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电气化铁路

时间:2015-09-18


电气化铁路(electric railway)
提供。电气化铁路,亦称电化铁路,是由电力机车或动车组这两种铁路列车(即通称的火车)为主,所行走的 铁路。 牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。 变电所设在铁道附近,它将从发电厂经高压输电线送来的电能,送到铁路上空的接触网上。接触网是向电力机 车直接输送电能的设备。沿着铁路线的两旁,架设着一排支柱,上面悬挂着金属线,即为接触网,它也可以被看作 是电气化铁路的动脉。电力机车利用车顶的受电弓从接触网获得电能,牵引列车运行。牵引供电制式按接触网的电 流制有直流制和交流制两种。直流制是将高压、三相电力在牵引变电所降压和整流后,向接触网供直流电,这是发 展最早的一种电流制, 到 20 世纪 50 年代以后已较少使用。 交流制是将高压、 三相电力在变电所降压和变成单相后, 向接触网供交流电。 交流制供电电压较高, 发展很快。 我国电气化铁路的牵引供电制式从一开始就采用单相工频 (50 赫)25 千伏交流制,这一选择有利于今后电气化铁路的发展。 和传统的蒸汽机车或柴油机车牵引列车运行的铁路不同,电气化铁路是指从外部电源和牵引供电系统获得电 能,通过电力机车牵引列车运行的铁路。它包括电力机车、机务设施、牵引供电系统、各种电力装置以及相应的铁 路通信、信号等设备。电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等优点, 对运量大的干线铁路和具有陡坡、长大隧道的山区干线铁路实现电气化,在技术上、经济上均有明显的优越性。 可以用以下方法来对电气化铁路进行分类: 供电导线类型:第三轨、高架电缆 供电类型:直流供电、交流供电

2 供电方式编辑

轨道供电
采用轨道供电的电气化铁路通常铺设有额外的供电轨道,用来连接电网和机车,为机车提供电力供应,亦被称 为第三轨供电,这条轨道被称为第三轨。

高架电缆
高架电缆连接在电气化铁路的供电电网上,分为柔性和刚性两类,电力机车或动车组通过架式集电弓连接接触 网,从其中取电。 架空电缆和高架电缆是香港和台湾的说法,在中国大陆通常被称为接触网供电。在中国大陆,架空电缆和高架 电缆一般是指高压输电线路。 两种导线类型,最终都通过列车正常的运行轨道接地形成回路。也有少数铁路使用第四轨(例如伦敦地铁)作 为电流回路。

高架电缆有个好处,就是同时能当高压输电道,如日本京急线。

直流
早期的电气化铁路采用电压相对低的直流供电。机车或动车组的电动机直接连接在电网主线上,通过并联或 串联在电动机上的电阻和继电器来进行控制。 通常有轨电车和地铁的电压是 600 伏和 750 伏,铁路使用 1500 伏和 3000 伏。过去车辆使用旋转变流器来将 交流电转换为直流电。一般使用半导体整流器完成这个工作。 采用直流供电的系统比较简单,但是它需要较粗的导线,车站之间距离也较短,并且直流线路有显著的电阻损 失。

低频交流电
一些欧洲国家使用低频交流电来给电力机车供电。 德国、 奥地利、 瑞士、 挪威和瑞典使用 15 千伏 16.67 赫兹(电 网频率 50Hz 的三分之一)的交流电。美国使用 11 千伏或 12.5 千伏 25 赫兹的交流电。机车的电机通过可调变压器 来控制。

