传动,适应于设计工艺的传统性,有利质量与产量的提高; 大面积立式百叶窗车体通风方式,结构简单,风速低、风阻小,有利于改善滤尘网式结 构的滤尘性能;车内设备斜对称布置、双边走廊、成套安装,使其有较好的工艺性、维 修性和巡视性。 韶山 3B 型电力机车上各种电机、电器设备按其功能和作用、电路电压等级,分别组 成三个基本独立的电路系统,称为主电路辅助电路控制电路(含电子电路)。三个电路 在电方面基本相互隔离而通过电—磁、电—空、电机械传动方式相互联系起来,以达到 自动或间接控制协调工作的目的,保证司机能安全正常地操纵机车运行。

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1 电力电子器件
1.1 大功率整流二极管
变流装置中不仅要用大功率的晶闸管变流器件,同时还要用大功率 ZP 型硅整流二 极管,它的工作原理、伏安特性曲线等虽然与中小功率整流二极管相似,但它的主要参 数的规定、选定原则等却有不同,与 KP 型晶闸管相似,因此在选用时应加以注意。 1.1.1 结构与伏安特性 (1) 结构 目前大功率的整流二极管,外形结构与晶闸管相似如图 1.1 所示,可分为螺旋式和 平板式,而平板式又分为风冷式和水冷式。二极管仅有阳极 A 与阴极 K。螺旋式二极管 的阳极紧栓在铝制散热器上。

图 1.1 整流二极管的符号与外形 (2) 伏安特性 二极管的阳极与阴极间的电压和流过管子的电流关系称为伏安特性。 当施加在阳极 与阴极正向电压从零开始逐渐增大时,开始阳极电流很小,这一段特性曲线很靠近横坐 标。当正向电压超过 0.5V 时,阳极电流急剧上升,管子正向导通。如果电路中不接限 流元件,则二极管最终将会烧损。 1.1.2 主要参数 (1)额定正向平均电流 I D ( AV ) 在额定的环境温度为 40? C 和标准散热条件下,元件 PN 结温度稳定且不超过 140? C 时,所允许长时间连续流过 50H Z 正弦半波的电流平均值。将此电流值规定系列的电流 等级就是元件的额定正向平均电流 I D ( AV ) ,简称额定电流。 (2)反向重复峰值电压 U RRM

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在额定结温条件下,取元件反向伏安特性不重复峰值电压 U RRM 的 80 % 称为反向重 复峰值电压 U RRM ,将 U RRM 值取规定的电压等级就是该元件的额定电压。 (3)正向平均电压 U D ( AV ) 在额定的环境温度为 40? C 和标准散热条件下,元件通过 50H Z 正弦半波额定正向平 均电流时, 元件阳、 阴极之间电压的平均值, 取规定系列组别称为正向平均电压 U D ( AV ) , 简称管压降,一般在 0.5 ~ 1V 之间。 1.1.3 型号及选择的原则 (1)型号 Z(整流特性)P(普通行)□(额定正向平均电流系列)―□(反向重复峰值电压等级 (额定电压等级))□(正向平均电压组别)(小于 100 A )不标。 (2)选择原则 选择 I D ( AV ) 的原则,在规定的室温和冷却条件下,二极管发热不超过额定值,只要所 选的管子额定电流有效值 I Dn 大于管子在电路中可能流过的最大电流有效值 I D max 即可。 考虑到半导体元件的过载能力比一般电机电器产品小得多, 因此选择时考虑 1.5 ~ 2 倍的 安全余量是必要的,即

I Dn ? 1.57I D? AV ? ? ?105 ~ 2?I D max I D( AV ) ? ?1.5 ~ 2?I D max / 1.57

(1.1) (1.2)

选择 U RRM 的原则:选择大功率二极管 U RRM 的原则与选择晶闸管相同,即所选的二 极管额定电压应为二极管在所工作的电路中可能承受到的最大反向瞬时值电压的 2 ~ 3 倍,即

U RRM ? ?2 ~ 3?U D max

(1.3)

选择 U D ? AV ? 的原则:根据设计要求,选取所规定的相应系列组别。除特殊要求外, 容量在 100 A 以下通常不考虑管压降组别。管压降越小,元件发热与损耗也越小,相应 价格就越高。 此外,大功率二极管在使用中应注意的事项与下节要介绍的晶闸管相同。

1.2 半控型电力电子器件——晶闸管
晶闸管(Thyristor)是硅晶体闸流管的简称,俗称可控硅(SCR),其正名称应是反 向阻断三端晶闸管。除此之外,在普通晶闸管的基础上还派生出许多新型器件,它是工 作频率较高的快速晶闸管(Fast Switching Thyristor,FST)、反向导通的逆倒晶闸管 ( Reverse Conducting Thyristor,RCT )、两个方向都具有开关特性的双向晶闸管
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(TRIAC)、门极可以自行关断晶闸管(Gate turn off thyristor,GTO )、门极辅助 关断晶闸管(Gate Assisted turn off thyristor,GATO)及用光信号触发导通的光控 晶闸管(Light Controlled Thyristor,LCT)等。 1.2.1 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的外形及其图形符号如图 1.2 所示,是三端四层半导体开关器件,共有 3 个 PN 结, J 1 、 J 2 和 J 3 ,如图 1.3(a)所示,A(anode)为阳极,K(cathode)为阴极,G (gate)为门极或控制极。若把晶闸管看成由两个三极管 VT1 ( P1 N1 P2 )和 VT 2 ( N1 P2 N 2 ) 构成,如图 1.2,则其等值电路可表示成图中虚线框内的两个三极管。对三极管 VT1 来 说 P1 N1 为发射结 J 1 , N 1 P2 为集电结 J 2 ;对于三极管 VT 2 , P2 N 2 为发射结 J 3 , N 1 P2 仍为 集电结 J 2 ;因此 J 2 ( N 1 P2 )为公共的集电结。当 A、K 两端加正电压时, J 1 、 J 3 结为 反偏置, 中间结为正偏置。 晶闸管未导通时, 加正压时的外加电压由反偏置的 J 2 结承担, 而加反压的外加电压则由 J 1 、 J 3 结承担。

图 1.2 晶闸管的外形及其图形符号 1.2.2 晶闸管的特性 晶闸管阳极与阴极间的电压和阳极电流的关系,称为晶闸管的伏安特性。晶闸管的 伏安特性位于第一象限的是正向伏安特性, 位于第三象限的是反向伏安特性如图 1.4 所 示。其主要特性表现如下。 (1)在正向偏置下,开始器件处于正向阻断状态,当 U AK ? U AO 时,发生转折,经 过负阻区由阻断状态进入导通状态。从图 1.4 中可以看到,这种状态的转换,可以由电 压引起(电压触发导通),也可以由门极电流引起(门极触发导通)。 (2) 当 I G 2 ? I G1 ? I G 时,U A2 ? U A1 ? U AO ,且一旦触发导通后, 即使去掉门极信号, 器件仍能维持导通状态不变。这时二极管、三极管所没有,晶闸管所特有的性质,称为 自锁或擎住特性。可见,晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。因此,触发电流常采 用脉冲电流,而无须采用直流电流。
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(3)导通之后,只要流过器件的电流逐渐减小到某值,器件又可恢复到阻断状态。 这种关断方式称为自然关断,除此之外,还可采用加反偏电压的方法进行强迫关断,或 施加负的门极信号进行门极关断。 (4)在反向偏之下,其伏安特性和整流管的完全相同。 1.2.3 晶闸管的主要参数 (1)晶闸管的电压定额 ①额定电压 U R 在门极开路( I G ? 0 ),器件额定结温度时,图 1.4 中正向和反向折 转电压的 80 % 值称为断态正向重复峰值电压 U DRM 和断态反向重复峰值电压 U RRM 。因 此,对晶闸管在其额定结温、门极开路时允许重复施加 U DRM 和 U RRM ,这两个电压中较 小的一个电压值规定为该晶闸管的额定电压 U R 。

图 1.4 晶闸管的特性曲线 ②由于在电路中可能偶然出现较大的瞬时过电压而损坏晶闸管, 在实际电力电子变 换和控制电路设计和应用中,通常按照电路中晶闸管正常工作峰值电压的 2 ~ 3 倍的电 压值选定为晶闸管的额定电压,以确保足够的安全裕量。 ③通态峰值电压 U TM 。规定为额定电流时的管压降峰值,一般为 1.5 ~ 2V ,且随阳极 电流的增大而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为 1 V 左右。 ⑵晶闸管的电流定额 ①晶闸管的额定电流 I R 。在环境温度为 40? C 和规定的散热冷却条件下,晶闸管在 电阻性负载的单相、工频正弦半波导电,结温稳定在额定值 125? C 时,所对应的通态平 均电流值定义为晶闸管的额定电流 I R 。 晶闸管的额定电流也是基于功耗发热而导致结温 不超过允许值而限定的。如果正弦电流的峰值为 I M ,则正弦半波电流的平均值为
I AV ? 1 2?
?

?

0

I m sin ??t ?d ??t ? ?

Im

?

(1.4)

已知正弦半波的有效值(均方根值)为

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I?

1 2?

?

?

