第二章電氣化鐵道基本知識(shí)

1、第二章 電氣化鐵道基本原理第一節(jié) 電氣化鐵道的概念及優(yōu)越性一、電氣化鐵道的概念 采用電力牽引的鐵道叫電氣化鐵道。它改變了蒸汽牽引和內(nèi)燃牽引的常規(guī)牽引模式，給現(xiàn)代鐵道運(yùn)輸帶來(lái)了強(qiáng)大的生命力，是現(xiàn)代軌道運(yùn)輸發(fā)展的必由之路。二、電氣化鐵路的優(yōu)越性 電氣化鐵路由電力機(jī)車(chē)通過(guò)接觸網(wǎng)從外部電源取得電能牽引列車(chē)前進(jìn)，所以它具有如下優(yōu)點(diǎn)。1、牽引功率大，運(yùn)輸能力高由于電力機(jī)車(chē)本身不帶能源，也不需要帶能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，可從外部電源取得所需全部電能，所以在同樣機(jī)車(chē)重量情況下，電力機(jī)車(chē)容易做到大功率 運(yùn)行實(shí)踐證明，電氣化鐵路在地形復(fù)雜的長(zhǎng)大坡道、隧道群、高原和沙漠區(qū)段有著明顯優(yōu)勢(shì)。在地理?xiàng)l件較好的繁忙干線也顯示了其優(yōu)越

2、性，在石太線的石陽(yáng)段，年運(yùn)輸能力由電化前的2000噸提高到電化后的6000萬(wàn)噸，從而顯示了電氣化鐵路多拉快跑的特點(diǎn)。 2、牽引效率高，綜合利用能源電力牽引消耗的是電能，而電能可以集中化現(xiàn)代化生產(chǎn)，大型現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備可使熱效率達(dá)到60%以上，若采用水力發(fā)電水能利用率更高，并且核能發(fā)電正在蓬勃發(fā)展之中，電力牽引是內(nèi)燃牽引效率的兩倍。電力牽引可以綜合利用能源，尤其在石油、煤炭資源面臨枯竭的今天，人們努力開(kāi)發(fā)、利用新能源，如風(fēng)能、光能、地?zé)崮芎统毕艿?。隨著科學(xué)的發(fā)展，會(huì)有更廣泛更廉價(jià)的再生能源被利用，電氣化鐵路可以利用一切能源發(fā)出的電能。3、環(huán)保運(yùn)輸，工作條件好隨著人們物質(zhì)文明和精神文明的提高，人們對(duì)

3、環(huán)境的要求也越來(lái)越高。人類也受到了掠奪式占有的懲罰，保護(hù)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展已是人們的共識(shí)。電力機(jī)車(chē)直接使用電能，免除了燃煤燃油排放的一氧化碳及其他有害氣體的污染，給旅客及沿線人民創(chuàng)造了良好的生活、生產(chǎn)環(huán)境。電力牽引利用了集約化發(fā)電設(shè)備的低能耗、低污染的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。電力牽引減少了余熱及費(fèi)氣排放，給司乘人員及鐵路工作人員創(chuàng)造了舒適、清潔的工作環(huán)境，特別是在長(zhǎng)大隧道及其他通風(fēng)條件差的區(qū)段尤為顯著。4、勞動(dòng)生產(chǎn)率高，運(yùn)輸成本底由于電力機(jī)車(chē)可以連續(xù)不斷地從外部電源取得電能，并且功率大，運(yùn)行速度高。電力牽引宜跑長(zhǎng)交道，增加了機(jī)車(chē)交換距離，提高了機(jī)車(chē)使用率，減少了機(jī)車(chē)整備檢修基地，減少了整備檢修設(shè)備和工作人員。由

