电气化轨道交通

第五章电气化轨道交通概述第五章电气化轨道交通概述第一节 电气化轨道交通的进展—电气化轨道交通的起源1879年。当年531柏林举办的世贸会上联合推出了一条轨距1、全长300m的椭圆形“电气化铁路2.2kW945kg150V在两轨道中间的第三轨供电，走行轨作为电流回路3节放开式“客车车箱”613km5.15.1世界上第一条电气化轨道交通系统7008二地铁3万人次以上/轴重相对较重的城市轨道交通系统。自1863年第一条地铁在英国伦敦建成通车以来，地铁作为大中城市的4080多座城市拥有地下铁道，5,200km，有14100km以上，其中纽约和伦敦的400km300km2030多个城市的地铁线处于建设之中。三轻轨1886年美国蒙哥利市开头消灭有轨电车系统，但因旧式有轨电车存在速度慢、噪声大、占用城市街道、舒1970年，全世界仅有8个城市还有有轨电车。当汽车交通的弊端〔交通堵塞、空气污染、噪声扰民、能源危机〕显现出来之后，国际上系统－轻轨交通。当今世界上投入商业运营、技术最先进的轻轨交通系统是1986年建成的加拿大温哥-76-第五章电气化轨道交通概述22.5km13km16座，114辆，行车间距3～5min，信号系统由计算机掌握，全部列车以无人驾驶全自动掌握方式运行。1965年开头修建，19699月通车，西起苹果24km17座；1984年北京地铁开头其次、三期工程建设，现拥有地铁总长52.8km，车站40座。20235月，北京又开头了轻轨交通〔从西直门至回龙观〕202340.8km17座。我国目前已有地铁或轻轨交通系统的城市有：北京、天津〔1970年始建、1984年通车、全长7.4k8座车站、规划106k、上海1994年一号线通车、全长16.1k、车13座；二号线全长20.5km；规划：11条地铁线、全长325.6km；7条轻轨、全长136.3k、广州1993年开工、一号线全长18.48k、车站16座、香港1975198943.2km38座、台北〔1986年提出规划、484.7km、车77座重庆、成都、大连、高雄、台中等。四电气化铁路由于两次世界大战的影响，电气化铁路在202050年月后，随着工业兴旺国家急剧增长的运输任务的需要，各国开头了大规模的铁路运输现20世纪六七5000km2070苏联以及东欧等国的主要铁路干线都实现了电气化。现在这些国家正集中精力修建时速200km2080路的建设步伐，其中以南非和我国的电气化铁路进展最快，南非在1997、1998两年间就7898km4,000km，制造了世界电气化铁路建设速度的历史记录。68个国家和地区修建了电气化铁路3865％；亚洲有1212.78.〔主要集中在南非93.7％；大洋洲有21.4％。拥有1万km铁路的国家有：俄罗斯、德国、南非、日本、中国、法国、印度、波兰、意大利。196181593km，以三个马蹄形和一个螺旋形盘旋于秦岭的崇山峻岭之中，最小曲线半径300m、最2,360m、3020km，行车条件格外困难。20805,000km。此间，我国电气化铁路建100km500km②利用外资引入国际先进技术，京秦线AT气化铁路技术已向世界先进水平迈进；③建设对象除运煤通道外已开头向运输主干线(陇)及沿海经济特区进展；④开头万吨级重载单元列车建设；⑤通过技工贸相结合的原则引进具有国际先进水平的技术和设备，使我国电气化铁路的技术装备到达或接近国-77-第五章电气化轨道交通概述际先进水平。20世纪90年月，我国电气化铁路进入了高速进展时期，分别建成了鹰厦、川黔、汀黔、兰琥、大秦线东段、郑武、宝中、侯月、包兰、丰准等10条电气化铁路，总里程达3,088.1km，1998200km21202320,000km33％，45％以上。五磁悬浮交通间的机械接触，而是由磁力实现其支承、导向和牵引的非接触式交通工具。磁浮列车的概念最早由德国人HermannKemper1922年提出的，但直到2060年月后才得到真正进展。这主要得益于电力电子技术、计算机与信息技术、超导技术等现代技术的快速进展。