0

I m sin??t ? d ??t ? ?
2

Im 2

(1.5)

由式 ?1.4? 和式 ?1.2? 得到有效值为
I? 1 ?I AV ? 1.57 I AV ? 1.57 I R 2

(1.6)

即产品手册中的额定电流为 I R ? I AV 100A 的晶闸管可以通过任意波形、有效值为
157 A 的电流, 其发热温升正好是允许值。 在实际应用中由于电路波形可能既非直流 (直

流电的平均值与有效值相同)又非半波正弦;因此应按照实际电流波形计算其有效值, 再将此有效值除以 1.57 作为选择晶闸管额定电流的依据。当然,由于晶闸管等电力电 子半导体开关器件热容量很小,实际电路中的过电流又不可能避免,故在设计应用中通 常留有 1.5 ~ 2 A 的电流安全裕量。 ②浪涌电流 I TSM 浪涌电流系指晶闸管在规定的极短时间内所允许通过的冲击性电流值,通常 I TSM 比 额定电流 I R 大 4? 倍。例如, 100 A 的元件,其值为 ?1.3 ~ 1.9?kA ; 1000 A 的元件,其值为

?13 ~ 19?kA 。
③维持电流 I H 维持电流是晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流。 当通过晶闸管的实际电流小于 维持电流 I H 值时,晶闸管转为断态,大于此值时晶闸管还能维持其原有的通态。 ④擎住电流 I L 晶闸管在触发电流作用下被触发导通后,只要管子中的电流达到某一临界值时,就 可以把触发电流撤除, 这时晶闸管仍然自动维持通态, 这个临界电流值称为擎住电流 I L 。 擎住电流 I L 和维持电流 I H 都随结温的下降而增大。但是请注意,擎住电流和维持电流 在概念上是不同的。通常擎住电流 I L 要比维持电流 I H 大 2 ~ 4 倍。 ⑴动态参数 ①开通时间 ton 和关断时间 toff 。承受正向电压作用但处于断态作用的晶闸管,当门 极触发电流来到时,由于载流子度越到基区 P2 需要一定时间,阳极电流 I A 要延迟 t d 才 开始上升,之后再经过一个 t r (使基区载流子浓度足够), I A 才达到由外电路所决定的 阳极电流稳定值。晶闸管由断态到通态的开通时间 ton 定义为 ton ? td ? t r ,其中, t d 为延 迟时间, t r 为上升时间。

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当以处于通态的晶闸管从外电路施加反向电压于晶闸管 A 、K 两端,幷迫使它的阳 极电流 I A 从稳态值开始下降为 0 后, 晶闸管中的各层区的载流子必须经过一定时间才能 消失,恢复其正向阻断能力。晶闸管的关断时间 toff 定义为从阳极电流下降到 0 开始, 到晶闸管恢复了阻断正向电压的能力,并能承受规定的而不误导通所必需的时间。 晶闸管的关断时间与元件的结温、 关断前的阳极电流大小及所加的反向阳极电压有 关。普通晶闸管的 toff 约为几十微秒左右。为缩短关断时间应适当加大反压,并保持一 段反压作用时间,以使载流子充分复合而消失。快速晶闸管的 toff 可减少到 20?s 以下, 可用于高频开关电路的高频晶闸管,其关断时间更短(小于 10?s )。 ②断态电压临界上升率 du dt 。在规定条件下,不会导致从断态到通态转换的最大 阳极电压上升率。其数值对于不用等级(共 7 级)的晶闸管是不同的,最差的 A 级器件 为 25 V ?s ,最好的 G 级晶闸管高达 100 V ?s ,一般的是 ?100 ~ 200?V ?s 。 ③通态电流临界上升率 di dt 。在规定的条件下,为晶闸管能够承受而不致损害的 通态电流的最大上升率。目前最差的 A 级晶闸管为 100A ?s ,最好的 G 级晶闸管为

500A ?s ,一般的是 ?100 ~ 200?A ?s 。
1.2.4 晶闸管的测试、保护和应用 1.测试晶闸管的简易方法 晶闸管是 4 层三段半导体器件,根据 PN 结单向导电原理,用万用表欧姆挡测试晶 闸管 3 个电极之间的电阻, 就可以初步判断管子是否损坏。 好的管子, 用表的 R ? 1000 挡 测量阳极与阴极之间正反向电阻都应很大, 用 R ? 10 或 R ? 100 挡测量门极与阴极之间阻 值,其正向电阻 rGK 应小于或接近于反向电阻 rKG 。 2.晶闸管的保护 对晶闸管的保护主要考虑过电压保护和过电流保护。 晶闸管过电压有以下几种原因:雷电原因,变压器一次侧突然接通或突然断开;正 向电流突然切断;直流侧负载突然断开等。过电压的保护措施主要是在晶闸管的两端并 联阻容吸收电路。另外,在电路设计时,选择晶闸管的额定电压为线路中经常发生的最 大电压的 2 ~ 3 倍,以提高电压裕度。还可以将两个晶闸管串接,再用并联电阻均压后 使用。采用这种办法的好处是经济,同时还可以防止电路中一个器件被击穿时造成其他 器件的连续损坏。

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晶闸管过流的主要原因:过负载,负载侧短路,器件本身短路。对其进行过电流保 护一般采用串联快速熔断器的方法,还可以利用电源、变压器或直流回路的内阻抗来限 制故障电流的大小及上升率。 3.晶闸管的应用 晶闸管的出现, 使大功率变流技术进入了一个以弱电为控制, 强电为输出的新时代。 它主要应用在可控整流、逆变和变频、斩波调压、电力电子开关、不间断电源等领域。 随着大功率全控型电力电子器件的产生,普通晶闸管主要用于整流电路,在其他方面的 应用正在逐渐减少。

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2 主电路
韶山 3 B 型电力机车主电路原理图如附录 1,它具有以下特点: 1. 调压方式——主变压器低压侧晶闸管不等分三段半控桥式相控调压方式。 一桥为

1 1 U 半控大桥,二、三桥均为 U 半控小桥,从而前大桥相当于两段桥,后小桥 2 4
相当于四段桥相控无级调压特性。 2. 整流方式——采用双拍全波桥式整流电路, 主整流桥采用三段桥式串联接法, 其 中二、三段小桥是一种叠加式经济桥接法。 3. 供电方式——机车牵引工况时各转向架的牵引电动机为并联状态分别由相应的 硅整流装置集中供电,称之为转向架独立供电方式。 4. 电阻制动——机车制动工况时,6 台牵引电机各自接成他励发电机状态,励磁电 路由 6 台电机主极全串联和励磁硅整流装置构成。 各电机电枢分别于对应的制动 电阻串联后, 按各转向架电机并联与半控大桥构成电路, 从而可实现加馈电阻制 动。 5. 保护形式——有短路、过流、过载、过电压、接地保护等多种功能装置。 6. 主电路基本型式——“交直传动系统”。能量传递是从接触网 25 kV 工频交流供 电,经由主变压器降压,调压整流装置转换为可调节的直(脉)流牵引电动机实 现拖动任务。

2.1 网侧高压电路
单相工频 25 kV 交流电源从接触网导线经由受电弓 1SD 或 2 SD 送入机车。高压电路 电流由受电弓经主空气断路器 QD 、高压电流互感器 1LH (同时也间作高压穿墙绝缘子) 送至主变压器 ZB 的原边绕组 A ? X ,经低压电流互感器 2LH 后接向车体,再经机车接 地装置到车轮,通过钢轨向变电所回流。 机车接地装置包含车体底架至转向架构架、 构架至轴箱的接地线及轴箱至车轴的接 地碳刷装置。前者是平拉杆牵引装置和一、二系悬挂装置的旁路,构成电路通道,后者 是轴箱轴承的旁路,保护轴承免受电蚀。

2.2 调压整流电路
网 侧 高 压 25 kV 经 主 变 压 器 ZB 降 压 至 次 边 绕 组 a1 ? x1 、 a 2 ? x 2 固 定 绕 组 和
a 3 ? b3 ? x 3 , a 4 ? b4 ? x 4 分段绕组,以上各绕组全电压均为 1071V ,其分段绕组的各段

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电压为 535 .5V ,从而构成 1071 、 535 .5 、 535 .5V 不等分三段绕组供电,再经桥式硅整流 装置变流后分别向 M 1 ~ M 3 、 M 4 ~ M 6 牵引电动机供电。而其中 a 3 ? b3 ? x 3 分段绕组 中又另有抽头 c3 , a 3 ? c 3 是电压为 198V 的励磁绕组,专向电阻制动工况的励磁整流装 置供电。 韶山
3B

型电力机车的调压整流采用晶闸管相控调压系统。牵引工况时 a1 ? x1 和

a 3 ? b3 ? x 3 ,a 2 ? x 2 和 a 4 ? b4 ? x 4 绕组分别同 1ZGZ 、2 ZGZ 硅整流装置各自构成两个

转向架独立供电不等分三段半控桥式调压整流电路。 不等分三段半控桥式调压整流电路 的升压顺序控制如下:第一段 a1 ? x1 ? T 11 、 T12 、 D11、 D12 ( a 2 ? x 2 ? T 21 、 T 22 、 D21、

D12 )大桥调压,整流桥输入电压 1071V (空载),通过控制 T11、 T12 ( T 21、 T 22 )臂 1 晶闸管导通角, 使直流输出电压由 0 至 U d 平滑调节 ( U d 是调压整流装置输出总电压) , 2 直 至 T11 、 T12 ( T 21 、 T 22 ) 晶闸管全 导通。第二段 a 3 ? b3 ? T 13 、 T14 、 D13 、 D14( a 4 ? b4 ? T 23 、 T 24 、 D 23 、 D24)小桥调压整流桥输入电压 535 .5V (空载),通
1 3 过控制 T 13 、T14 ( T 23 、T 24 )臂晶闸管导通角,使直流输出电压由 U d 至 U d 平滑调 2 4 节, 直至 T 13 、T14 ( T 23 、T 24 )晶闸管全导通。 第三段 b3 ? x 3 ? T 15 、T 16 、D13 、D14 、
( b4 ? x 4 ? T 25 、 T 26 、 D 23 、 D24)小桥调压,整流桥输入电压 535 .5V (空载),通过

3 控制 T 15 、T 16( T 25 、T 26 )臂晶闸管导通角,使直流输出电压由 U d 至 U d 平滑调节, 4 直至 T 15 、 T 16 ( T 25 、 T 26 )晶闸管全导通。见图 3-1 分段调压波形图,从而完成了
整个不等分三段半控桥的顺控调压过程。 机车调速控制是通过司机控制器手柄 SKT 在牵引工况时置于“0、*、2、4、6、8、 10”位;制动工况时置于“0、11、9、7、5、3、1”位的恒流准恒速特性控制给定进行 的。运行中各牵引电机通过相应的直流电流传感器 1 ~ 6ZLH 反馈电流信号,取 6 个反馈 电流信号中的最大值与给定值比较,通过调节晶闸管导通角,使牵引电机电流达到给定 值维持恒流状态。又通过在 1 ~ 6 轮轴上安装的速度传感器 1 ~ 6 SH 反馈速度信号,取 6 个反馈速度信号中的最小值与给定值比较,按照前述的准恒速特性控制函数,实现机车 的准恒速状态。因此韶山 3B 型电力机车的特性控制即恒流准恒速控制,有较高的自控水 平与抑制空转和滑行的性能, 例如 SKT 置于 5 位牵引启动, 先按 I ? 450 A 恒流控制启动, 当机车达到约 40 km h 速度时,进入准恒速控制运行, 5 级的牵引准恒速特性区在
40 ~ 50km h 速度范围( I ? 450 ~ 0 A 范围),机车在该速度区找到平衡速度点运行。同

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理,SKT 置于高级位即可获得高的准恒速特性速度点运行。机车高级位控制还受到粘着 限制特性曲线和牵引电机 1550V 限压特性曲线的限制。 机车恒流控制取用 6 台牵引电机电流最大值比较, 准恒速控制取用 6 周速度传感器 转速最小值比较,所以在电机发生空转时,不会改变特性控制状态。并由于韶山 3B 型电 力机车设有空转(滑行)保护控制,能及时采取撒砂和降负载的措施去抑制空转和滑行 的扩展,有良好的粘着再回复能力。 不等分三段桥式硅整流装置,其常用调压范围为四段桥特性,所以其电压的调压波 形与两段桥电路相比波形畸变偏小,有较高的功率因数,而相比常规的 4 段相控桥结构 又较简单。 机车电阻制动时, 励磁电源由主变压器绕组 a 3 ? c 3 和半控整流桥 T 17 、T 18 、D13 、