4、于電力機(jī)車(chē)熱效率高，能耗少，按價(jià)格對(duì)比，電力牽引萬(wàn)噸公里能耗費(fèi)用只有內(nèi)燃牽引的三分之一到五分之一，大大降低了運(yùn)輸成本。第二節(jié) 電氣化鐵道的組成及工作原理電氣化鐵道由電力機(jī)車(chē)、牽引變電所、接觸網(wǎng)、軌道回路四部分組成，其中，接觸網(wǎng)和軌道回路稱為牽引網(wǎng)，如圖1-2-1所示。牽引變電所接受外部電源的電能，轉(zhuǎn)變成電力機(jī)車(chē)適用的電能，由接觸網(wǎng)輸送給電力機(jī)車(chē)。電力機(jī)車(chē)將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能牽引列車(chē)前進(jìn)，牽引電流通過(guò)軌道回路流回牽引變電所，完成電力牽引過(guò)程。電氣化鐵道采用“單相工頻交流制”供電方式。 圖2-2-1 電氣化鐵道供電原理示意圖1-高壓輸電線 2-饋電線 3-牽引變電所 4-接觸網(wǎng)5-電力機(jī)車(chē) 6-軌道

5、電路 7-分區(qū)亭 8-回流線一、電力機(jī)車(chē)電力機(jī)車(chē)是電力牽引的動(dòng)力，由機(jī)車(chē)受電弓接受接觸網(wǎng)輸送的電能，通過(guò)變壓、整流及控制裝置轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姍C(jī)適用的低壓、直流輸送給電機(jī)，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能牽引列車(chē)前進(jìn)，圖2-2-2所示。機(jī)車(chē)受電弓與接觸線滑動(dòng)接觸取得電能，它性能的好壞對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行速度影響至關(guān)重要。受電弓受流性能在很大程度上取決于弓、線間的接觸壓力，若壓力過(guò)大，使弓、線間磨耗增大，壓力過(guò)小則弓、線間接觸電阻大，還可能發(fā)生弓、線脫離現(xiàn)象產(chǎn)生電弧，燒灼受電弓和接觸網(wǎng)導(dǎo)線。由于接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度不一致和機(jī)車(chē)的震動(dòng)，受電弓在隨機(jī)車(chē)運(yùn)行的同時(shí)還要作上下運(yùn)動(dòng)， 使弓、線壓力變化。因此，受電弓結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)這種變化，使

6、得弓、線壓力變化盡量小。為適應(yīng)高速列車(chē)運(yùn)行要求，人們?cè)诜e極研究受電弓的新材料和新結(jié)構(gòu)。 圖2-2-2 電力機(jī)車(chē)受電弓分為單臂式和雙臂式，我國(guó)目前采用單臂式。圖2-2-3表示DSA-250型受電弓基本構(gòu)造，它主要由滑板、接觸板條、支架、上部框架、鉸連座、下臂桿、推桿、氣囊、彈簧、底座及支持絕緣子等組成。其主要技術(shù)性能：設(shè)計(jì)速度 200km/h，額定工作電流630A ，靜接觸壓力75±5N,最大工作范圍1250mm,允許工作范圍950mm。 圖2-2-3 DSA250型受電弓構(gòu)造示意圖 （a）受電弓示意圖 （b）包絡(luò)線示意圖 1-受電弓滑板 2-上臂桿 3-絞連座 4-拉桿 5-下臂桿

7、6-氣囊 7-底座二、牽引變電所牽引變電所是電氣化鐵路轉(zhuǎn)換電能的設(shè)施，它接受系統(tǒng)電網(wǎng)110kv或 220kv電能，轉(zhuǎn)變成27.5kv單相交流電能，安全可靠的向接觸網(wǎng)供電。牽引變電所主要由一次設(shè)備，二次設(shè)備及連接電路組成。牽引變壓器是牽引變電所的心臟設(shè)備，它應(yīng)具有過(guò)負(fù)荷能力和適應(yīng)牽引負(fù)荷劇烈變化的能力。牽引變壓器通過(guò)特殊接線完成三相單相變換，以減小單相負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)不平衡影響，牽引變所變壓器接線形式主要有單相變壓器VV式接線、三相變壓器及阻抗匹配平衡變壓器接線等。三、接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)是沿鐵路上空架設(shè)的特殊形式的輸電線路。接觸網(wǎng)不但具有輸送電能的能力，還相對(duì)鐵路線路具有一定的空間位置，保證與機(jī)車(chē)受電弓良好