工频交流电
一些电气化机车使用变压器和整流器来提供低压脉动直流电给电动机使用,通过调节变压器来控制电动机速 度。另一些则使用可控硅或场效应管来产生突变交流或变频交流电来供应给机车的交流电机。 这样的供电形式比较经济,但是也存在缺点:外部电力系统的相位负荷不等,而且还会产生显著的电磁干扰。 中国、法国、英国、芬兰、丹麦、前苏联、前南斯拉夫、西班牙(标准轨高铁路段)、日本(东北、上越、北 海道新干线及北陆新干线轻井泽以东)、使用单相 25 千伏 50 赫兹电力供应,台湾高速铁路、台湾铁路管理局、韩 国、日本(东海道、山阳、九州新干线及北陆新干线轻井泽以西)使用单相 25 千伏 60 赫兹电力供应,而美国通常 使用单相 12.5 千伏和 25 千伏 60 赫兹的交流电。另外日本东北、北海道地区使用 20 千伏 50 赫兹交流电,北陆地 区、九州地区使用 20 千伏 60 赫兹交流电。 电气化铁路是一种现代化的铁路运输工具,和使用的内燃、蒸汽机车牵引的铁路相比,具有技术经济上的优越 性。 能大幅度提高运输能力 由于电力机车以外部电能作动力,它不需要自带动力装置,可降低机车自重,这样,在每根轴的荷重相同的条 件下,其轴功率较大,目前国内的电力机车最大为 900 千瓦,内燃机车为 500 千瓦,在相同的牵引重量时,其速度 较高。而在相同速度下,其牵引力较大。客运用的 SS8 型电力机车持续速度为 100 公里/时,而 DFll 型内燃机车只 有 65.5 公里/时。从货运机车的功率来比较,SS4 型电力机车为 6400 千瓦,DFl0 型内燃机车为 3245 千瓦,而前 进型蒸汽机车仅为 2200 千瓦。由上述数字可以看出,因为电力机车的功率大,所以它的牵引力大和持续速度较高, 从而大大提高了运输能力。

节约能源,降低运输成本 铁路运输是国家能源消耗的一个大户。因此,牵引动力类型的选择对于合理使用能源具有重要意义。 电力牵引的动力是电能,从我国能源生产的发展来看,“八五”期间发电量增长 32%,原煤增长 13%,原油增长 5.1%;1995 年电力牵引用电量仅占全国发电量的 0.64%;再以宏观的能源结构看,原油储量远少于煤炭、水力, 而一些无法直接使用电能的水上、陆地和空中运输工具及移动机械却需要大量的液体燃料,因此,电力牵引是最合 理的牵引动力。电力牵引每万吨公里的能耗比其它牵引约低 1/3,根据 1990 年全路运输业务决算报告,以每万吨 公里机务成本计算,电力机车为 100%,则内燃机车为 136.9%,蒸汽机车为 135.1%。 有利于保护环境,并能增加安全可靠程度 电力机车无废气、烟尘,对空气无污染,另外噪音较小,特别在通过长大隧道时,其优点更为显著,这不仅改 善了司机的工作条件和旅客的舒适度,而且对铁路沿线城市、郊区的污染也减到最小程度。电力机车装有大功率的 电气制动装置,可用于长大下坡的速度调整,从而可以大大提高列车运行的安全度。 电气化铁路使用电力机车作为牵引动力, 机车上不安装原动机, 所需电能由电气化铁路电力牵引供电系统提供。 中国电气化铁路的牵引供电制式从一开始就采用单相工频(50 赫)25 千伏交流制,这一选择有利于今后电气化铁 路的发展。 电气化铁路动态物理模拟(physics simulation of transient system of electric railway)反映供电系统和电力牵 引全过程及相互关系的动态物理模拟系统,用以获取和优化电气化铁路运行的各主要技术参数。区分为直流和交流 电气化铁路动态物理模拟两种类型。 直流电气化铁路动态模拟计算台 直流电气化铁路动态模拟计算台由前苏联莫斯科铁道学院于 1950 年开始研 制。 利用相似标准,按与实际相符的一定比例模拟变电所电压、内阻,接触网和钢轨的电阻、的电阻、电流,机车 的 F1,I1,研制了包括 5 个变电所,125km 长的接触网、钢轨和线路及电力机车组成的模拟台,其原理结构图见 图 2。①供电系统:牵引变电所由交流供电经桥式整流及内阻后向 4 条馈线供电;接触网和钢轨用 10 个步进选择 器组成,其中每层有 25 条支路,共计 250 条,每条代表 0.5km,其第一层每条支路的电阻模拟 10mm2~738mm2 的等值铜导线截面,第二层模拟 P45 和 P60 型钢轨。②线路纵断面:利用一系列的串、并联电阻形成—电位器, 其上不同的正、负电压相似地模拟不同的上、下坡道阻力,使每个 0.5km 具有不同的坡道。③电力机车牵引列车: 机车的主回路由图 2 中机车电阻和电流来模拟,取电压 UkM,形成电流为(M 代表模拟值)。 2009 年 12 月 26 日武广高速电气化铁路开通运营。 2010 年 2 月 6 日郑西高速电气化铁路开通运营。 我国电气 化铁路进入了高速电气化时代。

