电气化轨道交通概述

--10-内部审稿，请勿外传1电气化轨道交通的起源与进展动生产率高、便于实现自动化掌握的优点，已成为现代化轨道交通的主流。世界首套具有现代雏形的电气化轨道交通系统1879年1，该系统由1300m〔兼作回流轨DC150V2.2kW直流电机驱动的„电力机车‟；三节„客车车厢‟”13km/h181-1-1所示。1-1-1世界上第一套电气化轨道交通系统，电气化轨道交通系统逐步向高压、沟通和大功率牵引进展，并逐步演化为城市地铁、城市轻轨和干线电气化铁路等不同运输形式。城市地铁及轻轨的进展城市地铁和轻轨统称为城市轨道交通，全世界现有142座城市拥有城市轨道交通系统，运营里程近10000km14100km400km，巴黎地铁300k2030［２。世界第1条地铁于1863年在英国伦敦建成并投入运营，最初由蒸汽机车牵引，1893年实现电气化，这也是世界第一条电气化地铁系统。188620〔交通堵塞、空气污染、噪声扰民、能源危机〕凸显之后，国际上一些大城市便利用现代技术改造旧式有轨电车，建成了技术先进的现代化城市轻轨交通系统。1条地铁是北京地铁，始建于1965年，19699月通车；20235月，北京开头轻轨〔西直门~回龙观20232023468km以上［2截止至2023年底，中国已开通城市轨道交通的城市有北京、天津、上海、广州、深圳、香港、台北、2020232091.15k［3。电气化铁路的进展世界第1条商业运营的电气化铁路于1893年在瑞典诞生，线路全长11km，DC550V供电。随后西欧和前苏联都拥有了自己的电气化铁路，但因两次世界大战的影响，电气化铁路并没有得到很大进展。二战之后，兴旺国家急剧增长的运输需求和行业竞争迫使铁路部门开头了大规模的铁路现代化建设〔主要是铁路电气化建设5000km20世纪70年月末，欧洲、日本以及前苏联的铁路干线均已实现电气化。1条电气化铁路是宝〔鸡〕~成〔都〕1955年，1961815日宝鸡至凤州段〔93km〕676km197571日才实现全线通车。改革开放后，中国电气化铁路得到了突飞猛进的进展，截止至2023年底，中国电气化铁路总运营里程km082023120,000km60%以上。1964101210km/h的实际运营速度，随后，日、德、法等国在高速铁路领域开放了剧烈竞争，各国制造的基于“轮－轨”和“弓－网”的最高速度纪录如表1-1-1所示。国别〔km/h国别〔km/h〕试验时间〕〔km/h〕牵引方式法国TGV-A574.82023.4.08350电动车组法国TGV-A515.31990.5.18300电动车组300x443.01996.7.26260电动车组ICE406.91988.5.01280电力机车、电动车组CRH3394.32023.6.24350电动车组6200km以上的运营线路〔均为电气西、武广、京沪高速客运专线标志着中国铁路己进入崭的历史进展时期。电气化铁路牵引供电系统的根本构成发电厂配电系统输电线路L用户发电机G升压TM变压器TM变压器专用高压输电线路110kV发电厂配电系统输电线路L用户发电机G升压TM变压器TM变压器专用高压输电线路110kV或220kV牵引变电所馈线回流线27.5kV受电弓电气化铁路供电(牵引)供电系统 系统钢轨图1-2-1 电气化铁路供电系统示意图1-2-1牵引变电所AC25kV高压断路器、高压隔离开关等高压设备称为一次设备。而用于监控一次设备的低压设备，如掌握室内的各种表盘等，称为变电所的二次设备。牵引网等构成的电气网络称为牵引网。能的特别电力输电线路，是电气化轨道交通牵引供电系统的重要组成局部，一般包括支柱与根底、支持与1-2-2所示。图1-2-2柔性架空接触网 图1-2-3运行中的电力机车(3)电气列车及受电弓缩空气。机械局部包括转向架和车体两局部，转向架在运行中起承重、传力和转向的作用，车体是安装机车设备和乘务员工作的场所，除承受设备重量外还将牵引力或制动力传递给车钩以牵引或制动列车。电气1-2-4所示。图1-2-4 交-直-交牵引电传动原理图 图1-2-5DSA250受电弓受电弓安装于电气列车的车顶之上，是电气列车从接触网获得电能的专用设备，其设备属性归机车，受电弓种类较多〔5章1-2-5DSA250单臂受电弓。该〔系列〕受电弓弓头的几何尺寸如图1-2-61950mm1450mm,最正确工作范围1030mm。图1-2-6 DSA受电弓滑板尺寸示意图为保证受电弓运行安全，在受电弓动态包络线的空域内不能存在任何影响其安全运行的物件。受电弓线，如图1-2-7所示。1-2-7 受电弓动态包络线示意图电气列车的牵引动力有集中和分散两种配置形式，如图1-2-8所示。动力分散型电气列车称为动车组，具有轴重轻、起动和制动快的特点，世界各国的高速铁路大多承受动力分散方式。但动力分散型电气列车的振动和噪声对车厢内的舒适度有肯定影响，且动力设备工作环境差，故障率相对较高；列车只能单元编组，车辆利用率较低。动力集中型的电气列车称为电力机车，它能较好解决动力分散型存在的问题，但又没有动力分散型的优点。图1-2-8 动车组的组成及其动力模式列车动力的配置方式，特别是受电弓的配置方式与接触网的分相构造和载流容量亲热相关。牵引供电系统的供电方式干扰，降低牵引网阻抗和电能损失，削减牵引回流中的轨回流和地回流、降低钢轨电位，可在牵引网中增BTAT〔１〕直接供电1-3-1直接供电原理示意图1-3-11-3-1直接供电原理示意图〔２〕直接供电＋回流线