8、接觸。接觸網(wǎng)對(duì)地電壓為25kv，最高電壓27.5kv，最低電壓20kv，受流點(diǎn)隨著機(jī)車(chē)的運(yùn)動(dòng)而變化。接觸網(wǎng)工作具有露天設(shè)置、無(wú)備用、受氣象條件影響嚴(yán)重、移動(dòng)負(fù)荷、滑動(dòng)接觸、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，所以接觸網(wǎng)應(yīng)滿足下列要求。1、在機(jī)車(chē)高速運(yùn)行和惡劣氣象條件下，應(yīng)能保證電力機(jī)車(chē)正常取流；應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，較高的穩(wěn)定性，保持良好的工作狀態(tài)。2、對(duì)地絕緣好，具有足夠的絕緣強(qiáng)度，保證運(yùn)行安全、可靠，并考慮帶電作業(yè)的方便。3、接觸網(wǎng)設(shè)備和零件應(yīng)有較好的耐磨耐蝕能力，使用壽命長(zhǎng)。4、接觸網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，零件互換性好，便于施工、運(yùn)營(yíng)維修和事故搶修 。5、盡量節(jié)約有色金屬，降低建設(shè)成本。 四、軌道回路軌道回路

9、由鋼軌、回流線及連接零件組成，作為牽引電流的回路。由于鋼軌與地連接，有散流產(chǎn)生，所以有時(shí)還加設(shè)吸回裝置。 第三節(jié) 電氣化鐵道牽引供電方式在電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中，采用的供電方式主要有直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式。一、直接供電方式直接供電方式是指由牽引變電所、接觸網(wǎng)、軌道回路直接構(gòu)成的牽引供電方式，如圖2-3-1所示。直接供電方式具有設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小，牽引網(wǎng)阻抗小，電能損耗低，施工維修方便等優(yōu)點(diǎn)。圖2-3-1 直接供電方式在直接供電方式中，部分牽引電流由鋼軌流回牽引變電所，部分電流通過(guò)大地流回牽引變電所形成散流，造成牽引網(wǎng)電磁場(chǎng)不平衡，對(duì)鄰近的通信線路干擾較大。為減少單相負(fù)荷對(duì)通訊

10、線路的干擾，目前我國(guó)采用了帶負(fù)饋線的直接供電方式。帶負(fù)饋線的直接供電方式，沿接觸網(wǎng)架設(shè)了一條回流線“NF”，所以也叫帶回流線的直接供電方式，如圖2-3-2所示。帶回流線的直接供電方式，鋼軌通過(guò)吸上線與回流線連接，回流線與牽引變電所連接。由于接觸網(wǎng)與回流線的互感作用，使?fàn)恳娏鞅M可能的由回流線流回牽引變電所。這樣在不增加網(wǎng)中阻抗的情況下，減小了牽引電流對(duì)通信線路的干擾。目前在我國(guó)電氣化鐵路中得到廣泛應(yīng)用。圖2-3-2 帶負(fù)饋線的直接供電方式1-接觸網(wǎng) 2-軌道 3-回流線 4-吸上線二、BT供電方式BT供電方式是在牽引網(wǎng)中增設(shè)吸流變壓器和回流線的供電方式。該供電方式，在接觸網(wǎng)近旁沿接觸網(wǎng)并行架設(shè)

