电气化铁道基础知识(兰州交大)

1、电气化铁道基本知识（上）自动化与电气工程学院1 主要内容电力机车及动车组电力调度及综合调度牵引变电所电气化铁路概述2电气化铁道概述1轨道交通分类 2电气化铁路优越性 3电气化铁路组成3电气化铁路概述干线轨道交通城市轨道交通新型轨道交通高速客运重载货运地 铁轻 轨单轨电车郊区铁路磁悬浮轨道交通不断涌现出各种新的原理真空高速管道列车1、轨道交通的分类：4电气化铁路概述 电气化铁路供电的发展 低压直流三相交流 单相低频交流 单相工频交流 1900年到1915年，主要采用500750 V的直流制。1915年到1930年，开始采用162/3Hz，25Hz的单相低频交流制和12001500 V的直流制，还

2、采用了3600V的使用异步牵引电动机的三相交流制。1930年到1950年，除继续采用单相低频交流制和1500 V的直流制外，还采用了3000 V的直流制。 1932年，匈牙利在布达佩斯黑基也什霍洛姆铁路上第一次采用了16000V的单相工频交流电力牵引。 5电气化铁路概述国内外轨道交通发展现状和趋势 铁路客运高速化 1964年世界上第一条高速铁路正式运行 目前运行速度达到300km/h以上 我国6次提速后，运行速度接近300km/h，与世界先进水平相比，我国高速铁路技术还存在较大差距。 货运重载化和快捷化 澳大利亚、巴西、美国等，重载列车牵引质量超过 3万吨，甚至高达5万吨。 我国大秦线，开通5

3、000-10000吨级的重载列车，2004年底实现2万吨重载列车的开行。6高速铁路的发展 日本 1964年开始，新干线总长度达1835公里，高速列车客运量为世界之最，2000年客运周转量为712亿人公里。 法国 1983年开通第一条现代化高速铁路，现已建成1281公里，高速列车TGV运行速度为300350km/h，最高试验速度为515.3km/h。 德国 1985年开始研究ICE高速列车，1991年投入运营，有高速铁路700多公里，高速列车最高运行速度达330km/h。电气化铁道概述7电气化铁路概述我国对高速铁路的规划在“十五”期间，国家加大了对铁路的投资力度，国家修建新线6000公里，复线3

4、000公里，地方铁路1000公里；总投资3500亿。将筹建京沪高速铁路；将在全国建立“八纵八横”铁路网主骨架，形成以北京、上海、广州为中心的提速客运网，做到： 300500 公里范围内实现“朝发夕至” 12001500 公里范围内实现“夕发朝至” 20002500 公里内实现“一日到达”高速列车的运行速度达到200300 km/h，试验速度将达到350 km/h以上。“十一五”期间，国家将建9800公里高速客运专线铁路。8电气化铁路概述我国客运专线及城际铁路的发展规划简介“四纵”客运专线 北京- 上海客运专线；北京- 武汉- 广州- 深圳客运专线；北京- 沈阳- 哈尔滨(大连) 客运专线；杭州

5、- 宁波- 福州- 深圳客运专线“四横”客运专线徐州- 郑州- 兰州客运专线；杭州- 南昌- 长沙客运专线；青岛- 石家庄- 太原客运专线；南京- 武汉- 重庆- 成都客运专线三个城际客运系统 环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区9电气化铁路概述2、电气化铁路的优越性10电气化铁路概述不同交通方式的能耗与污染对比综合比较，轨道交通具有绿色、环保、安全、便捷、大容量、长距离等优点，国家已做出大力发展轨道交通的战略决策，在已批准的中长期铁路网规划中，确定到2020年将建设300km/h及以上的高速客运专线1.2万公里。 铁路的能耗和污染不足汽车和飞机的1/411电气化铁路概述社会经济效益好不

6、受气候的影响安全可靠运行准时 外部运输成本低对环境污染小 能源消耗低土地占用面积小 客货运量大 旅行时间短电气化铁路的优越性电气化铁路的优越性：12电气化铁路概述3、电气化铁路组成13电气化铁路概述 牵引变电所牵引网电力机车及动车组电气化铁路组成 牵引供电系统14 主要内容电力机车及动车组电力调度及综合调度牵引变电所电气化铁路概述15牵引变电所1牵引变电所的 组成 2供电方式 3 综合自动化16牵引变电所直流牵引变电所 交流牵引变电所 1、发电机组2、整流器组 工频单相变电所如中国、法国（单相、三相）牵引变电所低频单相变电所 如德国17牵引变电所将电力系统的电能变换成适合电力机车使用的电能 降

