電氣化鐵道概論

電氣化鐵路概述目錄Ⅰ、電氣化鐵路概述Ⅱ、電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)原理Ⅲ、牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷特性Ⅳ、電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響及對(duì)策Ⅴ、對(duì)電力系統(tǒng)供電方案的建議Ⅵ、接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

Ⅰ、電氣化鐵路概述

一、電氣化鐵路發(fā)展歷史

1825年英國(guó)人修建了世界上第一條鐵路，開(kāi)創(chuàng)了人類軌道交通新紀(jì)元。我國(guó)于1881年修建第一條鐵路——唐山至胥各莊煤礦鐵路，1909年由詹天佑工程師主持的我國(guó)第一條自主設(shè)計(jì)修建的鐵路——京張鐵路通車(chē)，拉開(kāi)了我國(guó)鐵路發(fā)展的序幕。最早的蒸汽機(jī)車(chē)照片

1879年，在柏林的世博會(huì)上，西門(mén)子和哈爾斯克制作展出了約550m的電氣化鐵路，人類第一次采用電力來(lái)牽引列車(chē)。西門(mén)子和哈爾斯克制作的電氣化鐵路實(shí)驗(yàn)照片

1881年5月，德國(guó)在柏林近郊的利希特菲爾德修建的一條長(zhǎng)2.45km的電氣化鐵路投入運(yùn)行，這是世界上第一條商業(yè)運(yùn)行的電氣化鐵路，開(kāi)啟了鐵路電力牽引的新時(shí)代。20世紀(jì)初期，電氣化鐵路在世界各地得到迅速發(fā)展。二、電氣化鐵路供電制式早期電氣化鐵路主要采用直流750V、1500V供電制式，上世紀(jì)30年代后開(kāi)始采用直流3000V供電制式。

1950年法國(guó)在?？怂?累.班—里亞羅什休爾伏龍區(qū)段試建的25kV工頻單相交流電氣化鐵路成功，25kV工頻單相交流制在世界廣泛推廣，我國(guó)電氣化鐵路全部采用25kV工頻單相交流制。目前世界電氣化鐵路主要有以下3種供電制式：（一）1.5kV、3kV直流制（二）15kV162/3Hz低頻單相交流制（三）25kV工頻單相交流制三、世界電氣化鐵路概況電氣化鐵路牽引動(dòng)力大，能源利用率高，并能夠綜合利用能源，對(duì)環(huán)境污染小，具有其他牽引動(dòng)力無(wú)可比擬的優(yōu)越性。采用電力牽引，減輕鐵路運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展，是鐵路牽引動(dòng)力的發(fā)展方向。在石油資源逐漸枯竭，環(huán)保呼聲日益高漲的今天，發(fā)展電力牽引具有十分重要的意義。到2000年底，全世界電氣化鐵路總里程已達(dá)262179km，占世界鐵路總營(yíng)業(yè)里程1208843km的21.7%，承擔(dān)世界鐵路總運(yùn)量的50%以上。歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家電氣化率約在50%，承擔(dān)的運(yùn)量比重在80%以上。世界主要國(guó)家電氣化鐵路統(tǒng)計(jì)表

序號(hào)國(guó)家鐵路總里程電氣化里程供電制式1俄羅斯8.84.125kV工頻單相交流、直流2德國(guó)4.72.115kV162/3Hz單相交流3中國(guó)7.52.025kV工頻單相交流4日本2.81.720kV、25kV工頻單相交流、直流5法國(guó)3.41.525kV工頻單相交流、直流6印度6.41.425kV工頻單相交流7南非2.41.225kV工頻單相交流、直流8波蘭2.51.23kV直流9意大利2.01.125kV工頻單相交流、直流單位：萬(wàn)公里

