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电气化铁道基本知识 1 电气化铁道基本知识授课内容 电气化铁道概述电气化铁道供电的电流制牵引供电系统供变电装置牵引变电所对牵引网的供电方式牵引供电系统的供电方式接触网人身安全触电知识 2 一 电气化铁道概述 一 电气化铁道的发展世界上第一条电气化铁路 1879年5月 西门子和哈尔斯公司 德国贸易展览会 据1995年有关资料统计 在世界铁路总营业里程112 43万km中 电气化铁路有22万km 平均电气化率为19 5 我国第一条电气化铁路 1961年8月宝成铁路 宝鸡至成都 宝鸡至风州段 1975年6月宝成铁路全线电气化通车 据2007年的统计资料 我国铁路总里程7 8万km 其中有电气化铁路2 55万km 电气化率32 7 3 一 电气化铁道概述 二 电气化铁路运输的优越性1 电力牵引可节约能源 综合利用能源2 电力牵引可提高列车的牵引重量 提高列车的运行速度3 电力牵引制动功率大 运行时安全性强4 电气化铁路运输的成本费用低5 电力牵引易于实现自动化 利于采用先进科学技术 利于改善劳动条件 利于环境保护 4 一 电气化铁道概述 各型机车的轮周功率 计算速度 在不同限制坡度上的牵引重量 5 一 电气化铁道概述 三 电气化铁道的组成 三大元件 牵引供电系统 牵引变电所和接触网 电力机车 牵引变电所 沿铁路线建设的 专供电力机车牵引电能的变电所 接触网 一种悬挂在电气化铁道线路上方 并和铁路轨顶保持一定距离特殊形式的输电网 6 一 电气化铁道概述 7 二 电气化铁道供电的电流制 1 直流制 1 优点 直流电机调速性能好 机车构造简单 接触网对铁路沿线通信线路造成的电磁干扰较小 2 缺点 直流制的供电电压因受到牵引电机端电压的限制而不能过高 最高6 6kV 接触网导线的截面积大 变电所间距小 增加了变电所的数目 另外 变电所的设备 结构较复杂 降压 整流 直流制的泄漏电流对沿线地下金属有腐蚀作用较为严重 3 应用 地铁 城市轨道交通 矿山运输等 8 二 电气化铁道供电的电流制 2 三相交流制用两根接触网导线和一根钢轨形成三相电路 电力机车采用三相异步电动机 优缺点 牵引变电所和机车设备简单 维修方便 异步电动机调速困难 接触网结构复杂且不安全 3 低频单相交流制采用低于工业频率 50Hz 的单相交流电源供电 频率和电压 西欧国家 162 3Hz 15kV 美国 25Hz 11kV 1 优点 接触网上的电压比直流制高 接触网导线的截面减小 牵引变电所的距离有所增大 2 缺点 频率与工业频率不同 牵引变电所需设变频机 或设置专用变频所 从经济效果方面比较 这种制式反而不如直流制 3 应用 西欧一些国家 如德国 采用较多 9 二 电气化铁道供电的电流制 4 工频单相交流制采用工业频率 50Hz 的单相交流电供电的制式 供电电压 般为25kV 1932年 匈亚利首先使用这种电流制建成了世界上第一条工频单相交流制的电气化铁道 1958新中国第一条电气化铁路宝成线宝鸡一凤州段 也采用该电流制 后来修建的每条电气化铁路都无例外地采用了这种制式 工频单相交流制的优越性 牵引供电系统的结构比其它电流制的简单 牵引变电所的间距增大 数目减少 接触网导线截面积减小 机车的牵引性能和调速性能良好 10 三 牵引供电系统 1 供电原理牵引电流回路 牵引变电所 馈电线 接触网 电力机车 钢轨 回流线 牵引变电所2 牵引网馈电线 接触网 钢轨和回流线 11 三 牵引供电系统 3 工频单相交流制电气化铁道存在的问题单相牵引网对沿线的通信线路会造成电磁干扰 单相牵引负荷造成三相电力系统的不平衡 引起负序电流 对电力系统又造成一定的影响 牵引供电系统的功率因数较低 电压损失较大 12 四 供变电装置 一 牵引变电所作用 将110kV 