CRH2A型动车组合武线达速250 km/h牵引系统适应性分析

熊志高，朱彦平，王羽，邹生敏，王斌

（1.中国铁路武汉局集团有限公司车辆部，湖北武汉 430071；2.中国铁路武汉局集团有限公司武汉动车段，湖北武汉 430083）

0 引言

合武线东起合肥，西到武汉，全长300余km，设计速度为250 km/h。自“7·23”事故以来，为了进一步保障动车组运行安全，合武线动车组运行速度从250 km/h降至200 km/h。合武线运行CRH2A、CRH2B等型动车组设计速度均为250 km/h，按照200 km/h运行时运输效率大幅降低。合武线达速250 km/h后，武汉—合肥的时间将缩短近0.5 h，极大方便了旅客出行，因此顺利实现合武线达速具有重要意义。

为满足合武线达速250 km/h工作要求，提高运输能力，进一步挖潜旅客输送能力，提高路网使用效率，确保合武线动车组持续250 km/h运行安全，对CRH2A型动车组合武线达速250 km/h的牵引性能及牵引系统部件性能适应性进行研究分析具有重要的现实意义。由于运行在合武线上的动车组设计速度均为250 km/h及以上，其牵引系统的功率参数、电压参数等各项性能均能满足要求，因此牵引系统关键部件的温度就成为衡量动车组牵引系统性能的最主要参数之一［1-2］。

1 牵引性能

CRH2A型动车组为4M4T编组形式，总牵引功率为4 800 kW，满员载客610人，整车采用轻量化设计，长期以来运行速度均未超过200 km/h。

CRH2A型动车组正常工况牵引性能见图1，根据牵引性能曲线计算可知，CRH2A型动车组以200 km/h运行时剩余加速度为0.132 m/s2，250 km/h运行时剩余加速度为0.058 m/s2＞0.050 m/s2（动车组牵引/再生制动特性技术条件），满足达速250 km/h的运营要求。

图1 CRH2A型动车组正常牵引功能曲线

2 牵引系统部件性能适应性分析

高压牵引系统由受电弓、真空断路器、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等组成［3-4］。高压牵引系统散热部件的功率和送风量能够满足运行需求。

2.1 受电弓

目前动车组牵引变压器1次侧过电流的保护电流值为280 A，真空断路器额定电流为200 A，远小于受电弓额定电流值1 100 A，动车组速度达到250 km/h受电弓并不会产生任何影响。按照负载容量，受电弓的冗余性能较大，完全能够满足动车组达速要求。

2.2 真空断路器

真空断路器（VCB）是当牵引变压器在2次侧以后的电路发生故障时，能够对过电流进行迅速、安全、确实地断开，也是平常开闭主回路的一种开关，是兼具断路器和开关2种功能的装置［5］。VCB利用真空中有高的耐绝缘能力和电弧的扩散作用，在被封闭的真空容器中配置动静触头，通过动静触头来断开电流。VCB配置在车底部的高压设备箱内。

CRH2A型动车组VCB额定电压为30 kV、额定电流为200 A，额定投入电流为10 000 A，额定断路电流3 400 A，与CRH2C型动车组的技术参数相同，因此能够满足250 km/h运行要求。

2.3 牵引变压器

牵引变压器通过铁芯、绕组将能量从1次侧传递到2次侧和3次侧，其1次侧和2次侧、3次侧电压的变比为匝数之比，从而实现降压或升压作用。牵引变压器的2次绕组为2个独立绕组，每个绕组与1台牵引变流装置连接，使2次绕组具有高电抗和弱耦合性，确保牵引变流器具有稳定运行的特性。另外，1次绕组配置了2个并联结构线圈。为了减轻质量，1次线圈采用铝质线圈。1次绕组接地侧、2次绕组侧及3次绕组侧的绝缘套管采用耐热环氧树脂将11根铜质中心导线注塑一块端子板。使用3次绕组侧的端子，并引出2根中心导线。