世界第一條高速電氣化鐵路——日本東海道新干線（東京－新大阪）于1964年10月建成通車(chē)，最高時(shí)速210km/h，開(kāi)創(chuàng)了高速鐵路的先河。隨著1983年9月，法國(guó)東南高速線（巴黎－里昂）建成通車(chē)，掀起了世界高速鐵路建設(shè)的高潮。隨后德國(guó)、西班牙等國(guó)家也開(kāi)始大力發(fā)展高速鐵路，到目前為止全世界已建成高速鐵路約6050km。德國(guó)1964年開(kāi)始，新干線總長(zhǎng)度達(dá)1835公里，高速列車(chē)客運(yùn)量為世界之最。高速鐵路是指由新一代列車(chē)提供的時(shí)速在200～350km甚至更高的鐵路快速運(yùn)營(yíng)服務(wù)。法國(guó)日本1983年開(kāi)通第一條現(xiàn)代化高速鐵路，高速列車(chē)TGV運(yùn)行速度為300～350km/h，最高試驗(yàn)速度為515.3km/h1985年開(kāi)始研究ICE高速列車(chē)，1991年投入運(yùn)營(yíng),有高速鐵路700多公里，高速列車(chē)最高運(yùn)行速度達(dá)330km/h世界高速鐵路的已投入運(yùn)營(yíng)里程(2005年)四、我國(guó)電氣化鐵路概況我國(guó)第一條電氣化鐵路——寶成鐵路寶雞至鳳州段，于1961年8月15日建成通車(chē)。我國(guó)電氣化鐵路發(fā)展初期，主要局限在隧道多、坡度大的山區(qū)鐵路。到1980年底，共建成電氣化鐵路1676km。發(fā)展速度十分緩慢。改革開(kāi)放后，電氣化鐵路開(kāi)始從山區(qū)向平原，由標(biāo)準(zhǔn)低的邊遠(yuǎn)地區(qū)鐵路向主要長(zhǎng)大干線、重載、高速發(fā)展。到2005年底，我國(guó)電氣化鐵路已達(dá)20132公里。電氣化率為27%，承擔(dān)的運(yùn)量比重近50%。鐵路已成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展瓶頸電力牽引能源危機(jī)貨運(yùn)運(yùn)能只能滿足1/3運(yùn)量客運(yùn)節(jié)假日輸送旅客4000萬(wàn)人次/日客運(yùn)高速化既有線提速高密度運(yùn)行貨運(yùn)重載化目前，鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)是我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)能源消費(fèi)的大戶，全路行車(chē)用柴油年消耗量約占全國(guó)柴油消耗總量的10%。內(nèi)燃機(jī)車(chē)使用柴油的能源利用效率較低，平均約為30%。電力牽引使用電能的能源利用效率，按目前我國(guó)電網(wǎng)大約水電占24.2%，效率70%；火電占74.0%，效率35%計(jì)算，綜合利用效率為42.8%。遠(yuǎn)比內(nèi)燃能源利用效率高，具有顯著的節(jié)能效益。電力牽引對(duì)環(huán)境污染小。國(guó)家的能源政策和環(huán)保政策，決定了我國(guó)電力牽引必將是鐵路牽引動(dòng)力的發(fā)展方向。國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》明確，到2020年，我國(guó)鐵路總里程將達(dá)到100,000km，其中電氣化50,000km，主要干線鐵路都將實(shí)現(xiàn)電氣化。鐵路電氣化率約為50%，承擔(dān)的運(yùn)量比重在80%以上。

中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃—客運(yùn)專線

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)[2004]159號(hào)文件—《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》批準(zhǔn)：“為滿足快速增長(zhǎng)的旅客運(yùn)輸要求，建立省會(huì)城市及大中城市間的快速客運(yùn)通道，規(guī)劃“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及三個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)。建設(shè)客運(yùn)專線1.2萬(wàn)公里以上，客車(chē)速度目標(biāo)值達(dá)到每小時(shí)200公里及以上。

“十一五”鐵路規(guī)劃將建成新線19，800公里，其中客運(yùn)專線9，800公里，既有線復(fù)線8，000公里，既有線電氣化15，000公里。

2010年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到95，000公里，其中復(fù)線里程42，750公里，電氣化里程42，750公里。

四縱：北京-上海，北京-武漢-廣州-深圳，北京-沈陽(yáng)-哈爾濱（大連），杭州-寧波-福州-深圳。四橫：徐州-鄭州-蘭州，杭州-南昌-長(zhǎng)沙，青島-石家莊-太原，南京-武漢-重慶-成都。三個(gè)城際客運(yùn)系統(tǒng)：環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角地區(qū)，覆蓋區(qū)域內(nèi)主要城鎮(zhèn)。

至2020年，中國(guó)鐵路將形成以高/快速客運(yùn)專線為主干網(wǎng)絡(luò)的客運(yùn)系統(tǒng)。

Ⅱ、電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)原理

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的組成牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵路從電力系統(tǒng)接引電源，降壓轉(zhuǎn)換后給電力機(jī)車(chē)供電的電力網(wǎng)絡(luò)。它由牽引變電所和牽引網(wǎng)兩部分組成。如下圖所示：電力系統(tǒng)向電氣化鐵路供電示意圖

牽引變電所采用2路電源進(jìn)線，2臺(tái)牽引變壓器，一主一備方式運(yùn)行。110或220kV電源經(jīng)牽引變壓器后，降壓為1×25kV或2×25kV，然后供給牽引網(wǎng)。牽引網(wǎng)如同電力系統(tǒng)的輸電線路，它由饋電線、接觸網(wǎng)、軌道回路組成。接觸網(wǎng)架設(shè)在鐵路上方，電力機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓與接觸線滑動(dòng)接觸而獲得電能。牽引供電系統(tǒng)原理圖、牽引變電所主接線圖、接觸網(wǎng)示意圖分別如下所示：牽引供電系統(tǒng)原理示意圖

