电气化铁路发展史课件

2004铁道部高级专业技术人员培训讲座之一（1）

电铁发展1电力牵引的早期发展历史2我国及世界电气化铁路概况3法国TGV与德国ICE北京交大电气学院吴命利1电力牵引早期发展历史

EarlyDevelopmentHistoryofElectrictraction1.1Socialdemand1.2Earlyexperiments1.3InventionofDCdynamoandmotor1.4Emergenceofelectricrailway1.5EarlydevelopmentsofelectricrailwayEditedbyWuMingli2003.101.1SocialDemand(1)Thescientificwonderoftodayisthecommonplaceoftomorrow.Thisiscertainlytrueofelectricity‘sapplicationtoourmodernneeds.Thelittleelectricmodelsconstructedbyearlyinventorshavedevelopedintotheelectricexpresses(快车)andgiantelectricfreightengines,inusethroughouttheworldatthepresenttime.(2)Theelectriclocomotiveandelectricmotorcoach(电动客车)mayberegardedasnaturaldevelopmentsthathavefollowedsteamtraction.Theiremergenceistheresultofsocialdemandontherapidtrainservicesforthenewbuilt-upsuburbanareasspreadinginalldirectionsroundlargecities.1.2EarlyExperimentsThefirstexperimentalelectricrailwayintheworldisattributedtoThomasDavenport,ablacksmithofVermont,U.S.A.,whoexhibitedasmallrailwayoperatedbyaminiatureelectricmotorin1835.利用电磁铁制作了往复式电动机，驱动车辆在轨道上行使，供游人参观。(2)AScotsman(苏格兰人)namedRobertDavidsonbuiltin1838anelectriclocomotivethatattainedaspeedoffourmilesanhour.(3)InEnglandapatentwasgrantedin1840fortheuseofrailsasconductorsofelectriccurrent,andsimilarAmericanpatentswereissuedtoLilleyandColtenin1847.(4)In1847,also,ProfessorFarmeroperatedanelectriccarcarryingtwopassengersatDover,NewHampshire.Betweenthatyearand1858numerousexperimentswerecarriedoutinvariouspartsoftheworld,inwhichsmallrail-androad-carswereoperatedbymeansofelectricstoragebatteries.(5)1850年，美国的霍尔利用地面上的电池作电源驱动车辆运行。(6)ItwasonApril29,1851,thatasmallroad-car,builtbyProfessorPageoftheSmithsonianInstitute,attainedaspeedofnineteenmilesanhournearWashington-totheutterdestructionofthebatteries.1.3InventionofDCDynamoandMotor(1)In1858Pacinotteinventedthecontinuouscurrentdynamo.Thisinventionwasfollowedbythedevelopmentofself-energizingfieldmagnetsbythreeEnglishmen-Wheatstone,Varley,andLadd,bytheGermanengineerSiemens,andalsobytheAmericaninventor,ProfessorFarmer.1861年Siemens制作了直流发电机。(2)Thisgroupofmen,workingquiteindependently,achievedthesameresultalmostsimultaneouslyintheyears1866-7.ThreeyearslateraFrenchscientist,Gramme,producedthefirstpracticaldirectcurrentdynamo,withself-excitingfieldmagnetsandanarmaturewoundwithwireintheformofacontinuousring.LatertheringtypeofarmaturegaveplacetothedrumarmaturesdesignedbyVanAlteneckandProfessorRowland.(3)