D14提供,整流桥输入电压 198V (空载),通过控制 T 17 、 T 18 臂晶闸管导通角,实现
0 ~ 650 A 平滑调节 6 台串联的制动工况发电机他励绕组的励磁电流。

为实现晶闸管调压整流电路的机车空载高压试验,在各整流桥输出端分别接有
1ZGZR 、 2 ZGZR ( 3ZGZR 、 4 ZGZR )负载电阻,每组 1.5k? 、 1.8kW 。

2.3 牵引、制动电路
韶山
3B 型电力机车具有

6 台 800 kW 脉流牵引电动机( M 1 ~ M 6 ),牵引时分别按

转向架组合,各 3 条支路并联。各支路除牵引电机外,还有线路接触器 1 ~ 6 XC ,它在 司机控制器 SKT 回“ 0 ”时切断支路,并保证位置转换开关在 1 ~ 6 XC 开断状态后转换, 还使得在惰性工况时断开各支路使牵引电动机不处在并联状态, 从而可以避免由于电机 剩磁所引起的不良后果,提高了机车的可靠性;直流电流传感器 1 ~ 6ZLH 检测牵引电动 机电流,向电子控制柜 ZGZK 提供控制用反馈电流信号,又作为牵引过载保护的电流检 测环节,保护动作整定值为 800 A ? 5% ,过载动作后,封锁晶闸管整流装置触发脉冲,并 通过电子柜内小型中间继电器执行,跳机车主断路器及故障显示。牵引电流表
1 ~ 6QI ( 0 ~ 1000 A )也经直流电流传感器 1 ~ 6ZLH ( 500A 100mA )获得信号直接向司

机指示牵引电机电流值;位置转换开关 1 ~ 6WH 是一种鼓形开关,用来改变牵引电机主 极绕组的正、反接法以实现机车“向前”、“向后”的转换;又以改变牵引电机的串励 电动机接法或他励发电机接法来实现机车“牵引”、“制动”的转换; 1 ~ 6QGK 为牵 引电机隔离开关, 当某台牵引电机故障时, 可通过其相应的隔离开关去进行隔离和转换, 在控制电路中,隔离开关的连锁切断相应的 1 ~ 6 XC 线圈电路,同时又实现线路接触器 的开断状态;为降低牵引电机主极绕组的电流交流分量,改善整流换向性能,在主极绕 组并联一组固定分路电阻 1 ~ 6CXR ,阻值 0.42 ? ,对主极形成 0.95 的磁场削弱系数,而

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主极的交流分量将小于 25 % 。为扩大机车的恒功范围,在主极绕组上再并联磁场削弱电 阻,分三级两组电阻,Ⅰ级削弱电阻 11 ~ 61CXR ,阻值 0.063 ? ,通过 11 ~ 61CC 电空接 触器闭合接入,磁场削弱系数为 0.7 ;Ⅱ级削弱电阻 12 ~ 62CXR ,阻值 0.027 ? ,通过
12 ~ 62 CC 电空接触器闭合接入, 磁场削弱系数为 0.54 ; Ⅲ级磁场削弱是通过 11 ~ 61CC

和 12 ~ 62 CC 电空接触器的同时闭合接入,使 11 ~ 61CXR 和 12 ~ 62CXR 并联,阻值
0.0189 ? ,磁场削弱系数为 0.45 。此外,直流电压传感器 1ZYH 、 2ZYH ( 2000 V 80mA )

用于牵引电机端电压信号检测,向电子控制柜提供控制用反馈电压信号,又作为牵引电 机 1550V 限压控制的电压检测环节。牵引电压表 1QU 、 2QU ( 0 ~ 2000V )也经直流电 压传感器 1ZYH 、 2ZYH 获得信号直接向司机指示牵引电机电压值。为在机车空载高压 试验时能显示硅整流装置的输出电压,设有空载试验开关 4KYK 、 5KYK ,直流电压传 感器 1ZYH 、 2ZYH 分别接在其中点,机车正常运行时合运行位,测量 M 2 、 M 5 电机电 枢端电压机车空载试验时合向试验位,测量硅整流装置 1ZGZ 、 2 ZGZ 输出端 3、5(4、 6)电压值。 为减小主电路的电流脉冲量,牵引电路中有两台平波电抗器 1PK 、 2PK ,每台平 波电抗器分别同各转向架中 3 台并联牵引电机形成串联电路, 它的平波作用电路的电流 脉冲系数小于 30 % 。 电阻制动时主电路通过 1 ~ 6WH 两位置转换开关置 “制动” 位接成他励发电机电路。 此时 6 台电机主极绕组全串联, 同时励磁电空接触器 LC 闭合, 此时控制 1ZGZ 中的 T 17 、

T 18 、 D13 、 D14 励磁整流桥作为励磁电源向他励主极绕组电路提供励磁。为保证发电
机状态的电枢电流测量仍为 1 ~ 6ZLH 系统, 发电机状态与电动机状态的电枢电流方向应 一致,则要求电阻制动工况下主极绕组的电流要与牵引工况时相反,这就是此时 6 台主 极绕组串联电路所必须注意的接法,励磁电流的检测通过直流电流传感器

7ZLH ( 500A 100mA )向电子控制柜提供信号,与司机控制器指令构成励磁电路的闭环
控制。同时 7ZLH 还是励磁保护和电流表 1LI 、 2LI ( 0 ~ 1000 A )的检测信号装置,励 磁电流表分别在Ⅰ、 Ⅱ端向司机直接指示励磁电流值。 各电枢与相应的制动电阻 1 ~ 6ZR (阻值 3.54 ? ) 串联, 而后各转向架中 3 台并联同主整流桥 T11、T12 D11、D12( T 21、

T 22 、 D21、 D22)组成各自独立的制动电路,制动时将列车的动能转变为电能,由作
为负载的制动电阻把电能转变为热能排向大气而消耗,以达到减速与限速的目的。制动 电流(电枢电流)通过直流电流传感器 1 ~ 6ZLH 的检测向电子控制柜反馈电流信号,同 时,速度传感器 1 ~ 6SH 向电子控制柜反馈速度信号,从而构成对制动电路的闭环控制, 根据司机控制器的级位指令( 11 ~ 1 位),按照前述的准恒速特性控制函数实现限流准

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恒速特性控制。 例如 SKT 置于 5 位制动减速, 先按 I ? 450 A 的恒功自然特性作限流控制, 当机车 达到约 49 km h 速度时 进入准 恒速制 动控制 , 5 级 的制动 准恒速 特性区在
40 ~ 49 km h 速度范围( I ? 0 ~ 420 A 范围),机车在该速度区找到平衡速度点运行。韶

山 3B 型电力机车电阻制动的特点是具有加馈电阻制动特性, 当机车限流特性制动进入低 速区( ? 46 km h ),励磁电流调节已达到最大值 650 A 的限制值,而这以后制动发电机 由于机车速度低,其发电电势 E 随速度下降而下降,制动电流无法维持不变,而在低速 区要获得最大恒制动力特性, 此时只能依靠主整流桥 T11、T12 D11、D12 ( T 21、T 22 、

D21、 D22 )相控输出整流电压 U d ,对制动电路施加电流加馈,以维持制动电流不变
( I ? ?U d ? E ? R ) ,实现恒制动力特性,故称之为加馈电阻制动方式。当机车速度到
19 km h 后,主整流桥晶闸管已全导通,加馈制动功率达到最大值,故在小于 19 km h 以

后制动电流不再维持不变,制动力先沿最大励磁限制线下降,再沿主桥整流输出限制线 下降,直到速度为 0 时保持加馈制动电流 50 A 。在机车静止状态保持 50 A 加馈制动电流 是为了在静止高压试验时检查加馈电阻制动系统的正确性。但请注意机车在 50 A 加馈制 动电流状态下会实现一定的反转力矩趋势,故试验时要空气制动抱闸以保安全。直流电 流传感器 1 ~ 6ZLH 又作为制动电流保护和电流表 1 ~ 6QI 检测装置,1 ~ 6QI 电流表向司 机直接指示电流值,在制动电流限流环节失控情况下,制动电流保护环节(整定值
450 A ? 5% )实施保护作用,断开 LC 电空接触器切断励磁电路。

机车利用库用电源入库动车时,通过主电路库用插座 1ZCZ 或 2 ZCZ ,分别经库用 转换开关 1KYK 或 2KYK ,使入库电流接至第二位或第五位牵引电动机,司机应认为把 位置转换开关扳在相应位置, 1KYK 或 2KYK 从运行位转向库用位,合上牵引电机隔离 开关 2 或 5QGK ,就可用 M 2 或 M 5 牵引电机动车。当 M 2 、 M 5 牵引电机均处在故障情 况需入库动车时, 就应借助于相应线路接触器的闭合措施来实现其他牵引电机的入库动 车。库用电源是直流,采用正线输入,负线接地(车体),再经钢轨回流。

2.4 主电路保护电路
2.4.1 过电压保护 机车运行中有可能承受来自外部的雷击, 高达几十万伏以上的雷击电压将通过接触 网侵入机车车顶,称为大气过电压。另一种来自来自机车内部电气设备的操作,如主断 路器开闭,各种电器开关的分合,硅整流装置的元件整流换向等工作状态引起的电压冲 击称操作过电压,这些都会危及到机车电气设备的安全。

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网侧过电压保护装置采用氧化锌避雷器 FDQ ,额定电压为 24 kV ,残压 ? 105 kV ,被 安装在车顶上,接在主断路器弧触头与隔离闸刀之间,以防止外部大气过电压侵袭。避 雷器放电后,相当于电网对地短路,会引起牵引变电所跳闸。
a2 ? x2 、 a3 ? x3 、 a4 ? x4 主变压器次边过电压抑制装置是跨接在主变压器 a1 ? x1 、