接觸網(wǎng)示意圖

牽引電流通過(guò)電力機(jī)車(chē)后直接從鋼軌或大地返回牽引變電所。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資最少，維護(hù)費(fèi)用低。在負(fù)荷電流較大的情況下，鋼軌電位高；對(duì)弱電系統(tǒng)的電磁干擾較大二、牽引網(wǎng)供電方式：

牽引網(wǎng)根據(jù)供電能力大小、接觸網(wǎng)架設(shè)環(huán)境、電磁兼容要求等條件，有以下不同的幾種供電方式。

（一）直接供電方式在接觸網(wǎng)和回流線中串接吸流變壓器，讓牽引電流通過(guò)電力機(jī)車(chē)后從回流線返回牽引變電所。電磁兼容性能好，對(duì)周?chē)h(huán)境影響小，鋼軌電位低（二）吸流變壓器供電方式（BT方式）接觸網(wǎng)中串接吸流變壓器，牽引網(wǎng)阻抗增大，供電臂壓降增大，牽引變電所的供電距離縮短使一個(gè)供電臂的接觸導(dǎo)線分成很多段，大大影響高速列車(chē)運(yùn)行的安全性及列車(chē)速度牽引電流通過(guò)電力機(jī)車(chē)后部分從回流線返回牽引變電所，部分從鋼軌地返回。兼有直接供電方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資和維修量小、供電可靠性高等優(yōu)點(diǎn)相對(duì)直接供電方式，鋼軌電位和對(duì)通信線路的干擾有所改善。鋼軌電位降低；牽引網(wǎng)阻抗降低，供電距離增長(zhǎng)；對(duì)弱電系統(tǒng)的電磁干擾減小相對(duì)BT方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，維護(hù)費(fèi)用低；牽引網(wǎng)阻抗減小，供電距離增長(zhǎng)（三）帶回流線的直接供電方式牽引電流通過(guò)電力機(jī)車(chē)后從正饋線返回。供電電壓提高，更能適應(yīng)大功率負(fù)荷的供電，功率輸送能力強(qiáng)，供電距離遠(yuǎn)，可減少牽引變電所數(shù)量，減少電分相數(shù)目，機(jī)車(chē)通過(guò)分相中性段短時(shí)失電產(chǎn)生的速度和功率損失得到降低；有效降低對(duì)通訊線路的干擾;。AT供電方式接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，供變電設(shè)施較多，運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度較大（四）自耦變壓器供電方式（AT方式）牽引網(wǎng)供電方式的比較①2×25kV系統(tǒng)，供電電壓比直供方式高一倍，電壓損失降為1/4，牽引網(wǎng)單位阻抗約為直供方式的1/4（實(shí)際略高），電能損失小，顯示了良好的供電特性；（55kv阻抗歸算至275kv，阻抗1/4，壓損1/4）②牽引變電所的間距大，易選址，減少了外部電源的工程數(shù)量和投資；③減少了電分相數(shù)量，有利于列車(chē)的高速運(yùn)行；④牽引網(wǎng)回路是平衡回路，防干擾效果，可改善電磁環(huán)境，并減少防干擾費(fèi)用；1)AT供電方式特點(diǎn)牽引網(wǎng)供電方式的比較⑤牽引網(wǎng)系統(tǒng)需設(shè)正饋線，較一般直供方式復(fù)雜，但在重負(fù)荷區(qū)段不必設(shè)加強(qiáng)導(dǎo)線，可與直供方式相當(dāng)；變電系統(tǒng)較直供方式減少了牽引變電所的數(shù)量，但需設(shè)AT所，一般ＡＴ間距為10~20km，開(kāi)關(guān)設(shè)備需用雙極；⑥牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)線數(shù)量多，對(duì)跨線建筑物和隧道凈空要求高，投資較大，保護(hù)和維護(hù)難度較大1)AT供電方式特點(diǎn)①1×25kV系統(tǒng)，變電設(shè)施較為簡(jiǎn)單，接觸網(wǎng)在一般情況下（重負(fù)荷除外）也比較簡(jiǎn)單，但在接觸網(wǎng)使用加強(qiáng)導(dǎo)線的情況下，牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)已與AT供電方式相當(dāng)；②在牽引網(wǎng)的電壓損失和電能損失方面較AT供電方式為大；③牽引變電所的間距較小，增加了電分相數(shù)量，外部電源的工程數(shù)量和投資較大；牽引網(wǎng)供電方式的比較2)帶回流線的直接供電方式牽引網(wǎng)供電方式的比較④牽引網(wǎng)回路不完全是平衡回路，防干擾性能較差，需增加防干擾費(fèi)用；⑤供電回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，投資和維修量低；⑥適用于防干擾問(wèn)題不突出和外部電源投資相對(duì)較小的區(qū)段及運(yùn)輸繁忙干線、重載和高速線。2)帶回流線的直接供電方式50Hz/60Hz、25kV牽引供電方式（300～350km/h）1996年日本山陽(yáng)新干線300km/hAT1983年法國(guó)TGV東南線300km/hAT+直供回流1990年法國(guó)TGV大西洋線300km/hAT1994年法國(guó)TGV北方線300km/hAT2001年法國(guó)TGV地中海線350km/hAT2003年韓國(guó)漢城——釜山300km/hAT2004年西班牙馬德里——巴塞羅那350km/hAT2004年意大利都靈——佛羅倫薩300km/hAT2008年意大利羅馬——那不勒斯300km/hAT技術(shù)上AT和帶回流線直供方式均能滿足300km/h及以上高速牽引。兩者相比，AT供電方式更能適應(yīng)大功率負(fù)荷的供電，同時(shí)電分相數(shù)目減少。但AT供電方式接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，供變電設(shè)施較多，運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度較大。高速鐵路牽引供電方式應(yīng)采用AT供電方式或帶回流線的直接供電方式Ⅲ、牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷特性

