第六章 电气化铁路.doc

第六章 电气化铁路第一节 电气化铁路的优越性电气化铁路以电力牵引作为主要牵引方式的干线铁路。1961年8月15日建成通车的宝鸡凤州段91公里，采用单相工频交流供电方式。1， 多拉快跑，提高运输能力。电力机车功率大，速度快。2， 综合利用资源，降低燃料消耗。就是纯火力发电时，电力机车的利用率为25，为蒸汽机车的4倍。3， 降低运输成本，提高劳动生产率。电力机车检修时间长，维修量少；减少维修费用和维修人员，乘务人员和机车数量相应减少。4， 改善劳动条件，不污染环境。电力机车没有煤烟，机车乘务人员不受有害气体侵害，不污染沿线环境。第二节 电气化铁路的组成电气化铁路的组成电力机车、牵引变电所、接触网。一、电力机车由机械（车体和走行部分）、电气（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、制动电阻柜）、空气管路（空气制动）系统组成。受电弓与接触网滑动磨擦取流。对接触网的静压力68.69.8N;最大工作范围1250mm，允许工作范围950mm。二、牵引变电所把电力系统的三相高压电变成电力机车需要的电能。电气化铁路供电系统，由发电厂、牵引变电所、接触网、电力机车和钢轨等构成。牵引变电所的主要设备：1， 牵引变压器：110KV（或220KV）变为27.5KV（或55KV）。2， 高压开关设备：高压断路器、高压熔断器、隔离开关。正常情况下操作高压开关切断或接通电路；在短路情况下，继电保护装置作用于高压开关自动切除故障。（高压断路器可以切断或接通负荷电流，切断故障电流。）3， 互感器：间接测量高电压、大电流。并提供控制和保护装置的电压或电流。4， 控制、监视与信号系统（二次回路）包括测量仪表、监视装置、信号装置、继电保护、自动装置和远东装置等。作用是正确反映一次系统的工作状态，控制一次系统的运行操作。5， 自用电系统提供照明用电，由自用变压器承担。6， 回流接地和防雷装置：牵引变电所的保护接地和工作接地采用同一个环状接地网。主变压器牵引侧接地端与接地网相连，也与钢轨、回流线相连，形成牵引电流的回流通路。7， 电容补偿装置牵引供电系统的功率因数低，需要进行功率补偿。（一） 开闭所枢纽内不设牵引变电所时侯，为缩小事故范围设开闭所。它起到电分段和扩大馈电线数目的双重作用。（二） 分区亭在复线电气化铁路线区段，两变电所之间设置。为改善供电臂末端电压和减少能耗，实现上下行并联供电。（三） AT所在自耦变压器供电方式设置，改善电压水平和对其它线路防干扰性能。三、接触网接触网架设在铁路线路上空，向电力机车供给电能的特殊形式的输电线路。额定电压25KV，最低电压不低于21KV，当行车速度为130Km/h，最低电压应保持23KV。 接触网的组成：（1） 支柱与基础支柱、基础及下部附件组成。（2） 支持装置腕臂、拉杆（压管）、定位装置、软横跨、硬横梁。（3） 接触悬挂接触线、吊弦、承力索和连接零件。第三节 牵引网供电方式1， 直接供电方式：2， BT供电方式：沿线架设一条回流线，隔一段距离在接触网和回流线内串联接入吸流变压器。3， 带回流线的直接供电方式：4， AT供电方式：沿线架设一条正馈线，隔一段距离在接触网和正馈线内并联接入自耦变压器。第四节 接触悬挂类型链型悬挂接触线通过吊弦（辅助吊索）悬挂在承力索上。链型悬挂具有驰度变化小、弹性均匀、稳定性好。结构复杂、投资大、施工和维修量大。 链型悬挂根据链数分为：单链型悬挂和双链形悬挂（导线通过吊弦悬挂在辅助绳上，后在挂在承力索上。）链型悬挂根据张力分为：无补偿、半补偿、全补偿。链型悬挂根据悬挂点吊弦形式分为：简单悬挂、弹性悬挂。链型悬挂根据承力索对接触线相对位置分为：直链形悬挂、半斜链形悬挂、斜链形悬挂（线索直线区段布置成反方向的“之”字形。曲线段承力索对接触线有一定的外侧位移。）我 国 电 气 化 铁 路 A B C 我国第一条电气化铁路始建于宝成线宝鸡凤州段，全长91km ，于1961年8月15日正式通车. 我国电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制，额定电压25kV。牵引动力为电能，牵引供电设备将国家电力系统输送的电能变换为适合电力机车使用的形式，电力机车则完成牵引任务，因此牵引供电设备和电力机车是电气化铁路的两大主要装备，铁路其他装备和基础设施应与之相适应。 