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电力牵引供变电技术第一节电力牵引特点及发展概况一、电力牵引1、什么是电力牵引利用电能为动力的一种轨道运输牵引动力形式。它以电力系统或发电厂为电源，通过牵引变电所从电力系统受电，经降压、变频或交流，由接触网向电力机车、动车组供电。电力机车或动车的牵引电动机将电能转换为机械能，驱动铁路列车、电动车组和城市轨道交通电动车辆组运行。主要由电源、牵引变电所、接触网（接触轨）、轨道回路和电力机车、动车组等环节构成的系统以实现电力牵引，见下图。电力牵引各主要组成环节构成图电力牵引按照向电力机车、动车组供电的电流性质不同，分为工业标准频率（50Hz或60Hz）单相交流制，简称工频单相交流制，是20kV，25kV，低于工业标准频率的低频（一般为162/3Hz）单相交流制，电压为110kV，15kV和直流制，电压为600，750，1500，3000V等4种类型（该分类不适用于磁浮铁路）。按照应用领域，则区分为干线线路电力牵引、工矿运输电力牵引、城市轨道交通电力牵引（地下铁道与轻轨交通）和城市有轨电车等。各种电流制的电力牵引供电系统和电力机车、动车的设备有较大差别。2、电力牵引的技术经济特性电力牵引相对于内燃机为动力的内燃牵引（内燃机车、城市公交汽车）和蒸汽机为动力的蒸汽机车牵引，具有下述一系列优点：①电力牵引为非自给式牵引动力。机车本身不带燃料和原动机。由大容量电力系统供电，机车或动车总功率大且自身重量相对较轻，具有起动和加速快、过载能力强、牵引力特特点，能满足铁路和城市现代交通运输对高速、快速、重载和大运输能力的需要。2、电力牵引的技术经济特性②电力牵引的总功效（作功效率）最高，可显著节省能源降低运营成本。由于电能在发电厂（站）集中生产，采用高温、高压、大功率机组的火力发电厂构成的电力系统供电，电力牵引的总功效为27%～28%；由水力发电站构成的电力系统供电时，电力牵引的总功效可达57%～58%。而内燃牵引和蒸汽机车牵引的总功效，分别为22%和6%，公交汽车运输的总功效与内燃牵引相当或稍低，且都要使用优质燃料（柴、汽油和优质煤）。据统计，铁路电力牵引的平均单位消耗（标准燃料·公斤/万吨·公里），比内燃牵引和蒸汽机车牵引分别低13.0%和67%，因而，电力牵引的运营成本较低。2、电力牵引的技术经济特性③电力牵引列车和车辆噪声小，不排出废气和有害气体，有利于环境保护。城市轨道交通电力牵引采用地下建筑或高架结构，运输快捷、灵活、安全。可消除城市交通阻塞状况、改善生活空间。④电力牵引各主要组成环节均为独立电气系统，且又连成整体，它们与电子技术和计算机控制手段相结合，易于实现全面自动化和信息化，为铁路和城市交通的技术进步、劳动生产率的极大提高，提供了广阔的发展前景。2、电力牵引的技术经济特性电力牵引存在的缺陷，主要是增加了供电系统装置，使其一次投资费用按其他牵引动力形式要高些。另外，交流制整流器电力机车和动车产生高次谐波和负序电流，对电力系统的安全、经济运行有一定影响；谐波的存在和高压接触网及其回流网络的不对称，对沿线平行接近的电信线路将产生干扰电压，影响通信质量和人身安全；直流电力机车和动车负荷在回流时存在迷散电流，对地下金属管道和地下建筑物形成腐蚀作用，都需采取有效措施进行防护和限制。3、电力牵引在铁路和城市交通现代化中的地位和作用20世纪50年代，由于二次世界大战后百废俱兴，在世界范围掀起了铁路牵引动力技术改革的浪潮，电力牵引首先在欧洲、前苏联、日本等一些国家开始广泛采用。由于电力牵引的技术经济综合优势十分明显，加以70年代出现了世界性石油危机，愈益促进了它的发展。至80年代末，上述主要国家都达到以占本国铁路总里程1/4～1/3左右的电气化铁路，承担其2/5～3/4的客货运输总周转量。3、电力牵引在铁路和城市交通现代化中的地位和作用在此期间，轴功率1000kW以上的大功率、高速、高性能的交流一直流一交流传动电力机车和晶闸管整流器电力机车，相继研制成功投入商业运营，推动了高速铁路和重载运输电力牵引的发展增强了铁路运输与航空、公路运输的竞争能力。