7、低电气化铁路对电力系统的影响 将电力系统的高电压降低为27.5kV或227.5kV以单相电馈送给接触网，供电力机车使用 减轻负序电流和负序电压对三相电力系统的影响，需要在牵引变电所采用换相接线方式或不同接线型式的变压器。牵引变电所功率因数达到0.85以上 18牵引变电所牵引变电所类型1QB、7QB为中心变电所；3QB、5QB为通过式变电所；2QB、4QB、6QB为分接式变电所 19牵引变电所牵引变电所高压电气设备测控保护设备变压变相监控一次设备牵引变电所组成20牵引变电所平面接线图牵引变电所21牵引变电所 22牵引变电所23牵引变电所24牵引变电所牵引变电所27.5KV侧设备25牵引变电所牵引

8、变电所27.5KV侧设备选择26牵引变电所分接式牵引变电所: 110kV侧采用双T结线、27.5 kV侧采用单母线结线的单线三相牵引变电所 27牵引变电所 牵引供电方式(1)国外情况28牵引变电所 牵引供电方式29牵引变电所 牵引供电方式直供方式AT供电方式BT供电方式30牵引变电所 直接供电方式（简称TR供电方式） 是在牵引网中不加特殊防护措施的一种供电方式 直接供电方式1牵引变电所；2接触网（T）；3机车；4钢轨（R） 31牵引变电所 带回流线的直接供电方式 利用接触网与回流线之间的互感作用，使钢轨中的回流尽可能地由回流线流回牵引变电所 带回流线的直接供电方式1牵引变电所；2接触线（T）；

9、3回流线（NF）4机车；5钢轨（R）32牵引变电所 吸流变压器供电方式（简称BT供电方式） 在牵引网中架设有吸流变压器回流线装置的一种供电方式。 吸流变压器回流线供电方式1牵引变电所；2接触网（T）；3吸流变压器；4回流线（NF）；5机车；6钢轨（R） 33 牵引变电所 自耦变压器供电方式（简称AT供电方式） 这种供电方式是每隔10 km左右在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，绕组的中点与钢轨相接。自耦变压器将牵引网的供电电压提高一倍。 图 2-4 自耦变压器供电方式1牵引变电所；2自耦变压器；3接触网（T）；4正馈线（AF）；5钢轨（R）；6机车34牵引变电所 同轴电力电缆供电方式（

10、简称CC供电方式）一种新型的供电方式 同轴电力电缆供电方式T接触网；R钢轨35牵引变电所 分区所的作用 分区所的作用主要是改善电气化铁路的运行条件，提高接触网末端电压，降低电能损失 上、下行并行供电越区供电双边供电36牵引变电所分区所的供电与分段 单边供电上下行并行供电双边供电分区所的供电 37 牵引变电所单边供电双边供电38 牵引变电所复线单边供电复线并联供电39牵引变电所 不同方式的供电取决于： 1.纵向分段2.横向分段1.提高可靠性2.电源容许根据工作需要根据检修需要设计需要 1.机车检查坑上方的接触网2.货物装卸线3.某些专用线4.在牵引变电所、开闭所、分区所处及供电臂的末端。40牵引

11、变电所综合自动化系统的发展概况 1分立元件的自动化装置阶段 2智能自动装置阶段 3综合自动化系统阶段 41牵引变电所2、综合自动化系统的构成 解决间隔层中 各保护间的复 杂配合，提 高保护系 统的动 作速度 节省工程 投资 优点实现信息共享 提高变电所的整体功能和管理水平 提高了设备的利用率 可靠性提高 所谓变电站综合自动化系统，就是将变电站的二次设备利用微机技术，经过功能的重新组合，实现信息共享，对变电所实施自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化装置。42牵引变电所牵引变电所安全监控及综合自动化系统图43牵引变电所 安全性、可靠性不高。占地面积大，增加了投资。 维护工作量大，设备可靠

