电气基本知识在高速动车组上的应用

1、电工基础与应用课程论文电气基本知识在高速动车组上的应用摘要：电气化铁路是铁路发展的必然趋势，那么电气化在铁路上的应用又有哪些呢？从牵引供电系统到牵引传动系统，从牵引变电所到受电弓甚至到为动车中各个用电器所消耗的电都有电气的影子。那么电气究竟怎么在高速动车组上工作上呢？为什么高速动车组的发展离不开电气呢？关键词：动车组，电气化铁路，牵引供电系统，接触网 高压供电系统 受电弓 牵引传动系统 交流传动引言：电气化铁路是世界铁路的发展趋势，中国的电气化铁路的里程已是世界第一，而高速铁路的发展尤其是动车组的发展也是未来的铁路发展的主要方向。那么电气化在高速动车组上又有哪些应用呢？电气化铁路 电气化铁路是

2、以电能作为牵引动力的一种轨道交通运输形式， 具有牵引功率大， 能源综合利用率高，劳动生产率高，污染环境小，便于实现自动控制，能促进沿线地区电力工业发展的优点，已成为铁路运输现代化的标志。 电气化铁路由牵引系统和电力机车或动车组这两种铁路列车 （即通称的火车） 和机务系统组成。 随着哈大高铁 12 月 1 日正式开通运营，我国电气化铁路总里程已突破 4.8 万公里（不含港澳台地区电气化铁路里程） ，超越了原电气化铁路世界第一的俄罗斯，跃升为世界第一位。其中，我国高速铁路已达 8600 余公里，稳居世界首位。京广高铁开通之后，我国的电气化铁路?睦锍逃纸印缦低?牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网两大

3、部分。牵引变电所，牵引网，火车三者一起构成一个闭合的牵引供电回路 1. 牵引变电所 牵引变电所由牵引变压器，高压断路器等一次设备和用于监控的二次设备组成，其主要作用是将地方电力网送来的三相高压电变换为适合电力机车使用的电能，并降低电力牵引负荷对电力系统的不良影响。 一条电气化铁路沿线设有多个牵引变电所，相邻变电所间的距离约为 4050 公里。在长的电气化铁路中，为了把高压输电线分段以缩小故障范围一般每隔 200250 公里还设有支柱牵引变电所它除了完成一般变电所的功能外，还把高压电网送来的电能，通过它的母线和输电线分配给其他中间变电所。 牵引变电所的主要电力设备是单机容量为 10000 千伏安

4、以上的降压变压器称主变压器或牵引变压器。工矿和城市交通大多采用直流电力牵引，故直流牵引变电所里除降压变压器外，还有把交流电变成直流电的半导体整流器。此外，各类牵引变电所中还有用来接通和开断电力电路的主断路器、为了检修和安全用的隔离开关，以及为了自动、远动控制和保护用的自动控制系统和断电保护系统。 牵引变压所分为直流和交流两类。直流牵引变电所的功能是把区域电网的高压电加以降压和整流，使之成为直流 1500 伏、750 伏或城市交通用 600 伏电压再送到接触网，为直流电力机车或电动车辆供电。交流牵引变电所根据牵引变压器绕组接线不同，又分为三相、单相和三相-两相牵引变电所。三相牵引变电所：变压器原

5、边绕组通常为星形连接，副边绕组为三角形连接。三角形的一个连接点接铁路行车轨道，另两个连接点分别接牵引变电所左右两侧的供电分区接触网。由于两侧相位差 60需要分段。这种牵引变电所的优点是变压器副边保持三相，可供变电所本身和地方的三相用电，缺点是变压器的容量未能充分利用。单相牵引变电所：采用 12 台单相变压器。用一台单相变压器时，副边绕组的一端接轨道，另一端同时供给左右两侧的供电分区接触网。为了检修方便，两供电分区采用相关分段加以隔离。若用两台单相变压器时，其原边绕组分别接到高压三相母线中两对不同的母线上，使三相负载平衡；两个副边绕组按 v 形接线公共点接轨道其余两端分别向两侧的分区供电并用相关