牵引变压器的油温上升限度为80℃，绕组温度上升限度为125℃。牵引变压器油温的报警温度为135℃，绕组温度不能高于180℃。牵引变压器油流继电器检测牵引变压器运转中的油流，当流量达到150（1±10%） L/min以 上 时 动 作 ， 流 量 降 至120（1±15%）L/min以下时闭合接点。

牵引变压器压力释放阀是以连杆和弹簧组合而成的自动复位阀结构。本体内部发生异常引起内压急速升高达到（0.1±0.015）MPa以上时，则释放内压。同时，动作后其内压下降到约0.03 MPa以下时，则自动关闭释放阀盖。主要是考虑避免油的不必要流出。CRH2A型动车组牵引变压器相关参数见表1。

CRH2A型动车组牵引变压器牵引性能不需变化即可满足达速250 km/h运行要求，因此动车组达速250 km/h对牵引变压器的性能要求不变。按照GB/T 25120—2010《轨道交通机车车辆牵引变压器和电抗器》的标准，对牵引变压器温升特性进行试验，测得油温升≤75 K，绕组温升≤115 K，试验结果均满足要求。牵引变压器送风量冗余较多，温度保护措施到位，按照250 km/h运行不会造成安全隐患。

表1 CRH2A型动车组牵引变压器相关参数

基于上述分析，CRH2A型动车组牵引变压器能够满足达速250 km/h的要求。

12世纪诞生的治安官历经磨难、曲折，其单纯维持地方治安的职责逐渐转化为司法职责，1361年《治安法官法》实现了治安官向治安法官的职权转变，授予治安官司法职权，第二年季审法庭进一步具体明确了治安法官每年开庭的时间安排和治安法官的职责，接下来治安法官的司法权一步一步扩大，由参与巡回法庭审判逐渐到独立审判，并享有一定的行政管理权。尤其是在都铎王朝时期中央赋予治安法官新的角色和职能，使它成为中央在地方的代理人，成为郡一级的最高执法官员和行政官员。

2.4 牵引变流器

牵引变流器的功能是将牵引变压器的电转换成电压和频率实时调整的电源给牵引电机供电。牵引变流器为3点式PWM控制方式，输入电压为1 500 V、电流为857 A，输出容量为1 475 kVA。牵引变流器送风量冗余较多，温度保护措施到位，按照250 km/h运行不会造成安全隐患［6］。

CRH2A型动车组达速250 km/h时，牵引变流器的扩容能力主要取决于电路器件设计与冷却系统设计裕量。由于CRH2A、CRH2C型动车组的牵引变流器完全一样，但CRH2C型动车组阶段牵引电机功率更大，因此变流器损耗也更大，而在运用过程中，CRH2C型动车组牵引变流器一直运行良好、可靠。

基于上述分析，CRH2A型动车组达速250 km/h时，牵引变流器也可满足整车牵引需求。

2.5 牵引电机

CRH2A型动车组牵引电机为三相鼠笼式牵引电机，连续输出功率为300 kW，转子为牢固的鼠笼形状，该结构也适用于高速运转。为了确保转差率，转子导条采用电阻系数较大、强度足够的铜锌合金（红铜）。为了尽量减小运转过程中因温度上升产生的热膨胀，短路环采用电阻系数较小的纯铜。转子铁心为厚度0.5 mm的硅钢板和厚度3.2 mm的钢板（端板）叠焊，热压在转子轴上。铁心上共设有φ24 mm的冷却用通风孔8个，以此使转子轻量化及提高冷却效率。为了追求轻量化，定子框采用以连接板连接铁心的无框架结构框，设有转向架安装凸头和安装座。定子框两侧采用铝合金铸件（铝托架）制作部件，进一步实现定子框整体轻量化。牵引电机送风量冗余较多，温度保护措施到位，按照250 km/h运行不会造成安全隐患。