1-3-2直供＋回流线供电方式原理示意图在接触网田野侧(与接触网同杆)的电流与接触线中的电流方向相反、大小相近，二者产生的交变电磁场可局部抵消，从而起到降低电磁干BT供电节约投资和运营本钱，因而运用较广。〔３〕BT〔吸流变压器〕供电每隔2~4k在接触网绝缘锚段关节中串入一个变比为1：12%变压器原边线圈串接在接触网中，次边线圈串接在回流线中，在两台变压器的中间用一条导线将轨道和回流线相连，如图1-3-3所示。由于变压器原次边线圈间的电磁耦合作用，轨回流被“吸到”回流线中，因此该变压器被称为吸取变压器，连接钢轨和回流线的金属导线称为吸上线。能有效削减牵引电流对四周金属线路和电子设备的干扰，有效降低钢轨对地电位。电臂末端电压偏低，馈电回路构造简单，工程造价增高；当列车位于吸流变压器四周时，从列车到吸上线的距离内，牵引电流根本都在钢轨中流淌，牵引电流产生的电磁影响得不到防图1-3-3 BT供电方式原理示意图 〔４〕AT〔自耦变压器〕供电方式T1-3-4所示，由负馈线A、保护线PW〕线和自耦变压器等组成，其基本原理如图1-3-5所示。图1-3-4 AT接触网示意图 图1-3-5AT供电原理图沟通电馈送到接触网和负馈线上，自耦变压器次边的中心抽头与钢轨相连，接触网与负馈线对地〔钢轨〕27.5kV。正常运行改善列车运行环境，削减对通信的干扰，降低通信线路迁改费用，削减电能损失，降低运营本钱，因此，AT供电。〔５〕CC〔同轴电缆供电〕供电CC供电是利用同轴电缆内外导体间互感系数很大的特点来降低电磁干扰的，电缆内导体与接触线并联供电，电缆外导体与钢轨并联作为回流线，由于内外导体相距只有13mm，耦合系数接近１，电磁耦合CC一般仅应用于空间受限的长大隧道、大型桥梁或电磁防护要求很高的城市区域。〔6〕混合供电牵引网同时承受以上几种供电方式供电称为混合供电。如高速电气化铁路就常将直供＋回流线与AT近年，有学者提出“同相供电”的供电方式，假设同相供电得以实现，则可以削减接触网中的电分相，接触网综述接触网的类型道交通还是电气化铁路都有接触网。因此，广义而言，接触轨也是接触网的一种形式。接触轨与取流靴匹配组成轨-靴受流系统，主要用于城市地铁列车供电。接触轨安装于两走行轨之外、1-4-1所示。图1-4-1 接触轨式接触网 图1-4-2 柔性架空式接触网一般而言，接触网主要指架空式接触网，它有刚性悬挂和柔性悬挂之分。柔性架空接触网如图1-4-2所示，主泛应用于干线电气化铁路和城市轨道交通。由于供电制式不同，电气化铁路接触网和城市轨道交通接触网的构造和要求有一些差异。图1-4-3 “”型汇流排刚性架空接触网刚性架空接触网如图1-4-3160km/h以下的电气化铁路隧道内悬挂。〔1-4-3所示〕T型汇流排〔1-4-4所示〕两种构造形式。型汇流排构造紧奏，它通过自身弹性夹持接触线，零件较少，应用较多；T型汇流排需用汇流排线夹夹持接触线，构造较型汇流排简单，零件多，单位重量重。图1-4-4 重庆轻轨T型汇流排刚性式接触网另外，为适应防洪、装卸、轮渡等某些特定需要，将接触网设计成可整体移动的、局部移动的、上下1-4-5挂可在水平面或垂直面内旋转到支柱所在位置，从而为装卸作业机械供给必要的空间。试验线上的平移接触网 (b)昆南货场上的移动接触网 (c)固定网和移动网的街接图1-4-5昆明南站移动式接触网接触网的根本特性性有利于理解和把握接触网的内在规律，为接触网的设计、运营以及理论争论供给思路和方法。接触网的环境特性接触网的环境特性表现在气象、电磁、空间三个方面。