6、分段。单相变电所的优点是变压器容量利用较充分。但地区负荷需专用变压器，简单的单相接线，还影响三相系统的平衡。三相-两相牵引变电所：变压器原边绕组接成 t形，与三相高压母线连接；副边为两相连接，共用端接轨道，另两端分别接供电分区由于两者相位差 90，两分区也需隔开。这种形式的牵引变电所一定程度上克服了三相和单相牵引变电所的缺点。中国早期的牵引变电所大多采用三相牵引变电所，从 80 年代起出现采用三相两相牵引变电所。此外，欧美一些国家由于历史上的原因，还有频率为 16 赫或 25赫的单相牵引变电所，但现在发展的主流是单相工频交流牵引及相应的变电所。历史上还出现过三相电力牵引及其变电所但因三相接触网

7、结构复杂现在一般不用。中国干线电力牵引采用单相工频 25 千伏交流电牵引变电所把输入的 110 千伏三相交流电转变为 25 千伏单相交流电送入接触网，从而完成电力牵引的供电任务。牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式馈出。降低电压是由牵引变压器来实现的，将三相变为单相是通过变电所的电气接线来达到的。牵引变压器（主变）是一种特殊电压等级的电力变压器，应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。我国 牵引变压器采用三相、二相和单相三种类型，因而牵引变电所也分为三相、二相和单相三类。随着技术水平的提高，我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统，牵

8、引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行 2.牵引网 牵引网包括馈电线，接触网，钢轨，回流线，大地回路。馈电线是连接牵引变电所和接触网的电力供给线，多为铜绞线；钢轨在电气化铁路的有三大作用：列车导轨，牵引电流的电气回路，信号系统的回路；回流线是连接钢轨和牵引变电所的电连接线，主要是为了回流提供电气通路。接触网是牵引网的核心，是电气化铁道的主要供电设施，其功能是不间断的向火车供电。 3.电力系统对牵引变电所的供电方式 电力牵引为一级负荷，牵引变电所应有两路电路电源供电；当其中任一路发生故障时，另一路应能正常供电。两路电路可以由电力系统中不同的变电所供电，也可以由同一区域供电。供电电

9、压有 110kv 和 220kv 两种。其中 110kv 区域变电所数量多，分布广，可以就近供电，投资低。220kv 系统容量大，电压稳定，承受负序电流和谐波电流的能力大。直接用其供电，降低系统的投资，但牵引供电所受电电压较高，投资增大。 电力系统对电气化铁路的供电应保证供电的质量，牵引变电所电源侧母线电压变动幅度不应超过额定电压的 5。 电力系统对牵引变电所的供电方式，即牵引变电所一次侧的供电方式，可分为一边供电，两边供电和环形供电。 4.牵引变电对牵引网的供电方式 牵引变电所对接触网的供电有两种方式:单边供电和双边供电。接触网通常在相邻两牵引变电所的中央断开，将两牵引变电所间两个供电臂的接

10、触网分为两个供电分区。每以供电分区的接触网只能从一端的牵引变电所获得电能，称为单边供电。单边供电的主要优点是：当某一供电臂内接触网发生故障时，只影响本供电臂，而不影响其他供电臂的正常供电，从而缩小事故范围。我国一般为单边供电。如果在中央断开处设开关设备时可将两供电分区连通，此处称为分区亭。将分区亭的断路器闭合，则相邻牵引变电所间的两个接触网供电分区可同时从两变电所获得电能，此方式称为双边供电。双边供电均衡了负荷，降低了接触网的损耗，可以提高接触网的电压水平，但双边供电形成环网，当牵引变电所电源侧线路发生故障时，低压侧向高压侧有反馈，会造成继电保护设置困难。 5.牵引网的供电方式 针对牵引网的结

11、构，采取不同的技术措施和装备，以减少牵引网对邻近通信线的干扰，降低牵引网电压的损失和电能损失，提高电气化铁道效益，从而形成了牵引供电系统不同的供电方式。供电方式主要有直接供电方式，吸流变压器（bt）供电方式，自耦变压器（at）供电方式，直供回流（dn）供电方式。接触网 接触网是在电气化铁道中，沿钢轨上空“之”字形架设的，供受电弓取流的高压输电线。接触网是铁路电气化工程的主构架，是沿铁路线上空架设的向动车供电的特殊形式的输电线路。也称为架空式接触网，接触网是牵引网的核心，是电气化铁道的主要供电设施，其功能是不间断的向火车供电。从结构形式看分为：1.基础构件，如水泥支柱、钢柱及支撑这些结构物的基础