牽引供電系統(tǒng)的任務(wù)是向電力機(jī)車(chē)（動(dòng)車(chē)組）供電。牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷特性，主要取決于電力機(jī)車(chē)的電氣特性、鐵路線路條件和運(yùn)輸組織方案等因素。（一）交直型電力機(jī)車(chē)電力機(jī)車(chē)從接觸網(wǎng)取得25kV工頻單相交流電，經(jīng)車(chē)載變壓器降壓為1500V，整流后向牽引電動(dòng)機(jī)供電。我國(guó)目前主要采用交直型電力機(jī)車(chē)，今后將逐漸淘汰，更換為交直交型電力機(jī)車(chē)。交直型電力機(jī)車(chē)工作原理如下圖所示：一、電力機(jī)車(chē)的電氣特性

交直型電力機(jī)車(chē)采用半控橋式整流，通過(guò)晶閘管控制導(dǎo)通角來(lái)控制機(jī)車(chē)出力，所以，交直機(jī)車(chē)在整流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波，功率因數(shù)較低。SS4型貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)

SS8型客運(yùn)電力機(jī)車(chē)（二）交直交型電力機(jī)車(chē)（動(dòng)車(chē)組）為克服交直型電力機(jī)車(chē)的缺點(diǎn)，世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展了交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的研制，1979年德國(guó)開(kāi)發(fā)了世界首臺(tái)大功率干線交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)，歐洲等主要發(fā)達(dá)國(guó)家迅速推廣，目前已普遍采用。交直交型電力機(jī)車(chē)工作原理如下圖所示：交直交機(jī)車(chē)采用四象限整流，通過(guò)GTO或IGBT控制導(dǎo)通和關(guān)斷角來(lái)控制機(jī)車(chē)的出力，可分別控制導(dǎo)通和關(guān)斷機(jī)車(chē)主變壓器的若干個(gè)低壓繞組的整流，使電流波形逼近正弦波，且電流與電壓的相位基本同步。所以，交直交型電力機(jī)車(chē)的諧波含量很小、功率因數(shù)高。我國(guó)于1991年開(kāi)始進(jìn)行交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的研究，先后研制成功了交直交動(dòng)車(chē)組和交直交貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)。近年將從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)合作生產(chǎn)高速動(dòng)車(chē)組。鐵路計(jì)劃逐漸淘汰交直型電力機(jī)車(chē)，全面推廣交直交型電力機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組。德國(guó)ICE高速列車(chē)

二、列車(chē)的負(fù)荷特性

列車(chē)的負(fù)荷大小，主要與列車(chē)牽引重量、運(yùn)行速度、線路坡度等因素有關(guān)，鐵路設(shè)計(jì)據(jù)此選定機(jī)車(chē)（動(dòng)車(chē)組）類型及牽引功率。（一）列車(chē)負(fù)荷與牽引重量的關(guān)系在運(yùn)行速度、線路坡度相同的情況下，列車(chē)負(fù)荷與牽引重量成正比。（二）列車(chē)負(fù)荷與運(yùn)行速度的關(guān)系列車(chē)運(yùn)行速度越高，空氣阻力越大，空氣阻力隨速度呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。在牽引重量、線路坡度相同的情況下，運(yùn)行速度越高，牽引功率和能耗大幅度提高。

