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出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页1任务1轨道交通电力网络任务目标了解供车辆用电的轨道交通电力网络的构成，电压等级的区分与作用。项目2车辆电气高电压技术出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页2任务重点在这个任务中，主要掌握从城市电网中得到后，如何形成自己的交流供电环网和站场供电网络。知识准备三相交流电、变压器技术、整流电路技术、电力识图。知识描述(1)轨道交通电力网络概述在国家电网中，电能输出到用户时，一般以10kV为输出电压等级，但对于国家一级重要负荷，如交通中的铁路供电和城市轨道交通供电，多以110kV双回路供电方式进行供电，以确保供电的可靠性。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3从图2.1中表明，在虚线1上为国家电网，以下才是轨道交通系统中的电网。由图2.1可知，35kV用于轨道交通牵引用电。10kV用于站场设备和生活用电。在城市轨道交通系统中，由于一条线路最远距离一般不超过100km，如在线路中点选择引入国家电网供电，则轨道交通电网的输送距离最长不超过50km。因此，国家电网对一条线路的供电采取双回路一个接入点的方式进行供电，这与铁路长线距离、多点供电方式有所不同。为确保供电安全，轨道交通电力网络多采用中压双回路环网供电方式。中压是以35kV电压等级形成的环网。环网的基本构成如图2.2所示。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页4图2.1电力系统和地铁供电系统示意图出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页5图2.2环路的基本构成出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页62)独立网络构架独立网络构架所提供的中压电能通过两个相互独立的中压网络路径分别分配给牵引供电系统和动力照明系统。1)混合网络构架主所提供的中压电能通过中压网络直接分配给牵引供电系统和动力照明系统。如今国内城市交通供电网络中，大多数以混合网络结构为主，图1.2就是一个中压混合网络。(2)中压网络的构成及组网结构出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页7(3)中压网络电压等级的选择一般而言，35(33)kV、20kV和10kV这3种电压等级为中压范畴。33kV和20kV为国际标准电压，国内多采用35kV和10kV。(4)直流牵引变电所直流牵引变电所的主要功能为，将其交流进线电压通过变压器降压，然后经整流器将交流电变成直流电供电动车辆的牵引电动机用。其输出电压为DC1500V。正电压接入接触网中，负电压接入钢轨中，如图2.3所示。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页8图2.3地铁牵引供电系统示意图出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页9图2.4第三轨作为供电接触网有些系统采用“第三轨”作为供电接触网，如图2.4所示。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页10思考与练习1.轨道交通电力系统中，中压环网指的什么?2.用于机车供电的接触网电压等级为多少?经牵引变电所整流后，正极和负极各接在什么地方?出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页11任务2车辆直流高压网络系统任务目标1.掌握车辆高压系统结构。2.掌握列车车辆编组。3.掌握牵引的基本理论。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页124.掌握高压设备操作的基本程序。任务重点1.在车辆DC1500V和750V电压中，主要掌握与高压网络有关的设备主要有：受电弓、高压开关(PH箱)、牵引逆变器、辅助逆变器、滤波器等。本任务是掌握车辆中DC1500V构成的电网。2.高压设备操作原则。知识准备CAD电气识图。知识描述(1)列车的组成在城市轨道交通中，列车多以4动2拖组成一列。