1866年Siemens制作了直流电动机。1.4EmergenceofElectricRailway(1)Betweentheyears1867and1879thedevelopmentofthedynamoandmotorwentonapace(飞快地),butnoexperimentalattemptsappeartohavebeenmadetoapplyelectrictractiontorailways,exceptforasmallbatterylocomotiveintheU.S.A.in1875.(2)AttheBerlinExhibitionof1879some600yardsoftrackwerelaid,onwhichalittlethree-horse-powerelectricengine,designedbyWernervonSiemens,hauledaloadofsomethirtypassengersataspeedoffourmilesanhour.Currentwassuppliedbyathirdraillaidbetweenthetrackrails.轨距1m，电力机车重954kg，安装由约2.2kW串激式2极直流电动机，由150V外部直流电源经敷设在线路中间的第三轨供电，两走行轨回流。它牵引了三辆敞开式“客车”，每辆可坐6人，最大时速可达13km。4个月的展览期间共运送8万多乘客。THESIEMENSELECTRICRAILWAYlaiddownattheBerlinExhibitionof1879.Theshortlinewasabout600yardslong,andcurrentwasdrawnfromathirdrailbetweenthetrackwhichactedasthereturntothedynamo.Thelocomotivehauledamaximumofsomethirtypassengersataspeedofaboutfourmilesanhour.Thishistoricillustrationshowsoneoftheearliesttrainloadsofpassengers,seateduponthreecarriages.THETHREE-HORSEPOWERelectriclocomotivebuiltbyWernervonSiemensfortheBerlinExhibitionof1879.Theengine,whichcreatedagreatsensation(轰动)initsday,wasmountedonatruck(转向架)withthedrivetotheaxlethroughspurgearing(正齿轮).

(3)Siemens‘demonstrationledtootherexhibitionsatBrussels,Düsseldorf,andFrankfurt.SiemensandHalskethenbuiltalinetoLiehterfelde,nearBerlin,oneandahalfmileslong（柏林近郊的利希特菲尔德车站至军事学院之间，长2.45km).Thisline,whichwasopenedfortrafficwithoneelectriccarin1881wasthefirstpublicelectricrailwayintheworld.Themotorwascarriedonaframebelowthebodyofthecarbetweentheaxles.Powerwastransmittedfromthearmatureofthemotortodrumsonthedrivingaxlesbymeansofsteelcables.Thecarcarriedtwenty-sixpassengers,andranatthirtymilesanhouronacurrentsupplyof100volts.(4)同年，法国巴黎国际电工展览会上展出了一条长500m用两条架空线授电的电车线路。1.5EarlyDevelopmentsofElectricRailway(1)IntheBritishIsles,theBrightonElectricRailwaybegantooperateinAugust,1883.TwoyearslateranelectriclinewasopenedinIrelandbetweenBessbrookandNewry.AnotherearlyelectricrailwaywasthatbetweenPortrushandtheGiant'sCauseway,inNorthernIreland.(2)1885年，英国在伦敦修建了第一条用架空线供电的电车线路，作为市内交通工具。(3)RailwayengineersintheUnitedStateswerequicktoappreciatetheadvantagesofferedbyelectricity.ManyAmericancitiesadoptedthenewformoftransport.Atfirstelectrictractionwasconfinedmainlytotramwaywork,butin1883thefirstelectriclocomotiveforuseonstandardgaugerailwaysmadeitsappearanceontheMountMacgregorandLakeGeorgeRailroadintheStateofNewYork.ThiselectriclocomotivewasdesignedbyMr.L.Daft.In1885Mr.DaftbuiltanelectricenginethatranforseveralweeksonNewYork‘selevatedrailway(高架铁路),afterwhichitwasrebuilt.Theenginewasagaininservicein1888.(4)InGreatBritaintheopeningoftheCityandSouthLondon"Tube"railway,in1890,markedanepochinthedevelopmentofelectrictractionandhadfar-reachingconsequencesthroughouttheworld.Thislinenotonlygaveanimpetustotheuseofelectricityforrailwaywork,butwasalsotheforerunnerofLondon‘sUndergroundrailways,nowthelargestsystemsofitskind.1890年伦敦地铁改用电力牵引，采用DC600V，由第三轨供电。Thelinewasreconstructedbetween1922and1924,withstandardtunnels,of11ft.8¼in.diameter.Thecastirontubesoftheoriginallinewereofonly10ft.2in.diameter.TheCityandSouthLondon“Tube”RailwayTHECITYANDSOUTHLONDONTUBERAILWAYwasopened

in1890,andmarkedtheprogressofelectrictraction.Thislinewasreconstructedbetween1922and1924.Thetubeoftheoriginallinehada10ft.2in.diametercomparedtothe11ft.8¼in.diameterofto-day.TheCityandSouthLondonwasthefirstTuberailwayintheworld.

