電氣化鐵路

電氣化鐵路,亦稱電化鐵路,是由電力機車或動車組這兩種鐵路列車(即通稱的火車)為主,所行走的鐵路。電氣化鐵路的牽引動力是電力機車,機車本身不帶能源,所需能源由電力牽引供電系統提供。牽引供電系統主要是指牽引變電所接觸網兩大部分。變電所設在鐵道附近,它將從發電廠經高壓輸電線送來的電流,送到鐵路上空的接觸網上。接觸網是向電力機車直接輸送電能的設備。

  • 中文名稱
    電氣化鐵路
  • 外文名稱
    electric railway
  • 又稱
    電化鐵路
  • 包括
    電力機車或動車組
  • 能源
    電力

概念

簡介

電氣化鐵路(electric railway)

高速電氣化鐵路高速電氣化鐵路

電氣化鐵路的牽引動力是電力機車,機車本身不帶能源,所需能源由電力牽引供電系統提供。電氣化鐵路,亦稱電化鐵路,是由電力機車或動車組這兩種鐵路列車(即通稱的火車)為主,所行走的鐵路。

組成

牽引供電系統主要是指牽引變電所接觸網兩大部分。

變電所設在鐵道附近,它將從發電廠經高壓輸電線送來的電能,送到鐵路上空的接觸網上。接觸網是向電力機車直接輸送電能的設備。沿著鐵路線的兩旁,架設著一排支柱,上面懸掛著金屬線,即為接觸網,它也可以被看作是電氣化鐵路的動脈。電力機車利用車頂的受電弓從接觸網獲得電能,牽引列車運行。牽引供電製式按接觸網的電流製有直流製和交流製兩種。直流製是將高壓、三相電力在牽引變電所降壓和整流後,向接觸網供直流電,這是發展最早的一種電流製,到20世紀50年代以後已較少使用。交流製是將高壓、三相電力在變電所降壓和變成單相後,向接觸網供交流電。交流製供電電壓較高,發展很快。我國電氣化鐵路的牽引供電製式從一開始就採用單相工頻(50赫)25千伏交流製,這一選擇有利于今後電氣化鐵路的發展。

和傳統的蒸汽機車或柴油機車牽引列車運行的鐵路不同,電氣化鐵路是指從外部電源和牽引供電系統獲得電能,通過電力機車牽引列車運行的鐵路。它包括電力機車、機務設施、牽引供電系統、各種電力裝置以及相應的鐵路通信、信號等設備。電氣化鐵路具有運輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運營成本低、工作條件好等優點,對運量大的幹線鐵路和具有陡坡、長大隧道的山區幹線鐵路實現電氣化,在技術上、經濟上均有明顯的優越性。

分類

可以用以下方法來對電氣化鐵路進行分類:

供電導線類型:第三軌、高架電纜

供電類型:直流供電、交流供電

供電方式

軌道供電

採用軌道供電的電氣化鐵路通常鋪設有額外的供電軌道,用來連線電網和機車,為機車提供電力供應,亦被稱為第三軌供電,這條軌道被稱為第三軌。

電氣化鐵路電氣化鐵路

高架電纜

高架電纜連線在電氣化鐵路的供電電網上,分為柔性和剛性兩類,電力機車或動車組通過架式集電弓連線接觸網,從其中取電。

架空電纜和高架電纜是香港和台灣的說法,在中國大陸通常被稱為接觸網供電。在中國大陸,架空電纜和高架電纜一般是指高壓輸電線路

兩種導線類型,最終都通過列車正常的運行軌道接地形成回路。也有少數鐵路使用第四軌(例如倫敦捷運)作為電流回路

高架電纜有個好處,就是同時能當高壓輸電道,如日本京急線。

直流

早期的電氣化鐵路採用電壓相對低的直流供電。機車或動車組的電動機直接連線在電網主線上,通過並聯或串聯在電動機上的電阻和繼電器來進行控製。

電氣化鐵路電氣化鐵路

通常有軌電車和捷運的電壓是600伏和750伏,鐵路使用1500伏和3000伏。過去車輛使用旋轉變流器來將交流電轉換為直流電。一般使用半導體整流器完成這個工作。

採用直流供電的系統比較簡單,但是它需要較粗的導線,車站之間距離也較短,並且直流線路有顯著的電阻損失。

荷蘭、日本、澳大利亞、印尼、馬來西亞的一些地區、法國的少數地區使用1500V的直流電,其中,荷蘭實際使用的電壓大 約有1600V到1700V。

比利時、義大利、波蘭、捷克北部、斯洛伐克、前南斯拉夫、前蘇聯使用3000V直流電。

低頻交流電

一些歐洲國家使用低頻交流電來給電力機車供電。德國、奧地利、瑞士、挪威和瑞典使用15千伏16.67赫茲(電網頻率50Hz的三分之一)的交流電。美國使用11千伏或12.5千伏25赫茲的交流電。機車的電機通過可調變壓器來控製。