接触网的张力、弛度、弹性、机械强度、空间姿势、电气强度、载流力量、接触线与受电弓滑板间的磨耗都受气象环境的影响，接触网的设计工作和运营工作有一大半与气象条件有关，天气的突变有可能造成接触网的重大事故。措施，将接触网电磁对人员和设备的影响掌握在允许条件之下。50Hz，1T〔0.7962A/m的磁场可感应出的电流密度约0.01mA/m20.06~0.07m2。表1-4-1归纳了50Hz牵引供电系统中的相应标准和数据。ff50Hz德国标准实测值电流密度〔mA/m2〕人体中的超出后果电流〔mA〕E(kV/m)E(kV/m)E(kV/m)10.07可感知4~510051002.7100100.7眼前闪络40~501000102001.8251007.0潜在危急400~50010000站台边轨面上1m，距线100070.0致命4000~5000100000路中心线7m处依据德国DINVDE0228标准，50Hz单相沟通电气化铁道的影响范围在城市为500m,其他地区为2023m。一般而言，25kV沟通电气化铁路的最大电场在2.7kV/m以下，对人体不会有影响；短时间内形成的磁场强度最大在80A/m以下，对人体也不会有影响。准为5000V/m。美国则认为工频电站四周电磁污染严峻，而线网四周的电磁污染较轻。施等与接触网之间会相互影响，接触网与这些建筑物的空间距离必需满足建筑限界和电气安全要求。接触网的备用特性重要性，只有提高接触网的牢靠性来确保接触网的安全性。接触网的机电特性的。接触网必需考虑与受电弓在几何、电气、机械三大方面的匹配，除满足电气强度、牵引功率，电压水平，绝缘安全等电气方面的技术要求外，还必需在机械强度、振动特性、空间位置、动态弹性等方面满足一系列机械技术要求。因此，对接触网的要求是机电双方面的，任何一方的缺乏都会降低弓网受流质量，甚至不能完成电能传输。要，还要承受强大的械机张力以满足弓网动态匹配的需要。接触网的负荷特性接触网担当的是电力牵引负荷是高速移动、随机消灭的，时有时无，变化很大。这些特点使接触网常接触网的学科特性触网的简单性，只有通过培育多学科穿插型人才才能从根本上解决弓网受流的理论与工程问题。接触网的理论体系很多人(包括从事该领域工作的局部人士)都认为接触网没有什么理论可言，更没有什么理论体系！事实上，接触网不仅有其理论，而且还存在一个严密的理论体系。接触网理论是指建立于多学科〔电气、机械、力学、材料、计算机等〕理论根底之上的关于弓网受流的技术理论集成，它不单指一条定理或环境影响分析六大子系统的一个系统集成。速受流要求的材料和零件的研发等。高速受流技术方面取得了较大进步，从这些国家的技术进展中可总结出以下观点：为保证弓网受流系统的稳定性，必需提高接触线的波动速度；出于安全考虑应承受限位定位装置，并妥当处理导线应力与振动疲乏的关系；简化设计方案以提高接触网的牢靠性和可维护性；掌握弓网最大接触压力、最小接触压力和接触压力偏差；力差；提高补偿装置的传动效率，严控坠铊重量误差；提高导线制造精度，严控导线自重误差；提高支柱与根底、支持与定位的稳定性、腕臂转动的敏捷性；减轻网上零部件重量，合理布置电连接；改善测量手段，提高测量精度及安装精度等；降低受电弓整体重量和归算质量，增加受电弓的机械强度，提高受电弓的跟随特性。接触网的供电方式1-4-6所示。从牵引变电所馈电线出口处到供电分区处的一段接触网称为供电臂。依据牵引变电所对供电臂的供电状况、线路状况(单、复线)、上下行接触网间的电气连接状况，接触网的供电方式可分为：单线单边供电、单边供电

