高速铁路电气化系统概论ppt课件

高速电气化铁道概论 第1部分变电工程1 列车负荷特点2 牵引供电方式3 牵引供电设施的分布4 牵引变电器接线和电源电压5 牵引变电所二次侧设备选择6 电力调度与综合自动化系统 第2部分接触网工程1 弓网受流质量评价标准2 接触网悬挂方式3 接触线的选择4 接触网导线组成及张力组合5 导线高度与结构高度6 定位器设计思路7 锚段关节形式8 线岔形式9 接触网支柱基础10 接触网接地方式11 电分相设计12 施工误差13 架线工艺 第1部分变电工程 1 列车负荷特点 负荷大高速列车单车电流可达600 1000A 而普速列车电流一般不大于300A速度高客运专线列车运行速度一般在250km h以上密度大客运专线列车追踪间隔一般为3 4分钟功率因数高采用交直交动车组 功率因数在0 95以上 2 牵引供电方式 东海道 东北 上越 山阳 北陆 盛冈 秋田 盛岗 八户等所有新干线总长2154km 全部采用AT供电方式 运营速度为260 300km h 日本 东南线 426km 270km h 为AT与直供混合供电方式 而大西洋线 北方线 地中海线总长918km 全部采用AT供电方式 运营速度为300 350km h 法国 德国 曼海姆 斯图加特 汉诺威 维尔茨堡 汉诺威 柏林 法兰克福 科隆 纽伦堡 英格尔斯塔特等所有高速线路全长880km 均采用直接供电方式 运营速度为250 330km h 1 国外情况 2 牵引供电方式 汉城 釜山全长412km 采用AT供电方式 运营速度为300km h 韩国 马德里 塞维利亚 471km 250km h 采用直接供电方式 马德里 巴塞罗那 730km 350km h 采用AT供电方式 西班牙 都灵 佛罗伦萨 罗马 那不勒斯 620km 300km h 采用AT供电方式 意大利 另外 中国台湾的台北 高雄高速铁路也采用AT供电方式 2 牵引供电方式 50Hz 60Hz 25kV牵引供电方式 300 350km h 2 牵引供电方式 与直接供电方式相比 AT供电方式具有如下优势 具有更大的供电潜力 特别是越区供电能力变电所间距大 可节省电力系统供电线路的投资减少接触网电分相数量 改善列车运行环境和延长车上设备使用寿命减少对通信线的干扰 降低通信线路迁改费用减少电能损失 降低运营成本鉴于以上优势 客运专线电气化一般采用AT供电方式 2 AT供电方式的优越性 3 牵引供电设施的分布 1 牵引变电所间距尽管采用了AT供电方式 因客运专线列车密度大 单车功率大 AT牵引变电所的间距比普速小 一般为50 60km 2 AT所间距基于牵引变电所的间距 一般每个供电臂内仅设置一处自藕变压器所 位于供电臂的中部 亦即AT所间距为12 15km 4 牵引变压器接线和电源电压 对于AT供电方式面言 目前国内外采用的主变压器接线有对顶三角接线 变形伍德桥接线 斯考特接线 V型接线和单相接线等几种 其中单相接线造成的负序影响最大 其余几种接线均可减少负序影响 但从减少接触网电分相数量角度出发 宜采用单相接线 以避免在牵引变电所处设电分相 为了在采用单相接线的同时 尽量减少对电力系统的负序影响 应尽量避免采用110kV电源供电 力争220kV供电 采用220kV电源电压 系统短路容量远大于110kV 允许承受负序能力也大大增强 同时220kV供电增加了对牵引供电系统供电的可靠性 并节省了电力系统增容改造的投资 5 牵引变电所二次侧设备选择 牵引变电所二次侧设备可采用传统的户外开关设备或户内开关设备 即开关柜 