目前，德国和日本的磁浮交通技术处于领先水平。德国在经过长期的技术方案比较之后，打算进展电磁吸力型高速磁浮交通技术，并于2080年月在埃姆斯兰德建成了包括31.5km试验线路在内的高速磁浮列车试验基地。90年月初宣布应用技术成熟。20233月，中国与德国合作在上海开工建设了上海浦东30km20231231日正式试运行。这条磁浮线是世界上第一条商业应用磁浮交通线路，其设计运行速度为430km/h。日本与德国不同，除争论超导高速磁浮交通技术外，还争论中低速磁浮交通技术。日18.4km超导高速磁浮列车线路，MLX磁浮车的最高试验速度已近600km/h管如此，日本认为该系统尚未到达商业应用的程度。另外，日本在名古屋市建设了1.5km中低速磁浮列车试验线。目前正在名古屋市建设8.9km商业应用线路〔东部丘陵线2023年底投入试运行，2023年世界博览会期间投入商业运行。1985600m长的低常导短定子型磁浮列车线，但目前已停运。2080年月，国防科技大学首先开头争论磁浮列车，西南交1986年开头争论，199015kg的磁浮小车研制工作，1994年10月，西南交通大学建成我国首条43m4t磁浮车试验线。目前，西南交通大学、长春客车厂与株洲电力机车争论所，正联合投资和研制可供城市商业运行的常导磁浮列车，并在420m工程试验线。其次节 地铁及轻轨供电系统地铁供电系统是地铁的生命之源，除牵引机车需要电能外，通风换气及空调设施、自动扶梯、排水排污、消防、照明等都无一例外地需要电能。地铁负荷是电力系统的一级负荷，其变电所是双路电源，互为热备用。地铁与轻轨的供电系统分为主变电所、牵引变电系统、变配电系统35.2所示。—地铁〔轻轨〕主变电所地铁主变电所对城市电网是用户，对地铁〔轻轨〕供电系统是电源，它担负着将城市电网高压电变成牵引供电系统和变配电系统所需要的电压，并向地铁和轻轨供电的任务。5.3所示。主变电所的设计要遵循以下原则：-78-第五章电气化轨道交通概述图5.2 地铁及轻轨供电系统示意图主变电所的站位应选在线路四周，尽量缩短主变电所到车站之间的电缆通道。每座主变电所从城市引入双路独立电源，当一路发生故障时，另一路能担当变电所的全部负荷。主变电所高压侧应为内桥结线，设桥路开关；低压侧单母线分段，设分段开关。桥路开关和分段开关正常处于断开状态，失压自投，故障闭锁。22台自用变压器。主变压器的容量应按地铁与轻轨远期最大用电负荷设计。因主变电所的负荷为直流牵引负荷和低压动力照明负荷，其功率因素补偿主要是补偿变压器的空载无功功率。变电所按三级掌握设计，并应有人值班。变电所宜选用SF6绝缘全封闭组合电器GIS置应紧凑，便于设备运输、安装和运行维护，并设有通往地铁或轻轨的电缆通道。主变压器宜承受油浸风冷、有载自动调压变压器。依据需要可为三线圈或双线圈的构造。二地铁〔轻轨〕牵引变电所牵引变电所设有两路独立电源，两套整流机组。一般将牵引变电所和降压变电所合建/2~4km.。牵引变电所的主结线如图5.4所示。牵引变电所平面布置如图5.5所示，包括变压器室、高压室、低压室、蓄电池室、集控室、值班室等，地下牵引变电所还应设置良好的通风散热装置，当机械送排风不能满足要求时，应设冷风再循环系统。变电所的设备需做到防火、防潮、低噪声、空气自冷。-79-第五章电气化轨道交通概述图5.3 地铁主变电所的主结线 图5.4 地铁牵引变电所的主结线图5.5 地铁牵引变电所平面布置图三地铁〔轻轨〕变配电系统地铁与轻轨除了直流电动车辆外，其他全部沟通低压负荷都由变配电系统供电。变配电系统由降压变电所和动力照明两局部组成。降压变电所5.6所示。图5.6 降压变电所平面布置图-80-第五章电气化轨道交通概述降压变电所内设两台电力变压器，两路电源可以来自主变电所，也可来自相邻牵引变5.7所示。低压负荷应按动力、照明、广告照明、空调分别计量，以便进展用电考核。在站台两端各设一组镉镍碱性蓄电池组，其容量选择应满足变电所双路失电时，供给车站、区间220V事故照明，时间不少于30min，以便使地下车自动切换。