10016020025030035001002003004002.84.67.413.318.624.8單位重量牽引功率（kW/t)列車(chē)速度(km/h)并且在高速時(shí)，列車(chē)主要克服空氣阻力運(yùn)行，持續(xù)受流時(shí)間長(zhǎng)。（三）負(fù)荷與線路坡度的關(guān)系列車(chē)爬坡的情況下克服重力運(yùn)行，在運(yùn)行速度較低時(shí)，空氣阻力較小，線路坡度對(duì)牽引負(fù)荷的影響較大。高速列車(chē)的空氣阻力較大，列車(chē)主要克服空氣阻力運(yùn)行，線路坡度對(duì)牽引負(fù)荷的影響較小。鐵路根據(jù)運(yùn)量和線路條件編制運(yùn)輸組織計(jì)劃，列車(chē)在行車(chē)調(diào)度的指揮下，在鐵路上按信號(hào)運(yùn)行。單線鐵路一般采用站間閉塞方式，一個(gè)區(qū)間只能有1列車(chē)運(yùn)行。雙線鐵路一般采用劃分區(qū)段閉塞方式，按固定間隔時(shí)間追蹤運(yùn)行，目前貨車(chē)一般追蹤時(shí)間間隔8分鐘，最小追蹤時(shí)間間隔5分鐘；客運(yùn)專線高速列車(chē)設(shè)計(jì)最小追蹤時(shí)間間隔，近期4分鐘，遠(yuǎn)期3分鐘。鐵路建設(shè)時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施均按遠(yuǎn)期線路能力一次規(guī)劃建設(shè)到位，運(yùn)輸設(shè)備按近期需要配置。三、鐵路運(yùn)輸組織方案四、牽引變電所負(fù)荷特性

牽引變電所一般向兩側(cè)供電臂供電，牽引變電所的負(fù)荷大小，與供電臂中運(yùn)行的列車(chē)數(shù)量、鐵路線路坡度及列車(chē)運(yùn)行速度等因素有關(guān)。實(shí)測(cè)牽引變電所負(fù)荷曲線實(shí)例如下圖：實(shí)測(cè)牽引變電所負(fù)荷曲線實(shí)例牽引變電所負(fù)荷具有如下特點(diǎn)：（一）負(fù)荷波動(dòng)頻繁每一條鐵路沿線線路條件千差萬(wàn)別，列車(chē)在運(yùn)行時(shí)速度和線路坡度隨時(shí)都在變化；且列車(chē)在鐵路上按信號(hào)運(yùn)行，在鐵路運(yùn)輸狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，在供電臂內(nèi)列車(chē)數(shù)量疏密不等。所以，牽引變電所兩供電臂內(nèi)，列車(chē)的數(shù)量及每一列車(chē)的負(fù)荷狀態(tài)隨時(shí)都在變化，牽引變電所的負(fù)荷呈現(xiàn)出頻繁波動(dòng)的狀態(tài)。（二）負(fù)荷大小不均衡牽引變電所的負(fù)荷隨著兩供電臂內(nèi)列車(chē)的數(shù)量及每一列車(chē)的負(fù)荷狀態(tài)隨時(shí)波動(dòng)，有時(shí)輕載，甚至空載。有時(shí)負(fù)載較重，在節(jié)假日、鐵路故障后恢復(fù)行車(chē)等情況下，會(huì)出現(xiàn)列車(chē)緊密追蹤情況，在軍運(yùn)、煤電油運(yùn)、農(nóng)運(yùn)等特殊運(yùn)輸期間，也會(huì)出現(xiàn)列車(chē)緊密追蹤情況。此時(shí)，牽引變電所會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷高峰值。（三）負(fù)載率低牽引變電所的負(fù)荷是由鐵路運(yùn)量、列車(chē)速度、線路條件等因素決定的，列車(chē)運(yùn)行時(shí)受流狀態(tài)隨時(shí)都在發(fā)生變化，平均負(fù)荷較低。但牽引變電所供電能力必須適應(yīng)短時(shí)出現(xiàn)的高峰負(fù)荷的需要。所以，牽引變電所的負(fù)載率很低，一般不超過(guò)20%，個(gè)別能達(dá)到30%。（四）牽引變電所供電能力適應(yīng)最大負(fù)荷需要牽引供電系統(tǒng)作為鐵路運(yùn)輸?shù)呐涮谆A(chǔ)設(shè)施，應(yīng)滿足鐵路運(yùn)輸?shù)囊蟆Ｋ?，牽引變電所設(shè)計(jì)供電能力必須適應(yīng)任何高峰負(fù)荷的需要，并具備鐵路遠(yuǎn)期規(guī)劃發(fā)展的條件。五、客運(yùn)專線負(fù)荷特性