目前我国电气化铁道牵引变电所馈线侧除了哈大线采用了间隔护板式简易空气开关柜以外 其他各线的设备还停留在高压室网栅间隔式分散布置的方式 在我国 电力部门和城交领域在35kV已广泛采用空气绝缘和六氟化硫绝缘开关柜 即所为AIS和GIS 特别是GIS由于其体积小 可靠性高 维护工作量小 大大节省变电所占地面积 房屋面积和电缆等优点已成为35kV配电设备的发展方向 电气化铁路二次侧开关设备采用GIS也是大趋势 5 牵引变电所二次侧设备选择 与传统的户外型设备相比 2 27 5kVGIS开关柜主要特点如下 1 集成化程度高 并使设备供货渠道得到有效控制 避免了安装的分散性 使设备质量得到了有效的保证 2 使用寿命长 可操作30000次 10000次内无维护 3 大大节省场地面积和房屋面积 4 施工简易化 5 为全所无人值班和自动装置等措施的有效实施了良好的设备基础 6 节省了大量的控制电缆 第2部分接触网工程 1 弓网受流质量评价标准 欧洲关于弓网受流质量的评价标准 2 接触网悬挂方式 时速300km h以上高速铁路接触网悬挂方式 2 接触网悬挂方式 接触网的三种悬挂方式 复链 弹链 简链 在国外高速客运专线中均有采用 理论上讲 复链型悬挂的性能最为优越 也最适合于高速运行 但其结构太复杂 施工及运营维护不方便 弹性链形悬挂能满足高速弓网受流质量要求 但接触线动态抬升量大 容易产生疲劳 且弹性吊索安装 调整工作量大 简单链型悬挂也能够满足高速弓网受流要求 国内具有丰富的设计 施工及运营经验 但静态弹性不均匀度较大 动态接触力标准偏差较弹链和复链大 3 接触线的选择 时速300km h及以上接触线的应用情况 3 接触线的选择 从国外高速客运专线接触线的使用情况来看 主要以铜锡和铜镁合金线为主 铜锡和铜镁线均能满足高速铁路高抗拉强度的要求 在导电性方面 0 2 含量的上述合金线有80 左右的导电率 而0 5 含量的上述合金线则只有60 左右的导电率 且硬度较高 对施工要求也较高 4 接触网导线组成及张力组合 高速客运专线牵引网需要的载流量较大 一般为800 1200A 要求接触线及承力索截面较大 承力索一般采用120mm2的镁铜合金绞线 接触线一般采用150mm2的铜锡或铜镁合金线 当接触线和承力索总的载流截面不能满足牵引网载流量要求时 还需设置加强线 一般在第一AT段内 为了确保良好的弓网受流质量 动车组的运行速度宜在接触线的波动传播速度0 7倍以下 根据国外经验 对于最高运行速度为350km h的客运专线 承力索及接触线的张力应分别不小于20kN和25kN 即 THJ120 CuSn150 CuMg150 20kN 25kN 5 导线高度及结构高度 在满足建筑限界的情况下 接触线的悬挂高度应尽量低 以减小空气动力对弓网受流质量的影响 国外高速铁路接触线高度如下 日本 5000mm法国 5080mm德国 5300mm我国客运专线车辆建筑限界高度为4800mm 综合考虑绝缘距离 导线弛度 施工误差等因素 客运专线接触线悬挂点高度定为5300mm 最低点高度为5150mm 5 导线高度及结构高度 结构高度大小主要取决于允许的最短吊弦长度 对于两端都有吊弦线夹的整体式吊弦来说 吊弦长度越短 其呈现的刚度越大 对弓网受流越不利 根据国外经验 对于高速而言 最短吊弦长度不宜小于800mm 与之对应的接触网结构高度不宜小于1400mm 国外高速铁路接触网结构高度如下 法国 1400mm 简链 德国 1600mm或1800mm 弹链 日本 950mm 简链 或1500mm 复链 6 定位装置 