电气化铁路

高速电气化铁路(high speed electric railway) 行车速度在 200km/h~350 km/h 的电气化铁路。国际上一般 将铁路行车速度在 100km/h 及以下者称为常速, 在 200 km/h 以下称为快速或准高速, 在 200 km/h 以上至 350 km/h 者称为高速。自 20 世纪 50 年代末始,一些科技发达国家就开始研究和建设高速电气化铁路,至 1997 年年底,全

世界新建高速铁路约 4 400 km, 其中日本新干线 1952km, 法国 TGV1282km, 德国 ICE427km, 意大利 ETR 237km, 西班牙 AVE 471km。20 世纪末一些科技水平较高的国家正在研究一种新型磁悬浮列车,其运行速度可达时速 400km/h~500km/h。中国也开展了这方面的专题研究工作。

电力机车动车本身不带原动机和燃料,比功率(单位重量功率)大,与内燃机车和内燃动车相比,在相同或相 近的持续牵引力(以单轴计)下持续速度高一倍以上,牵引相同重量的列车可以实现更高的额定最高速度(或称最 高运营速度),而且恒功速度范围宽,电制动功率也大,所以起、制动和加、减速性能也均较优越。电力牵引这种 快跑、多拉的特性能更充分地满足铁路运输对提高行车速度、增加列车重量和加大行车密度的综合要求,从而更加 有利于:大幅度提高旅客运输的旅行速度和高附加值商品运输的送达速度;组织煤炭、建材、粮食等大宗货物的高 效、快捷的重载直达运输;发挥速度优势,不断推出运输新产品,拓广铁路运输的营销范围,增强其在运输市场上 的竞争实力。特别轨道交通与高速公路、航空运输协调发展的“运输走廊”,吸引大中城市间和市郊运输的大量客流 转乘高速和快速电气列车,可以明显改善人们的旅行条件、缓解交通堵塞、减少大气污染、节省石油及土地等有限 资源。这种超越上述企业效益的重大国民经济效益和社会效益,在唤醒发达国家的政府和社会对铁路公益性的再认 识,为铁路发展获取资金和支持方面,起了重要的作用。 电气化铁路虽然一次投资较大,但是电气化后完成的运量大,运输收入多,运输成本低,所需投资能在短期内 得到偿还清(视运量大小,一般为 5 年~10 年,有的只需 2 年~3 年)。运输成本的降低,主要是电力机车动车直 接利用外部电源、构造简单、摩擦件少、购置费低、使用寿命长,因而包括能源费、维修费、折旧费的机务成本低; 机车车辆周转快,设备利用率高;客运电力机车动轴少、轴重轻,由提速而增加的工务成本也较少;空调客车、冷 藏车日起触网供电,较加挂发电车节省费用和运力。

危害
电气化铁路(以下简称“电铁”)在现代科技时代的牵引下,得到了飞速的发展,电力负荷中运用比较比重比较大 的是电铁牵引负荷,其突出特点是不对称性、非线性、波动性 、冲击性 等特点。危害电能质量

铁路是单相供电,靠不同的车辆在不同的相位上运行来使相间电流平衡。但是车辆的位置和速度是不确定的,所以 铁路供电经常性出现相不平衡的状态,有时这种不平衡的程度还非常大,这对电网的影响非常大。所以你所提的问 题,可以理解为对电力系统的影响最大的就是相不平衡 或 相不对称。 三相电器,排除制造原因造成的差异,通常相是平衡的。 单相电器,肯定是不平衡的。但是我们通过使每相负担数量和负荷容量基本相同的设施,这 里所说的“数量”要越大越好,从而实现统计学上的平衡。这在实际中是成立的,当然也会 造成一定程度的相间差异,但这种差异不是很大,不影响电网的运行。 铁路的电力,火车是非常大功率的设备,数量又不大,所以很难达到统计学上的平衡。这就 要求电网设计要能承受这种差异。


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