端的 R ? C 过电压保护电路,主保护电阻 1 、 2 、 3 、 4ZBR 为 2.5? 、 1.2kW ,主保护电 容 1 、 2 、 3 、 4 ZBC 为 6?F 、 1.5kV ,吸收次边过电压将过电压峰值抑制在 6% 以下。 2.4.2 过电流保护 机车运行中出现短路,例如变压器绕组匝间短路、硅元件支路击穿、牵引电机环火 等,都要采用过电流保护。网侧电路短路与接地,变压器次边绕组匝间短路,通过电流 继电器 YGJ 及高压电流互感器 1LH (变比 200 5 )保护。电流达到 400 A ? 5% 整定值时, 电流继电器相应动作电流为 10 A , YGJ 动作吸合使主断路器 QD 分闸。高压电流互感器 以上的车顶电路发生短路与接地时, 机车自身不能保护, 只有通过牵引变电所跳闸保护。 次边电路短路、硅元件支路击穿、整流输出端短路等通过电流互感器 3 、 4 、 5 、
6 LH ( 3000A 1A )经电子制动柜 ZGZK 进行保护,当次边电路电流达到 3000 A ? 2% (有

效值)整定值时,电子保护插件动作使主断路器跳闸。 硅 整 流 装 置 中 的 T 13 、 T14 、 T 17 、 T 18 、 T 23 、 T 24 晶 闸 管 臂 均 串 接 有
NGT 3 ? 630 1000 V 型快速熔断器作为硅臂短路保护。

牵引电机支路的短路、电机环火、过载等通过直流电流传感器 1 ~ 6ZLH 检测,经电 子控制柜 ZGZK 来实施保护。 牵引工况时过流保护整定值 800 A ? 5% ,保护动作使主断路 器跳闸。 制动工况时过电流保护整定值 450 A ? 5% , 保护动作经励磁中间继电器 LCZJ 使 励磁接触器 LC 分闸。制动工况时还有励磁过电流保护,通过直流电流传感器 7ZLH 检 测,经电子控制柜来实施,整定值 700 A ? 5% ,保护动作同样经 LCZJ 使 LC 分闸,切换 励磁电路。 2.4.3 接地保护 由于电气设备或导电线的绝缘损坏将会造成主电路接地故障。 导电体直接与车体钢 结构接触或绝缘性能不能再恢复,视为“死接地”;导电体通过通过空气对地闪络放电, 视为“活接地”。如接地故障出现两点以上,将会导致短路故障而烧损设备和导线,故 在一点接地时必须首先采用接地保护装置进行保护。 韶山 3B 型电力机车主电路接地保护 采用两套接地保护系统,分别接在各转向架独立供电电路主整流桥 1ZGZ ( 2 ZGZ )的中 点 7 号线( 70 号线)上,接地保护由接地继电器 1ZJDJ ( 2 ZJDJ ), 并联的分路电阻

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1FLR ( 2FLR )( 500 ? , 200W ),串联的限流电阻 1XLR ( 2XLR )( 300 ? , 200W )组成,再
经 110V 控制电源正极至负极后接地,这是一套有源保护系统,除网侧电路以外,主电 路中任何一点接地时,接地电位与 110V 电压叠加构成接地继电器动作电压,因为有源 是一个 110V 固定电位即使在“ 0 ”接地电位时仍保证接地继电器动作,实现全区域式保 护, ZJDJ 动作后使主断路器 QD 分闸。 接地继电器采用双线圈结构,分动作线圈和恢复线圈。动作线圈接在主电路上,主 电路接地故障时流过电流而使继电器吸合,继电器吸合衔铁触动显示信号机构脱扣,起 到信号显示记忆作用;恢复线圈就装在信号机构中,由控制电路供电,操作恢复线圈得 电动作可以消除信号记忆而使信号机构复原。 韶山 3B 型电力机车主电路接地保护在制动 工况同时对制动电路与励磁电路实施保护。 机车运行中接地故障若无法消除和处理,在确认只有一点接地故障情况下,可以通 过主接地故障转换开关 1 或 2 ZJDK 转向故障位运行,即切除了相应接地继电器,通过高 阻接地电阻 1 或 2 ZJDR ( 15 k? )形成固定接地点,机车故障运行时因已无接地保护,要 求司机必须加强巡视,以便发现意外情况时人为采取跳主断路器措施。

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3 主变压器与平波电抗器
3.1 主变压器的技术参数和结构
主变压器( TBQ3B ? 7000 25 型主变压器)是交流电力机车上的重要部件,用来把接 触网上的 25 kV 高压电降为具有多种电压的低电压,以满足机车各种电机、电器工作的 需要。 3.1.1 主要技术参数 主要技术参数 额定容量?????????????????????????? 6700 kVA 高压绕组???????????????????????? 6700 kVA 牵引绕组???????????????????????? 6700 kVA 辅助绕组???????????????????????? 6365 kVA 励磁抽头???????????????????????? 140 kVA 额定电压: 高压绕组???????????????????????? 25000V 牵引绕组?????????????????? ?1071? 535.5 ? 2? ? 2V
V 辅助绕组??????????????????????? 397 218

励磁抽头????????????????????????? 198V 额定电流: 高压绕组????????????????????????? 265 A 牵引绕组????????????????????????? 1485 A 辅助绕组???????????????????????? 805 20A 励磁抽头????????????????????????? 700 A 出现套管标号: 高压绕组????????????????????????? A, X 牵引绕组????????? a 1 , x1 , a 2 , x 2 , a 3 , b3 , x 3 , a 4 , b4 , x 4 辅助绕组????????????????????? a 6 , x 6 , a 6 , b6

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励磁抽头????????????????????????? a 3 , c 3 调压方式?????????????????????????三相桥顺控 空载电流??????????????????????????? 0.7% 空载损耗?????????????????????????? 5400 W 负载损耗( 75? C )??????????????????????? 11200 W 阻抗电压: 高压绕组—牵引绕组????????????????????? 14 % 高压绕组—辅助绕组???????????????????? 4.6% 冷却方式????????????????????强迫油循环风冷(OFAF) 通风机: 型 风 潜油泵: 型 流 扬 连 号?????????????????? TG80 ? 200 10 D ? 2 量???????????????????????? 80m3 h 程????????????????????????? 200Pa 号?????????????????????? TZTF 6.0# ? C 量??????????????????????? 18000m3 h

电机功率????????????????????????? 14 kW

电机功率????????????????????????? 10kW 接 组???????????????I,( I 0 ? I 0 )- ( I 0 ? I 0 ),I0,I0 高压绕组 X 端对牵引、辅助绕组和地(A 端不进行工频试验)??? 5kV 基本绕组与调压绕组串联后对地及其它????????????? 7kV 辅助绕组对地及其它????????????????????? 5kV 感应耐压试验??????????????????????? 50H Z , 30s 外施耐压试验?????????????????????? 50H Z , 1min

240%U n 试验时高压绕组 X 端必须接地,此时高压绕组 A 端对地电压?? 60 kV
重量: 器
kg 身???????????????????????约 5540 kg 邮箱及附件??????????????????????约 4060 kg 变压器油???????????????????????约 2900



kg 重???????????????????????约 12500

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3.1.2 结

构 心

(1)铁

主变压器的铁心为芯式结构,采用性能优良的冷轧硅钢片,牌号为 DQ151? 35 ,硅 钢片厚度为 0.35mm 。为降低铁损,硅钢片叠积时两片一叠交替进行。硅钢片不冲孔, 采用环氧玻璃粘带绑扎,经烘干固化而成。硅钢片表面覆有一层薄的氧化膜,有一定的 绝缘作用,所以硅钢片可以不涂漆。心柱截面采用 11 级阶梯状断面。这种冷轧硅钢片 的导磁有方向性,导磁方向与硅钢片轧制时的辗压方向一致则损耗最小,因此,硅钢片 下料和剪片时,应使导磁方向 与辗压方向一致。铁心用夹件夹紧,夹件与硅钢片之间有夹件油道以作绝缘和冷却油流 路径。 铁心的主要技术数据见表 3.1 心柱直 径(mm) 290 两 心 柱 中 心 距 (mm) 755 窗 高 心柱净 心 柱 磁 硅钢片 截 574 面 通 密 度 重 (T) 1.5555 2098 量 (mm) (kg) 叠 片 空载损 空载电 系数 0.92 耗(W) 流(%) 5400 0.7

(mm) 1310

表 3.1 主变压器铁心数据 (2)线 圈

主变压器有四种线圈:高压线圈、基本线圈、调压线圈、辅助线圈。基本线圈与调 压线圈又可统称为牵引线圈。基本线圈贴靠铁心柱布置,基本线圈的外侧是高压线圈, 高压线圈的外侧是调压线圈及辅助线圈。基本线圈无抽头,调压线圈有中点抽头。基本 线圈和调压线圈的总匝数相等,皆为 54匝。它们的电压也相等,皆为 1071V 。调压线圈 的中点抽头处匝数为 27 匝,电压为 535 .5V ,这就构成了三段电压,使机车实现三段桥控 制。辅助线圈没有单独的绝缘筒,它和调压线圈绕在一个绝缘筒上。 在一个调压线圈的 10 匝处,设置一个抽头,构成了 198V 的励磁电压,以作机车电 制动用的励磁电源。 高压线圈( AX ):主变压器有两个高压线圈,分别布置在 A 柱和 X 柱上。高压线 圈为连续式,由单根导线绕制,不必换位。导线采用 ZB ? 0.45 的纸包线,“ ZB ”表示 纸包扁线,“ 0.45 ”表示导线两边绝缘厚度为 0.45 mm。线规为
3.05 ? 10 ,分子表示裸 3.50 ? 10 .45

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导线尺寸,分母表示带绝缘后的尺寸。每个高压线圈有 70个线段, 1260 匝。两个高压 线圈是并联的。 基本线圈( a1 x1 , a2 x2 ):主变压器有两个基本线圈,分别布置 A 柱和 X 柱上。这 两个线圈在电路上也是不联结的。线圈为螺旋式(单螺旋),由 8 根导线并绕。为了使 8 根并联导线间电流分配均匀,必须尽可能使个根导线长度相等,以及同漏磁场交链的磁 链相同,以避免由漏磁电势引起环流。为此,线圈须进行换位。基本线圈采用的是一次 标准换位及两次特殊换位。 这种换位方法同韶山 3 型机车主变压器的基本线圈是类似的。 基本线圈的导线采用 ZB ? 0.45 的纸包线,线规为 上所说为 54匝,电压为 1071V 。 调压线圈( a3b3 x3 , a4 b4 x4 ):主变压器有两个调压线圈,分别布置在 A 柱和 X 柱 上。这两个线圈在电路上也是不连接的。线圈为双饼式线圈。每个调压线圈有 24 个双 饼计 48个线段,共 54匝,在 27 匝处有抽头(分别为 b3 , b4 ),这就形成了两个 535 .5V 电压的两个小段,总电压还是 1071V 。在机车启动及调速过程中,会出现一个小段工作 (例如 a 3 , b3 及 a 4 , b4 ),而另一个小段尚未工作(例如 b3 , x 3 及 b4 , x 4 )的情况。 这时,为减小漏磁,我们把调压线圈做成对称布置的线圈。调压线圈的导线和基本线圈 的导线是相同的,仍为 ZB ? 0.45 ,
3.28 ? 13 .5 ,每个调压线圈有 8 根线并联。 3.73 ? 13 .95