1-4-6牵引变电所供电臂和供电分区示意图一个供电臂只能从一个牵引变电所得到电能的供电方式叫单边供电。双边供电式称为双边供电。实行双边供电的前提是相邻两供电臂必需同相。增大，倒闸操作简单，而且还存在穿越电流和穿越功率的问题，造成额外的电能损失。越区供电1-4-7所示。图1-4-7 越区供电示意图列车通行。牵引供电对接触网的根本要求任何条件下均不应对人员和设备构成安全威逼。止人员触电的安全措施；具有较大的短路容量和过负荷容量，以确保接触网本身的电气安全。高电压不超过最大允许值，供电臂末端的最低电压不低于最小允许值。在设计寿命期内，接触网线索和零件应有相应的机械强度和抗疲乏性能，安全牢靠。相适应的静态特性和动态特性，其构造形式、几何参数、悬挂弹性、波动速度都应适应当型号受电弓；与之相对应的，在接触网投入运营后，在其下运行的全部受电弓都必需符合当时的设计条件，静态抬升力、动态压力偏差、有效工作高度、弓头几何尺寸、滑板特性、运营方式均应与接触网相适应。条件的变化，在设计条件下，温度、湿度、风、霜、冰、雪、雾、雷电不应造成接触网设备的损坏，也不应影响接触网功能的正常发挥。讯电缆、横跨天桥之间有足够安全的电气绝缘间隙和限界值。摩擦等，噪音对设备、人员和动物均构成损害，限制噪音是必需的。和文化环境均应得到良好保护，应有防止飞鸟及其它动物造成绝缘子闪络和短路的技术措施，这些技术措施不应造成动物损害。接触网与相关专业的接口问题的工作界面上的搭接关系和为实现系统既定性能指标而在不同子系统的设施、设备之间的参数、构造和功能协作关系。由此可知,”接口”既属于技术问题又属于治理层问题。1-4-8所示。图1-4-8 电气化铁路各系统间的关系简图接触网与工务系统的接口平顺度都直接影响弓网系统的运营安全和受流质量。线路平面图和纵断面图是接触网设计的依据。曲直变化和走向。线路中心线在垂直面内的投影称作线路纵断面，反映线路的起伏变化和高程。渐渐变化到圆曲线端的圆半径，这一过程使列车离心力渐渐增加，从而避开了轮轨间的突然冲击，改善了1-4-9所示。图1-4-9 直线、缓和曲线、圆曲线的相互关系1-4-10所示，它说明白线路中心的曲直变化和里程，沿线车站、桥隧建筑物等的数量和位置，以及用等高线表示的沿线地形、地物状况。在曲线区段，为平衡列车运行产生的向心力和离心力，线路外轨必需抬高，其抬高值为：7.6V2h maxR