CRH2A型动车组牵引电机已通过地面组合试验，其中电机温升稳态情况下，定子绕组温升约为138 K，传动端轴承温升约为47 K，非传动端轴承温升约为36 K，所有试验结果均符合IEC 60349-2《电力牵引轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机第2部分：电子变流器供电的交流电动机》的标准要求。对CRH2A型动车组牵引电机来说，速度在126 km/h以上时，牵引电机温升达到动态平衡，无论运行到200 km/h或250 km/h，牵引电机温升保持不变。且从以往经验来看，CRH2A型动车组满功率长时间运行时，牵引电机温升能够满足动车组运营要求。

基于上述分析，CRH2A型动车组牵引电机能够满足动车组达速250 km/h的要求。

3 牵引系统温度跟踪分析

3.1 温升跟踪方案

为进一步确认提速后动车组牵引系统的运用情况，在提速运用初期，选取2列动车组（CRH2A、CRH2B各1列）进行对比分析。在CRH2A、CRH2B型动车组相同位置均采用贴片式温度传感器对牵引变压器、变流器及牵引电机进行温度跟踪测试，定期下载温度数据进行对比、分析。温度传感器安装采集位置主要如下：

（1）牵引变压器温度传感器粘贴在油冷却器壳体或油管上，具体粘贴位置见图2（红色框内）。

图2 牵引变压器温度传感器粘贴位置

（2）牵引变流器温度传感器粘贴在功率模块散热器台面（每台牵引变流器任选1个功率模块）和DCU机箱（每台牵引变流器），具体粘贴位置见图3（红色框内）。

图3 牵引变流器温度传感器粘贴位置

（3）CRH2A型动车组牵引电机通过在其定子铁芯、两端轴承处分别埋置熔断式温度继电器来监控牵引电机定子和两端轴承的温度限值，以保证牵引电机的可靠运行。同时可在牵引电机铭牌上部、传动端外壳、非传动端外壳粘贴温度传感器，实时监测铁芯、传动端及非传动端温度，具体粘贴位置见图4。

图4 牵引电机温度传感器粘贴位置

3.2 温度走势

针对CRH2A、CRH2B型动车组，某日跟踪的电机传动端、电机定子铁芯、电机非传动端、变压器箱体、变流器功率模块的温度走势见图5—图9。

从温度走势来看，CRH2A型动车组温度变化平稳，变化趋势基本一致，各监控设备温度峰值均出现在运行速度为250 km/h左右。与CRH2B型动车组对比，温升变化无明显差异，峰值温度基本接近。

图5 CRH2A型动车组电机传动端温度走势

图6 电机定子铁芯温度走势

3.3 温度峰值分析

CRH2A、CRH2B型动车组温度峰值统计见图10、图11。

图7 电机非传动端温度走势

图8 变压器箱体温度走势

图9 变流器功率模块温度走势

图10 CRH2A型动车组温度峰值统计

图11 CRH2B型动车组温度统计

从温度峰值数据可以看出，监控点各温度峰值基本出现在运行速度为250 km/h左右。其中CRH2A型动车组电机铁芯最高温度为107℃、电机传动端78℃、电机非传动端66℃、变压器箱体71℃、变压器油管72℃、变流器功率模块45℃、DCU机箱53℃；CRH2B型动车组电机铁芯最高温度为106℃、电机传动端78℃、电机非传动端66℃、变压器箱体67℃、变压器油管65℃、变流器功率模块47℃、DCU机箱49℃。对比目前各部件报警值，即使目前运行速度在250 km/h左右，各部件的最高温度与报警值仍存在较大裕量。

4 结束语

针对CRH2A型动车组合武线达速250 km/h运行后牵引性能要求的变化，从牵引性能、牵引系统各部件的温升、可靠性及现车牵引系统温度跟踪等方面开展研究，并对现车试验跟踪温度数据进行分析，提出CRH2A型动车组满足合武线达速250 km/h运营要求的可行性，为合武线达速提供了基本理论依据。