电气化铁道概论.ppt

1、电气化铁路概述，内容，电气化铁路概述，电气化铁路牵引供电系统原理，牵引供电系统负荷特性，电气化铁路对电力系统的影响及对策，电力系统供电方案建议，接触网关键技术，电气化铁路概述，1。电气化铁路发展史。1825年，英国建造了世界上第一条铁路，开创了人类轨道交通的新时代。1881年，中国修建了第一条从唐山到徐各庄煤矿的铁路。1909年，詹天佑设计建造的第一条铁路京张铁路通车，拉开了中国铁路发展的序幕。1879年，在柏林世博会上，西门子和哈尔斯克制作并展示了一条长约550米的电气化铁路。人类第一次用电拉火车。1881年5月，德国在柏林附近的利希特菲尔德修建的一条长2.45公里的电气化铁路投入运营，这是

2、世界上第一条商业化运营的电气化铁路，开启了铁路电力牵引的新时代。20世纪初，电气化铁路在世界范围内迅速发展。二是电气化铁路供电系统，早期电气化铁路主要采用DC 750伏和1500伏供电系统，从20世纪30年代开始，采用DC 3000伏供电系统。1950年，法国在乐-班里亚罗什-雪佛龙段成功修建了一条25kV工频单相交流电气化铁路。25kV工频单相交流系统在世界范围内广泛推广，我国所有电气化铁路均采用25kV工频单相交流系统。目前，世界上电气化铁路主要有三种供电系统：(1)1.5千伏和3千伏DC系统；(2) 15kV 162/3Hz低频单相交流系统；(3) 25kV工频单相交流系统；(3)世界电

3、气化铁路概况。电气化铁路具有牵引功率大、能源利用率高、能源综合利用、环境污染小等其他牵引功率无可比拟的优势。采用电力牵引是铁路牵引动力的发展方向，以减少铁路运输对环境的影响，适应可持续发展。在石油资源逐渐枯竭、环保呼声日益高涨的今天，发展电力牵引意义重大。截至2000年底，世界电气化铁路总里程已达262179公里，占总运营里程1208843公里的21.7%，占世界铁路总运量的50%以上。欧洲等发达国家的电气化率约为50%，承担的交通量比例超过80%。世界主要国家电气化铁路统计表，单位：万公里。世界上第一条高速电气化铁路东海道新干线(东京新大阪)于1964年10月竣工并通车，最高时速为210公里

4、，开创了高速铁路的先例。随着1983年9月法国东南部高速铁路(里昂、巴黎)的开通，世界高速铁路建设的高潮开始了。随后，德国、西班牙等国开始大力发展高速铁路。到目前为止，全世界已经修建了大约6050公里的高速铁路。在德国，自1964年以来，新干线全长已达1835公里，高速列车的客运量居世界之首。高速铁路是指新一代列车提供的时速200350公里以上的铁路快速运营服务。法国和日本于1983年开通了第一条现代高速铁路，高速列车运行速度为300，350公里/小时，最高测试速度为515.3公里/小时。洲际高速列车于1985年开始研究，并于1991年投入运营。高速铁路有700多公里，高速列车最高运行速度为3

5、30公里/小时。在我国电气化铁路发展的早期，主要局限于多隧道、大坡度的山区铁路。到1980年底，已建成电气化铁路1676公里。发展速度很慢。改革开放后，电气化铁路开始从山区向平原发展，从低标准的边远地区铁路发展到重载高速的长干线。截至2005年底，中国电气化铁路已达20132公里。Ele铁路已成为制约国民经济发展的瓶颈，电力牵引、能源危机、货运能力只能满足1/3的运量，客运节假日运输4000万人次/天，高速客运、提速既有线、高密度运营、重载货运，目前，铁路内燃机车是我国交通运输行业的主要能源消耗者，全铁路柴油年消耗量约占我国柴油总消耗量的10%。内燃机车的能量利用效率较低，平均约为30%。从电

6、力牵引利用电能的能量利用效率来看，目前我国电网中水电约占24.2%，效率为70%；热能占74.0%，效率为35%，综合利用效率为42.8%。它比内燃能源效率高得多，节能效益显著。电力牵引对环境污染小。国家能源政策和环境保护政策决定了电力牵引将是我国铁路牵引电力的发展方向。国务院批准的中长期铁路网规划明确指出，到2020年，中国铁路总里程将达到10万公里，其中5万公里实现电气化，所有主要干线铁路实现电气化。铁路电气化率约为50%，承担的交通量比例超过80%。国家发展和改革委员会第2004159号文件批准的中长期铁路网规划客运专线：“为满足快速增长的客运需求，在省会城市和大中城市之间建立快速客运通