工頻交流電

匈牙利曾經在二十世紀三十年代在電氣化鐵路上使用50赫茲的交流電。然而直到五十年代以後才被廣泛使用。

一些電氣化機車使用變壓器和整流器來提供低壓脈動直流電給電動機使用,通過調節變壓器來控製電動機速度。另一些則使用可控矽或場效應管來產生突變交流或變頻交流電來供應給機車的交流電機。

這樣的供電形式比較經濟,但是也存在缺點:外部電力系統的相位負荷不等,而且還會產生顯著的電磁幹擾。

中國、法國、英國、芬蘭、丹麥、前蘇聯、前南斯拉夫、西班牙(標準軌高鐵路段)、日本(東北、上越、北海道新幹線及北陸新幹線輕井澤以東)、使用單相25千伏50赫茲電力供應,台灣高速鐵路、台灣鐵路管理局、韓國、日本(東海道、山陽、九州新幹線及北陸新幹線輕井澤以西)使用單相25千伏60赫茲電力供應,而美國通常使用單相12.5千伏和25千伏60赫茲的交流電。另外日本東北、北海道地區使用20千伏50赫茲交流電北陸地區、九州地區使用20千伏60赫茲交流電。

多種系統供電

因為有這麽多的供電方式,有時候甚至一個國家內採用不同的方式(如日本關東以南是60Hz,但東北及北陸以北是50Hz),所以列車經常必須從一種供電方式轉向為另一種供電方式。其中一種方法是在換乘站更換機車,當然,這樣很不方便。另一種方法是使用支持多種供電系統機車。在歐洲,通常是支持四種供電系統(直流1.5千伏、直流3千伏、交流15千伏16.67赫茲、交流25千伏50赫茲)的機車,這樣,它在從一個供電系統到另一個的時候就可以不用停留。

電氣化鐵路電氣化鐵路

而日本國鐵在上世紀60年代初已有交直流對應的列車機車、但當時隻能對應其中50/60一個赫茲,俗稱"單交直流型 "。直至60年代尾才成功研發可在全日本電化區間的行走用的多種供電系統(直流1.5千伏、交流25千伏50/60赫茲),俗稱"雙交直流型",並開始引進當時量產中的列車機車系列上,但在1987年由JR分社經營後,由于預期旅客電車不需再作全國性的調動或行走,加上雙交直流型電車成本較高,故除了至國鐵末年仍量產中的415系1500番台及之後的JR東日本的E653系及是雙交直流型電車外,單交直流型的旅客電車從新被各JR旅客會社採用。

歷史

直流供電時期

1879年5月柏林貿易展覽會上展示了第一條電氣化鐵道。這是一條長約300m的橢圓形鐵路軌距1m,由150V的外部直流電源經第三軌供電,以兩條軌作為軌道回路;電力機車隻有945kg,這條電氣化鐵路雖然很短,卻奠定了電氣化鐵道的基礎. 1881年在德國西門子公司的利希特非爾德--軍事學院修建了一條2.45km的電氣化鐵路,同年,在英國倫敦出現第一條架空導線供電的500m長的有軌電車線路,並于1885年正式投入商業運行中。

電氣化鐵路電氣化鐵路

交流供電時期

1903年,匈牙利出現了由架空的三根導線供電的三相交流電力機車,但很快就停止了,主要是維修太困難了。

1932年,匈牙利首先成功地在電氣化鐵道上採有16kV工頻單相交流電。

1950年,法國通過研究論證,修建了25KV單相工頻實驗線,並于1953年把單相交流電25KV80Hz電流製用于東南線,收到了良好的經濟效益。

優點

電氣化鐵路是一種現代化的鐵路運輸工具,和使用的內燃、蒸汽機車牽引的鐵路相比,具有技術經濟上的優越性。

能大幅度提高運輸能力

由于電力機車以外部電能作動力,它不需要自帶動力裝置,可降低機車自重,這樣,在每根軸的荷重相同的條件下,其軸功率較大,目前國內的電力機車最大為900千瓦,內燃機車為500千瓦,在相同的牽引重量時,其速度較高。而在相同速度下,其牽引力較大。客運用的SS8型電力機車持續速度為100公裏/時,而DFll型內燃機車隻有65.5公裏/時。從貨運機車的功率來比較,SS4型電力機車為6400千瓦,DFl0型內燃機車為3245千瓦,而前進型蒸汽機車僅為2200千瓦。由上述數位可以看出,因為電力機車的功率大,所以它的牽引力大和持續速度較高,從而大大提高了運輸能力