欧标EN50119规定 当定位器不带限位功能时 其自由抬升空间至少应为接触线实际抬升量或模拟抬升量的2倍 当带限位功能时 定位器自由抬升空间至少应为接触线实际抬升量或模拟抬升量的1 5倍 欧标prEN50367规定 受电弓动态包络线的上抬量为接触线实际抬升量或模拟抬升量的2倍 受电弓动态包络线的左右摆动量与线路 轨道 机车等的性能有关 实测值较难确定 一般根据运营经验取值为250 300mm 法国采用的弯形定位器不带限位 允许最大抬升量为400mm 德国采用带限位的直形定位器 限位抬升量为150 180mm 6 定位装置 法国地中海线 不限位定位器 6 定位装置 西班牙马德里 巴塞罗那线 限位定位器 7 锚段关节形式 国外高速接触网锚段关节形式较多 三跨 四跨 五跨均有应用实例 日本和法国一般采用四跨关节形式 德国汉诺威 维尔茨堡 Re250 曼海姆 斯图加特 Re250 柏林 汉诺威 Re330 三条高速铁路均采用五跨关节形式 法兰克福 科隆 SICAT H1 0 高速铁路则采用三跨 非绝缘 和五跨 绝缘 关节形式 西班牙马德里 巴塞罗那 EAC 350 和意大利罗马 那不勒斯高速铁路均采用四跨关节形式 三跨非绝缘 四跨非绝缘 五跨非绝缘 7 锚段关节形式 三跨和五跨关节在跨距中部过渡 跨中两支接触线相对于悬挂点高出约40mm 四跨关节则在定位点过渡 两支悬挂在中心柱外侧第一吊弦之间形成一等高过渡段 非支从第一吊弦点开始抬升 中心柱定位器一般按不受力设计 各国的运营经验表明 只要锚段关节安装调整得当 无论三跨 四跨 五跨 均可取得满意的受流效果 相对而言 四跨关节的安装调整较为容易 且安全性较好 三跨绝缘 四跨绝缘 五跨绝缘 8 线岔形式 高速接触网线岔可分为交叉和无交叉两大类 其中无交叉线岔又可分为两支无交叉和三支无交叉 锚段关节式 两种形式 A C为悬挂点 B为交叉点 悬挂A点一般位于线间距0 400mm范围之内 交叉点B位于线间距400 700mm范围之内 在悬挂点A处 正线接触线拉出值为300 400mm 并按正常接触线高度设计 侧线接触线拉出值一般为400 550mm 并抬高约150mm 使得A点处侧线接触线位于受电弓的动态包络线以外 在悬挂点C处 正线接触线按正常高度设计 侧线接触线比正线高30mm 高速用交叉线岔原理 8 线岔形式 在交叉点B处 为了减小接触网的硬点影响 正线接触线相对于正常高度抬高10mm 通过吊弦实现 侧线接触线相对于正线抬高20mm 与悬挂点C处高度一致 侧线在AB段按抛物线抬高 在BC段靠近线岔处 线间距500mm 600mm处 设有一交叉吊弦 正线接触线通过吊弦悬挂于侧线承力索上 侧线接触线通过吊弦悬挂于正线承力索上 意在使始触区附近两支接触线在动态作用下能够同步抬升 8 线岔形式 优缺点 由于限制管的存在 当列车高速通过正线时 由于接触线抬升量较大 受电弓必然要接触两支接触线 在交叉点附近形成相对硬点是难免的 弓网间将产生较大的冲击 从而加剧线岔处接触线的局部磨耗 另外还存在钻弓 打弓的危险 另外 线岔处正线接触线的高度要求非常严格 比正常高度高出10mm 施工精度实难保证 当道岔号码较大时 限制管的长度将变得很长 否则两支接触线无法自由伸缩 相对于两支无交叉线岔而言 如果侧线行车速度不高 则其侧线行车较为有利 因为受电弓的转换过渡较为平缓 但如果侧线行车速度也较高 仍然存在正线行车的上述不利因素 8 线岔形式 A C为悬挂点 B为侧线支接触线始抬点 悬挂点A一般位于线间距500 600mm处 