3.28 ? 13 .5 ,每个基本线圈的匝数如 3.73 ? 13 .95

A 柱的调压线圈在 10 匝处有抽头( c 3 ),在端子 a 3 c 3 间形成 198V 的电压,用作
电制动时的励磁电源。 辅助线圈( a6 x6 a6 b6 ):主变压器的辅助线圈在两个心柱上布置在调压线圈高度

1 3 的约 高度区及 高度区。每注有 4 个双饼计 8 个线段,两个相邻的双饼是并联的,共 4 4 有 6 根导线并联。而两柱各高度区的双饼顺次串联。辅助线圈有 20 匝,电压为 397V 。
在 11 匝处有抽头 b6 ,形成 a6b6 之间 218V 的电压。辅助线圈的线规亦是 ZB ? 0.45 ,
3.28 ? 13 .5 。 3.73 ? 13 .95

(3)油



变压器的器身放在充满变压器油的油箱中。油箱壁是用 8mm 厚的钢板焊接而成的, 内腔尺寸为长×宽×高 ? 1580 ? 1240 ? 2009 .5mm 。在油箱壁上焊有吊攀,用以起吊整台 变压器。当器身未进箱时,由于侧面有油冷却器,会使空箱重心偏移。为此,在靠近冷 却器的侧壁上,加设 2 个吊攀,以作平稳起吊空箱用,箱壁上共焊有 6 个吊攀。油箱壁

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上焊有两块 16mm 厚的安装板。安装板上各有 6 个长孔,用 M 24的螺栓把变压器固定在 车体上。箱壁四周焊有一些加强筋板,油箱上装有油管,用来接通油路。在油箱壁的下 部装有 50活门,以作注油、滤油和放油用。此外,还装有油样活门,由此取油样,以对 变压器油进行化验用。箱底钢板的厚度为 12 mm 。箱底上设有放油塞,用作放净箱底残 存的变压器油。

3.2 平波电抗器
韶山 3B 型电力机车是交-直传动的电力机车,整流器输出电压是脉动电压,因而在 整流电路中流过的必然是脉动电流。为改善牵引电动机的换向,就要减少整流电流的脉 动,故在牵引电动机的回路中串接另外的电感装置,这就是平波电抗器。 整流电流相对脉动的大小用电流的脉动因数 Ki 表示
1 ?I max ? I min ? I ? I min Ki ? 2 ? 100% ? max ? 100% Id I max ? I min

(3-1)

式中 I max -最大电流;
I min -最小电流;

I d -平均电流;

韶山 3B 型电力机车采用的是 TXP 3 型平波电抗器, 每台车有 2 台平波电抗器。 3 台牵 引电动机并联后与 1 台平波电抗器串联, 因此平波电抗器通过的电流是 1 台转向架上的 3 台牵引电动机电流之和。 对于牵引电动机, 当负载电流在广泛的范围内变化时, 希望电流脉动因数 Ki 维持常 数,要达到这要求,平波电抗器的电感电流曲线应为双曲线,即平波电抗器的电杆值应 与其电流成反比。但实际的平波电抗器特性曲线与双曲线有出入,实际的电流脉动因数
Ki 是在一定范围内变化的。

平波电抗器主要技术参数 型 号????????????????????????? TXP 3 电压等级????????????????????????? 3kV 持续电流(直流)?????????????????????? 1485 A 小时电流(直流)?????????????????????? 1650 A 交流 300 A 时电感????????????????????? 12.3mH 直流电阻( 75? C )???????????????????? 0.02062 ?

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绝缘等级??????????????????????????? B 冷却方式????????????????????????强迫风冷 重 3.2.1 铁 量???????????????????????约 1850kg 心

铁心由硅钢片叠成,硅钢片的牌号为 DW 465 ? 50 , 0.5mm 厚。该种硅钢片为晶粒无 取向冷轧硅钢片,表面有涂层,但不很牢固。在冲剪、运输时要小心,以免碰破凃层。 心柱截面为 7 级阶梯状,近似圆形,外接圆直径为 290 mm ,叠厚 220 mm ,净截面积
500m m2 。心柱的中间部分做成分段的,每柱有 5 段,每段铁心的高度为 50 mm 。每心

柱有 5 个 20mm 及 1 个 10mm 的气隙,每柱气隙共 110 mm ,整台平波电抗器的气隙为
220 mm 。铁轭做成矩形,净截面积 515cm2 。铁心窗高 540 mm ,两柱中心距 600 mm 。上

下铁轭与分段铁心之间的夹紧是用 4 根黄铜棒制的 M 22 拉螺杆紧固的。黄铜棒是非导 磁材料。电抗器的拉螺杆不能用导磁的普通钢棒制做,否则会出现磁短路而使气隙失去 作用,从而使平波电抗器不能运行。 3.2.2 线 圈

线圈由 16 个线饼串联而成,每饼 10 匝,共 160 匝。每个线饼由 2 根 5.5 ? 22 mm 软 扁铜线并饶而成,铜线间用 2 mm 环氧玻璃布板冲成的特殊垫块隔开。 平波电抗器的线饼是单饼绕成的, 单饼绕好后接线圈绕向要求焊接内部联线和外部 联线,外部联线是在线饼套到铁心柱上后进行的。

3.3 电流互感器
为了测量一次测电流和对一次侧进行继电保护以及进行主回路保护, 韶山 3B 型电力 机车上装设了三种电流互感器,即测量级电流互感器和保护级电流互感器。 电流互感器的基本工作原理与变压器相似,也是利用电磁感应原理工作的,但它又 具有与变压器不同的特点:第一,一次侧电流是主电路电流,与互感器的二次侧负载无 关;第二,电流互感器的二次负载阻抗必须很小(一般为 0.4? 左右),电流互感器正 常工作时接近于短路状态;第三,电流互感器二次线圈不允许开路运行。因为开路运行 时,由一次侧电流产生的磁势得不到二次磁势的抵消而全部成为励磁磁势,使电流互感 器铁心饱和,在二次侧端子上出现较高的过电压,对工作人员的安全和仪表的绝缘都是 很危险的。高度饱和的铁心也会因铁损过大,发热加剧而损坏互感器的绝缘。因此,互 感器的二次线圈和外壳都应可靠接地。

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电流互感器一次侧额定电流 I1n 与二次侧额定电流 I 2 n 之比 K n 称为电流互感器的额 定电流比
Kn ? I 1n N 2 ? I 2n N1

(3-2)

式中

N 1 、 N 2 -分别为一次侧、二次侧线圈匝数。

电流互感器在运行中,由于有励磁及铁心损耗,需要很小一部分励磁电流,因而由 二次侧电流 I 2 按电流比 K n 折算到一次侧的电流 K n ? I 2 与一次侧实际电流 I 1 有差值,这 个差值以百分数表示,即为比差
f ? K n ? I 2 ? I1 ? 100% I1

(3-3)

通常 Kn I 2 ? I1 ,所以 f 一般为负值。如果 Kn I 2 ? I1 (例如容性负载时), f 就为正 值了。 励磁电流还会产生相角差 ? 。相角差是指实测的一次侧电流向量同反转 180? 后的二 次侧电流向量间的夹角,用“分”来表示。 韶山 3B 型电力机车车顶上装设的电流互感器,处于主变压器网侧(高压)绕组的进 线端,是一种高压交流电流互感器,型号为 TBL1 ? 25 .这种高压交流电流互感器是一种 穿墙式电流互感器。其一次线圈(高压部分)是用一根圆铜棒与主变压器网侧绕组的 A 端相连,二次线圈(低压端)接电流继电器,做主电路短路保护用。它是保护级电流互 感器。要求它具有良好的过电流工作特性,具有较大的饱和倍数。
TBL1 ? 25 型高压电流互感器的技术参数



号??????????????????????????? TBL1 ? 25

额定电流比??????????????????????????? 200 5 额定电压????????????????????????????? 25 kV 额定二次负载( cos? ? 0.8 )???????????????????? 1650 A 准确级次?????????????????????????????? 10 饱和倍数(误差 10 % 时)??????????????????????? 6 重 量????????????????????????????约 95kg 高压电流互感器的技术参数

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高压电流互感器一次线圈匝数为 1 ,由 ?16 mm 铜棒制成。棒的两端有螺纹 M 16 , 用以连接载流导线。户外端为 L1 ,户内端为 L 2 。 二次线圈采用 ? 2.1mm 双玻璃丝包圆铜线沿铁心均匀绕成 40 匝,出头标记为 K1 、
K2 。

铁心采用 0.35mm 厚的冷轧硅钢片 DQ151? 35,利用滚剪机下成 55mm宽的条料,然 后绕成内径 225 mm ,外径 400 mm ,宽 55mm的环形铁心,并进行退火处理。 铁心和线圈一起装在由两个铝制半法兰 3 拼成的法兰盘中,两个半法兰用螺栓连成 整体,下部用薄钢板制成的护罩 6 盖紧。用绝缘纸圈作为二次线圈对法兰盘、护罩的绝 缘。互感器通过两个半法兰安装在车顶上,因此是接地的。在半法兰与瓷瓶之间用环氧 树脂浇装使成一体。在瓷瓶的浇装部位用铜丝加绕一个短路匝,短路匝的两端固定在接 地的半法兰上,以使瓷瓶的浇装部分接地良好。

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4 硅整流装置
TGZ 11 型是供韶山 3B 型电力机车使用的整流装置, 它由大功率整流二极管和晶闸管

及其附件所组成,具有以下功能: (1) 把交流电变为直流电供给牵引电动机; (2) 进行平滑调压; (3) 供给制动励磁电流,并可平滑调节该电流。 整流装置主电路由两个串联桥组成单相半控桥式整流电路,向 3 台并联工作的牵引 电动机供电。全车共有这样独立的两套系统。串联桥的第一个半控桥由四个桥臂组成,