12、性差 。智能化的一次设备网络化的二次设备 综合自动化系统的发展方向 现有不足自动化的运行管理系统 44牵引变电所 变电所设备分为三层：变电所层间隔层(或称单元层)过程层(或称设备层) 45牵引变电所 按用户需要、值班方式和保护测控装置的布置方式不同，牵引变电所综合自动化系统有三种运用模式。 1. 分散式无入值守46牵引变电所2.集中式有人值班47牵引变电所3集中式无人值守48 主要内容电力机车及动车组电力调度及综合调度牵引变电所电气化铁路概述49电力机车及动车组1电力机车 2动车组 50电力机车及动车组由于电流制不同 直-直流电力机车 交-直流电力机车 交-直-交流电力机车 电力机车本身不带原

13、动机，靠接受接触网送来的电流作为能源，由牵引电动机驱动机车的车轮。 优点：具有功率大 热效率高 速度快 过载能力强 运行可靠 不污染环境 51电力机车及动车组电力电子器件是电力机车发展的促进因素。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直直传动很自然地被更优越的交直传动，随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现的交直交传动，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交直传动。52电力机车及动车组交直流电力机车 牵引变电所将三相交流电改变成25 kV工业频率单相交流电後送到接触网上。但是在电力机车上采用的仍然是直流串

14、励电动机，把交流电变为直流电的任务在机车上完成。 53电力机车及动车组动力制动模块空气系统模块 辅助变频器 主变频器及电机驱动模块通讯模块 电子设备 牵引变频器 逆变器 (电流源型、电压源型、PMW)电机同步电机、异步电机设备与功率器件交直交流电力机车 54电力机车及动车组交直交流电力机车 采用交流无整流子牵引电动机（即三相异步电动机） 制造、性能、功能，体积、重量、成本、维护及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。 调速比较困难 55电力机车及动车组变速箱异步电机逆变器整流器牵引变压器1085kW25000V变速箱直流电机整流器牵引变压器25000V滤波电抗器励磁绕组交直传动机车主电路交流传动

15、机车主电路交直与交流传动机车主电路比较56电力机车及动车组1958第一台1968-1985韶山SS1SS2SS31985-1992SS4SS5SS6SS7 1997正式下线高速干SS8 1999超200KM/H子弹头57电力机车及动车组代表车型介绍 韶山4/SS4 干线货运电力机车，该机车牵引及制动功率大、起动平稳、加速快、工作可靠、司机室工作条件良好、污染少、维修简便。获国家科技进步一等奖。机车功率持续6400kW，最大速度100km/h，车长215200mm，轴式2（B0-B0），电流制为单相工频交流。 58电力机车及动车组代表车型介绍 韶山8/SS8 SS8型电力机车是工频交流晶闸管相控

16、电力机车，为BO-BO轴式四轴车，机车总重88t，轴重22t。机车持续功率3600KW，机车最高速度170Km/h，试验速度达240Km/h。 机车主电路为不等分三段半控桥式整流电路，转向架电机并联独立供电、牵引电机无级磁场削弱，可实现包括恒功区的全无级调速特性。机车动力制动为加馈电阻制动，制动功率2700KW。采用微机控制系统，控制功能有：特性控制、空转（滑行）保护控制、监测显示功能。 59电力机车及动车组代表车型介绍 DJJ1型电动车组 株洲电力机车厂继开发研制出我国首批DJ型商用交流传动电力机车后，中国第一台适用城际间高速客运的高速交流传动电动旅客动车组动力车-DJJ1型动力车又诞生了，

17、这标志着我国交流传动电力机车制造技术已走向成熟。 60电力机车及动车组 动车组的定义 动车组（Electric multiple unit），也称多动力单元列车，是铁路列车的一种。把动力装置分散安装在每节车厢上，使其既具有牵引动力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。 动车组就是几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组。 带动力的车辆叫动车，不带动力的车辆叫拖车。61电力机车及动车组 动车组的分类 柴油动车组 按动力装置分 燃气轮动车组 直流电力动车组 电力动车组 交流电力动车组 动力集中型 按动力形式分 动力分散型 电传动 按传动方式分 液力传动 62电力机车及动车组集现代科技于一身

18、列车的安全性超乎想象乘坐的舒适性堪称一流节能而又环保动车组的优点63电力机车及动车组 国外动车组的发展概况动车组占全国运输的份额 国外常见的动车组有日本新干线，德国ICE，法国TGV，欧洲之星，瑞典X2000，美国ACELA 。64电力机车及动车组 国内动车组的发展概况 从20世纪90年代到本世纪初，是我国动车组迅速发展阶段。在此期间，我国铁路工业系统共研制新型动车组20多个品种共计67列，其中内燃动车组47列，电动车组20列。 2007年12月22日，由南车集团四方机车车辆股份有限公司制造、具有自主知识产权的首列国产时速300公里的高速动车组（CRH2-300）在青岛竣工下线。 2008年4

