高速电气化铁路概述

1、高速电气化铁路概述主讲人：周文2012.02高速铁路发展史1803年英国的特里维西克制造出第一台在轨道上行驶的蒸汽机车；1814年,英国的斯蒂芬森制造出一台 5吨重的“皮靴”号蒸汽机车，这通常被认为第一台成功的机车。但真正在铁路上使用，并为现代蒸汽机车奠定基础的，是斯蒂芬森父子设计者建造的、并于1829年在比赛中获奖的“火箭”号蒸汽机车，它行驶速度达58公里/小时，创造了当时地面行驶车辆的最高速度。 1835年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人，试制了以电池供电的两轴小型铁路电力机车；1842年,苏格兰的戴维森制造出一台由40组电池供电的标准轨距的电力机车；1879年，德国的西门子设计制造了一辆小型电

2、力机车，电源由机车外部的150伏直流发电机供给，并通过两轨道和其中间的第三轨道向机车输入，电力机车首次成功行驶。 19世纪90年代有些国家便在地下铁道、大城市市郊铁路和干线长隧道区段应用电力机车。到20世纪20年代末，不少国家已有电气化铁路，大多采用架空的接触网供直流电。50年代，大功率引燃管式整流器和60年代大功率半导体整流器件问世后，工业频率交流电力机车得以迅速发展。 1914年在抚顺煤矿使用1500伏直流电力机车，成为中国第一条电气化铁路。 高速铁路的定义 根据国际铁路联盟（UIC）的定义，高速铁路是指通过改造既有线路（直线化、轨距标准化）使运营速度达到200 km/h以上，或专门修建高

3、速新线，使运营速度达到250 km/h（客货兼运线路）或300 km/h（客运专线）以上的干线铁路系统。世界上首条出现的高速铁路是日本的新干线，于1964年正式营运。日系新干线列车由川崎重工建造，行驶在东京名古屋京都大阪的东海道新干线，营运速度每小时2711公里，营运最高时速300公里。 东海道新干线从东京起始，途经名古屋，京都等地终至（新）大阪，全长515.4公里，运营速度高达210公里/小时，它的建成通车标志着世界高速铁路新纪元的到来。 随后法国、意大利、德国纷纷修建高速铁路。1972年继东海道新干线之后，日本又修建了山阳、东北和上越新干线；法国修建了东南TGV线、大西洋TGV线；意大利修

4、建了罗马至佛罗伦萨。 高速铁路发展历程1964年 日本东海道新干线诞生1981年 法国东南线开通1990年 法国创造515.3km/h世界记录1991年 德国两条高速铁路开通1992年 西班牙首条高速铁路开通1992年 意大利首条高速铁路开通1994年 英法海峡高速海底隧道开通2002年 9个国家5435km高速线投入运营2007年 法国创造574.8km/h的世界新记录2008年 中国京津城际高铁运营时速达350km/h，世界第一高速铁路主要设备一、动车组动车组 就是由动力车和拖车或全部由若干动力车长期固定地连挂在一起组成的车组。韩国高速列车KTX西班牙高速列车AVE德国高速列车意大利高速列

5、车ETR500动车组总长：214000mm车体最大长度:头车 26950mm 中间车 26600m车体最大宽度：3331mm车体最大高度：4040mm车门处地板面高度：1250mm客室天花板高度：2250mm轨距：1435mm转向架中心距：19000mm固定轴距：2700mm轮径：915mm中间车钩高度：940mm端部车钩高度：880mmCRH1动车组主要尺寸CRH1动车组驾驶室CRH1动车组车内布置CRH2动车组编组结构图2. CRH2动车组组成及主要参数主电源：25kv，50Hz，单相交流电动机：额定功率300kw额定总功率：4800kW总 长： 201.4 m头车长度： 25.7 m中间

6、车长度： 25 m车体宽度： 3.38 m车体高度： 3.7 m适应站台高度：1.25 m4M+4T，8节编组Tc+M+M+Tp+T+Mp+M+Tc CRH2动车组编组结构图CRH2动车组组成车体最大长度 头车：25,700 mm 中间车：25,000 mm全长： 201,400 mm车体最大宽度： 3,380mm车体最大高度： 3,700mm车门处地板面高度：1,300mm车厢天花板高度：2,277mm轨距： 1,435mm转向架中心距： 17,500mm固定轴距： 2,500mm车轮直径： 860 mm车钩中心线高度： 1,000mmCRH2动车组主要尺寸下线的CRH2动车组一 等 车二