11、了一條回流線，即NF線，每隔24km設(shè)置一 臺(tái)吸流變壓器，鋼軌與回流線用吸上線連接。兩吸流變壓器的距離間隔，稱之為BT段，如圖2-3-3所示。圖2-3-3 BT供電方式1-接觸網(wǎng) 2-軌道 3-回流線 4-電分段設(shè)備吸流變壓器是變比為1：1的特殊變壓器，一次繞組串入接觸網(wǎng)，二次繞組串入回流線。當(dāng)接觸網(wǎng)中流過(guò)牽引電流時(shí)，吸流變壓器迫使回流線中流過(guò)與接觸網(wǎng)大致相等方向相反的電流，二者產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，從而大大減小了牽引電流對(duì)通信線路的干擾。BT供電方式在我國(guó)已運(yùn)行的電氣化鐵路中廣泛應(yīng)用。BT供電方式，由于吸流變壓器的采用，增加了網(wǎng)中阻抗，增加了能耗，縮短了牽引變電所的供電距離，增加了電分段節(jié)點(diǎn)，

12、會(huì)影響高速鐵路的列車(chē)運(yùn)行安全和運(yùn)行速度。三、AT供電方式AT供電方式是在牽引網(wǎng)中增設(shè)自耦變壓器和正饋線的供電方式。該供電方式，沿接觸網(wǎng)并行架設(shè)了一條饋電線，即正饋線“AF”，每隔10km左右設(shè)置一臺(tái)自耦變壓器。自耦變壓器并聯(lián)在接觸網(wǎng)和正饋線之間，繞組中點(diǎn)與鋼軌連接，兩臺(tái)自耦變壓器的距離間隔稱為AT段，自耦變壓器安裝處稱為AT所，如圖2-3-4所示。圖2-3-4 AT供電方式1-接觸網(wǎng) 2-軌道 3-正饋線自耦變壓器的采用，使?fàn)恳W(wǎng)供電電壓提高了一倍為50kv，電力機(jī)車(chē)工作在接觸網(wǎng)與軌道之間，工作電壓25kv。牽引電流通過(guò)機(jī)車(chē)后，由自耦變壓器、正饋線流回牽引變電所，從而消除了牽引電流對(duì)通信線路的

13、干擾。 AT供電方式有如下優(yōu)點(diǎn)：1、供電電壓高，供電容量大。由于牽引網(wǎng)供電電壓是機(jī)車(chē)工作電壓的2倍，其供電能力大，在輸送同等功率的情況下，負(fù)載電流是供電電流的一半，供電質(zhì)量好，電能損耗小。AT供電方式有利于大功率、高速度及運(yùn)輸繁忙的鐵路線路上使用。2、防干擾效果好。在AT供電區(qū)段，接觸網(wǎng)中電流與正饋線中電流大小相等，方向相反，基本消除了對(duì)通信線路的干擾。3、網(wǎng)中阻抗小，供電距離大。由于自耦變壓器的并聯(lián)連接，沒(méi)有增加網(wǎng)中阻抗，電壓損失小，增加了牽引變電所的供電距離，兩變電所之間的距離可達(dá)80km-120km，減少了牽引變電所的數(shù)量，減少了設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)管理的費(fèi)用。 AT供電方式在我國(guó)的主干線電氣化鐵路中廣泛采用，也是世界各國(guó)牽引供電方式的主要形式。根據(jù)供電方面的要求，牽引變電所之間的接觸網(wǎng)由分區(qū)亭分為兩個(gè)獨(dú)立的供電分區(qū)，每一個(gè)供電分區(qū)叫一個(gè)供電臂。變電所向供電臂的供電方式分為單邊供電和雙邊供電兩種。供電臂只從一端變電所取得電能的供電方式叫單邊供電方式；供電臂從兩側(cè)變電所取得電能的供電方式叫雙邊供電方式，如圖2-3-5所示。 單邊供電方式正常工作時(shí)，分區(qū)亭隔離開(kāi)關(guān)打開(kāi)，牽引變電所獨(dú)立向供電臂供電。單邊供電分區(qū)亭內(nèi)設(shè)備簡(jiǎn)單，工作可靠，但不能實(shí)現(xiàn)變電所并聯(lián)供電，目前我國(guó)和多數(shù)國(guó)家多采用單邊供電方式。雙邊供電可以實(shí)現(xiàn)牽引變電所并聯(lián)供電，但是，