或220kV 三相交流电变换成27 5 55 kV单相交流电 并供电给牵引网和电力机车 此外 有少数牵引变电所还需担负地区的10kV动力负荷 组成 由牵引变压器和相应的配电装置构成 分类 三相牵引变电所 单相牵引变电所及三相一二相牵引变电所三种 其中单相牵引变电所又分为纯单相接线和V形接线两种 13 四 供变电装置 指变电所中采用三相变压器的牵引变电所 三相变压器都用Y d11 Y 11 接线 两个角 a b 分别接入接触网的两个相邻区段 一般c角接地 钢轨 这两个区段的接触网对轨道的电压相位不同 故在此区段间必须安装分相绝缘装置 三相牵引变电所 14 四 供变电装置 二 分区亭设在两相邻牵引变电所之间 起到开关作用的装置 作用 改变供电方式 单边供电 双边供电 实现 越区供电 缩小事故范围 15 四 供变电装置 三 开闭所设置在电气化铁道的枢纽站场 能送出多路馈电线的装置 开闭所相当于一个不变压的配电所 16 五 牵引变电所对牵引网的供电方式 l 单边供电分区亭的开关打开 每个供电分区的接触网只从一端的牵引变电所获得电能 优点 事故影响范围小 2 双边供电分区亭的开关闭合 两个牵引变电所同时向它们之间的牵引网供电 双边供电的条件 两个牵引变电所的电压相位相同 优点 负荷比较均匀 电压损失及电能损失比单边供电的小 缺点 分区亭保护装置较为复杂 17 五 牵引变电所对牵引网的供电方式 3 越区供电 当某个牵引变电所发生故障或需停电检修时 此变电所承担的供电臂 通过分区亭开关的闭合 由两侧相邻的牵引变电所负责供电 称为 越区供电 18 五 牵引变电所对牵引网的供电方式 复线区段的越区供电 19 六 牵引供电系统的供电方式 直供方式 接触网 钢轨 供电方式BT供电方式吸流变压器一回流线供电方式AT供电方式自耦变压器 正馈线方式CC供电方式同轴电力电缆供电方式 20 六 牵引供电系统的供电方式 一 工频单相交流牵引网对通信线路的干扰影响1 静电影响 静电感应电压计算公式 21 六 牵引供电系统的供电方式 例如 b 6m c 5m Uj 27 5kV R 6mm 不考虑承力索的作用 可有K 0 263 如考虑承力索作用 则有K 0 4 单线 K 0 6 复线 取K 0 4 可有下表 22 六 牵引供电系统的供电方式 2 电磁影响电磁感应电压大小与接触网中的电流 电流的频率以及接触网与通信线间的平行接近距离和接近长度等均成正比例关系 3 干扰影响的危害 1 危险电压 在接触网正常工作状态下 通信线中的感应电压不得超过60V 特别困难情况下不得超过150V 短路故障下 感应电压不得超过430V 2 杂音干扰 高次谐波 主要是3次谐波 21 5次谐波 10 23 六 牵引供电系统的供电方式 二 BT供电防干扰原理组成 主要由吸流变压器和回流线两部分组成 吸流变压器 变比为1 1的电力变压器回流线与接触网同杆架设 24 六 牵引供电系统的供电方式 防护原理 在吸流变压器的作用下 强迫流经钢轨的电流通过吸上线流回回流线中去 由于吸流变压器的变比为1 1 因而两线中的电流大小相等 方向相反 它们所产生的电磁场达到相互平衡 消除了对邻近通信线的干扰 25 六 牵引供电系统的供电方式 长回路影响 吸流变压器励磁电流的影响由于接触网和回流线对通信线的相对位置不同而产生的环路影响钢轨的感应电流对通信线产生的二次感应影响等 半段效应 当电力机车的运行位置和吸上线不相重合时 整个馈电回路的一小部分仍按 接触网一钢轨 的不对称方式供电 造成对通信线的一定影响 使 吸一回装置 在半段长度里失去防护效用 26 六 牵引供电系统的供电方式 半段效应 说明 BT供电方式的缺点 牵引网的单位阻抗加大 电压损失和电能损失增加 当电力机车受电弓通过吸流变压器分段时 将产生电弧 会烧坏接触网导线和机车受电弓滑板 不适应高速大功率机车取流 