第二章电气化铁道基本知识

1、第二章 电气化铁道基本原理第一节 电气化铁道的概念及优越性一、电气化铁道的概念 采用电力牵引的铁道叫电气化铁道。它改变了蒸汽牵引和内燃牵引的常规牵引模式，给现代铁道运输带来了强大的生命力，是现代轨道运输发展的必由之路。二、电气化铁路的优越性 电气化铁路由电力机车通过接触网从外部电源取得电能牵引列车前进，所以它具有如下优点。1、牵引功率大，运输能力高由于电力机车本身不带能源，也不需要带能源转换设备，可从外部电源取得所需全部电能，所以在同样机车重量情况下，电力机车容易做到大功率 运行实践证明，电气化铁路在地形复杂的长大坡道、隧道群、高原和沙漠区段有着明显优势。在地理条件较好的繁忙干线也显示了其优越

2、性，在石太线的石阳段，年运输能力由电化前的2000吨提高到电化后的6000万吨，从而显示了电气化铁路多拉快跑的特点。 2、牵引效率高，综合利用能源电力牵引消耗的是电能，而电能可以集中化现代化生产，大型现代发电设备可使热效率达到60%以上，若采用水力发电水能利用率更高，并且核能发电正在蓬勃发展之中，电力牵引是内燃牵引效率的两倍。电力牵引可以综合利用能源，尤其在石油、煤炭资源面临枯竭的今天，人们努力开发、利用新能源，如风能、光能、地热能和潮汐能等。随着科学的发展，会有更广泛更廉价的再生能源被利用，电气化铁路可以利用一切能源发出的电能。3、环保运输，工作条件好随着人们物质文明和精神文明的提高，人们对

3、环境的要求也越来越高。人类也受到了掠夺式占有的惩罚，保护环境可持续发展已是人们的共识。电力机车直接使用电能，免除了燃煤燃油排放的一氧化碳及其他有害气体的污染，给旅客及沿线人民创造了良好的生活、生产环境。电力牵引利用了集约化发电设备的低能耗、低污染的生产优势。电力牵引减少了余热及费气排放，给司乘人员及铁路工作人员创造了舒适、清洁的工作环境，特别是在长大隧道及其他通风条件差的区段尤为显著。4、劳动生产率高，运输成本底由于电力机车可以连续不断地从外部电源取得电能，并且功率大，运行速度高。电力牵引宜跑长交道，增加了机车交换距离，提高了机车使用率，减少了机车整备检修基地，减少了整备检修设备和工作人员。由

4、于电力机车热效率高，能耗少，按价格对比，电力牵引万吨公里能耗费用只有内燃牵引的三分之一到五分之一，大大降低了运输成本。第二节 电气化铁道的组成及工作原理电气化铁道由电力机车、牵引变电所、接触网、轨道回路四部分组成，其中，接触网和轨道回路称为牵引网，如图1-2-1所示。牵引变电所接受外部电源的电能，转变成电力机车适用的电能，由接触网输送给电力机车。电力机车将电能转变成机械能牵引列车前进，牵引电流通过轨道回路流回牵引变电所，完成电力牵引过程。电气化铁道采用“单相工频交流制”供电方式。 图2-2-1 电气化铁道供电原理示意图1-高压输电线 2-馈电线 3-牵引变电所 4-接触网5-电力机车 6-轨道

5、电路 7-分区亭 8-回流线一、电力机车电力机车是电力牵引的动力，由机车受电弓接受接触网输送的电能，通过变压、整流及控制装置转变为直流电机适用的低压、直流输送给电机，电机将电能转变成机械能牵引列车前进，图2-2-2所示。机车受电弓与接触线滑动接触取得电能，它性能的好坏对机车运行速度影响至关重要。受电弓受流性能在很大程度上取决于弓、线间的接触压力，若压力过大，使弓、线间磨耗增大，压力过小则弓、线间接触电阻大，还可能发生弓、线脱离现象产生电弧，烧灼受电弓和接触网导线。由于接触网导线高度不一致和机车的震动，受电弓在随机车运行的同时还要作上下运动， 使弓、线压力变化。因此，受电弓结构应适应这种变化，使

6、得弓、线压力变化尽量小。为适应高速列车运行要求，人们在积极研究受电弓的新材料和新结构。 图2-2-2 电力机车受电弓分为单臂式和双臂式，我国目前采用单臂式。图2-2-3表示DSA-250型受电弓基本构造，它主要由滑板、接触板条、支架、上部框架、铰连座、下臂杆、推杆、气囊、弹簧、底座及支持绝缘子等组成。其主要技术性能：设计速度 200km/h，额定工作电流630A ，静接触压力75±5N,最大工作范围1250mm,允许工作范围950mm。 图2-2-3 DSA250型受电弓构造示意图 （a）受电弓示意图 （b）包络线示意图 1-受电弓滑板 2-上臂杆 3-绞连座 4-拉杆 5-下臂杆

7、6-气囊 7-底座二、牵引变电所牵引变电所是电气化铁路转换电能的设施，它接受系统电网110kv或 220kv电能，转变成27.5kv单相交流电能，安全可靠的向接触网供电。牵引变电所主要由一次设备，二次设备及连接电路组成。牵引变压器是牵引变电所的心脏设备，它应具有过负荷能力和适应牵引负荷剧烈变化的能力。牵引变压器通过特殊接线完成三相单相变换，以减小单相负荷对系统不平衡影响，牵引变所变压器接线形式主要有单相变压器VV式接线、三相变压器及阻抗匹配平衡变压器接线等。三、接触网接触网是沿铁路上空架设的特殊形式的输电线路。接触网不但具有输送电能的能力，还相对铁路线路具有一定的空间位置，保证与机车受电弓良好