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页13图2.5列车的组成出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页14装置(M1，2)。这种编组方式为四动二拖组合形式。(2)牵引电气系统图1)DC750V电气系统DC750V车辆电气系统图，是车辆动力电气设备的主要技术图，它详述了750V电气设备之间的连接关系。2)DC1500V电气系统(3)高压操作工作过程在图2.7中，主隔离开关、高速断路、受电弓是车辆加电操作的主要部件。其操作先后顺序为：编组代号(左起)TC1，M0，M1，M2，M3，Tc2，从编组中，可以看到这是一组对称编组形式。A车有司机室、充电机、蓄电池组(Tc1，2)。主要用于列车控制，在车体中，不设动力拖动装置。B车有受电弓、PH箱(主开关箱、车间电源箱)、线路电感器、制动电阻箱(再生制动用)、索引电机、接地装置、防震保护等(M0，3)。C车：PA箱(含牵引逆变器和辅助逆变器)、线路电感器、制动电阻箱(再生制动用)、索引电机、接地出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页15出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页16出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页17加电：先进行隔离开关3操作，把开关手柄搬到第1挡，而后进行升弓操作。当升弓完成后，再进行高速断路器合闸操作。断电：先进行高速断路器断电操作，而后进行降弓操作，再将隔离开关手柄搬到第3挡(断电接地操作)。隔离开关有3种开关状态：在1挡时(同步联动开关1.1和1.2)为正常加电状态。在2挡时为空挡。在3挡时为接地保护状态。接地操作时，禁止受电弓受电。正常工作时，主隔离开关处于1挡位置，主动力电源回路和辅助电源回路加上DC1500V。列车入库停车时，主隔离开关处于3挡位置。高速断路器处于断开状态。为了保证接触网输入的直流质量，在新的系统中加入了电抗器，以过滤掉各种交流杂波。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页18(4)车辆牵引理论简述地铁车辆在运动过程中会受各种外力的作用，影响它的运行结果。通常把所有作用在车辆上外力的合力用G表示，根据动力学原理：当G0时，车辆加速运行；当G=0时，车辆静止或匀速运行(惰行)；当G0时，车辆减速运行。作用在车辆上的诸多外力按其性质可分为3类：牵引力FK——使列车运动并可以控制的外力；车辆阻力W——在运行中产生的与列车运行方向相反的不可控制的力；制动力B——与列车运行方向相反的并使列车减速或停止的可控制的外力。这3个力作用于列车，并影响列车运行。在一般情况下不是同时存在的。在牵引工况，牵引力、阻力同时存在；在惰行工况，仅阻力存在；在制动工况，制动力、阻力同时存在。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页191)牵引力FK牵引力受两个因素影响，一是牵引装置传给轮对的转矩，它和牵引电机的速度特性和扭转特性所决定的牵引特性有关；二是动轮与钢轨的相互作用，主要是轮轨间的黏着系数以及动轮的荷重有关。当牵引电机选定后，轮轨间的黏着就变成产生牵引力的决定条件，牵引力不能大于轮轨黏着力，否则动轮就会产生空转、打滑，列车不能前进、并造成轮对踏面和钢轨面擦伤的恶果。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页20就是列车由钢轨沿列车运行方向加于动轮轮周上的切向外力的轮周牵引力，简称列车牵引力。牵引力的形成。牵引电机的转矩通过输出轴、传动装置(联轴节、齿轮箱)最后使车辆动轮获得扭矩M。假设把车辆吊起来离开钢轨，则扭矩作为内力矩，只能使车轮发生旋转运动，而不能使车辆发生平衡运动。但当车辆置于钢轨上使车轮和钢轨成为有压力的接触时，就产生车轮作用于钢轨的可以控制的力F，而F所引起的钢轨反作用于车轮的反作用力FK就是使列车发生平移运动的外力(见图2.8)。这种出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页21图2.8牵引力的形成示意图，出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页22以轮轨接触点为连续瞬时转动中心向右滚动，从而使车辆向右作平移运动。