7、道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道和三个城际快速客运系统。建成1.2万多公里客运专线，客车目标时速达到200公里以上。根据“十一五”规划，新建线路19800公里，其中客运专线9800公里，既有线复线8000公里，既有线电气化15000公里。到2010年，全国铁路运营里程将达到95000公里，其中复线里程42750公里，电气化里程42750公里。四个垂直市场：北京-上海、北京-武汉-广州-深圳、北京-沈阳-哈尔滨(大连)、杭州-宁波-福州-深圳。四条水平线：徐州-郑州-兰州、杭州-南昌-长沙、青岛-石家庄-太原、南京-武汉-重庆-成都。三个城际客运系统：环渤海地区、长三角地区和珠三角地区，覆盖

8、该地区的主要城镇。到2020年，中国铁路将形成以高速客运专线为主的客运系统。电气化铁路牵引供电系统原理电气化铁路牵引供电系统是电气化铁路从电力系统接收电力，经降压转换后向电力机车供电的电网。它由牵引变电所和牵引网组成。如下图所示：电力系统向电气化铁路供电示意图，牵引变电所采用两路电源进线，两台牵引变压器，一主一备。110或220千伏电源通过牵引变压器后降低到125千伏或225千伏，然后提供给牵引网。牵引网像电力系统的输电线路一样，由馈线、接触网和轨道环组成。接触网架设在铁路上方，电力机车通过受电弓和接触网之间的滑动接触获得电能。牵引供电系统原理图、牵引变电所主接线图和接触网图如下：牵引供电系统

9、原理图、接触网连接原理图、牵引电流通过电力机车后直接从轨道或大地返回牵引变电所。结构简单，投资少，维护成本低。在大负载电流条件下，轨电位高；对弱电系统的电磁干扰大。二是牵引网供电方式：根据供电能力、接触网架设环境、电磁兼容性要求等条件，牵引网有以下不同的供电方式电磁兼容性好，对周围环境影响小，轨电位低，(2)吸合变压器供电方式(BT方式)，(2)吸合变压器串联在接触网上，牵引网阻抗增大，供电臂压降增大，牵引变电所供电距离缩短，导致一个供电臂的接触线分成多段，极大地影响了高速列车运行和列车速度的安全性。它具有结构简单、投资和维护少、供电可靠性高等优点。与直接供电相比，轨道电位和对通信线路的干扰得

10、到了改善。轨道电位降低；牵引网阻抗降低，供电距离增加；与BT模式相比，弱电系统电磁干扰降低结构简单，投资少，维护成本低；牵引网阻抗降低，供电距离增加。(3)有回流线的直接供电方式。(3)牵引电流通过电力机车后从正馈线返回。随着供电电压的增加，能够适应大功率负荷的供电，输电能力强，供电距离长，可以减少牵引变电所的数量和电气相的数量，通过分相的中性段，降低机车短期功率损耗所造成的速度和功率损耗；有效降低对通信线路的干扰；自耦变压器供电方式(AT方式)与牵引网供电方式相比，225kV系统供电电压是直供方式的两倍，电压损耗降低到1/4，牵引网单位阻抗约为直供方式的1/4(实际略高)，功率损耗小，表现出

11、良好的供电特性；(55kv阻抗降为275kv，阻抗为1/4，电压损耗为1/4)牵引变电所之间距离大，选址方便，减少了外部供电的工程量和投资；减少了电气分相次数，有利于列车的高速运行；牵引网回路是具有抗干扰效果的平衡回路，可以改善电磁环境，降低抗干扰成本；1)at供电方式的特点和牵引网供电方式的比较，牵引网系统需要配备正馈线，这比一般的直供方式更复杂，但不需要在重负荷段设置加强导线，这可以等效于直供方式；与直供方式相比，变电站系统减少了牵引变电站的数量，但需要设置自动测试站，一般间距为10.20公里，开关设备需要双极；牵引网结构复杂，导线数量多，对跨线建筑物和隧道的净空要求高，保护和维护难度大。