T11、 T12 是可控臂, D11、 D12 是不可控臂。每个桥臂均由 2 串 3 并半导体元件组成,
第二个桥由 8 个桥臂组成。 D13 、 D14 是不可控臂,由整流管 2 串 3 并组成,其余都是 可控桥臂。其中 T 15 、 T 16 桥臂承受的电压最高,由 2 串 3 并晶闸管组成。, T 13 、 T14 桥臂承受的电压为前者的 1 2 ,因此它由晶闸管, 1 串 3 并组成。 T 17 、 T 18 桥臂是供给 电阻制动励磁电流的。制动时各牵引电动机的励磁绕组相互间接成串联,供给它的励磁 电源电压为牵引工况桥臂的 1 3 ,所以它仅由 1 个晶闸管组成,但是牵引时它承受的反向 电压又比 T 13 、 T14 高,为 T 15 、 T 16 的 2 3 。为了安全起见,在桥臂晶闸管上串联 1 只 整流管来分担其承受的反向电压。 韶山 3B 型电力机车整流装置有以下优点: (1)采用不等分三段顺控桥,可实现整流和无极相控调压,持续工况运行它具有多 段桥的优点,有利提高功率因数,减少谐波成分。 (2)触发脉冲部分采用韶山 6 型电力机车用的脉冲输出模块, 技术指标先进, 工作可 靠。

4.1 整流装置的结构与组成
TGZ 11 型整流装置由晶闸管、整流管、触发脉冲输出部分、快速熔断器、 RC 保护、

安装构架、会流母排和控制导线等组成。 (1) 晶闸管、整流管组件 晶闸管、整流管组件由 1 个整流管或者晶闸管与 2 块 KP 53 型热散体、带绝缘套管的 螺栓、蝶形弹簧垫圈、绝缘垫块、均衡用钢球以及压紧用钢扁条等组成。 (2) 阻容面板

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阻容面板由底板、电阻、电容、脉冲输出模块等组成,用导电板和螺钉固定在压装 好的散热体上。阻容面板有三个作用:一是安装保护晶闸管和整流管的均压电阻, 换相电容和晶闸管的脉冲输出模块; 二是通过阻容面板把半导体组件固定在整流柜 立柱上;三是整流柜由阻容面板围成一个通风道,防止冷却风泄漏。 阻容面板上的电阻和电容在组装前要经过严格的筛选和测试分组, 同一串联支路的 电阻值和电容值应尽量相等,对于 30 k? 、 30W 的均压电阻还要经过功率老化。 (3) 整流柜结构 每台机车的整流装置由Ⅰ端整流柜和Ⅱ端整流柜组成。 每个整流柜组成一个独立的 三段不等分半控桥,向 1 个转向架 3 台并联工作的牵引电动机供电。但是Ⅰ端整流柜要 比Ⅱ端整流柜多二个可控桥臂,作为电阻制动时供给两个转向架 6 台牵引电动机的励磁 电流。除此之外,两个整流柜的外形尺寸和安装位置都是相同的。 整流柜为长方形柜式结构。由角钢和压型钢板制成骨架,用酚醛玻璃丝压制的立柱 和环氧玻璃布组成安装框格,框格以中隔板为界分为前后两部分,每部分从左到右有五 格,上下共六层。每个整流管组件或晶闸管组件占据一格位置。组件放入框格后,散热 器内测支脚插入中隔板的安装孔内,散热器的外侧固定在阻容面板上,面板再用螺栓固 定在立柱上。拆卸元件时,只需松开面板的压紧螺栓,解开元件两极的联线,对于晶闸 管还需扒开触发脉冲引线插套,组件就可连带阻容面板一起抽出。 (4) 通风冷却 装置采用强迫通风冷却。为了把半导体元件工作时由损耗所产生的热量及时带走, 以使元件结温不超过允许值,要求整流柜进口平均风速 ≮ 5 m s ,进出口风温之差
≯ 15? C 。

冷却风从车体两侧走廊百叶窗吸入,由整流柜顶前后两个风道进入柜内,流过六层 散热器叶片,从而冷却半导体元件。为了降低牵引电动机的冷却风温,在通风柜顶开了 一些旁风道,分流吸入冷风,与冷却半导体元件以后温度升高的热风混合,再经过通风 机去冷却牵引电动机。

4.2 整流装置的均流、均压及保护
(1)均 流 整流装置的主桥臂由三个并联支路组成,通过各并联支路的电流不会完全一样。流 过大电流支路的半导体元件有可能过载而损坏,电流小的支路则元件没有充分利用。最 理想的是让所有并联支路通过的电流都一样,即所谓均流。实际上这是不可能的,因为 有许多因素影响电流的均匀分配。 例如: 半导体元件正向特性的差异, 汇流母排的影响,

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串联元件之间连接导线的影响,快速熔断器之间电阻值的差异,接触电阻的影响,以及 冷却风分布不均匀和上下层之间冷却风温度不同的影响等。着许多影响因素中,最主要 的是半导体元件的正向特性。因此,为使各并联之路的电流分配趋向一致,最简单的方 法就是在工厂组装时,各并联支路按整流管的正向压降或晶闸管的通态电压进行编组。 这样做了以后,出厂试验时只需稍许调整,一般均可达到技术要求的均流系数 0.85 。 (2)均 压 串联工作的半导体元件,由于它们的反向特性有差异,当加上反向电压时,各串联 元件所承受的反向电压就不同。承受过大反向电压的元件有可能被反向击穿,而其他元 件的电压利用也不充分。此外,串联工作的晶闸管由于正向阻断特性的差异,再加上正 向电压,但没有门极触发信号时,串联元件之间承受的正向阻断电压也是不同的。过大 的正向电压有可能使晶闸管正向转折而导通,这是电路中不允许的,同时种不正常的转 折导通多来几次,晶闸管的正向阻断特性有可能丧失而成为整流二极管了。 为使串联元件承受的电压分配均匀,即所谓均压,通常在每个串联元件的两端并联 均压电阻。选取的均压电阻值,一般要比半导体元件的反向电阻值小得多,而且在工厂 组装时要对每只均压电阻进行阻值测量并分组, 使每个串联支路的各均压电阻值基本相 等,这样支路串联元件之间的电压分配就可以按并联均压电阻值进行分配而趋向一致 了。这里选取均压电阻为 30 k? 、 30W 的线绕电阻,并联均压电阻以后,在最高工作电 压下,各串联支路的均压系数可以达到 0.95 以上。 (3)过电压保护 晶闸管和整流管从导通转换到截止而承受反向电压时会产生一个峰值远远超过正 常工作电压的换相过电压,如不采取措施将会导致元件损坏。通常在半导体元件两端并 联电容器和电阻器进行保护。 前述瞬态均压用的 1?F 电容和 22? 电阻支路也起着过电压 保护的作用。电阻可在晶闸管导通的瞬间,限制电容器向晶闸管放电的 di dt ,并对换 相过电压产生的振荡有阻尼作用。 (4)过电流保护 整流装置本身不带短路保护,遇有牵引电动机接地、环火或半导体元件支路击穿而 引起的短路,由机车主断路器跳闸分断主电路进行保护。为使整流装置内流过短路电流 的其他半导体元件不致损坏,受半导体元件过载能力的限制,要求主断路器的动作时间 在 3 个周波即 0.06 s 以内。 对于 T 13 、 T14 桥臂和励磁桥臂,为更加可靠起见,每只晶闸管都串联有一个
NGT 3 ? 630 380型快速熔断器加以保护,该快速熔断器的额定电流(有效值)为 630 A 。

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4.3 触发脉冲输出部分
整流装置的触发脉冲输出部分由控制插座、屏蔽导线、脉冲输出模块等组成。晶闸 管的导通是由门极触发脉冲来控制的。触发脉冲信号来自电子控制柜,用导线引向整流 柜顶的两个 20 芯插座 75、 77 (Ⅰ端柜)和 76、 78)(Ⅱ端柜),再分别去控制各晶 闸管的导通。触发脉冲是这样安排的,每个可控桥臂的晶闸管由来自电子控制柜的两根 导线控制。以桥臂 T11为例:它有 3 个并联支路,每支路有 2 个元件串联,共有 6 个晶闸 管。这 6 个晶闸管由来自电子柜的 623、 624 导线控制,线号 623接晶闸管的门极,线号

624 接晶闸管的阴极。因为插座的每根芯针只能压 2 ~ 3 根导线,为牢靠起见,在 75插
座的 1 、 2 号芯针上分别压 623、 624 线号的 2 根导线去控制 T11桥臂的二个并联支路, 剩下的一个并联支路则由插座 77 的 1 ~ 2 号芯针上分别压 623、624 线号的一根导线来控 制。 同一并联支路二个串联元件之间可由脉冲输出模块原边的 E1、 S 并联插座端子互 相联接。其他桥臂触发脉冲的分配情况可以类推。 脉冲输出模块由脉冲加尖电路、脉冲变压器和脉冲整形电路组成,由环氧树脂浇注 为一体。模块对外电连接用插座端子。输入端 E1- S 由两对端子组成,通过整流柜上的 插座、插头和屏蔽导线与电子控制柜连接。输出端 G - K 端子与晶闸管的门极和阴极控 制线连接。脉冲输出模块由底座螺母安装在靠近晶闸管的面板上。尽量缩短从脉冲变压 器次边到晶闸管连接线的长度,这对于防止干扰引起的误导通有好处。脉冲模块输入为 方波列, 峰值电压 48V , 频率 23 .5kHz 。 输出空载电压 14V ,触发脉冲电流幅值 ≮ 400 mA 。

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5.高压电器
电力机车上的高压电器系指主电路中所使用的电器。 本章对韶山 3B 型电力机车主电 路中使用的 7 种主要电器-单臂受电弓、主断路器、避雷器、位置转换开关、电空接触 器、制动电阻、磁场削弱电阻等做一介绍。

5.1 主断路器
目前,在 SS1型、SS3型、SS3B 型等电力机车上采用的是 TDZ1-200/25型空气断路器 [T-铁路机车用;D-断路器;Z-主;1-设计序号;200-额定分断容量(MV·A);25 -额定电压(kV)]。在 SS4型、SS4G 型、SS7C 型、SS7D 型、SS8型等电力机车上采用的 是 TDZ1A-10/25型空气断路器[T-铁路机车用;D-断路器;Z-主;1A-设计序号;10 一额定分断电流(kA);25一额定电压(kV)]。 5.1.1 与其它类型的断路器相比,空气断路器具有下列优点: (1)压缩空气具有可压缩性,对灭弧室各零部件所产生的机械应力较小; (2)开断能力大,燃弧时间短,动作快; (3)防爆,使用安全可靠; (4)适用于温度变化较大的工作环境。 它的不足之处主要是: (1)操作时噪音较大; (2)分断能力受电压恢复速度的影响较大; (3)在气压和分断能力一定的情况下,在分断小电感电流时,常因灭弧能力过大而 产生截流过电压; (4)结构复杂,制造工艺要求较高。 上述不足之处在采取了若干措施后,可以得到改善,加之在电力机车上有现成的压 缩空气气源, 因此, 在韶山系列电力机车上广泛采用了空气断路器。 本节以 TDZlA-10/25 型空气断路器进行介绍。 5.1.2 TDZlA-10/25 型空气断路器主要技术参数 额定电压??????????????????????????25kV 额定电流 ?????????????????????????400A 额定频率??????????????????????????50Hz