（一）牽引負(fù)荷大，可靠性要求高客運(yùn)專線列車(chē)速度高，高峰時(shí)段密度大。空氣阻力隨速度呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，列車(chē)牽引力主要克服空氣阻力運(yùn)行，牽引負(fù)荷很大。350km/h速度時(shí)，列車(chē)運(yùn)行所需功率最高達(dá)到24000kW?？瓦\(yùn)專線速度快，運(yùn)輸能力大，將成為旅客運(yùn)輸?shù)闹饕煌üぞ摺Ｔ趪?guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中，具有十分重要的作用。高速鐵路運(yùn)輸必須確保安全、可靠、正點(diǎn)。（二）列車(chē)負(fù)載率高，受電時(shí)間長(zhǎng)列車(chē)在運(yùn)行中，主要克服輪軌磨擦阻力、線路坡道阻力和空氣阻力前進(jìn)。輪軌磨擦阻力、線路坡道阻力與速度關(guān)系不大，而空氣阻力隨速度呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。高速時(shí)，空氣阻力成為列車(chē)運(yùn)行的主要阻力，列車(chē)需要持續(xù)從接觸網(wǎng)取得電能。所以，高速列車(chē)負(fù)載率高，受電時(shí)間長(zhǎng)。（三）短時(shí)集中負(fù)荷特征明顯客運(yùn)專線具有顯著的時(shí)段特征。在早、晚時(shí)段和節(jié)假日的高峰客流期，根據(jù)客流量需要，可能組織大編組、高密度運(yùn)輸，甚至在短時(shí)形成緊密追蹤，牽引負(fù)荷集中特征明顯。牽引供電系統(tǒng)應(yīng)具有應(yīng)對(duì)各種集中負(fù)荷供電的能力和條件。

（四）越區(qū)供電能力要求高由于旅客運(yùn)輸能力和準(zhǔn)點(diǎn)的需要，牽引供電系統(tǒng)應(yīng)具有應(yīng)對(duì)各種各樣條件下的供電能力。在出現(xiàn)某一牽引變電所解列，退出供電的情況下，往往采用由兩相鄰牽引變電所越區(qū)進(jìn)行供電。為了盡量減少越區(qū)供電對(duì)運(yùn)輸能力和準(zhǔn)點(diǎn)的影響，應(yīng)避免過(guò)多的限制列車(chē)數(shù)量或降低列車(chē)速度，這樣會(huì)相應(yīng)加大兩相鄰牽引變電所的供電負(fù)荷。（五）國(guó)外普遍采用高電壓、大容量電源供電日本、法國(guó)等國(guó)家高速鐵路建設(shè)起步較早，積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，國(guó)外高速鐵路考慮到牽引負(fù)荷大，可靠性要求高，絕大多數(shù)都采用220kV或以上的電壓供電，個(gè)別采用132kV或154kV時(shí)，都要求有較大的系統(tǒng)短路容量。日本高速鐵路建設(shè)最早，在電源問(wèn)題上曾走過(guò)彎路。東海道新干線1964年建設(shè)時(shí)，限于當(dāng)時(shí)電網(wǎng)的條件，采用了77kV電源供電。上世紀(jì)80年代，旅客運(yùn)輸量急增，供電能力嚴(yán)重不滿足需要，只得對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改用275kV電源供電，適應(yīng)了旅客運(yùn)輸?shù)男枰?，列?chē)速度也提高到了270km/h，最高300km/h。我國(guó)客運(yùn)專線建設(shè)剛開(kāi)始起步，尚沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)值得我們研究和參考。世界主要高速鐵路國(guó)家電鐵供電電源電壓等級(jí)一覽表國(guó)名序號(hào)鐵路名稱最高速度（km/h）供電方式供電電壓（kV）附注日本1東海道新干線300AT275個(gè)別牽引站154kV

2山陽(yáng)新干線300AT275個(gè)別牽引站154kV

3北陸新干線300AT275

4東北新干線260AT275個(gè)別牽引站154kV

5上越新干線275AT275

法國(guó)1巴黎－里昂300AT2251個(gè)牽引站400kV

2巴黎－圖爾300AT2251個(gè)牽引站400kV

3巴黎－加萊300AT2251個(gè)牽引站400kV

4里昂－瓦朗斯300AT225

5瓦朗斯－馬賽350AT225

6巴黎－斯特拉斯堡350AT2251個(gè)牽引站400kV西班牙1馬德里－塞維利亞250直供2203個(gè)牽引站132kV，但短路容量不小于2000MVA