27 六 牵引供电系统的供电方式 三 AT供电方式组成 自耦变压器 正馈线电压 正馈线和接触网对钢轨具有相同的电压 均为27 5kV 总电压为55kV 为BT的2倍 原理 通过正馈线和接触网之间的耦合 消除对外部线路的干扰影响 28 六 牵引供电系统的供电方式 AT供电方式的特点供电安全可靠 有利于高速和大功率机车的运行 AT供电方式的供电电压高 供电能力大 电压损失小 AT供电方式的防干扰性能优越 AT供电的主要缺点是接触网结构复杂 29 七 接触网 1 组成 接触悬挂 支持装置 定位装置支柱与基础组成 支持装置 接触悬挂 支柱 基础 30 接触网的地线 一端接钢轨 一端接支柱 火花间隙 地线 31 1一承力索 2一吊弦 3一接触线 4一弹性吊弦5一定位管 6一定位器 7一腕臂 8一棒式绝缘子9一水平拉杆 10一悬式绝缘子 11一支柱12一地线 13一钢轨 32 支持装置 平腕臂 斜腕臂 棒式绝缘子 承力索座 定位管 定位器 33 接触悬挂分类 简单悬挂 无承力索 仅有接触线 链型悬挂 又分为简单链型和弹性链型悬挂两种 34 七 接触网 半补偿简单链型悬挂 全补偿弹性链型悬挂 35 简单链型悬挂 36 弹性链型悬挂 37 七 接触网 2 软 硬 横跨软 硬 横跨都是站场接触网的横向支持设备 软横跨主要由横向承力索 上下部固定绳等组成 硬横跨主要由硬横梁 吊柱等组成 38 软横跨 软横跨 下部固定绳 上部固定绳 横向承力索 39 吊柱 硬横梁 40 硬横跨 41 硬横跨 42 3 线岔 电气化铁路的道岔上方 两支汇交接触线用限制管连接固定的装置称为线岔 作用 保证电力机车受电弓安全平滑地由一条接触线过渡到另一条接触线 达到转换线路的目的 43 七 接触网 4 锚段和锚段关节 1 锚段为满足接触网机械受力和电气分段的要求 接触网通常分成独立的分段 称为锚段 锚段的作用 缩小事故范围 便于接触网检修 机械和电气分段等 锚段的长度一般在800m 2000m之间 2 锚段关节两个相邻锚段的衔接处构成锚段关节 锚段关节有 三跨 和 四跨 两种 在提速区段还有 五跨 七跨 八跨 等锚段关节关节 44 接触网锚段 1 单腕臂柱 中间柱3 4 双腕臂柱 转换柱5 中心锚结柱6 中心锚结下锚柱7 中心柱 图中未标出 四跨锚段关节时出现 8 补偿下锚柱 锚段 锚段关节 锚段关节 中心锚结 两锚段中间的死固定 45 中心锚结 46 接触网下锚情况 47 七 接触网 三跨锚段关节 一般为机械分段 48 七 接触网 四跨锚段关节 一般为绝缘分段 49 七 接触网 5 接触网的电分相和电分段 1 电分相牵引变电所供给两侧相邻接触网的电是不同相位的 所以在这两个不同相位的相邻接触网之间必须设置分相绝缘器 称为电分相 一般由三块相同的玻璃钢绝缘件组成 此处构成无电区 长度为30m 50 电分段式电分相 1 分相绝缘元件 分相绝缘元件 分相绝缘元件 51 电分段式电分相 2 电连接 玻璃钢绝缘件 绝缘子串 电连接线夹 52 电分相标志 在接触网分相绝缘器两端 上行和下行方向均设有 禁止双弓 和 断 合 标志牌 用以通知司机 当电力机车通过分相绝缘器时 必须单弓运行 且必须断开电力机车主断路器 机车通过分相绝缘器后 再重新合上主断路器 53 电分相指示牌 54 2 电分段 为了提高接触网供电的可靠性和灵活性 缩小停电作业范围 要求接触网的结构能在供电方面设计成既互相联系又互相独立的分段 称为电分段 区间与车站之间 车站的各站场及线路之间 机车整备作业线上 电力机车库线等地 将接触网在电路上分成一个个独立的区段 构成电分段 在电分段处设有分段绝缘器和隔离开关 根据其设置的位置 又分为纵向电分段和横向电分段两种 纵向电分段是同一馈电臂中将接触网在电路上分成几段 如设在区间和车站间 设置横向电分段是为了灵活供电 横向电分段设在装卸线 