ELECTRICLOCOMOTIVENo.1ontheCityandSouthLondonRailway.Theenginehadfourwheelsandweighedabout12tons,itwas14ft.long,6ft8½in.wide,and8ft.6in.inheight.Eachaxlewasdrivenbyanindependentmotor.Thesemotorseachdeveloped50h.p.,givingatractiveeffortof3,000lb.THEUNDERCARRIAGEofelectriclocomotiveNo.1.Thearmatures-seeninthephotographabove-werebuiltdirectlyontheaxles.Thefieldmagnetssurroundingthearmaturesweresupportedbybracketsbearingontheaxles,andbylinksconnectingtheyokestoacrossbeamofthelocomotiveframe.

Otherlinesandfurtherdevelopments(5)In1893theLiverpoolOverheadRailwaywasopened,andthis,fromitsbeginning,wasoperatedbyelectricity.Theemploymentofsteamlocomotiveswasprecluded(杜绝)owingtotheproximityofthelinetothedocks.(6)1893年，瑞典在斯德哥尔摩以北11km区段修建了采用DC500V的电气化铁路(7)TwoimportantUnitedStateslines-theNewYork,NewHaventoHartford,andtheBaltimoretoOhio-openedsectionsforelectrictransportin1894and1895respectively.(后者为长5.6km的隧道区段，采用DC675V）(8)1895年，日本在东京的下京区修建了6.7km采用DC500V的电气化铁路。(9)InSwitzerlandtheBurgdorf-ThunRailway-twenty-fivemileslong-wasopenedforelectrictrafficin1896.(10)1898年，德国在塔什特至埃格里堡修建了三相交流电气化铁路。(11)1902年意大利在瓦尔切里纳线上修建了三相交流电气化铁路。(12)Rapidstrides(阔步，进展)weretakeninelectrificationduringthefollowingyears.Between1901and1906manylinesinAmerica,England,GermanyandItalywerebuiltforelectrictraction.(13)Thebeginningofthetwentiethcenturysawgreatdevelopmentsinelectrictractionthroughouttheworld2电气化铁路概况2.1我国铁路发展简史2.2我国电气化铁路的发展2.3世界电气化铁路概况2.4电气化铁路供电制式2.5电力牵引在德国的发展2.1我国铁路发展简史（1）中国第一条铁路是1876年英商在上海至吴淞间修建的,较之世界上第一条正式营业的铁路落后了51年，后被拆除。（2）1881年清政府准许修建一条自唐山矿区至胥各庄10公里铁路,掀开了中国铁路建设的序幕，现存于大同机车厂的0号蒸汽机车用于该线路。（3）1876年至1911年,清政府时期总共建成铁路9100公里,其中,京张铁路(北京至张家口)是第一条由中国人主持修建的铁路干线。（4）1912年孙中山先生提出要修建16万公里铁路的规划。（5）从1911年至1949年,民国时期共建成铁路17100公里,连同清政府时期,中国大陆共有铁路26200公里。但由于战争破坏或其它原因被拆去3600公里,中华人民共和国成立时,中国大陆仅留下铁路22600公里。（6）在三年经济恢复时期,相继完成成渝、天兰铁路的铺轨通车任务。接着又动工新建兰新、宝成、丰沙。至1958年,恢复旧有铁路1994公里,新建及修复第二线铁路共1337公里,全国铁路营业里程(不含地方铁路及企业专用线)增加到26708公里。（7）从1958年至1965年,新建铁路干线有包兰、兰新、兰青、干武、黔桂铁路都匀至贵阳段、京承、太焦、外福、肖甬铁路等。建成第一条宝成铁路宝鸡至凤州段91公里的电气化铁路区段。（8）“文革”期间仍建成铁路干线有贵昆、成昆、湘黔、京原、焦枝等铁路;

1976年底,全国铁路营业里程为46262公里,其中复线率为15.7%。（9）八十年代建设重点放在提高“三西”煤炭外运能力和加强沿海港口后方铁路的运输能力。在此期间,先后建成了京秦、大秦、兖石、新菏、皖赣、青藏铁路哈格段、南疆铁路吐库段等新线。增建胶济、同蒲、石德、陇海东段、京广南段、沪宁等铁路第二线,对丰沙大、石太、太焦、成渝、贵昆等铁路进行了电气化改造。到1990年末,铁路营业里程达到53378公里,复线13024公里,电气化里程6941公里。地方铁路达到4424公里。