節約能源,降低運輸成本

鐵路運輸是國家能源消耗的一個大戶。因此,牽引動力類型的選擇對于合理使用能源具有重要意義。

電力牽引的動力是電能,從我國能源生產的發展來看,"八五"期間發電量成長32%,原煤成長13%,原油成長5.1%;1995年電力牽引用電量僅佔全國發電量的0.64%;再以巨觀的能源結構看,原油儲量遠少于煤炭、水力,而一些無法直接使用電能的水上、陸地和空中運輸工具及移動機械卻需要大量的液體燃料,因此,電力牽引是最合理的牽引動力。電力牽引每萬噸公裏的能耗比其它牽引約低1/3,根據1990年全路運輸業務決算報告,以每萬噸公裏機務成本計算,電力機車為100%,則內燃機車為136.9%,蒸汽機車為135.1%。

有利于保護環境,並能增加安全可靠程度

電力機車無廢氣、煙塵,對空氣無污染,另外噪音較小,特別在通過長大隧道時,其優點更為顯著,這不僅改善了司機的工作條件和旅客的舒適度,而且對鐵路沿線城市、郊區的污染也減到最小程度。電力機車裝有大功率的電氣製動裝置,可用于長大下坡的速度調整,從而可以大大提高列車運行的安全度。

動力

電氣化鐵路使用電力機車作為牽引動力,機車上不安裝原動機,所需電能由電氣化鐵路電力牽引供電系統提供。中國電氣化鐵路的牽引供電製式從一開始就採用單相工頻(50赫)25千伏交流製,這一選擇有利于今後電氣化鐵路的發展。

模擬平台

電氣化鐵路動態物理模擬(physics simulation of transient system of electric railway)反映供電系統和電力牽引全過程及相互關系的動態物理模擬系統,用以獲取和最佳化電氣化鐵路運行的各主要技術參數。區分為直流和交流電氣化鐵路動態物理模擬兩種類型。

直流電氣化鐵路動態模擬計算台 直流電氣化鐵路動態模擬計算台由前蘇聯莫斯科鐵道學院于1950年開始研製。

模擬計算台各環節簡介

利用相似標準,按與實際相符的一定比例模擬變電所電壓、內阻,接觸網鋼軌的電阻、的電阻、電流,機車的F1,I1,研製了包括5個變電所,125km長的接觸網、鋼軌和線路及電力機車組成的模擬台,其原理結構圖見圖2。①供電系統:牽引變電所由交流供電經橋式整流及內阻後向4條饋線供電;接觸網和鋼軌用10個步進選擇器組成,其中每層有25條支路,總計250條,每條代表0.5km,其第一層每條支路的電阻模擬10mm2~738mm2的等值銅導線截面,第二層模擬P45和P60型鋼軌。②線路縱斷面:利用一系列的串、並聯電阻形成-電位器,其上不同的正、負電壓相似地模擬不同的上、下坡道阻力,使每個0.5km具有不同的坡道。③電力機車牽引列車:機車的主回路由圖2中機車電阻和電流來模擬,取電壓UkM,形成電流為(M代表模擬值)。

中國發展

從1958年第一條電氣化鐵路開始修建,到2012年12月1日哈大高鐵正式開通,中國電氣化鐵路總裏程在54年突破4.8萬公裏,超越了原電氣化鐵路世界第一的俄羅斯,躍升為世界第一位。

首次建成

1961年8月15日建成我國第一條電氣化鐵路--寶成鐵路寶(雞)鳳(州)段。這條電氣化鐵路的供電製式最初是按3000直流製設計的。後來了解到法國、前蘇聯、日本已成功採用了新的電流製--工頻單牙交流製,經過專家教授們反復論證對比,于1975年4月決定改用25KV工頻單相交流製,這種供電製式的確定,避免了我國電氣化鐵路發展中的彎路,為我國電氣化鐵路的發展打下了良好的技術基礎。