许多国家的铁路运营实践表明，牵引动力电气化已成为铁路技术改革的方向，是实现铁路现代化的重要步骤。3、电力牵引在铁路和城市交通现代化中的地位和作用中国铁路牵引动力电气化起步于20世纪50年代末，当即确定采用先进的25kV单相工频交流电流制。截止到2002年底，电气化铁路通车里程达183000km，占铁路总通车里程的25.6%，承担铁路客货运输总周转量的比重超过30%。按照中国地广人多，地貌复杂，能源结构以煤、电力为主和铁路在整个交通运输系统中的重要地位，铁路运能尚不能适应运量增长的需要等具体情况，在20世纪80年代后期，中国确定了铁路牵引动力改革的方针是：大力发展电力牵引，合理发展内燃牵引，提高电力牵引承担换算周转量的比重。从而促进了对主要繁忙干线、煤运专线、长大坡道与长隧道线路和计划中的高速铁路实现电力牵引的进程。使中国铁路的技术装备和主要运输技术指标（速度、列车重量和密度）产生了较大变化。城市地下铁道（简称地铁）是最早采用直流制电力牵引的领域，原先主要集中在若干发达国家的少数城市。20世纪50年代以来，由于各国大城市人口密集加剧和城市功能日益增强，为缓解地面交通阻塞、乘车困难和城市环境恶化等问题，世界上有30多个国家和地区的70多座城市共修建了近4000km的地下铁道，且发展势头未减。一些国家将大运量的地铁作为大城市的重要交通工具和战时的人防工程而给予度高度重视。但地铁的造价高昂、金属耗费量大，在一定条件下制约了它的发展。直到20世纪70年代，出现了中等运量（约为地铁运量的1/3～1/2，大于有轨电车运量）的快速轻轨交通，它是一种利用先进信号、高度集中和电动车辆的现代化电力牵引运输系统，一般采用高架结构，又可在地下隧道或地面行驶，具有速度快、造价低（仅为地铁单位造价的1/2～1/3），无污染、运营灵活、省能耗和效率高特点，在一些国家大、中城市得到采用，被认为是有发展前途的一种城市有轨交通工具。中国仅有少数特大城市（北京、上海、天津、香港和广州）已经修建了地下铁道，在城市交通系统中发挥了重要作用。并有一批大城市正计划兴建地铁和轻轨交通，且发展潜力巨大。个别城市仍保留部分有轨电车运输，经改造后继续运营。据有关研究表明，随着人们对环保、运输安全和高效率的日益重视，今后地铁和轻轨交通将作为现代大城市交通发展的最佳选择和主要方式。再者协调配合，各得其所，再辅以其他交通工具，以满足现代化大城开城市交通多方面的需要。4、电力牵引的发展简史电力牵引最早始于19世纪90年代，1890年英国伦敦首先在5.6km的地下铁道实现直流制（630V）电力牵引商业运营。随后1985年，美国巴尔的摩铁路一个隧道区段采用直流制（675V）干线电力机车牵引，以后直流制长期被各国推广应用。目前在俄、日、英、法等国铁路，直流电力牵引制仍大量存在。直流制需将电网交流电经牵引变电所降压、换流为直流电压，向接触网供电。因电力机车采用直流牵引电动机有良好的调速特性而得到广泛发展。4、电力牵引的发展简史20世纪初，工频三相交流制和低频（162/3Hz）单相交流制电力牵引在欧洲相继出现。前者由于接触网与受流结构十分复杂，运行维护困难而被淘汰。低频单相交流制接触网电压一般为15kV，经机车上降压后，采用单相整流子牵引电动机驱动，因为在低频（162/3Hz）时这种电动机的换向条件较工频（50Hz～60Hz）时更为有利。低频单相交流制牵引需由低频专用电源供电，或在牵引变电所采用变频机组（以后用静止变频器）将电力系统输送的工频电力转换为低频电力，其设备比直流制复杂并增大了投资。但它具有交流供电制的优点和较好的牵引电动机调速性能，所以至今仍为欧洲一些国家采用。4、电力牵引的发展简史单相工频交流供电制的应用，源于20世纪30年代匈牙利建成的一段电气化铁路，由单相16kV接触网供电，在机车上通过旋转式劈相机转换为三相电，采用三相感应式牵引电动机驱动，由于机车结构复杂及其技术经济指标差，而未能得到推广。