〔1-4-1〕对外轨超高的需求，此时式〔1-4-1〕和〔1-4-2〕中：

2h pR

〔1-4-2〕h－线路外轨超高值〔mm〕；V －线路最大设计速度〔km/h〕；maxV—设计平均速度(km/h)，线设计时，取Vp

0.8V ；max(m)。当列车运行速度VVp

图1-4-10 线路平面图时，外轨超高缺乏，列车处于欠超高运行状态；当列车运行速度VV时，p外轨超高过度，列车处于过超高运行状态。欠超高和过超高统称为未被平衡超高，其值为［6］：h

11.8(V2pR

V2)s

〔1-4-3〕式〔1-4-3〕h—未被平衡超高(mm)；V－列车实际运行速度；sV—设计平均速度(km/h)；p

在开行双层集装箱的客运专线上，应留意争论外轨欠超高或过超高对受电弓运行安全的影响。(m)。及受电弓的偏移，从而影响接触线拉出值和跨距的取值。车相对速度的平方成正比。4.0~4.4m5.0m；客运专线4.4~5.0［7。在设置接触网支柱时，应充分考虑线间距与支柱侧面限界的关系。按肯定比例将线路中心线投影到垂直面内，并标明平面、纵断面的各项资料就构成纵断面图，线路纵断面由平道和坡道组成，坡道与坡道、坡道与平道的交接点称为变坡点，列车经过变坡点时会引起受电弓竖曲线一般为圆曲线，半径大小取决于列车经过变坡点的安全和竖向离心加速度对旅客舒适度的影响。在肯定车辆构造条件下，竖曲线半径可通过下式确定R v2 〔1-4-4〕s 3.62as式〔1-4-4〕R—曲线半径(m)；sv－列车运行速度；asm/s2)，一般取为0.08~0.5m/s2；10000〔III级线路〕和5000m〔III级线；高速线路的竖曲线半径一般取为15000~25000m。坡道用坡度和坡段长度表示hiL1000‰ 〔1-4-5〕式1-4-5〕h－坡道段始点与终点的高差〔；L－坡道长度(m)。坡度有正、负之别，上坡为正，下坡为负，平道为零。

坡道的长短和坡度的大小对电力机车和牵引供电系统的参数设计有重要影响，对接触网分相的设置地点、导线坡度、悬挂弹性、吊弦长度有直接影响。桥梁、隧道等是铁路线路的主要建筑物。桥的种类很多，按其长度可分为：小桥〔20m以下、中桥〔20~100、大桥100~500m〕和特大桥500m以上；隧道是铁路线路穿越山岭或大河〔水底隧道〕的列车通过桥梁所引起的振动以及其它缘由所引起的桥梁振动与接触网振动之间的内在联系还有待进一步争论。支撑设备以及弓网接触压力造成影响，影响程度还有待于进一步试验争论。为减小微气压波以及空气动力的影响，在高速铁路中，单线隧道的横断面面积己增至70m2，复线隧道的横断面面积己增至100m2，且隧道出口做成喇叭状。接触网支柱根底的施工不能破坏路基设施，也不能损伤路基强度！性，应将接触网下部工程的设计和施工与桥隧工程的设计与施工统一考虑，协调设计，同步施工。还是牵引网和信号轨道电路的重要组成局部，在电气参数上还有特定要求。1435mm，曲线区段的轨距应适当加宽，加宽量与线路曲线半径和线路最高运行速度有关。双开、不对称双开、菱形穿插、穿插渡线和交分等多种形式，单开道岔是最常用的一类道岔，其构造如图1-4-5所示。道岔区上空的接触网布置是接触网设计、施工和运营维护的重点和难点。道岔区上空的接触网布置是接触网设计、施工和运营维护的重点和难点。图1-4-5 单开道岔的平面布置图道岔型号是用道岔号来表示的，道岔号是辙叉角的余切值，道岔号越大，其侧向通过速度越高，道岔长度越长。中国定型生产的单开道岔有912183038414580140km/。18381-4-41-4-5所示［8。表1-4-4 18号60kg/m可动心轨高速单开道岔〔图号：专线4245A〕参数表 单位〔m〕道岔全长容许通过速度尖轨长度L＝69.000尖轨轨型道岔前长V≤250km/h根本轨长度a＝31.729V≤80km/h根本轨轨型道岔后长导曲线半径辙叉长度b＝37.271R＝1100辙叉形式22.01060AT钢轨24.59260kg/m钢轨18.592可动心轨护轨长度护轨形式闭锁形式扣件类型岔枕延长辙叉角度L侧＝7.500分开式可调分动外闭锁Ⅲ型弹条扣件464.0803°10′47.4″辆及接近线路建筑物或设备不允许超越的轮廓尺寸线。它有机车车辆限界和建筑接近限界两类。道岔全长L＝136.200道岔前长道岔后长容许通过速度直向V≤250km/h侧向V≤140km/h导曲线半径道岔全长L＝136.200道岔前长道岔后长容许通过速度直向V≤250km/h侧向V≤140km/h导曲线半径尖轨长度尖轨轨型根本轨长度根本轨轨型辙叉长度辙叉形式37.63060AT49.19260kg/m29.392可动心轨护轨长度护轨形式闭锁形式扣件类型岔枕延长辙叉角度10,000分开式可调护轨分动外闭锁Ⅲ型弹条扣件809.1901°30′26.8″高度的最大尺寸以及底部零件至轨面的最小距离。心相垂直的横截面，它规定了保证机车车辆安全通行所必需的横截面最小轮廓尺寸。级、二级和三级。接触网的全部建筑物和设备设施都应满足建筑接近限界要求，电气化铁路建筑接近限界附录一。接触网与电务系统的接口共用轨道作为信号通路和牵引回流通路，相互之间存在亲热关系，牵引供电专业应向通讯和信号专业供