7、等 车CRH2动车组客室CRH2动车组驾驶室通 过 台就 餐 区小 卖 部CRH2动车组车内设备卫生间CRH2动车组车内设备盥 洗 间小便池残疾人卫生间二、牵引供电系统牵引供电系统的构成1电力系统三相输电线 2牵引变电所 3馈电线4接触网 5钢轨 6回流线 7分区所 8电力机车1、牵引变电所沿电气化铁道分布，每一个牵引变电所负责两侧接触网的供电。一个供电臂的长度对应于线路的区间数约为15个区间。它将电力系统的三相高压电转换成两个单相电，通过馈电线分别供给两侧的接触网。所内的主要设备是牵引变压器。变压器原边额定电压为110kV(或220kV)；次边额定电压为27.5kV或227.5kV。所内通常

8、设置两台结构和接线完全相同的牵引变压器，一台运行，一台备用。2、牵引网由馈电线、接触网、钢轨和地、回流线等组成。馈电线：连接牵引变电所牵引母线和接触网。馈电线除直接向接触网送电外，还要向附近车站、机务折返段、开闭所等送电，所以馈电线的数目较多，距离也可能较长。接触网是牵引网的主体，由于接触网分布广、结构复杂、运行条件差，所以不仅日常维修工作量大，故障也较多，对牵引供电的可靠性影响极大。流过电力机车的负荷电流经钢轨和地、回流线回到牵引变电所。由于钢轨与地不绝缘，所以部分电流沿大地返回，形成地中电流。3、分区亭为了提高供电的灵活性和可靠性，在两个相邻牵引变电所的接触网末端通常设置分区亭。分区亭的作

9、用是，可以使单线区段相邻牵引变电所的相邻两接触网实行单边供电或双边供电，也可使复线区段牵引变电所的上、下行接触网实行分开供电或并联供电；当相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时，可以闭合分区亭内的断路器，由非故障牵引变电所实行越区供电。牵引供电系统的供电方式 直接供电方式吸流变压器回流线供电方式带回流线的直接供电方式自耦变压器供电方式1、直接供电方式（TR供电方式）牵引电流通过电力机车后直接从钢轨或大地返回牵引变电所。结构简单，投资最少，维护费用低。在负荷电流较大的情况下，钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大2、吸流变压器回流线供电方式（BT供电方式）在接触网和回流线中串接吸流变压器，让牵引电

10、流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所。电磁兼容性能好，对周围环境影响小接触网中串接吸流变压器，牵引网阻抗增大，供电臂压降增大，牵引变电所的供电距离缩短3、带回流线的直接供电方式（TRNF供电方式）相对直接供电方式，钢轨电位和对通信线路的干扰有所改善。钢轨电位降低；牵引网阻抗降低，供电距离增长；对弱电系统的电磁干扰减小 相对BT方式，结构简单，投资少，维护费用低；牵引网阻抗减小，供电距离增长4、自耦变压器供电方式（AT供电方式) 具有防通信干扰效果好、供电能力强、牵引网阻抗小、牵引变电所数量少、结构复杂、投资较大等特点。在牵引网中并联自耦变压器形成AT供电方式，其除具有显著地降低电气化铁路对通

11、信线路的干扰外，还具有现行其他供电方式所不具备的技术优势而被许多国家所采用。AT供电系统中，牵引变电所牵引侧电压为单相55kV或两相2x27.5kV。牵引网接触线C和正馈线F接在自耦变压器的原边，构成55kV供电回路，而钢轨与自耦变压器的中点连接，使接触网与钢轨间的电压仍然保持为27.5kV。 自耦变压器的容量，视铁路运量及AT间隔大小而定，通常AT间距为812km，自耦变压器电磁容量约为20005000 kVA。 三、高速铁路牵引变压器牵引变电所的主要设备是牵引变压器（又称主变压器）。为了提高牵引供电的可靠性，牵引变电所一般设置两台牵引变压器，每台牵引变压器都能单独承担全部负荷。正常运行时，

12、一台工作，另一台作为检修或故障时的备用。牵引变压器的额定电压，原边为110kV(或220kV)；次边为27.5kV，比接触网额定电压25kV高10%；AT供电方式的牵引变压器次边额定电压为55kV或227.5kV。应用于直接供电方式的变压器接线方式： 单相接线、V/v接线、 YNd11接线、三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge接线等)、阻抗匹配平衡接线应用于AT供电方式的变压器接线方式： 单相接线、 V/X接线 、三相/两相平衡接线(Scott接线、Wood-Bridge接线等)、十字交叉接线 目前，国内外高速铁路牵引变压器多采用三相-两相平衡变 压器、单相变压器。单相牵