（10）从1990年至1996年,京九、宝中、兰新复线、浙赣复线、大秦线1亿吨配套工程、侯月线、广深准高速铁路、北京西站等相继建成。全国铁路营业里程增加了7129公里,达到6.49万公里,其中包括合资铁路3043公里,地方铁路5210公里,国家铁路复线为18423公里,电气化铁路为10082公里。（1992年8月,国务院批准中央与地方合资建设铁路的政策。调动了中央和地方建设铁路的两个积极性,带来了铁路建设和运营体制上的变革,加快了铁路建设速度。至1996年,全国建成的合资铁路有三茂线、集通线、阳涉线、合九线、广梅汕线、漳泉肖线、成达线、西

一、北疆线和孝柳线等）（11）“九五”期间集中力量建设和改造了一批对国民经济全局有重要影响、在路网上起骨干作用的大能力干线,并建设部分地区性辅助通道,促进了区域经济发展。如南昆线、朔黄线、西安安康线、新荷兖石复线、水城株州复线、哈大线电气化、南疆线、邯济线、内昆线、粤海通道、芜湖长江大桥等。计划建设国家铁路新线6100公里,既有线复线2700公里,既有线电气化4300公里,地方铁路1500公里。

2.2我国电气化铁路的发展目前，我国列车牵引方式有蒸汽机车牵引（1989年停产）、内燃机车牵引和电力机车牵引三种。电力牵引具有马力大，速度快、能耗低、效率高等特点。使用电力牵引的区段，运输能力明显提高，运输成本大为降低，同时，机车性能、工作条件等较内燃机车更好，是我国铁路牵引动力今后的发展方向。自1961年8月15日建成我国第一条电气化铁路—宝凤段，到现在已经40多年了，我国的电气化铁路建设有了很大发展，

从最初全面学习苏联，到改革开放后积极引进和自主开发创新，已经基本上形成了自己的技术模式，设计手段、施工工艺及器材生产也有了很大提高，达到了一定的水平。到2001年底，

我国已建成了38条电气化铁路干(支)线，电气化铁路总里程达17422.6km，已超过日本、印度，跃居亚洲第一位、世界第四位。（2003底已经未为世界第2位）

第一条电气化铁路的诞生（1）宝成铁路宝凤段线路艰险，由宝鸡车站引出，跨过渭河后即进入陡峭的秦岭山区，沿清姜河谷盘旋于崇山峻岭之中。为了克服地势高差，以两个马蹄形和一个倒“8”字形迂回展线上升，线路重叠3层，高达817m，随后又以2,360m长的隧道穿过秦岭垭口，进入嘉陵江流域，两岸山势险峻，河谷曲折，昔日陈仓古道就在这里。（2）如采用蒸汽机车牵引列车，牵引重量小，行车速度慢，运输效率低。因此，在最初修建宝成铁路时，铁道部就决定宝鸡至凤州段采用电力机车牵引。这样，可使线路限坡由20‰提高到30‰，从而可缩短线路长度18km，减少隧道长度12km，节省工程投资6000万元，而且还缩短建设工期一年。（3）最初是按3000V直流制设计的。后来了解到法国、前苏联、日本已成功地采用了新的工频单相交流制，经过专家教授们反复论证，于1957年4月决定改用25kV工频单相交流制，这种供电制式的确定，避免了我国电气化铁路发展中的弯路，为我国电气化铁路发展打下了良好的技术基础。（4）1958年3月完成初步设计，同年6月15日开始动工兴建，于1960年5月14日胜利建成，经过一年多的试运行，1961年8月15日正式交付运营。早期建设阶段（1）60年代初期，由于经济上的困难，再加上当时人们对电气化铁路在提高运输能力、促进国民经济发展中的重要作用还认识不深，致使我国刚刚起步的电气化铁路建设停了下来。（2）到了20世纪60年代中期，为了加速大西南的建设，宝成铁路凤州至成都段的电气化工程又重新上马。1966年3月提出电气化研究报告，同年12月完成初步设计，1968年12月广元至马角坝段电气化工程开工。电气化工程是分段进行的，先修建广元至绵阳段，后修建广元至凤州段，最后修建绵阳至成都段。于1975年7月1日，676km长的宝成电气化铁路全线建成通车。在这期间还完成了宝鸡至秦岭间的三机牵引改造工程。（3）1973年9月阳安线，1975年9月襄渝线襄樊至安康段，1978年3月石太线石家庄至阳泉段，1979年10月宝兰线宝鸡至天水段也相继动工修建。建设速度逐年加快，建设规模也逐年扩大。（4）从20世纪70年代后期开始同时在几条线上进行施工，而且开始由山区铁路向运输繁忙的运煤通道发展，由单线向复线发展。到1980年底，共建成电气化铁路1679.6km（世界第21位）。（平均每年修建电气化铁路还不到100km，而且仍然以坡道大、隧道多为特点的山区铁路为主。）改革开放以后的电气化铁路建设（1）1981-1985的“六五”期间修建了电气化铁路2507.53