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额定分断电流 ???????????????????????10kA 额定分断容量 ?????????????????????250MV·A 额定工作气压 ????????????????????700~900kPa 固有分闸时间???????????????????????≤30ms 延时时间 ???????????????????????35~55 ms 合闸时间 ????????????????????????≤0.1 s 额定控制电压???????????????????????DC110V 总质量 ??????????????????????????150kg 5.1.3 基本结构及主要部件的作用

图5.1

TDZ1A-10/25型空气断路器外形

图5.2

TDZ1A-10/25型空气断路器

1-灭弧室;2-非线性电阻瓷瓶;3-非线性电阻;4-干燥剂;5-弹簧;6-隔离开关; 7-转动瓷瓶;8-控制轴;9-传动杠杆;10-气管;11-合闸阀杆;

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12-起动阀;13-分闸阀杆;14-主阀活塞;15-延时阀;16-阀门;17-气管; 18-主阀;19-塞门;20-支持瓷瓶;21-储风缸;22-传动风缸;23-辅助开关。

TDZlA-10/25型空气断路器结构如图5.2所示, 它以安装在机车车顶盖上铸铝制成的 底板为界,分上、下两大部分。露在车顶上的为高压部分,主要有灭弧室 1、非线性电 阻瓷瓶2、支持瓷瓶20、隔离开关6和转动瓷瓶7等部件。装在底板下部的为低压部分, 主要有储风缸21、主阀18、延时阀15、传动气缸22、起动阀12、辅助开关23等部件。 ①高压部分 1.灭弧室

图5.2

灭弧室

1-网罩;2-外罩;3-挡圈;4-缓冲垫;5-触头弹簧;6-弹簧座;7-法兰盘; 8-固定圈;9-导电管;10-弹簧;11-灭弧室瓷瓶;12-动触头; 13-静触头;14-静触头杆;15-风道接头;16-套筒;17-隔离开关静触头。

灭弧室的结构如图5.3所示,它是主断路器安装主触头、熄灭电弧的重要部件。其 主体为空心瓷瓶11,瓷瓶一端装风道接头15,通过支持瓷瓶的中心空腔与主阀的气路相 连;另一端装法兰盘7,由此将高压电引入主断路器。 主触头装于灭弧瓷瓶内,静触头13的头部为球状,端部镶着耐电弧的钼块,以提高 耐弧性能。它固定在风道接头15上,通过套筒16与隔离开关的静触头17相连。动触头12 呈管状,其一端为工作端,工作端的管内壁作成弧形,成一“喷口”,以利于与静主触 头球面有良好接触及产生良好的吹弧作用;另一端与一圆环形弹簧座 6相贴,弹簧座接 有张力较大的触头弹簧5。弹簧座后顺次接有触头弹簧5、缓冲垫4、挡圈3、网罩1和外 罩2。 动主触头的外面装有与它既有相对滑动也有良好电接触的导电管9。导电管由铜管 铣成多瓣形,通过弹簧10弹性地套装在动主触头上,其尾端固定在法兰盘 7上。因此, 从法兰盘引入的高压电源通过导电管传至动主触头。 触头弹簧5的张力较大,它一方面使动、静主触头间具有一定的接触压力,另一方 面使动、静主触头开断后能自行恢复闭合状态。缓冲垫 4用来缓和动主触头开断时触头

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弹簧5对挡圈3的撞击。网罩1在动主触头开断过程中起消音作用。外罩2用于防止外界脏 物沾污主触头,其下部有排气孔。 当主断路器处于闭合状态时,主动触头在触头弹簧5的作用下与静触头闭合。当分 闸阀得电时,压缩空气进入灭弧室,推动主动触头克服触头弹簧5的压力向左移动,动、 静触头间产生的电弧进入主动触头“喷口”,拉长、冷却,进而强迫熄灭。废气通过网 罩由外罩下方排气孔排入大气。主断路器分闸完成,压缩空气停止进入灭弧室,动主触 头在触头弹簧5的作用下与静主触头重新闭合。 ②非线性电阻 非线性电阻的结构如图7-18所示。在非线性电阻瓷瓶内,装了10个串联的非线性 电阻片3和干燥剂4等主要部件,并联在动、静主触头两端,用以防止主断路器分闸时的 过电压。非线性电阻片采用碳化硅和结合剂烧结而成,其电阻值随外加电压的升高而下 降,置于空心绝缘子腔中。内部还装有干燥剂,用以防潮。为了保证非线性电阻片之间 及与外部连接之间的接触压力,减小接触电阻,在其一端装设了弹簧5。 主断路器分闸时,动、静主触头间产生电弧,在熄弧过程中,触头间的电压将急剧 增加。当电压增加到一定值时,非线性电阻值迅速下降,主触头上的电流迅速转移到非 线性电阻上,既可限制过电压,减小电压恢复速度,又有利于主触头上电弧的熄灭,减 少触头电磨损。 随着非线性电阻两端电压的降低, 其阻值又迅速增大, 以减小残余电流, 保证隔离开关几乎在无电流下断开,提高断路器的分断可靠性。 ③隔离开关

图5.4

隔离开关

1-隔离开关闸刀;2-法兰盘;3-弹簧装置;4-铜球; 5-连接件;6-弹簧装置;7-触指。

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隔离开关结构如图5.4所示。它由静触头(见图7-19中的17)、动触指7、弹簧装置6、

隔离开关闸刀1(动触杆)、法兰盘2(下转动座)、铜滚珠4、连接件5(上转动座)及弹簧装 置3等组成。 隔离开关静触头固定在弯接头上, 它与灭弧室内的静主触头相连。 其接触面有沟槽, 以便与动触指良好的接触。动触杆紧固在下转动座上。动触指套装在动触杆上,并用螺 钉紧固,便于在动触指磨耗到限时拆下更换,或反过面来继续使用。弹簧装置 6设在动 触杆上,用来保证动触指能夹紧隔离开关静触头,并保持一定的接触压力。下转动座、 转动瓷瓶与操纵轴用螺钉固为一体。上转动座通过铜滚珠、轴承及弹簧固定在下转动座 上。上、下转动座之间的铜滚珠用来减小摩擦,同时又用作上、下转动座之间的电联接。 在主断路器动作过程中,连接件5不转动,它与变压器原边绕组相连接。 隔离开关自身不带灭弧装置,不具有分断大电流的能力,它与主触头协调动作,完 成主断路器的分、合闸动作。主断路器分闸时的动作顺序是:灭弧室主触头先分断电路 并在灭弧室内熄灭主动、静触头之间的电弧,隔离开关稍后延时打开隔离闸刀,之后灭 弧室主触头重新闭合。此时,隔离开关保持在打开位置,从而保持主断路器处于分闸状 态。即主断路器分闸时,隔离开关比主触头延时动作,待主触头断开并熄弧后再无电断 开,主断路器合闸时,主触头不再动作,仅需操纵隔离开关闸刀闭合即可。

5.2 受 电 弓
韶山 3B 型电力机车上装有 2 台 TSG ? 600 25 型单臂受电弓, 其主要技术参数、 结构、 性能、维护及调整等分述如下: 额定电压????????????????????????? 25 kV 额定电流????????????????????????? 600 A 额定工作气压?????????????????????? 500 kPa 最小工作电压?????????????????????? 375kPa 最大工作高度?????????????????????? 1900 mm 最小工作高度?????????????????????? 400 mm 最大升弓高度????????????????????? ? 2400 mm 升弓时间(气压为 500 kPa 时,落弓位至最大工作高度)?????? ≯ 8 s 降弓时间(气压为 500 kPa 时,落弓位至最大工作高度)?????? ≯ 7 s 工作高度范围内静态接触压力??????????????? 70 ? 10 N 滑板单向运动(上升或下降时),不同高度处静态接触压力差??? ≯ 10 N

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滑板上升和下降至同一高度时,静态接触压力差???????? ≯ 15 N 受电弓重量(包括支持绝缘子和传动气缸)?????????? ? 256kg 5.2.1 结 构
TSG ? 600 25 型单臂受电弓主要由底架、下臂杆、上框架、弓头滑板和传动气缸组

成。其结构如图 5.5 所示。 底架是由槽钢和球墨铸铁的支架装配而成,受电弓的受流运动部件都装在底架上。 下臂杆由单根半截面的无缝钢管构成,其转轴上焊着 2 块扇形板,扇形板上各装有 4 个 调整螺栓,通过调整螺栓的高度可以调整滑板在不同高度时的静态接触压力。下臂杆通 过中间铰链座与上框架和推杆相连,中间铰链座为铸铁件。上框架由 ? 32 ? 1.5mm 的薄 壁无缝钢管组焊而成。推杆由 ? 34 ? 4mm 无缝钢管构成,两端分别用正反扣螺扣与推杆 铰链联接, 这样可以方便地调整落弓位和最大升弓高度。 推杆与弓头之间装有 ?19 ? 1mm 无缝钢管制成的平衡杆,其功能是使弓头滑板在整个工作高度范围内基本处于水平状 态,这是单臂受电弓特有的部件。弓头滑板托架由 2 mm 厚的铝板压制成形,在其上方装 了两排粉末冶金滑板。弓头通过弓头支撑装置安装在上框架上,弓头支撑装置内装有圆 柱压力弹簧, 其功能是使整个弓头在机车运行时能随着接触网导线高度和弛度的变化而 作上下、前后的运动,以便改善受流质量。传动气缸单独安装在机车顶盖上,通过拉杆 绝缘子和滑环与下臂杆的转轴进行力的传递,在传动气缸中安装了 2 个降弓弹簧。 为了减小受电弓升降弓过程中的摩擦力,各铰链部分均装有滚动轴承,并用编制导 线将其短接,这样避免了大电流流过轴承而影响轴承正常运转。 5.2.2 动作原理 升弓时,司机操纵受电弓按键开关,控制受电弓的电空阀使气路导通。压缩空气通 过缓冲阀进入传动气缸, 活塞克服降弓弹簧的压力向右移动, 通过气缸盖上的杠杆支点, 使拉杆绝缘子向左移动,同样通过杠杆支点的作用,使滑环右移,此时拐臂不收滑环的 约束,下臂杆便在升弓弹簧的作用下,作顺时针转动。此时,中间铰链座在推杆的推动 下,做逆时针转动,整个受电弓弓头随即升起。 当传动气缸充气后,活塞处于右侧极限位置时,对应的滑环也处于右侧极限位置, 这时传动气缸对受电弓无力的作用, 弓头滑板对接触网导线的压力完全取决于升弓弹簧 力的大小,而与传动气缸无关。 降弓时, 司机操纵受电弓按键开关, 使受电弓的电空阀将缓解阀的气路与大气接通, 于是传动气缸内的压缩空气经缓解阀排向大气。活塞在降弓弹簧的作用下,向左移动,