电力机车整备作业线等处 设置横向电分段是为了方便装卸线等停电作业 55 七 接触网 56 电分段 承力索 接触线 分断器 硅橡胶绝缘子 57 八 人身安全触电知识 安全距离架设在铁路线路上空的接触网 对地而言其间是一个极不均匀的电场 带电体上存在的高电压和大电流 使其周围电场强度很强 而地面处的电场强度很弱 甚至接近于零 人在地面上接触任何接地的导体都不会有异常的感觉 这是我们和一切接地导体同处于相等的电位上 1 带电作业的安全距离 在接触网上进行带电作业时 等电位作业人员与接地体之间或处于地电位的作业人员与带电体之间所允许保持的最小直线空气间隙 带电作业的安全距离 带电作业的安全距离是以接触网上出现的过电压幅值为根据计算确定的的 接触网上出现的过电压情况分为内部过电压和大气过电压两种 内部过电压又称为操作过电压 即在供电系统内部由于工作状态突然变化 在电磁能量相互转换的过渡状态中形成的瞬间过电压 其值一般为各种电压的3倍左右 大气过电压又称为外部过电压 是在雷云放电时形成的 58 八 人身安全触电知识 接触网带电作业的安全距离或人与带电体的安全距离一般为2000mm或1000mm 我们在进行作业或货物装载加固的时候 要求其安全距离为600mm 当此安全距离不能保证600mm而大于350mm的时候 可采用安设绝缘挡板进行作业 但在任何情况下 绝缘挡板与接地体之间的距离不得小于300mm 接触网带电部分距固定接地物 机车车辆装载货物的空气绝缘距离 正常时不小于300mm 困难时不小于240mm 接触网带电体距受电弓摆动极限位置和接触网抬高到最高位置距接地体正常时不小于200mm 困难时不小于160mm 接触网带电体距固定接地体的距离不小于300mm 距机车车辆或装载货物列车的高度不小于350mm 2 空气是可逆的绝缘介质接触网是利用绝缘子与支柱绝缘 利用空气与地面绝缘 空气既可以成为绝缘体又可以成为导体 它是一个可逆的介质 当空气间隙距离增大时 它是绝缘体 当空气间隙逐渐缩小时 间隙内部开始放电 形成一个明显的 59 八 人身安全触电知识 导电通道 直至击穿 成为导体 当空气间隙再次增大时 它又成为绝缘体 触电事故的急救 一 人身触电事故急救 1 电流对人体的伤害 触电是指电流流过人体时对人体产生的生理和病理的伤害 分为电击和电伤 一 电击 是由于电流通过人体内部而造成的内部器官在生理上的反应和病变 如 刺痛 灼热感 痉挛 麻痹 昏迷 心室颤动或心脏停跳 呼吸困难或停止等现象 二 电伤 是电流对人体造成的外伤 如电灼伤 电烙印 皮肤金属化等 1 电灼伤 有接触灼伤和电弧灼伤两种 接触灼伤发生在高压触电事故时 在电流通过人体皮肤的进出口处造成灼伤 60 八 人身安全触电知识 电弧灼伤发生在误操作或人体过分接近高压而产生电弧放电时 此时高温电弧将如火焰一样把皮肤烧伤 2 电烙印 发生在人体与带电体有良好接触的情况下 在皮肤表面将留下和被接触带电体形状相似的肿块痕迹 3 皮肤金属化 由于电弧的温度高 中心温度可达6000 10000 可使其周围的金属熔化 蒸发并飞溅到皮肤表层而使皮肤金属化 人体触电事故往往伴随着高空坠落或摔跌等机械性创伤 这类创伤虽起因于触电 但不属于电流对人体的直接伤害 二 影响触电后果的因素 电流对人体的危害程度与通过人体的电流强度 通电持续时间 电流的频率 电流通过人体的部位以及触电者的身体状况等因素有关 1 电流强度 按照人体对电流的生理反应强弱和电流对人体的伤害程度 可将电流大致分 61 八 人身安全触电知识 为感知电流 摆脱电流 致命电流 当工频电流通过人体时 成年男性的平均感知电流1mA摆脱电流10mA致命电流50mA 通电时间在1秒以上 一般情况下 取30mA为安全电流 即以30mA为人体所能忍受而无致命危险的最大电流接触网对地的电压 额定值 为25kV 55KV 其额