一、电气化铁路的基础知识 （一）牵引供电系统简介 将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统，又称牵引供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电所将电力系统输电线路电压从110kV（或220kV）降到27.5kV，经馈电线将电能送至接触网；接触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后便可从其取得电能，用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置，两相邻牵引变电所之间设有分区亭，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分区亭之间的接触网（含馈电线）称供电臂。 牵引供电回路是由牵引变电所馈电线接触网电力机车钢轨回流线接地网（牵引变电所）组成的闭合回路，其中流通的电流称牵引电流，闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧，处理不当会造成严重的后果。通常将接触网、钢轨回路（包括大地）、馈电线和回流线统称为牵引网。 牵引供电设备的检修运行由供电段负责，牵引供电系统的运行调度则由供电调度负责。供电调度通常设在分局和铁路局调度所。 1、牵引变电所 牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式馈出。降低电压是由牵引变压器来实现的，将三相变为单相是通过变电所的电气接线方式来达到的。 牵引变压器（主变）是一种特殊电压等级的电力变压器，应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。我国牵引变压器采用三相、三相二相和单相三种类型，因而牵引变电所也分为三相、三相二相和单相三类。 随着技术水平的提高，我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统，牵引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行。 2、接触网 接触网是沿铁路沿线架设的特殊电力线路，电力机车受电弓通过与之滑动摩擦接触而授流，取得电能。所以两者均应保持良好的工作状态。 受电弓的运动状态是很复杂的，影响因素也很多。为了保证对其良好的供电，接触网结构本身应做到： （1）接触线距钢轨面的高度应尽量相等，定位点及跨中与受电弓中心相对位置符合要求； （2）接触悬挂应有较均匀的弹性和良好的稳定性； （3）良好的绝缘性能； （4）适应气象条件的变化并能保持上述特性不应有很大的变化； （5）接触网结构应力求轻巧简单，做到标准化，方便施工和运行维修； （6）零部件标准化，轻便，耐腐蚀，可靠性高， （7）接触线应有足够的耐磨性； （8）主导电回路通畅。 （二）接触网的悬挂方式 架空式接触网主要由接触悬挂、支持装置、定位装置和支柱基础四大部分组成。前三部分带电，与支柱（或其它建筑物）接地体之间用绝缘子隔开。 1、接触悬挂 通常，接触悬挂由承力索、吊弦、接触线和补偿装置组成，即链形悬挂。补偿装置的作用是在环境温度变化时，使接触线、承力索的张力保持恒定。承力索和接触线下锚方式均采用补偿装置的叫全补偿，仅接触线采用补偿的称半补偿。支柱处吊弦采用简单吊弦或弹性吊弦的分别为简单链形悬挂或弹性链形悬挂。 目前我国干线电气化铁路正线大都采用全补偿简单链形悬挂，站线则多为半补偿简单链形悬挂。 只有接触线的悬挂称简单悬挂，一般都采用补偿方式，只在机务段库线、厂矿专用线等少数场合采用。 接触悬挂沿线路架设，为了满足机械受力方面的要求而分成一个一个单独的锚段，锚段与锚段的相互过渡结构称为锚段关节，通常有绝缘（四跨）锚段关节和非绝缘（三跨）锚段关节之分，前者亦称电分段锚段关节，后者则为机械分段锚段关节。锚段与锚段之间的电气联接用电联接线（三跨）或隔离开关（四跨）完成。 2、支持装置 支持装置用以支持接触悬挂并将其负荷传给支柱或其他建筑物，其结构随线路情况而变化。区间主要为腕臂结构；站场则视股道数量、线路情况、支柱所在位置等因素而选用软横跨、硬横跨或腕臂结构，以软横跨为主，高速铁路则采用硬横梁；隧道和桥梁（下承桥）等大型建筑物处又要视具体情况而作设计，必要时采用特殊结构。 3、定位装置 定位装置包括定位器和定位管，其作用是保证接触线与受电弓的相对位置在规定范围内，并将接触线的水平张力传给支柱。 4、支柱基础 支柱用来承受接触悬挂和支持装置的负荷，并将接触悬挂固定在规定高度。支柱有钢柱和钢筋混凝土柱两种。前者立在用钢筋混凝土浇成的基础上，基础埋在路基内；后者则直接埋在路基中。桥梁（上承桥）通常采用钢柱，其基础在桥墩上预留。 支柱上还装有接地装置，与钢轨回路接通，起到保护作用。下锚支柱上还装有补偿装置，并设拉线装置。 （三）接触网的供电分段 为了保证安全供电和灵活运用，接触网在结构上设有供电分段。 如前所述，在牵引变电所和分区亭所在地的接触网设置的分相绝缘装置为分相电分段；在同一供电臂内设置的电分段为同相电分段，如区间和站场之间（纵向），站场内的货物线、装卸线、段管线,枢纽内场与场之间等（横向）。 