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使滑环也向左移动,当滑环与拐臂接触后,迫使拐臂跟随着滑环继续左移,强制下臂杆 作逆时针转动,最终使弓头降到落弓位。 5.2.3 受电弓的维护和调整 (1)受电弓的维护 使用前,检查所有紧固件状态是否良好;编制导线是否完整,断股严重的,应及时 更换;绝缘子不允许有裂痕,并应保持其清洁干净;弓头滑板应仔细检查,滑板之间平 整,不允许凸台衔接。因为接触网导线与轨道中心成“之”形布置,当机车运行时,接 触网导线在弓头滑板上左右滑动, 凸台衔接的滑板会阻碍左右滑动, 可能导致不良后果。 对于已磨损到限的滑板,应及时更换,更换后,整个滑板顶面应平滑。 (2)受电弓的调整 ①静态接触压力的调整 调整时,传动气缸接压缩空气,使受电弓和传动气缸之间无力的作用。整个调整过 程是在弓头匀速上升或下降状态下进行。 调整方法:调节二个升弓弹簧拉升长度和调节扇形板上的螺钉高度。这样就调节了 升弓转矩大小,使受电弓在工作高度内静态接触压力在规定范围内。 这种调整,在工作高度范围内,要多次反复进行,直至静态压力值、同高压力差和 同向压力差均稳定在规定范围内为止。 ②升弓时间的调整 如前所述,升降弓时间是通过调整缓冲阀进气或排气阀座的豁口大小来达到的。当 升弓过快时,将进气阀座和钢球拆下,将钢球对准豁口适当压紧,使豁口变小。升弓太 慢时,则将进气阀座的豁口锉大些。降弓时间的调整也类似,只要改变排气阀座的豁口 大小,便可调整降弓时间。 ③落弓不到位 受电弓在使用过程中有时出现落弓不到位。一般,这种现象是由于滑板磨耗后弓头 重量减轻,使弓头静态接触压力值变化而造成的。 其调整方法是: ⒈检查静态接触压力值,并重新调整静态接触压力,恢复到规定值; ⒉检查扇形板靠弹簧侧的调整螺钉是否过高; ⒊调整拉杆绝缘子的拉杆长度,使之增长,以便增加降弓弹簧的降弓力矩; ⒋检查推杆长度是否超过规定值( 1580 mm ); ⒌检查传动气缸和受电弓之间在车顶盖上的安装距离是否发生变化;

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⒍检查传动气缸内的降弓弹簧刚度是否变值。

5.3 电空接触器
韶山
3B 型电力机车使用了三种共

19 个电空接触器如图 5.6。 TCK 7 ? 600 1500型接

触器 6 个,它们用于牵引电动机 6 条支路中,用来接通和开断牵引电机电路,称为线路 接触器; TCK 7 B ? 600 1500型接触器 12 个,用在磁场削弱电路中,称做磁场削弱断路 器, TCK 7 B ? 600 1500属于不开断强负载接触器,故不具有吹弧系统和灭弧罩;

图 5.6 TCK 7C ? 600 1500型接触器
1-灭弧罩;2-挂钩;3-静触头弧角;4-静触头;5-吹弧线圈;6-安装杆;7-软连接;8-杠杆出线座;9-杠杆支架; 10-绝缘杆;11-传动气缸;12-连锁板;13-连锁触头;14-连锁支架;15-灭弧室支板;16-动触头弹簧;17-动触头 弧角;18-动触头座;19-动触头;20-右侧板;21-电空阀;22-右侧板

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用于制动工况牵引电机作发电机运行状态时的励 TCK 7C ? 600 1500型接触器一个, 磁电路中,称它为励磁接触器。这三种型号的接触器为系列产品,其结构大同小异,仅 个别零部件的增减而已。 主要技术参数 额定电压??????????????????????? DC 1500V 额定电流???????????????????????? DC 600 A 主触头开距?????????????????????? 18 ~ 22 mm 主触头压力:初压力??????????????????? 60 ~ 85 N 终压力????????????????? 160 ~ 200 N 主触头滚动?????????????????????? ? 8mm 主触头滑动????????????????????? 0.5 ~ 1.5mm 接触线长度??????????????????????? ≮ 25mm 额定工作气压?????????????????????? 500 kPa 最小工作电压?????????????????????? 375kPa 传动气缸行程????????????????????? 22 ~ 24 mm 联锁触头额定电压???????????????????? DC 110V 连锁触头额定电流???????????????????? DC 15 A 电空阀额定电压????????????????????? DC 110V 电空阀最小工作电压??????????????????? DC 77V 韶山 3B 型电力机车使用的 TCK 7 、 TCK 7 B 、 TCK 7C 型电空接触器是系列产品,在 此,仅以 TCK 7 型电空接触器来说明其结构及动作原理,图 5.6 是它的外形结构图。
TCK 7 型接触器的安装方式为直装式。它由电空阀、传动气缸、绝缘杆、动静触头

及其弧角、灭护罩、吹弧系统、软联线等部件组装而成。接触器的导电部分和传动气缸, 通过绝缘杆连接后用两块侧面板组成一个整体。 其主触头为 L 形, 它以紫铜触头为基座, 表面焊接银碳化钨粉末冶金触片。动、静触头弧角分别安装在弧角支架和静触头座上。 (1) 传动气缸 传动气缸由杆、铜套、气缸体、返回弹簧、活塞杆、皮碗、管接头等部件组装而成。 气缸组装完后,必须对气缸进行气密性能试验。试验要求:当电空阀的吸引线圈加上最

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小电压( 77 V )时,将气缸与容积为 1L 的储气缸相连并充以最大工作气压( 650 kPa ) 后,经 t 分钟,气缸中的气压下降不应超过 10 % 。 在气缸盖上装有 TFK1B 型电空阀,有四组触头的 TKY 1 型联锁触头安装在固定于气 缸体上的联锁支架上。 (2) 灭弧装置 ① 灭弧罩 灭弧罩装置由 13 块石棉水泥制成的灭弧板,以及用同样材料制成的两块盖板, 叠装在一起,用包有聚酯薄膜的螺杆将它们紧固而成。在每块灭弧板上,间隔装有 在盖板上分别装有上固定板和下固定板, 通过下固定板及其 U 形及 H 形的小弧角。 挂钩将灭弧罩与接触器本体联接在一起。 ② 吹弧线圈 吹弧线圈由左、右吹弧线圈并联后,分别与静触头座和上引出线焊装在一起而 成。在吹弧线圈中装有铁心,线圈两端用左右侧板夹紧,这样就组成了电空接触器 的吹弧系统。 在电路中,电弧的熄灭与否,与电路的参数有密切的关系。电路中的参数不仅 决定着电弧的电流和电压值,并且还决定着电弧熄灭的难易。 由于灭弧罩的结构为横缝式,故电空接触器的灭弧方式为横缝螺圈式。在分断 电路时,触头之间产生电弧燃烧,由于静触头与吹弧线圈是串联连接的,所以吹弧 线圈中的电流也就是电弧电流,并在电弧周围形成一个磁场。在磁场作用下,电弧 离开触头进入弧角区,电弧被拉长。电弧在触头弧角导引下许迅速进入灭弧室内, 然后在电弧板上的 U 形及 H 形弧角导引下, 使电弧形成螺圈状, 进一步将电弧拉长。 此外, 由于电弧在空气中运动, 与空气发生相对运动而冷却, 直至最后将电弧熄灭。 这种装置主要是利用磁场作用来熄灭电弧的,因此也称为磁吹灭弧装置。
TCK 7 ? 600 1500型电空接触器接通和分断主电路的动作原理为:当电空阀线

圈得电时打开气路,压缩空气经电空阀进入传动气缸,通过皮碗推动活塞杆带动动 触头向上移动与静触头闭合,接通电路。当电空阀失电时,传动气缸中的压缩空气 经由电空阀排入大气,在气缸中反力弹簧作用下,动触头下移与静触头断开,将电 路分断。这时,联锁触头组通过装于推杆上的联锁板的上下移动也随之进行分合的 联锁转换,使电空接触器不发生误动作。

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主电路主要由受电弓、主断路器、高压电流互感器、主变压器、硅整流装置、牵引 电机、高压电器柜、平波电抗器、制动电阻柜及电路保护装置等组成,是产生机车牵引 力和制动力的主体电路,或称动力电路。主电路又按电压级可分为网侧高压电路、调压 整流电路和牵引制动电路三级。 本论文主要对 SS3B 型电力机车主电路的构成及所用电气设备的参数、 组成部分及维 护作了简单的介绍。引言部分介绍了 SS3B 型电力机车的构成和参数以及主电路的构成 部分。第一章介绍二极管和整流管等电子元件;第二章介绍 SS3B 型电力机车主电路中的 网侧高压电路,调压整流电路,牵引、整流电路,主电路保护电路。第三章开始介绍主 电路中的各种高压电器做了简单的介绍,第三章介绍主变压器及平波电抗器。第四章介 绍硅整流装置。第五章介绍小部件高压电器包括主断路器、受电弓和电控接触器。

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在本文完成之际,无论我的论文设计是否能够真的投入使用,,这里面每一个空间 的绘制,每一行语句的调式,每一段文本的输入之中都有我辛勤的汗水。半年的设计时 间虽然短暂,我却从中学到了很多东西,我由衷的感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励 我完成学业的老师、朋友和亲人。 特别感谢我的导师郭进龙老师,半年来他在学习、科研上一直对我悉心教导,严格 的要求鼓励我,为我创造了很多锻炼提高的机会。郭老师洞察全局、高屋建瓴,为我论 文的完成指出很好的方向, 郭老师渊博的知识、 宽广无私的胸怀、 夜以继日的工作态度、 对事业的执着追求及诲人不倦的教师风范和敏锐的观察力,都将使我毕生受益。 在此我谨向我的导师以及毕业设计中给予我很大帮助的老师、 同学们致以最诚挚的 谢意!

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参 考 文 献
[1] 刘友梅.韶山 3 型 4000 系电力机车.北京:中国铁道出版社,2011. [2] 刘敏军.王秀珍.机车电力电子技术.北京:中国铁道出版社,2012. [3]王冰.电力机车总体.北京:中国铁道出版社,2008. [4] 张龙.电力机车电器.北京:中国铁道出版社,2011. [5] 张龙.韶山 3 型 4000 系电力机车电路分析与故障处理.北京:中国铁道出版社,2008.

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附录 A 韶山 3B 型电力机车主电路原理图

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