12、1)AT供电方式的特点，125千伏系统，变电站设施相对简单，正常情况下(重负荷除外)接触网相对简单，但当接触网采用加强导线时，牵引网结构相当于AT供电方式；牵引网的电压损耗和功率损耗都比AT供电方式大。牵引变电所之间距离小，增加了电气相数，外部电力项目和投资数量大；2)牵引网直接供电方式与流线供电方式和牵引网供电方式的比较，牵引网回路不是完全平衡回路，抗干扰性能差，需要增加抗干扰成本；该电源电路结构简单，运行可靠，投资和维护费用低；适用于抗干扰不突出、外部电力投资相对较小的路段，以及繁忙干线、重载高速线路。2)回线直接供电方式，50Hz/60Hz，25kV牵引供电方式(300，350 km/h

13、)，技术上，AT和回线直接供电方式均可满足300km/h及以上的高速牵引。与两种方法相比，自动测试电源更适合大功率负载的供电，并且减少了电气相数。然而，AT电源的悬链线结构目前，我国主要使用交流/DC电力机车，未来将逐步淘汰，代之以交流/DC电力机车。交流/DC电力机车的工作原理如下图所示：(1)电力机车的电气特性。交流/DC电力机车采用半控桥式整流，机车输出由晶闸管控制导通角控制。因此，交流/DC电机车在整流过程中会产生谐波，降低功率因数。SS4货运电力机车，SS8客运电力机车，(2)交流-DC-交流电力机车(EMU)为了克服交流-DC电力机车的缺点，世界各国都发展了交流传动电力机车。197

14、9年，德国研制出世界上第一台大功率干线交流传动电力机车，在欧洲等主要发达国家迅速推广，目前已被广泛采用。交流-DC-交流电力机车的工作原理如下图所示：交流-DC-交流机车采用四象限整流，机车输出由GTO或IGBT控制，控制机车主变压器几个低压绕组的通断整流，使电流波形接近正弦波，电流和电压相位基本同步。因此，交流-DC-交流电力机车具有低谐波含量和高功率因数。1991年，中国开始研究交流传动电力机车，先后开发了交流-DC动车组和交流-DC货运电力机车。近年来，将从国外引进技术合作生产高速电动车组。铁路计划逐步淘汰交流/DC电力机车，全面推广交流/DC电力机车和电动车组。德国洲际交易所高速列车；

15、其次，列车的负荷特性和负荷大小主要与列车牵引重量、运行速度、线路坡度等因素有关，机车(动车组)类型和牵引功率根据铁路设计进行选择。(1)列车荷载与牵引重量的关系在相同运行速度和线路坡度的情况下，列车荷载与牵引重量成正比。(2)列车荷载与运行速度的关系列车运行速度越高，空气阻力越大，空气阻力随速度呈几何级数增加。在牵引重量和线路坡度相同的情况下，运行速度越高，牵引功率和能耗越大。高速行驶时，列车主要克服空气阻力，长时间运行。(3)负荷与线路坡度的关系当列车在爬坡时靠重力运行时，运行速度较低时空气阻力较小，线路坡度对牵引负荷影响较大。高速列车空气阻力大，列车主要克服空气阻力，线路坡度对牵引负荷的影

16、响小。铁路根据交通量和线路情况编制运输组织计划，列车在交通调度指挥下，根据信号在铁路上运行。单线铁路一般采用站间闭塞方式，一个区段只能运行一列列车。双线铁路一般采用分段闭塞的方法，并按固定的间隔进行追踪和运行。目前，卡车一般跟踪时间为8分钟，最短跟踪时间为5分钟；客运专线高速列车的设计最短追踪时间间隔近期为4分钟，远期为3分钟。在铁路建设中，基础设施根据远期线路能力一次性规划建设到位，运输设备根据短期需求配置。3.铁路运输组织方案；4.牵引变电所的负荷特性。牵引变电所通常向两侧的供电臂供电。牵引变电所的负荷与供电臂运行的列车数量、铁路坡度和列车运行速度有关。牵引变电所实测负荷曲线实例如下：(1)牵引变电所负荷具有以下特点：(1)负荷波动频繁，各条铁路沿线线路条件变化较大，列车运行时速度和线路坡度随时变化；火车根据铁路上的信号行驶。当铁路运输状态发生变化时，供电臂中的列车数量和密度是不同的。因此，在牵引变电所的两个供电臂中，数量有时，负载很重，在节假日、铁路故障等情况下。列车将被密切跟踪，在特殊运输期间，如军事运输、煤炭、电力和石油运输以及农业运输，列车也将被密切跟踪。此时，牵引变电所将出现峰值负荷。(3)