只有当变电所双路电源失电时，才自动切换到蓄电池组供电。动力照明动力照明系统承受380/220V三相五线制系统〔TN-S系统〕配电。低压负荷按其用途和重要性可分为3主排水泵、售检票机、防灾报警、通信信号、事故照明等，承受双电源、复。二类负荷：自动扶梯、局部通风机、一般风机、排污泵、工作照明、节电照明等，承受双电源、单电缆。三类负荷；空调、冷冻机、热风幕、单电缆。5.7降压变电所的主结线图对于一、二类负荷，一般由两路电源供电，当一台变压器故障解列时，另一台变压器可担当全部一、二类负荷。三类负荷由一路电源供电，当一台变电器故障解列时，可依据运行需要自动切除。用电设备的双电源切换箱应当设计成自投自复装置，一路为工作电源，另一路为备用电源。为便于运营治理，在车站两端的站台层和站厅层，各设一配电室，以便对本层用电设备的供电和治理。动力照明根本上承受放射式供电，个别负荷可承受树干式供电，对于大容量的动力设备和主要用户应由变电所直接供电，如车站风机、冷冻机组、消防泵、区间100m三相插座和单相插座各一个，容量为15kW。每一回路只考虑一组使用，箱体应为防潮、30m应设单相安全插座，单独回路供电；车站附属房间的单相插座应单独回路供电，并装设漏电开关保护。地下隧道的区间照明设于行车方向左侧墙上，分工作照明和事故照明，每隔10m设一灯具，两种照明灯具相间布置，照明灯具应具有遮光性能。第三节电气化铁路概述—电气化铁路的组成电气化铁路是以电能作为牵引动力的一种交通运输形式，它具有牵引功率大、能源综-81-第五章电气化轨道交通概述合利用率高、劳动生产率高、不污染环境、便于实现自动化掌握、能促进沿线地区电力工业进展的特点，已成为铁路运输现代化的标志。电所和牵引网两大局部。牵引变电所、牵引网、电力机车三者一起构成一个闭合的牵引供电回路。在牵引供电回路中流通的电流称为牵引电流，通过钢轨和回流线流回牵引变电所的电流叫轨回流，通过大地流回牵引变电所的电流叫漏泄电流或地回流。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，其主负荷对电力系统的不良影响。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TJ150主要为回流供给电气通路。接触网是牵引网的核心，是电气化铁道的主要供电设施，其功能是全天候不连续地向电力机车供电。电力机车电力机车由机械局部、电气局部和空气管路系统三局部组成。机械局部主要包括机车车体和走行部，空气管路系统主要包括制动气路系统、掌握气路系统和关心气路系统，电气局部主要包括受电弓、主断路器、牵引变压器、转换硅机组、调压开关、整流硅机组、平波电抗器、牵引电动机和制动电阻柜等。为了保证电力机车的正常运行，机车上还安装5.85.8整流型电力机车构成示意图除电力机车外，目前，国外高速电气化铁路也承受电动车组牵引方式。电动车组由带5.9二电力系统与电气化铁路的相互关系电气化铁路是电力系统的一级负荷，必需由两路电源向牵引变电所供电，两路电源可-82-第五章电气化轨道交通概述以由不同的区域变电所供电，也可是同一区域变电所供电，向变电所供电的两路电源要能互为备用。牵引负荷对供电电源的根本要求是：保证向电气化铁路安全、牢靠、不连续地供电；提高供电质量，保证必需的电压水平。电力系统要求牵引负荷：提高功率因数，削减电能损失，降低运营费用；尽量削减单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流、负序电压和高次谐波的影响。5.9电动车组动车构成示意图电力系统对牵引变电所的供电方式电力系统对牵引变电所一次侧的供电方式有：单边供电、双边供电、环形供电。单边供电牵引变电所的电能由电力系统中一个方向的发电厂送来，如图5.10所示。5.10电力系统对牵引变电所的单边供电方式A,A,AB,B,BQ,Q,Q31 2 3 1 2 3 1 2 3110kV输电线接到发电厂A3