19、月11日，国产时速350公里CRH3“和谐号”动车组在中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司下线 。65电力机车及动车组 在200公里/小时全速运行时的列车每秒速度达到60米以上，制动距离超过1000米，全速行驶的列车通过时，产生的吸力足够把靠近铁轨的人拖进去。 66电力机车及动车组 CRH12(2M+1T)+(1M+1T)不能满足普通站台要求 CRH24M+4T 67电力机车及动车组 CRH34M4TCRH24M+4T 68电力机车及动车组(BSP动车组为1，四方动车组为2，唐山动车组为3，长客为5型号系列代码，以A、B、C为速度等级（A运行速度200K/h，8编组，座车）（B运行速度275K

20、/h，8编组，座车）（C运行速度300K/h，8编组，座车）实例：CRH1003ABSPCRH1第3列200K/h，8编组，座车69电力机车及动车组1电传动系统采用国产化的GTO水冷变流机组，1225kW大功率异步牵引电动机，具有恒功范围宽、轴功率大、粘着性能好、功率和功率因数高等特点。2控制系统采用分散式微机网络控制系统，并采用冗余设计（主机热备及冗余输入输出）来提高整个列车组运用的可靠性。3采用了宽车体鼓形断面、超轻量化薄壳整体承载结构和国内首次采用的双拱流线头形，突出降低交汇压力波。4采用车顶夹层通风方式、牵引电机为独立通风冷却、主变流器水冷和主变压器油冷，采用水、油的复合型铝板冷却器。

21、 主要特点：70 主要内容电力机车及动车组电力调度及综合调度牵引变电所电气化铁路概述71 电力调度及综合调度1电力调度2综合调度 72电力调度SCADA系统组成 : SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。牵引供电系统中使用的SCADA系统主要监控牵引供电系统沿线各变电所，分区所，开闭所的设备运行状态，完成遥控，遥测，遥信，遥调，遥视，保护及调度管理，辅助完成事故分析及处理等功能。 1、电力调度的有关知识 73电力调度电气化铁道远动系统在牵引供电设备监控、故障判断处理和运行状态分析等各个方面都发挥着越来越重要

22、的作用，并为牵引供电系统调度管理提供了全新的技术手段。 电气化铁道远动系统是一种计算机控制系统。其功能是进行电力调度与所管辖的牵引变电所、闭所、分区亭及V 停设备等供电装置之间的远距离实时监测和控制。74电力调度SCADA系统的基本结构 75电力调度远动信息的传输 信道中传输的远动信息分为:上行信息下行信息远动系统信息传送方式分为：循环方式(CDT) 查询(Polling) 分类76电力调度SCADA系统的类型 信道结构分 传送信号是利用有线信道还是无线信道可分为有线和无线远动系统 被控端结构分 常规远动系统，综自远动系统 调度端结构分 可分为单机系统，双机系统，网络化系统 77电力调度遥控

23、遥调 遥测 遥信 遥控是从调度所发出命令以实现远方操作和切换 遥调是指调度所直接对被控站某些设备的工作状态和参数的调整 遥测是将被控站的某些运行参数传送给调度所 遥信是将被控站的设备状态信号远距离传给调度所 78远动系统基本构成（主站） 79电力调度80 综合调度 随着高速铁路的发展，其业务的复杂性、多样性和实时性急骤增长，传统的调度指挥手段和单一的自动化系统在运输指挥中已是杯水车薪，高速铁路综合调度系统应运而生。高速铁路综合调度系统是涉及运输组织、机车车辆、通信信号、供电、安全监控、维护救援等多学科的系统工程，由综合调度中心、车站综合信息系统及基层网设备构成。 81 综合调度 综合调度系统的