km（比过去20年修建的总和还多）。1985年一年内就有京秦线、成渝线内重段、贵昆线贵(阳南)水(城西)段和太焦线长(治北)月(山)段4条电气化铁路共计1169.23

km交付运营。此期间，京秦线电气化工程中首次利用外资引进了自耦变压器(AT)供电技术和微机远动系统及其成套设备。（2）1986-1990的“七五”期间，共修建了电气化铁路2787.1km。除了继续在运煤通道上进行电气化外，开始在客货运输最繁忙的陇海和京广两大干线及鹰厦线上进行。同时修建了我国第一条以运煤为主开行万吨重载单元列车的大秦双线电气化铁路。大秦线采用了一系列具有国际水平的新技术，引进了一些先进设备和组织国内一些主导厂家研制生产了一批新设备，使我国电气化铁路技术装备达到或接近20世纪80年代世界水平。（3）在“八五”期间共计2795.76km电气化铁路建成交付运营。如果加上路外煤炭自管电气化铁路——大准线丹洲营至薛家湾段216.45km，电气化铁路建设里程达3012.21km。此期间，京广线北京至郑州段、南昆线、干武线、成昆线成都至普雄段、焦枝线济源至关林段、宝成线阳平关至成都段第二线及太古岚支线电气化铁路也相继动工修建。还动工修建我国第一条时速200km的准高速铁路——广深电气化铁路。（4）在“九五”期间建成开通了焦枝线济源至关林段、干武线、包兰线兰州东至石嘴山段、京广线北京至郑州段、广深线、襄渝线达县至重庆段、湘黔线怀化至株洲段、成昆线、外福线、太古岚支线及煤炭自管铁路——大准线大同东至丹洲营段和神朔线，共计4783.77km，还建成了宝成线阳平关至成都段第二线和广深线第三线，加在一起达5317km，平均每年修建电气化铁路1063km。（5）2001年内建成开通西康线、京广线武广段、哈大线、朔黄线神池南至肃宁北段、盘西线，共计2652.4km，加上株六复线娄底至怀化段长达2808.6km。在这一年还动工修建内昆线宜宾至梅花山段和时速200km的秦沈客运专线电气化铁路（2002年通车）；在“十五”期间，除完成“九五”期间已经开工的几条线外，还将修建宝兰二线、广深四线、津沈线、浙赣线、郑徐线、胶济线、新月线、洛襄线、石怀线、武张线、沟海线等既有线电气化铁路和宁西线、渝怀线等新线电气化铁路，建设里程达9000多km。近期展望（1）预计到2010年将达到30000km。我国4条主要繁忙长大干线—京哈线、京广线、京沪线和陇海线都将全线实现电气化，6个大区—西南、西北、华北、中南、东北和华东的电气化铁路将基本联成网，我国第一条高速电气化铁路—京沪高速铁路也将全面动工兴建。（2）我国的电气化铁路在建设里程、电气化率、电气化完成铁路运量比重、电气化复线率、电气旅客列车运行速度、电气货物列车牵引重量、电气化技术标准化、电气化设备国产化、电气化运营管理现代化、电气化运行可靠性、电力机车和电动车组制造技术及电气化铁路综合运营效益等方面都将接近或赶上世界先进水平。到那时，参与过中国铁路电气化建设的策划、决策、设计、施工、管理、维修的人们，都会为此而感到自豪。2.3世界电气化铁路概况