2馬德里－巴塞羅拉350AT4003個(gè)牽引站220kV德國(guó)德國(guó)高速鐵路最高速度330km/h，采用鐵路自建電網(wǎng)供電。電鐵供電制式為15kV、162/3Hz，采用獨(dú)特的同相供電方式，牽引站間距約為普通不同相供電方式的1/3，牽引變壓器容量一般為2×15MVA。牽引站外部電源采用110kV，系統(tǒng)短路容量不小于1000MVA。Ⅳ、電氣化鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響及對(duì)策電氣化鐵路是一種單相不對(duì)稱波動(dòng)負(fù)荷，由于鐵路運(yùn)輸?shù)奶厥庑?，電鐵牽引負(fù)荷波動(dòng)頻繁、沖擊大，并對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波、負(fù)序等不利影響，這是世界各國(guó)電鐵的共同屬性。鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)電力系統(tǒng)的影響，并建議電力系統(tǒng)在研究電鐵供電方案時(shí)，亦綜合考慮對(duì)電鐵的合理供電方案。由于鐵路行車(chē)組織方案的不均衡性和鐵路線路的縱斷面起伏變化，牽引變電所兩供電臂負(fù)荷呈現(xiàn)不平衡特性，從而對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生不平衡影響。鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)，采取了下列措施來(lái)減輕電鐵負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的不平衡影響：

一、負(fù)序（一）在牽引變電所電源進(jìn)線側(cè)采取相序輪換接入電力系統(tǒng)的方式，使電鐵牽引負(fù)荷均衡接入電網(wǎng)。下圖為鄭州至徐州電氣化工程相序輪換接入電力系統(tǒng)方案示意圖：鄭州至徐州電氣化工程相序輪換接入電力系統(tǒng)方案示意圖（二）牽引變電所供電的二個(gè)供電臂負(fù)荷盡可能設(shè)計(jì)均衡。（三）采用負(fù)荷平衡性較好的牽引變壓器接線型式，如V/V接線等。（四）在運(yùn)輸組織上盡量使列車(chē)均衡發(fā)車(chē)。二、諧波

目前采用的交直型電力機(jī)車(chē)，由于采用相控整流，會(huì)產(chǎn)生3、5、7等奇次諧波，對(duì)電力系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生不利影響。電鐵諧波是鐵路、電力兩個(gè)部門(mén)長(zhǎng)期久議未決的問(wèn)題，需要雙方進(jìn)一步地研究和協(xié)商，妥善處理好諧波問(wèn)題。鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)，采取了下列措施來(lái)減輕電鐵負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的諧波影響:

（一）在牽引變電所內(nèi)安裝并聯(lián)電容無(wú)功補(bǔ)償裝置，兼顧濾波作用，一般3次諧波可濾除50％，5次諧波可濾除20％，7次諧波可濾除15％。（二）在部分交直型電力機(jī)車(chē)上加裝補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償功率因數(shù)，并兼濾部分高次諧波。（三）發(fā)展交直交型電力機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組牽引，逐漸淘汰交直型電力機(jī)車(chē)，全面推廣交直交型電力機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組。客運(yùn)專線全部采用交直交動(dòng)車(chē)組，諧波含量大幅度降低，將會(huì)根本解決好電鐵諧波問(wèn)題。交直型電力機(jī)車(chē)功率因數(shù)通常在0.7～0.85左右，低于要求的0.9。鐵路通常采用安裝并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)提高功率因數(shù)，對(duì)運(yùn)輸繁忙的雙線鐵路補(bǔ)償效果較好，對(duì)運(yùn)量小的單線鐵路，在負(fù)荷輕時(shí)過(guò)補(bǔ)比較嚴(yán)重，目前采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償措施，可很好解決好功率因數(shù)低的問(wèn)題?？瓦\(yùn)專線采用交直交動(dòng)車(chē)組后，功率因數(shù)在0.95以上。三、功率因數(shù)由于鐵路運(yùn)輸?shù)牟痪庑?，電鐵負(fù)荷波動(dòng)頻繁，沖擊大。在電力系統(tǒng)短路容量小時(shí)，會(huì)造成電壓劇烈波動(dòng)，電壓偏差過(guò)大。如南昆線、內(nèi)昆線等鐵路部分牽引變電所供電的電力系統(tǒng)短路容量小，系統(tǒng)電壓降過(guò)大，最低電壓曾低于90kV，接觸網(wǎng)末端電壓最低曾低于15kV。難以滿足電鐵供電需要，經(jīng)常出現(xiàn)列車(chē)緩行和坡停故障。鐵路采取了增設(shè)增壓變壓器、串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)却胧﹣?lái)加強(qiáng)供電，仍難滿足鐵路運(yùn)輸需要。南昆線線有關(guān)電力系統(tǒng)和接觸網(wǎng)電壓實(shí)測(cè)參數(shù)如下表：四、負(fù)荷沖擊及電壓波動(dòng)牽引變電所名稱田林平林系統(tǒng)最小短路容量（MVA）195.64211.8110kV母線空載電壓Uab(kV)120.74121.87110kV母線負(fù)荷下最低電壓Uab(kV)93.6296.889正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和(%)24.6522.7127.5kV母線空載電壓Ua(kV)29.9329.75供電臂最低電壓（標(biāo)準(zhǔn)值27.5）（kV）18.7319.46接觸網(wǎng)末端電壓(kV)16.7618.077南昆線牽引測(cè)試數(shù)據(jù)（時(shí)間：2002.6.4～6）同時(shí)，劇烈的電壓波動(dòng)和過(guò)大的電壓偏差，也直接影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定和其他用戶的供電質(zhì)量。鐵路在電鐵設(shè)計(jì)時(shí)，盡量將牽引變電所設(shè)置在電力系統(tǒng)強(qiáng)大的地區(qū)，同時(shí)，在電力系統(tǒng)短路容量過(guò)小時(shí)，建議電力部門(mén)加強(qiáng)系統(tǒng)能力，或提高電壓等級(jí)供電。無(wú)功補(bǔ)償1.并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置2.靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置3.靜止無(wú)功功率發(fā)生器改善電能質(zhì)量的措施諧波抑制1.無(wú)源濾波2.有源濾波Ⅴ、對(duì)電力系統(tǒng)供電方案的建議電力系統(tǒng)對(duì)電鐵的供電方案，不僅關(guān)系到鐵路牽引供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，也同時(shí)影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和其他用戶的供電質(zhì)量，需要綜合研究確定。（一）最大供電能力按鐵路遠(yuǎn)期規(guī)劃考慮，適應(yīng)鐵路遠(yuǎn)期發(fā)展的需要，避免今后對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行改造。（二）供電方案應(yīng)考慮電鐵牽引負(fù)荷波動(dòng)頻繁，沖擊大的特點(diǎn)。一、對(duì)電鐵供電原則建議