12、；2.基础安装结构件，这项内容的作用主要是连接接触网导线和基础构件；3.接触网导线，这部分作用就是传输电流给电力机车；4.其他辅助构件，包括回流线、附加悬挂等。接触网、钢轨与大地、回流线统称为牵引网。其特点为：露天设备、无备用、机电一体化因而对其基本的要求为 ，在恶劣气候条件下下能保证正常供电。 （1） 设备安全可靠， （2） 有足够的电气强度，能保证在牵引高峰时正常的提供电能。 （3） 有足够的机械强度，保证接触网悬挂具有可靠的稳定性。 （4） 网上设备的空间位置不影响受电弓取流。 （5） 有足够的防腐性能和耐磨性能 （6） 在最高速度运行速度下，弓网离线率应在可容许的范围内。高压供电系统

13、高压供电系统的功能就是将来自接触网的电能进行变压和滤波处理，再供给列车电气系统各设备使用。这些电气系统是：辅助电源系统、电池系统、电驱动系统。 高压供电系统主要设备有受电弓、高压总线断路器、主断路器、主变压器、网侧变流器、辅助逆变器、电机逆变器、三相变压器、电池充电器等。受电弓 电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，安装在机车或动车车顶上。受电弓可分单臂弓和双臂弓两种，均由滑板、上框架、下臂杆（双臂弓用下框架）、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成。菱形受电弓，也称钻石受电弓，以前非常普遍，后由于维护成本较高以及容易在故障时拉断接触网而逐渐被淘汰，近年来多采用单臂弓（见图）。高速列

14、车通过车顶上的受电弓与接触线的滑动接触来获取电能的，该过程称为“收流”，负荷电流通过接触线和受电弓滑板接触面的流畅程度与滑板与接触线间的接触压力、过渡电阻、接触面积有关。 单臂受电弓 升弓：压缩空气经电空阀均匀进入传动气缸，气缸活塞压缩气缸内的降弓弹簧，此时升弓弹簧使下臂杆转动，抬起上框架和滑板，受电弓匀速上升，在接近接触线时有一缓慢停滞，然后迅速接触接触线。 降弓：传动气缸内压缩空气经受电弓缓冲阀迅速排向大气，在降弓弹簧作用下，克服升弓弹簧的作用力，使受电弓迅速下降，脱离接触网。 收流，这项技术看上去平淡无奇。然而，实际上它却一直是困扰世界高速铁路界的一个难题，至今也仍是各国技术人员孜孜不倦

15、进行攻关的研发课题。因为保证在高速的条件下良好的收流实在是太难了。1964 年，日本东海新干线开通前的列车试运行时，最让日本铁路专家不安的技术问题，不是信号，也不是线路，而是受流！人类对交通工具的速度永远充满热情，中国、日本、法国等国都在研发更高速度等级的高速列车，受流，依旧是技术专家们需要解决的关键技术问题之一。受流质量?岣叩募虻治?由于列车运行所需要的电能是靠受电弓与接触线的接触来获取的，所以，在列车运行过程中，如果受电弓与接触线能够保持紧密接触就在理想不过了，然而现实中，这种理想的接触很难实现，对于高速的列车尤其如此。 受电弓是靠一定的抬升力让滑板与接触网保持接触的。例如:京津城际高速列

16、车受电弓的静止抬升力约为 70-80 牛顿，列车高速运行时受气流的作用会产生一个动态的抬升力，故列车在抬升力的作用下发生上下振动，受电弓前进的速度和接触线波动的传播的速度越接近，受电弓和接触线就越容易失去接触，这种现象叫做离线。一般用离线率评价列车受流质量的好坏。为了降低离线率，我们在接触悬挂方式已定的情况下，从接触线和受电弓的两个方面进行努力。 1. 接触线的波动速度和列车速度越接近就越容易发生离线。经试验表明，列车速度与波动传播的比值在 0.6-0.7 之间，就可以保证良好的受流质量。因而在保障良好受流的前提下要提高列车速度，采取提高波动传播速度是一种有力的手段，其措施有两个：一是增大接触

17、线的张力；二是降低单位长度接触线的质量，也就是其采用轻质材料。 2.增大受电弓的抬升力和减轻受电弓的质量也可以提高受流的质量，但这个办法有一定的限度，同时也受电弓滑板和接触线的损耗，缩短寿命，所以需要综合考虑，合理选取。辅助供电系统 高速列车的辅助供电系统包括三相交流供电系统及直流供电系统两部分。辅助供电系 牵统采用母线供电方式 三相交流供电母线为列车中的牵引变压器冷却泵及冷却风机， 引 流器冷却泵及冷却风机、空气压缩机、空调系统制冷压缩机、冷凝器风扇等 、管路伴热器、客室照明系统、厨房设施、卫生设备等提供电源 直流供电母线为列车中的硬线控制电路、列车中央控制单元、牵引控制单元、制动控制单元，