侧线支接触线始抬点B一般为悬挂点A右侧第3吊弦处 悬挂点A处 正线接触线拉出值为350 400mm 并按正常接触线高度设计 侧线接触线相对于正线线路中心的拉出值一般为950 1000mm 并抬高90 130mm 视道岔号码大小而定 使得A点处侧线接触线位于正线上运行的受电弓正常动态抬升量 该值可通过弓网模拟确定 以外 BC段正线 侧线接触线一般按等高设计 侧线接触线自B点开始按抛物线抬高 至悬挂点A处时抬高90 130mm 正线在AC段始终按正常高度设计 两支无交叉线岔原理 8 线岔形式 当正线高速行车时 侧线接触线始终位于受电弓正常动态抬升量以外 受电弓只与正线接触线接触 而不与站线发生任何关系 因此正线行车具有绝对的安全性 当列车由侧线驶入正线时 在B点以前受电弓只与侧线接触线接触 通过B点以后大约在AB段的中部附近位置 受电弓在与侧线接触线接触的同时 其一侧的倒角将开始触及正线接触线 并随着列车的前行 受电弓滑板将脱离侧线接触线而转入正线接触线取流 直至完全驶入正线 当列车由正线驶入侧线时 在A点以前受电弓均从正线接触线取流 当受电弓到达AB段的中部附近位置时 受电弓滑板将脱离正线接触线 在其静压力作用下与抬高的侧线接触线相接触 此处侧线接触线抬高值宜控制在50mm左右 进而转入从侧线接触线取流 8 线岔形式 优缺点 优点是可以保证正线高速行车的安全 缺点是侧线行车时受电弓的转换过渡不是很平缓 也就是说侧线允许通过速度不能太高 一般不宜超过80km h 否则弓网间将产生较大的冲击 该种线岔形式适合于与正线相连的车站到发线道岔 8 线岔形式 三支无交叉线岔原理 渡线电分段采用了四跨绝缘锚段关节形式 关节3 以避免采用分段绝缘器产生的硬点影响 关节1和关节5为四跨非绝缘锚段关节 关节2和关节4为五跨非绝缘锚段关节 相邻两支悬挂各形成一个锚段关节 悬挂1为正线接触悬挂 悬挂2为导向支接触悬挂 相对于另一正线而言又为侧线支接触悬挂 悬挂3为侧线支接触悬挂 相对于另一正线而言又为导向支接触悬挂 从B柱到C柱的区域为正线和侧线之间的转换区域 五跨关节的中心跨 上图的布置形式基于侧线 或渡线 有电分段要求 如果侧线无电分段要求 导向支接触悬挂2可在经过C柱并在D柱过渡后下锚 8 线岔形式 当列车在正线上运行时 受电弓不与侧线支接触线接触 但在关节1和关节2处与导向支接触线存在转换过渡关系 当列车由正线驶入侧线时 受电弓首先在关节1处由正线接触线过渡到导向支接触线 然后在关节2处 B柱到C柱之间 由导向支接触线过渡到侧线支接触线 经过C柱以后完全驶离道岔进入侧线运行 当列车由侧线驶入正线时 受电弓首先在关节2处 C柱到B柱之间 由侧线支接触线过渡到导向支接触线 经过A柱以后在关节1处再由导向支接触线过渡到正线接触线 进而完全转入正线运行 总之 对于锚段关节式线岔 无论正线行车还是侧线行车 非支接触线始终处于受电弓的动态包络线以外 且受电弓在工作支与非工作支之间的转换过渡非常平缓 因此其安全性好 且允许侧线行车速度较高 可达160km h以上 与道岔本身允许通过速度有关 8 线岔形式 结论与建议基于三种线岔形式的原理及其优缺点 对于高速客运专线 为了保证良好的弓网受流质量和确保正线接触线的使用寿命 应避免采用交叉布置形式 而采用无交叉布置形式 如果侧线通过速度要求较高 80km h以上 应采用锚段关节式线岔形式 如果侧线通过速度要求不高 80km h以下 应优先采用锚段关节式线岔形式 困难时可采用两支无交叉线岔形式 10 接触网接地方式 对于列车密度高 客流量大的客运专线 旅客的安全至关重要的