二、對(duì)供電方案的建議

(一)對(duì)客運(yùn)專線供電方案的建議客運(yùn)專線供電負(fù)荷大，可靠性要求高，且全部采用交直交動(dòng)車(chē)組，功率因數(shù)高，諧波含量低。京津城際、武廣客專、京滬客專等客運(yùn)專線，最高速度350km/h；石家莊至太原，滬漢蓉客運(yùn)通道的南京至合肥至武漢，沿?？瓦\(yùn)通道的寧波至溫州至福州至廈門(mén)至深圳等客運(yùn)專線，近期客貨共線運(yùn)輸，遠(yuǎn)期客貨分線，客車(chē)最高速度250—300km/h。供電負(fù)荷大，可靠性要求高，建議采用220kV電源供電。滬寧城際、廣珠城際等客運(yùn)專線，供電負(fù)荷較大，可靠性要求高，建議有條件時(shí)盡量采用220kV電源供電。

（二）對(duì)一般鐵路供電方案的建議一般鐵路運(yùn)量小時(shí)可采用110kV電源供電。但在電力系統(tǒng)特別薄弱，系統(tǒng)短路容量小，電壓波動(dòng)較大時(shí)，建議加強(qiáng)電力系統(tǒng)容量或提高電壓等級(jí)供電。（三）對(duì)重載鐵路供電方案的建議運(yùn)煤專線等重載鐵路，列車(chē)牽引質(zhì)量10000噸，最高20000噸，以后有可能發(fā)展更大牽引質(zhì)量的運(yùn)輸方式，供電負(fù)荷大，坡道上可靠性要求高，建議采用220kV電源供電。

Ⅵ、接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1996年日本山陽(yáng)新干線（改造）300km/h復(fù)鏈1990年法國(guó)TGV大西洋線300km/h簡(jiǎn)鏈1994年TGV北方線300km/h2001年TGV地中海線350km/h2002年德國(guó)法蘭克?！坡?00km/h(設(shè)計(jì)330km/h)彈鏈2004年紐倫堡——英格爾斯塔特300km/h(設(shè)計(jì)330km/h)2003年韓國(guó)漢城——釜山300km/h簡(jiǎn)連2004年西班牙馬德里——巴塞羅那350km/h彈鏈2006年中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)北——高雄350km/h復(fù)鏈一、接觸網(wǎng)懸掛方式時(shí)速300km/h以上高速鐵路接觸網(wǎng)懸掛方式

接觸網(wǎng)的三種懸掛方式（復(fù)鏈、彈鏈、簡(jiǎn)鏈）在國(guó)外高速客運(yùn)專線中均有采用；理論上講，復(fù)鏈型懸掛的性能最為優(yōu)越，也最適合于高速運(yùn)行，但其結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)不方便；

彈性鏈形懸