这个反作用力FK就是使机车前进的唯一外力——列车牵引力。在列车牵引工况下：电机输出轴上的扭矩通过传动装置传递到小齿轮上，设小齿轮按逆时针方向转动产生M′小齿轮驱动动轴上的大齿轮，使动轮产生顺时针方向的力矩M。而此力矩我们可用一对力偶(F，F)来代替。该力偶的力臂为R，两个作用力：F=M/R，其作用点分别在O和C点上。在轮轨接触良好无滑动的情况下；作用在C点的力F全部传给钢轨，F也就是轮对对钢轨的作用力。因钢轨不能移动，钢轨随即给轮对一个与力F大小相等，方向相反的反作用力FK。使车轮出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页23图2.92)粘着定律当力F增大，反作用力FK同样随之增大，这时动轮上的C点与钢轨上的C点无相对滑动，即VC=0。车轮与钢轨间的粘着力F粘的极限值接近于轮轨间的静摩擦力，即：F粘max=1000ψmaxG式中F粘max——由轮轨间的粘着条件决定的粘着力；ψmax——轮轨间最大物理粘着系数(接近静摩擦系数)；G——动轮荷重。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页24当主控制手柄向前推时，使动轮作用力F逐渐增大，则钢轨反作用力FK增大，从FK1→FK2这时因轮轨间无相对滑动，车轮仍正常向前滚动。当F增大超过粘着力的极限值F粘max时，轮轨间的粘着被破坏，动轮因无足够的水平支承力，就不能在钢轨上滚动，而开始在钢轨上滑动，造成动轮空转，这时，钢轨对车轮的反作用力FK(牵引力)也因由静摩擦力变为动摩擦力而急剧下降。随着轮轨间相对滑动速度的增加，动摩擦系数越来越小，粘着力的下降更为严重。结果动轮以轴为中心加速空转，车轮空转易造成传动装置和走行部的损坏，并使轨与轮接触面擦伤。所以在运行中必须尽量避免。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页25综上所述，列车牵引力最大值在任何时候都不得超过车辆各动轮与钢轨间粘着力的最大值的总和。这一原理称为粘着定律，用下式表示：式中出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页263)粘着系数物理粘着系数ψ是一个由多种因素决定的变量。它在一定的范围内变化。当车轮在钢轨上滚动时，ψmax接近于静摩擦系数。ψmax与轮荷重、线路刚度、传动装置及走行部结构、车轮与钢轨的材质及表面状态、车速等各因素有关。例如，在钢轨上撒上一层细石英砂，ψmax高达0.6；一般钢轨ψmax在0.3～0.5变化。轨面有一层薄油膜，ψ下降，甚至可小到0.15以下。广州地铁的计算用牵引粘着系数是：0.165。轮荷重不同，轮轨接触面的变形也不同，ψmax变化。ψmax作为物理值具有随机性，变化范围很大，且影响因素较多，所以很难准确计算，一般都是经验试验数据，由经验公式计算求得的粘着系数称为计算粘着系数，用ψ计表示。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页27欧洲铁路我国机车以V=80km/h代入，得到ψ计1=0.22，ψ计2=0.25。计算粘着系数在正常条件下不需要撒砂就能实现，在恶劣条件下，通过撒砂也能基本实现。在曲线半径R=300～600的曲线上，ψ计下降。用公式ψR=ψ计(0.67+0.00055R)。例：在R=300时，ψR=0.184。随着电力牵引的发展，牵引力和制动力都逐渐增大，轮轨间的粘着已成为限制增大牵引力和制动力的关键问题。提高粘着系数的措施：减少轴重转移；减少簧下质量；轮对在构架内的定位刚度不过大；撒砂；牵引电动机无级控制；对轨面进行化学处理。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页28广州地铁采用电动机无级控制，使牵引电动机负载能自动地随粘着的变化进行调整。4)影响牵引力的主要因素影响牵引力的主要因素如下：①牵引装置传给轮对的转矩，它和牵引电机的速度特性V=f(I)和扭矩特性M=f(I)所决定的牵引特性F=f(V)有关。②动轮与钢轨的互相作用，主要是轮轨间的粘着系数ψ以及动轮的荷重有关。当牵引电机选定后，轮轨间的粘着就变成产生牵引力的决定条件，牵引力不能大于轮轨粘着力，否则动轮就会产生空转、打滑，列车不能前进，并造成轮对踏面和钢轨面擦伤的恶果。出版社理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页29实际上，当列