電氣化鐵路電氣化鐵路

1958年3月完成初步設計,同年6月15日開始動工興建,經過建設者們兩年的艱苦創業,奮力拼搏,我國第一條電氣化鐵路于1960年5月14日勝利建成,經過一年多的試運行,于1961年正式交付運營,從此揭開了我國電氣化鐵路建設的序幕。

建設

20世紀60年代中期,為了加速大西南的建設,溝通西南地區與全國的物資交流,寶成鐵路鳳州至成都段的電氣化鐵路上馬。

電氣化鐵路電氣化鐵路

1966年3月提出電氣化研究報告,同年12月完成初步設計,1968年12月廣元馬角壩段電氣化工程開工。電氣化工程是分段進行的,先修建廣元綿陽段,後修建廣元至鳳州段,最後修建綿陽至成都段。經過7年的艱苦奮戰,于1975年7月1日,676Km和的寶成電氣化鐵路全線建成通車。

1973年9月陽安線、1975年9月襄渝線襄樊至安康段、1978年3月石太線石家庄至陽泉段、1979年10月寶蘭線寶雞至天水段相繼動工修建。到1980年底,共建成電氣化鐵路1679.6Km。

1985年一年內就有京秦線、成渝線內(江)重(慶)段、貴昆線貴(陽南)水(城西)段和太焦線長(治北)月(山)段4條電氣化鐵路總計1169.23Km交付運營。

20世紀90年代有10條線總計2795.76Km電氣化鐵路建成交付運營。

2008年8月1日京津高速電氣化鐵路開通運營。

2009年4月1日合武高速電氣化鐵路開通運營。

2009年12月26日武廣高速電氣化鐵路開通運營。2010年2月6日鄭西高速電氣化鐵路開通運營。我國電氣化鐵路進入了高速電氣化時代。

發展

高速電氣化鐵路(high speed electric railway) 行車速度在200km/h~350 km/h的電氣化鐵路。國際上一般將鐵路行車速度在100km/h及以下者稱為常速,在200 km/h以下稱為快速或準高速,在200 km/h以上至350 km/h者稱為高速。自20世紀50年代末始,一些科技發達國家就開始研究和建設高速電氣化鐵路,至1997年年底,全世界新增高速鐵路約4 400 km,其中日本新幹線1952km,法國TGV1282km,德國ICE427km,義大利ETR 237km,西班牙AVE 471km。20世紀末一些科技水準較高的國家正在研究一種新型磁懸浮列車,其運行速度可達時速400km/h~500km/h。中國也開展了這方面的專題研究工作。

意義

電力機車動車本身不帶原動機和燃料,比功率(單位重量功率)大,與內燃機車和內燃動車相比,在相同或相近的持續牽引力(以單軸計)下持續速度高一倍以上,牽引相同重量的列車可以實現更高的額定最高速度(或稱最高運營速度),而且恆功速度範圍寬,電製動功率也大,所以起、製動和加、減速性能也均較優越。電力牽引這種快跑、多拉的特徵能更充分地滿足鐵路運輸對提高行車速度、增加列車重量和加大行車密度的綜合要求,從而更加有利于:大幅度提高旅客運輸的旅行速度和高附加值商品運輸的送達速度;組織煤炭、建材、糧食等大宗貨物的高效、快捷的重載直達運輸;發揮速度優勢,不斷推出運輸新產品,拓廣鐵路運輸的行銷範圍,增強其在運輸市場上的競爭實力。特別軌道交通與高速公路、航空運輸協調發展的"運輸走廊",吸引大中城市間和市郊運輸的大量客流轉乘高速和快速電氣列車,可以明顯改善人們的旅行條件、緩解交通堵塞、減少大氣污染、節省石油及土地等有限資源。這種超越上述企業效益的重大國民經濟效益和社會效益,在喚醒發達國家的政府和社會對鐵路公益性的再認識,為鐵路發展獲取資金和支持方面,起了重要的作用。

電氣化鐵路雖然一次投資較大,但是電氣化後完成的運量大,運輸收入多,運輸成本低,所需投資能在短期內得到償還清(視運量大小,一般為5年~10年,有的隻需2年~3年)。運輸成本的降低,主要是電力機車動車直接利用外部電源、構造簡單、摩擦件少、購置費低、使用壽命長,因而包括能源費、維修費、折舊費的機務成本低;機車車輛周轉快,設備利用率高;客運電力機車動軸少、軸重輕,由提速而增加的工務成本也較少;空調客車、冷藏車日起觸網供電,較加掛發電車節省費用和運力。

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