同相电分段的结构为四跨锚段关节，或采用分段绝缘器+三跨锚段关节结构。 分相电分段的结构，早期为八跨（两个四跨迭加）锚段关节式，后来为分相绝缘器+三跨锚段关节所代替。近年来，随着列车速度的不断提高，锚段关节式分相结构由于其弹性好、硬点小，受电弓过渡平滑等优点，在提速区段和高速区段又逐步采用。必须指出，电力机车在通过分相绝缘装置时，要“断电”通过，即在通过前将主断路器断开，滑行通过后，再闭合主断路器继续运行，否则会引起强烈电弧，造成相间短路，甚至烧断接触网线索。 （四）接触网的供电方式 我国电气化铁路均采用单边供电方式，即牵引变电所向接触网供电时，每一个供电臂的接触网只从一端的牵引变电所获得电能（从两边获得电能则为双边供电，可提高接触网末端网压，但由于其故障范围大、继电保护装置复杂等原因尚未有采用）。复线区段可通过分区亭将上下行接触网联接，实现“并联供电”，可适当提高末端网压。当牵引变电所发生故障时，相邻变电所通过分区亭实现“越区供电”，此时供电范围扩大，网压降低，通常应减少列车对数或牵引定数，以维持运行。 1、直接供电方式 如前所述，电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制，单相交流负荷在接触网周围空间产生交变电磁场，从而对附近通信设施和无线电装置产生一定的电磁干扰。我国早期电气化铁路（如宝成线、阳安线）建设时，处于山区，地方通信技术不发达，铁路通信采用高屏蔽性能的同轴电缆，接触网产生的电磁干扰影响极小，不用采取特殊防护措施，因此上述单边供电方式亦称为直接供电方式（简称TR供电方式）。随着电气化铁路向平原和大城市发展，电磁干扰矛盾日显突出，于是在接触网供电方式上采取不同的防护措施，便产生不同的供电方式。目前有所谓的BT、AT和DN供电方式。从以下的介绍中可以看出这些供电方式有一个共同特点，即在接触网支柱田野侧，与接触悬挂同等高度处都挂有一条附加导线。电力牵引时，附加导线中通过的电流与接触网中通过的牵引电流，理论上讲（或理想中）大小相等、方向相反，从而两者产生的电磁干扰相互抵消。但实际上是做不到的，所以不同的供电方式有不同的防护效果。 2、吸流变压器（BT）供电方式 这种供电方式，在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器（变比为1:1），其原边串入接触网，次边串入回流线（简称NF线，架在接触网支柱田野侧，与接触悬挂等高），每两台吸流变压器之间有一根吸上线，将回流线与钢轨连接，其作用是将钢轨中的回流“吸上”去，经回流线返回牵引变电所，起到防干扰效果。 由于大地回流及所谓的“半段效应”，BT供电方式的防护效果并不理想，加之“吸回”装置造成接触网结构复杂，机车受流条件恶化，近年来已很少采用。 3、自耦变压器（AT）供电方式 采用AT供电方式时，牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT（自耦变压器，变比2:1）向接触网供电，一端接接触网，另一端接正馈线（简称AF线，亦架在田野侧，与接触悬挂等高），其中点抽头则与钢轨相连。AF线的作用同BT供电方式中的NF线一样，起到防干扰功能，但效果较前者为好。此外，在AF线下方还架有一条保护（PW）线，当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用，同时亦兼有防干扰及防雷效果。 显然，AT供电方式接触网结构也比较复杂，田野侧挂有两组附加导线，AF线电压与接触网电压相等，PW线也有一定电位（约几百伏），增加故障几率。当接触网发生故障，尤其是断杆事故时，更是麻烦，抢修恢复困难，对运输干扰极大。但由于牵引变电所馈出电压高，所间距可增加一倍，并可适当提高末端网压，在电力系统网络比较薄弱的地区有其优越性。 4、直供+回流（DN）供电方式 这种供电方式实际上就是带回流线的直接供电方式，NF线每隔一定距离与钢轨相连，既起到防干扰作用，又兼有PW线特性。由于没有吸流变压器，改善了网压，接触网结构简单可靠。近年来得到广泛应用。 综上所述，早期电气化铁路均采用直接供电方式，为避免和减少对外部环境的电磁干扰，研发了BT、AT和DN供电方式，就防护效果来看，AT方式优于BT和DN方式，就接触网的结构性能来讲，DN方式最为简单可靠。随着通信技术的快速发展，光缆的普遍应用，通信设施及无线电装置自身的防干扰性能大为增强，考虑到接触网的运行可靠性对电气化铁路的安全运行至关重要，所以通常认为，一般情况下DN供电方式为首选，在电力系统比较薄弱的地区，经过经济技术比较，可采用AT供电方式，BT供电方式则尽量少采用或不采用。本人认为，这是近三十年来我国电气化铁路供电方式发展和应用的实践过程中总结出来的普遍看法，同样也要接受今后