13、引变压器优点：结构和接线简单；变电所的设备少、占地面积小、投资少；变压器的容量可以充分利用，容量利用率为100%。缺点：使电力系统三相负荷极不对称，不对称系数为1，在电力系统中形成较大的负序电流；牵引变电所无三相电源，所内自用电需由附近地方电网引入，或由所内劈相机、单相三相变压器等方式供给；牵引网不能实行双边供电。单相V/v牵引变压器优点：容量利用率为100%；在正常运行时，牵引侧仍为三相，可以供给所内自用电及地区三相负荷；变电所的设备也相对较少，投资较省；牵引网可实行双边供电。缺点：使电力系统三相负荷不对称，但和纯单相接线比较，对系统的负序影响减小，不对称系数为0.5；当一台变压器故障时，另

14、一台必须跨相供电，即兼供左、右两个供电臂。这就需要一个倒闸过程，即把故障变压器原来承担的供电任务转移到正常运行的变压器上。倒闸过程完成前，故障变压器原来供电的供电臂将中断供电。倒闸过程完成后，地区三相电力供应也要中断，变电所的三相自用电必须改由劈相机或单相三相变压器供电。跨相供电时，实际上已变成纯单相接线，对电力系统的负序影响随之增大。三相-两相平衡变压器接线较复杂，制造及工艺要求较高；Wood-Bridge接线原边有接地中性点，副边有三角形接线，可提供三次谐波通道，有效降低谐波影响；Scott原边无中性点，中性点电位易发生偏移；容量利用率较高；能有效降低负序对电力系统的影响 。自耦变压器AT

15、供电方式是电气化铁道减轻对邻近通信线路干扰影响的有效措施。它对牵引供电系统有较好的技术经济指标，能适应高速、重载列车的运行高速铁路接触网（1）空气动力和外部激扰对接触压力影响明显 在高速运行下，空气动力将造成弓网接触力产生较大波动。该力会因不同受电弓或相同受电弓的不同运行方向而不同； 在高速运行下，任何外部的不平顺都会造成列车的振动，这种振动的振级与列车速度成正比。振动同样将使弓网动态接触压力与静态接触压力产生较大的偏差，造成动态接触压力上下波动。以上因素使弓网离线，受流质量变差，加剧受电弓滑板和接触网的电气磨耗和机械磨耗。 高速铁路接触网受流特点(2)牵引电流是普速列车牵引电流的两倍，甚至更

16、大，牵引电流的加大造成接触线与滑板之间过热。 采用单弓取流，离线引起的冲击很大； 采用多弓取流，会增大阻力和噪声了，并引起接触网扰动;多弓会引起接触网结构变得复杂。大电流的存在：(a)回流与接地系统要求更高；(b)网中高次谐波电流产生的高频电磁场干扰更明显；接触网的电磁干扰有两大类： (a)弓网离线产生的高频电磁辐射； (b)接触网绝缘子放电。(3) 噪声干扰 噪声干扰是高速铁路必须解决的课题之一，高速铁路的噪声声源主要来源于弓网系统、轮轨系统和空气阻力。 中国对铁路噪声的容许标准值70dB。为降低噪音，除在轨道、线路、车辆、电气化接触网等方面采取降噪技术外，在人口稠密区的路基和高架桥上还应采

17、用隔声屏障对噪声进行防范治理。（1）设计条件（温度和风速）（2）设备性能（免维修级）（3）结构参数（精确度）（4）状态标准（误差精度）（5）线索性能（机电性能）悬挂方式（无）；线索材质和截积；（120）线索张力；（大）电流容量；（大）机械强度、（高）结构稳定性、（强）悬挂弹性及均匀性、（高）悬挂抬升量、（大）导线高度及其变化率；（小）弓网振动特性；（波动特性）1高速与普速的区别高速接触网的结构与设备简介对线索的要求（1）良好的导电性能，导电率最好保持在90%以上；（2）良好的机械性能，能承受因提高波动速度而施加的张力并满足安全要求；（3）良好的耐磨性能，能满足磨耗率和使用寿命；（4）良好的耐热性能，能防止过负荷电流或短路电流引起的热软化或熔断；（5）良好的疲劳特性，能防止接触线上下扰动所形成的疲劳断裂；（6）良好的抗蠕变特性，在实际工作环境下所产生的导线表面波状变化应在可控范围以内，不因此引起拉弧或离线。线索方面的主要差异载流量抗拉力热软化抗疲劳抗蠕变1高速与普速的区别AT供电方式下接触网结构法国地中海线德国法兰克福科隆线西班牙马德里巴塞罗那线意大利罗马那不勒斯线日本新干线（）电源（）电源架线中间断电区轮轨在线检测电路开关断路器