美国和加拿大为什么铁路电气化率低？（1）美国拥有铁路257037km，为世界第一，加拿大拥有铁路84317km，为世界第三，但两个国家的电气化铁路很少，仅占全国营业里程的1.5%和0.26%。（2）两个国家铁路修建较早，均为私有，运量较小，特别什客运量很小。两国的工业发展政策是是以公路运输为主。（3）电气化铁路投资较大，回收期长，存在对现由信号、通信的干扰，影响大型双层集装箱运输。（4）技术政策的制定受财团影响，目前汽车业与航空业很发达，高速电气化铁路发展的市场空间有限。但在城市轨道交通上，两国都有自己的技术优势。2.4电气化铁路的供电制式1915年以前，主要使低压直流（DC750V及以下），直流串激电动机。1915-193011kV或15kV,低频（162/3Hz或25Hz）的单相交流，低频交流整流子电动机；

1.2kV或1.5kV的直流，直流串激电动机；个别国家采用了3.6kV的三相交流，三相异步电动机。1930-1950引入3kV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16kV工频单相交流制。1950年以后1950年法国在埃克斯.累.班—里亚罗什休尔伏龙区段试建了一条25kV工频单相交流电气化铁路；1954年日本在仙山—松岛间试建了一条20kV工频单相交流电气化铁路；1955年前苏联在奥热列利耶—巴维列兹修建了一条20kV工频单相交流电气化铁路。当前干线铁路主要供电制式（1）15kV162/3Hz低频单相交流制北欧：德国瑞士瑞典奥地利挪威（2）3kV直流制俄罗斯南非意大利波兰捷克西班牙巴西斯洛伐克比利时智利（3）25kV工频单相交流制俄罗斯中国日本印度英国南斯拉夫罗马尼亚保加利亚匈牙利芬兰乌克兰土耳其

澳大利亚

葡萄牙

巴基斯坦

南非

刚果

美国黑台地至波维尔湖的运煤专线和南非锡申至萨尔丹哈铁路上还采用了50kV工频单相交流制。低压直流制和25Hz单相交流制在干线铁路已逐渐淘汰，其中前者被广泛用于城市轨道交通和城市无轨电车。1972年日本山阳新干线引入2X25kV自耦变压器（AT)供电方式，在世界许多国家的长距离繁忙干线上获得了推广使用。电力牵引在德国的发展年DC150V,2.2kW西门子1882年DC90V,5kW（架空受电试验）1892年西门子开始三相交流牵引试验，通过两条架空线和轨道提供550V三相交流电，采用绕线转子异步牵引电动机。1898年，进一步在一台两轴车上安装了变压器，由3根架空线提供10kV、50Hz的三相交流电，并在绕线转子中串接电阻器，通过变阻实现转差调节。1900-1912试验交流单相（10Hz~25Hz)1904,1906三相交流，试验线上交流传动车辆最大时速达210km/h1906年25Hz6kV单相交流1912年三个州通过AC-tractionACT确立15kV162/3Hz1917年试验了装有异步劈相机的系统，由25Hz11kV单相接触网供电1918-1945

到1928年1500km,347辆机车，机车功率达1900kW1930年开发了Bo-BoE44机车，1500kW1935年德国修建铁路100周年1945年2200km(占总里程4%)，机车功率达3000kW1945-19901950-1970西德大力发展162/3Hz单相交流1965年试验速度200km/h1970年开发交直交机车，重回三相交流牵引1979年德国电力牵引100周年1983年确立BR120型交直交机车1970-1990出口50Hz单相交流牵引技术与设备（含中国引进的8K）1979年应用直流斩波技术双电流制机车：15kV162/3Hz单相交流，3kV直流1988-1991开发了实时仿真软件HANSI1991以后1990-1995研制ICE1(BR401)1250kW/1790V/459AAdtrabz84t140km/h4200kWF=300kNSiemens86t140km/h6400kWF=300kNICE3工作于4种制式：50Hz162/3HzDCTGV与ICETGV001

1966年，法国将航空用的燃气轮机用于铁路动车组；1969年，法国研制成功第一代ETG燃气轮动车组，最高试验速度148km/h。第二代RTG燃气轮动车组，最高速度可达260km/h。第三代燃气轮动车组—TGV001型，5辆编组，最高试验速度为318km/h。

TGV-PSE

20世纪70年代中期，受石油危机的影响，法国停