经过德、法等国不断研究试验，直到50年代中期，法国首先在单相工频25kV电压供电的电力机车上采用静止型引燃管整流器和直流（脉动电流）牵引电动机获得成功，工频单相交流制电力牵引才在各国推广运用。4、电力牵引的发展简史原来采用直流制的日本、前苏联、英国、印度等国也相继采用工频单相交流制。这种交流制接触网标准电压为25kV，接触网结构进一步简化，牵引变所间距扩大为30km～90km。60年代以来，电力机车和动车普遍采用晶间管整流器，70年代末，采用感应电动机驱动的交流一直流一交流电力机车问世，使机车技术性能进一步提高。电力电子技术的进步，是工频单相交流制电力牵引获得广泛应用的一个重要因素。目前，世界上采用工频单相交流制电力牵引的干线铁路里程已超过直流制电力牵引的里程。第一节电力牵引特点及发展概况二、电气化铁路发展概况1、什么是电气化铁路用电力机车作为牵引动力的铁路。又称电气化铁道（electricrailway）。在电气化铁道上，运行电气列车（由电力机车牵引的列车和电动车组），在铁路沿线设有向电力机车和电动车（以下简称电力机车动车）供电的电力牵引供电系统（参见电力牵引供电系统）。2、世界上电气化铁路的发展1879年5月，世界上第一条电气化铁路在柏林建成。电气化铁路在应用范围上经历了城市有轨电车线、城市及市郊铁路（含地铁）、干线铁路等由旅客运输到客、货运输的发展阶段；在供电制式上出现了直流（1.5kV以下,1.5kV，3kV等）、单相（及三相）低频交流（60Hz2/3Hz，1Kv；25Hz，11kV～13Kv）、单相工频交流（60Hz或50Hz，20kV，25kV，50kV等）多种电流制的电气化铁路。2、世界上电气化铁路的发展20世纪50年代，欧洲各国以及日本二战后经济复苏，开始大力进行运输繁忙干线电气化改造。其主要目的是扩大运输能力，提高行车速度，特别是提高旅客列车速度，改善客运服务质量，同时降低运输成本、成约能源、保护环境。为提高行车速度，当时线路平纵断面、轨道结构、通信信号的改造，通常是伴随电气化工程进行的。改造后，电气旅客列车的最高时速可达160km左右，有少数列车在少数区段上最高时速可达200km。2、世界上电气化铁路的发展发达国家在60年代末和70年代初，就基本上完成了客货运输繁忙的主要干线的电气化改造，实现了以占全国铁路营业里程1/3左右的电气化线路承担全国铁路2/3以上的客货运输工作量（以总重吨公里计，以下简称运量）。2、世界上电气化铁路的发展90年代，发达国家的铁路已经进入主要靠电力牵引完成运输过程的阶段，也即铁路电化率超过40%，完成铁路运量在80%以上。近30年来，日本和欧洲还将重点转向兴建最高时速250km～300km的电气化高速铁路网。2、世界上电气化铁路的发展据1998年统计，在全世界50多个国家和地区，电气化铁路总里程约有22万km，占世界铁路总营业里程80万km的72.5%。其中，西欧有电气铁路8.1万km，铁路平均电化率为51%，电气化铁路承担西欧铁路总运量的90%左右。在世界电气化铁路中，最高时速250km～300km的新建电气化高速铁路有4300km；若包括最高时速200km的线路，高速铁路总里程超过1.5万km。3、中国电气化铁路的发展中国第一条电气化铁路宝（鸡）成（都）铁路宝凤（州）段（长9lkm），于1961年8月I5日建成通车。宝凤段电气化一开始选用了先进的单相工频交流25kV电流制，为以后电气化铁路的发展创造了良好的条件。1975年7月1日，宝成铁路实现全线667km电气化。中国铁路电气化事业经过曲折、徘徊的发展历程，至改革开放以后，才加快发展步伐。从20世纪80年代到现在，平均每年有500多km电气化线路投入运营，电气化除作为加强运煤通路和西南山区通路的主要手段外，逐步向陇海线、京广线等客货运输都很繁忙的大干线发展。3、中国电气化铁路的发展电气化铁路通过建设和运营实践、科研开发、技术引进与消