8、接触。接触网对地电压为25kv，最高电压27.5kv，最低电压20kv，受流点随着机车的运动而变化。接触网工作具有露天设置、无备用、受气象条件影响严重、移动负荷、滑动接触、工作环境恶劣等特点，所以接触网应满足下列要求。1、在机车高速运行和恶劣气象条件下，应能保证电力机车正常取流；应有足够的机械强度，较高的稳定性，保持良好的工作状态。2、对地绝缘好，具有足够的绝缘强度，保证运行安全、可靠，并考虑带电作业的方便。3、接触网设备和零件应有较好的耐磨耐蚀能力，使用寿命长。4、接触网设备结构尽量简单，零件互换性好，便于施工、运营维修和事故抢修 。5、尽量节约有色金属，降低建设成本。 四、轨道回路轨道回路

9、由钢轨、回流线及连接零件组成，作为牵引电流的回路。由于钢轨与地连接，有散流产生，所以有时还加设吸回装置。 第三节 电气化铁道牵引供电方式在电气化铁道牵引供电系统中，采用的供电方式主要有直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式。一、直接供电方式直接供电方式是指由牵引变电所、接触网、轨道回路直接构成的牵引供电方式，如图2-3-1所示。直接供电方式具有设备简单，投资小，牵引网阻抗小，电能损耗低，施工维修方便等优点。图2-3-1 直接供电方式在直接供电方式中，部分牵引电流由钢轨流回牵引变电所，部分电流通过大地流回牵引变电所形成散流，造成牵引网电磁场不平衡，对邻近的通信线路干扰较大。为减少单相负荷对通讯

10、线路的干扰，目前我国采用了带负馈线的直接供电方式。带负馈线的直接供电方式，沿接触网架设了一条回流线“NF”，所以也叫带回流线的直接供电方式，如图2-3-2所示。带回流线的直接供电方式，钢轨通过吸上线与回流线连接，回流线与牵引变电所连接。由于接触网与回流线的互感作用，使牵引电流尽可能的由回流线流回牵引变电所。这样在不增加网中阻抗的情况下，减小了牵引电流对通信线路的干扰。目前在我国电气化铁路中得到广泛应用。图2-3-2 带负馈线的直接供电方式1-接触网 2-轨道 3-回流线 4-吸上线二、BT供电方式BT供电方式是在牵引网中增设吸流变压器和回流线的供电方式。该供电方式，在接触网近旁沿接触网并行架设

11、了一条回流线，即NF线，每隔24km设置一 台吸流变压器，钢轨与回流线用吸上线连接。两吸流变压器的距离间隔，称之为BT段，如图2-3-3所示。图2-3-3 BT供电方式1-接触网 2-轨道 3-回流线 4-电分段设备吸流变压器是变比为1：1的特殊变压器，一次绕组串入接触网，二次绕组串入回流线。当接触网中流过牵引电流时，吸流变压器迫使回流线中流过与接触网大致相等方向相反的电流，二者产生的磁场相互抵消，从而大大减小了牵引电流对通信线路的干扰。BT供电方式在我国已运行的电气化铁路中广泛应用。BT供电方式，由于吸流变压器的采用，增加了网中阻抗，增加了能耗，缩短了牵引变电所的供电距离，增加了电分段节点，

12、会影响高速铁路的列车运行安全和运行速度。三、AT供电方式AT供电方式是在牵引网中增设自耦变压器和正馈线的供电方式。该供电方式，沿接触网并行架设了一条馈电线，即正馈线“AF”，每隔10km左右设置一台自耦变压器。自耦变压器并联在接触网和正馈线之间，绕组中点与钢轨连接，两台自耦变压器的距离间隔称为AT段，自耦变压器安装处称为AT所，如图2-3-4所示。图2-3-4 AT供电方式1-接触网 2-轨道 3-正馈线自耦变压器的采用，使牵引网供电电压提高了一倍为50kv，电力机车工作在接触网与轨道之间，工作电压25kv。牵引电流通过机车后，由自耦变压器、正馈线流回牵引变电所，从而消除了牵引电流对通信线路的

13、干扰。 AT供电方式有如下优点：1、供电电压高，供电容量大。由于牵引网供电电压是机车工作电压的2倍，其供电能力大，在输送同等功率的情况下，负载电流是供电电流的一半，供电质量好，电能损耗小。AT供电方式有利于大功率、高速度及运输繁忙的铁路线路上使用。2、防干扰效果好。在AT供电区段，接触网中电流与正馈线中电流大小相等，方向相反，基本消除了对通信线路的干扰。3、网中阻抗小，供电距离大。由于自耦变压器的并联连接，没有增加网中阻抗，电压损失小，增加了牵引变电所的供电距离，两变电所之间的距离可达80km-120km，减少了牵引变电所的数量，减少了设备投资和运营管理的费用。 AT供电方式在我国的主干线电气化铁路中广泛采用，也是世界各国牵引供电方式的主要形式。根据供电方面的要求，牵引变电所之间的接触网由分区亭分为两个独立的供电分区，每一个供电分区叫一个供电臂。变电所向供电臂的供电方式分为单边供电和双边供电两种。供电臂只从一端变电所取得电能的供电方式叫单边供电方式；供电臂从两侧变电所取得电能的供电方式叫双边供电方式，如图2-3-5所示。 单边供电方式正常工作时，分区亭隔离开关打开，牵引变电所独立向供电臂供电。单边供电分区亭内设备简单，工作可靠，但不能实现变电所并联供电，目前我国和多数国家多采用单边供电方式。双边供电可以实现牵引变电所并联供电，但是，