18、网络设备辅助空气压缩机等提供电源。速列车上所有系统设备的运行都离不开辅助供电系统 辅助供电系统直接关系到整个列车的运行状态 是列车稳定运行的关键。 其基本工作原理：辅助变流器通过牵引变压器辅助绕组或牵引变流器中间直流环节获取电能 并将其转换为三相交流电供车上负载设备使用 充电机通过三相交流母线供电经过整流后将电能变换为直流电供给车上负载设备供电 并对蓄电池进行充电。整个辅助供电系统的关键部件主要有辅助变流器、充电机以及蓄电池。 crh1 crh2 crh3 crh5 辅助变流器容量 144kva5 205kva2 160kva 300kva5 牵引辅助系统 取自牵引回路直 取自牵引变压器 取自

19、牵引回路直 取自牵引回路直 输入电压 流环节 dc1650v 辅助绕组单相 流环节 dc3000v 流环节 dc3600v ac400v/50hz 交流母线电压 3ac400v/50hz ac100v/50hz 3ac440v/60hz 3ac400v/50hz ac220v/50hz 充电器容量 22kva5 58kva2 60kva2 15kva8 直流母线电压 110v 100v 110v 24v 中国高速列车辅助供电系统基本参数牵引系统 牵引系统主要设备包括：变流器箱、过滤器箱、牵引电动机、齿轮箱、联轴节、反应杆、速度传感器等。 牵引系统的主要作用是将主电压器牵引线圈的交流电压转换成可

20、变振幅和频率的三相电压，用于与齿轮连接的牵引电动机的驱动和制动。该设备在驱动时向齿轮提供网侧电源；切换至制动时将改变电源方向，并将牵引电动机变为发电机。 牵引系统还为辅助电源系统供电；驱动和停止时，主变压器牵引绕组的 ac 电压被转换成dc 输入电压供给辅助逆变器。制动时，牵引电动机生成的 ac 电压被转化成 dc 输入电压供给辅助逆变器。牵引传动系统 电力牵引传动系统主要由牵引供电装置，变流调速装置，驱动装置三部分构成。牵引供电方式经历了初期的低压直流，三相交流供电后，电流制逐步趋向统一。均采用交流传动。 交流传动技术的特点和优点：1、构造简单 异步电动机是所有电机中结构最简单的电动机，除轴

21、承外，没有其他机械接触部分。串激直流电动机则不然，结构复杂。定子、转子都有绝缘要求很高的绕组，有换向器装置和电刷机构，磨擦部分多，接线复杂，机械转速受换向条件和机械强度的限制，只能达到 而交流异步电动机转速可达 4000r/min 以上，2500r/min 左右。 试验转速甚至可达 6000r/min，这是直流电机所忘尘莫急的。 2、粘着性能好 （1）异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的升高，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差超出 5以上。串激电动机则不然，转矩变化一点，转速就有很大的变化。 （2）异

22、步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的粘着利用，不会出现粘着中断情况。根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不?芊兆帜艹浞址幼畲蟮那?（3）可实现各轴单独控制。当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充分利用机车的粘着性能。在交直传动系统中，某轴空转时，需要使所有各轴电机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。3、功率大，牵引力大 这个概念是指在其它条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条件下，可以装更大功率的异步电动机。如加拿大改造的 cp4744 号机车，在给定的设计空间条件下，直流电动机的功率大约被限制

23、在 600700kw/轴。装用 bbc6fra40b 异步牵引电动机，其功率可达1492kw/轴以上。正因如此，才可使机车的牵引功率大大提高。4、可靠性高，维修简便 交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为 h 级或 f 级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，可靠性高。5、效率高，利用率高、使用灵活性强 交流传动系统的总效率约为 0.90，而交直流传动系统的总效率约为 0.86。e120 交流传动机车在长期应用对比中发现，客运作业时可节能 36，货运作业时可节能 810。由可 靠性、耐久性和易于维修的结合，使交流传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，bbc 交流传动机车的利用率提高了 10。对铁路运营管理来说，在计算所需数量时，机车利用率起着重要作用，对所需投资有决定性的影响。 交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足