24、体系结构如图所示。由上层管理机关、综合调度中心、基层站段及现场设备四层组成，其核心是综合调度中心和基层站段。 82 综合调度 综合调度系统以列车运行调度系统为核心，综合行车、机务、工务、电力、电务、旅客向导、维修检测、安全监控等为一体 。83 综合调度系统网络结构及功能综合调度中心运输计划管理 培训 四电合一SCADA系统 安全监控 综合维护与救援 电力调度 旅客服务 动车组调度 列车运行调度 84 综合调度运输计划子系统主要功能(1)制订整个系统的列车运行计划、动车组运用计划、乘务员运用计划等与运输有关的基本计划。(2)变更计划及实施计划的制订与下达。(3)对实际运输的有关资料进行统计。85

25、 综合调度列车运行调度子系统主要功能(1)依据运输计划管理子系统制定的列车运行实施计划，组织实施列车运行；(2)根据行车计划控制高速线上每一列车的运行，实时监督、记录、统计每一列车的运行状况；(3)通过专线及时向车站和列车传送各种行车数据和指令；(4)在出现异常状况时能自动发出调整行车计划和纠正不正常情况的安全措施命令；(5)作业数据管理、维修间隔的指定以及下达列车安全可靠运行所需的其他指令。 86 综合调度动车组调度子系统主要功能(1)对高速动车组及中速列车的分配、运用、台帐及故障修理进行管理；(2)对动车段(所)进行管理；(3)根据列车运行情况发送改变动车组运用、乘务人员行程变量指令；(4

26、)监视动车组运行状况，提出更换和修改指令；(5)对动车组和乘务人员运用计划和动车组的日常检查进行管理。87 综合调度旅客服务子系统主要功能(1)及时、全面地掌握客流、客票、列车运行及早晚点信息；(2)及时准确地在列车上、站台、进出站口、售票厅、候车室以及INTERNET、寻呼台等各种旅客可接触到的地方以自动广播和屏幕显示的形式向旅客和客运人员报告；(3)提供电脑查询、客票自动预售、时钟显示以及列车上旅客信息服务。88 综合调度电力调度子系统主要功能(1)负责牵引供电系统和设备供电系统的监视、控制、监测及管理；(2)根据列车开行计划为之提供电力；(3)根据计划安排供电的维修管理；(4)实时监视各

27、牵引变电所及供电线路的工作状况以及调整电力系统运行情况，以保证列车正常运行所需的稳定电力供应；(5)设备异常情况和灾害事故情况时提出适当的指示并迅速恢复供电；(6)对供电线路、设备、设施的日常检查进行安排和管理。89 综合调度综合维护与救援子系统主要功能(1)对全线线路状况进行监测及管理；(2)管理线路的日常维护及保养；(3)安排施工、工务设施检修；(4)故障履历管理，维护计划管理；(5)集中对全线的信号及相关的控制设备状态进行监测；(6)通过各专业机房环境监测系统及时掌握电务设备及其工作环境的状态，合理安排维修，保障系统正常运转。90 综合调度安全监控子系统主要功能(1)根据现场安装的各种监

28、测设备监视危及行车安全的自然灾害(风、雪、洪水、降水、地震)、突发事故、侵入物、长大隧道、轨温、路堤滑移沉降、牵引供电的状态；(2)形成对各种灾害的预防预警和避免系统；(3)掌握沿线气象资料，监视沿线气象，实报和预报信息。91 综合调度培训子系统主要功能(1)模拟综合调度系统及其子系统的功能及操作步骤；(2)培训综合调度系统的各专业调度人员和维护人员。92 综合调度 四电合一SCADA系统 所谓四电合一就是牵引供电系统、电力配电系统、行车信号电源系统、通信电源负荷系统的运行状态上送SCADA系统调度中心统一进行监测管理，我们称之为四电合一SCADA系统，其调度中心称为综合电力调度。93哈大线电气化铁道远动系统主要设备网络连接图94 哈大铁路为中国铁路网中一条重要干线，贯穿哈尔滨，长春、沈阳、大连四大枢纽，始建于1998年，为双线铁路，线路全长946.5公里。在东北乃至全国铁路运输中具有十分重要的地位。国家计委于1990于12月31日批准对哈大铁路进行电气化技术改造。2001年8月18日开通沈阳至哈尔滨段，11月30日开通沈阳至大连段，既全线开通运行。哈大铁路运营管理95(1)全线采用22027。 (2)采用带回流线上下行全并联直接供电方式。 (3)牵引变电所在馈线出口同方向上下行供电臂共用1台断路器。(4)采用了以接触网柱上隔离开关替代目前我国电气化铁路双线区段分区所和枢