110kVA3

110kVB2

110kVB2

110kVAA110kVBB2 2 1 135kVA

QQQ

与发电1 1 2 3AAAA3 2 1 3担负着较大比例的份额。两边供电如图5.11所示，牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来。图中A1A为发电厂，B为地区变电站，Q为牵引变电所。牵引变电所的电能从两边分别由发电厂2-83-第五章电气化轨道交通概述AA1 2环形供电

图5.11 电力系统对牵引变电所的双边供电方式环形供电是指假设干个发电厂、地区变电站通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵5.10A通过输电线与发1A或A2 2中的一段环路之中。单相工频沟通制式的优点单相工频沟通制式的优点主要表现在5个方面：①能直接从国家电力系统取得电能；②能以较高电压向电力机车供电，从而实现大功率供电；③不需要设整流和变频设备，从而使牵引变电所的设备简化，投资降低；④牵引变电所的距离大，能有效降低建设投资和运营费用；⑤与直流供电相比，接触导线的截面积减小，电能损失减小。沟通制式，避开了重走先直流后沟通、先低压后高压的进展老路，同时也避开了沟通与直流接轨的技术难题，为我国电气化铁路的进展打下了良好的技术根底。现在各国承受的电流制式已渐渐趋于统一，主要制式有：25kV单相工频沟通制(39.22％)；3kV(33.8％)；15kV单相低频制(15.9％)；1.5kV(8％)。电力牵引负荷对电力系统的影响工频单相沟通电气化铁路的电力牵引负荷与一般的工业负荷不同，它有其自身的特别它将在电力系统中产生大量负序和谐波，降低电力系统的功率因数。〔1〕负序对电力系统的不良影响负序电流将使同步发电机的输出功率减小，绕组和转子体发热和机械振动，影响其正常运行和寿命；使异步电动机产生负序转矩，降低电动机的输出功率；使电力变压器的出负序电流流经电力网络时并不做功，而只造成电能损失，从而降低电力网的输送力量；使系统中靠负序重量启动的继电保护或高频保护误动作，从而增加了保护的难度和本钱。谐波对电力系统的不良影响谐波在电力系统中将引起并联谐振，谐波电压被放大，简洁损坏设备；将引起串联谐振，使串联回路中电子元件过电流过热；谐波电流流入三相定子绕组时，产生旋转磁场，引起振动扭矩，并增加定子绕组和定子铁芯的附加电能损失和发热；引起转子激磁绕组的-84-第五章电气化轨道交通概述〔主要是铜损；同时，高次谐波对电气计量仪表，特别是电能计量仪表影响较大。由于谐波电流流入变压器产生的铁芯磁滞现象会引起噪声增大。低功率因数对电力系统的不良影响的影响，使电力牵引负荷的功率因数比较低，一般为0.80~0.85。由于牵引网阻抗的影响，牵引变电所牵引变压器低压侧的功率因数只有0.80~0.840.75~0.79。发电和输变电的本钱提高；因有功功率损失与功率因数的平方成反比，功率因数低，将引起输电网络中的电能损失大大增加，引起电力用户的供电电压缺乏。为了降低牵引负荷对电力系统的影响，在牵引供电系统、特别是在牵引变电所中，必需实行必要的措施提高功率因数，平衡三相负荷。如承受不同的供电方式、转变牵引变压器绕组构造、在牵引变电所牵引侧装设并联电容补偿装置等。三电气化铁路的供电方式为了降低谐波对通讯的影响，我国工程技术人员及科研人员经过长期争论，形成了5种牵引网供电方式，分别介绍如下。1直接〔TR〕供电方式在TR供电方式下，牵引变电所和接触网均不设防干扰设备，优点是构造简洁，造价低，缺点是对通讯信号有较大干扰，因此它只适用于远离城镇的偏远山区。其供电方式如5.12、吸流变〔BT〕供电方式BT2～4km在接触网四跨锚段关节处串入一个变比为1:12次边线圈串接在与接触网同杆异侧架设的回流线上，两台变压器间通过吸上线将轨道和回流线相连。牵引回流大局部由回流线返回牵引变电所，能有效削减电磁场对四周通讯信息的干扰。但由于吸流变压器线圈串入接触网和回流线内，使牵引网阻抗增大，降低了供电臂末端电压，使馈电回路构造简单，工程造价增高。其供电方式如表5.1另外，BT供电还存在“半段效应”的缺点。所谓“半段效应”是指当电力机车位于吸流变压器四周时，在机车至吸上线之间的距离内，牵引电流根本是流经钢轨的，因而在这号仍在肯定的影响。自耦变压器〔AT〕供电方式ATAFPW5.1AT110kV55kV-85-第五章电气化轨道交通概述网和正馈线上，自耦变压器次边的中心抽头与钢轨相连，这样接触网和钢轨间、正馈