客運專(zhuān)線(xiàn)電氣化的技術(shù)特點(diǎn)

2004年12月December 2004增刊JOURNAL OF RAIL WAY ENGINEERING SOCIETYSupplement文章編號:1006- -2106(2004)00 -0174- -04客運專(zhuān)線(xiàn)電氣化的技術(shù)特點(diǎn)曹東白*姜春林丁為民蘇鵬程李漢卿李高翎(中鐵電氣化勘測設計研究院，天津300250)提要:為適應客運專(zhuān)線(xiàn)列車(chē)負荷大、密度大、速度高以及大運量旅客運輸的特點(diǎn),牽引供電系統的牽引供電方式、外部電源電壓、牽引變壓器接線(xiàn);變電所的設備集成化、無(wú)人值班、安全監控、接觸網(wǎng)的馬網(wǎng)關(guān)系懸掛方式、接觸線(xiàn)線(xiàn)材選擇、綜合接地等技術(shù)問(wèn)題與既有線(xiàn)路有不同的解決方案。關(guān)鍵詞:客運專(zhuān)線(xiàn);電氣化;特點(diǎn)中圖分類(lèi)號: U224文獻標識碼:A易產(chǎn)生電弧等方面存在嚴懲不足,從1972年山陽(yáng)新干線(xiàn)開(kāi)始采1客運專(zhuān)線(xiàn)列車(chē)負荷的特點(diǎn).用AT供電方式。目前日本所有新干線(xiàn)均采用AT方式,東海道世界各國的客運專(zhuān)線(xiàn),無(wú)一例外地采用了電力牽引的方式，新干線(xiàn)也于80年代改造為AT方式?？瓦\專(zhuān)線(xiàn)列車(chē)有動(dòng)力分散型(電動(dòng)車(chē)組)和動(dòng)力集中型(機車(chē)牽表1各國代表性高速列車(chē)特性(300 km/h以上) .引)兩種。參數|載重[ 電機|額定功率|噸功率|營(yíng)業(yè)速度國名客運專(zhuān)線(xiàn)是鐵路客運大動(dòng)脈,其突出特點(diǎn)是列車(chē)速度高、密車(chē)型(kW){kW)(kW/) (km/h)度大,列車(chē)功率大。目前,列車(chē)最高運營(yíng)速度e達300-350 km/h,JR-500日本700 285x6418240 26.1300伴隨速度的提高,列車(chē)功率也顯著(zhù)增加(見(jiàn)圖1)。列車(chē)功率最大TGV-A法國4791100x8 8800 18.4已達1 800kW左右(各國高速列車(chē)電氣參數見(jiàn)表1),列車(chē)電流TGV-R法國4161100x8 880021.2最大達900A以上(見(jiàn)圖2)。Eurostar法國816 1020x12 12200| 15.0列車(chē)密度大也是客運專(zhuān)線(xiàn)的特點(diǎn)之一，目前最小列車(chē)運行AVE西班牙4211 100x8 8800| 20.9間原已達3nin以?xún)?。ETRS0O意大利635|1 100x8 8800 13.540TCV-Korea法韓7741 100>x12 13200 17.1多300r 250AGV法國359 I 600x12| 7200| 20.1350，200德國400500x16800020330100◆Fe+160ICF3- 350E德國400 500x16 8 8002228.18.6設計用車(chē)型中國800 | 330x4815840| 19.8單位重量牽引功率(kW/1)圖1牽引功率和列車(chē)速度關(guān)系 曲線(xiàn)2.1.2法國1982年,法國第一條高速鐵路一-TCV 東南線(xiàn)建成,全線(xiàn)2牽引供電方式采用直供和AT混合供電方式(8 個(gè)直供變電所、2個(gè)AT變電所),采用AT方式主要是節省外部電源費用。2.1 國外高速鐵路牽引供電方式從1990年TGV大西洋線(xiàn)開(kāi)始,所有高速鐵路采用AT方式。2.1.1日本2.1.3德國日本由于國土狹窄，電氣化鐵路常常與通信線(xiàn)路處子同一德國高速鐵路采用15kV,16 2/3HZ 供電,鐵路有自營(yíng)的走廊,因此在第一條高速鐵路一東海 道新干線(xiàn)(1964年)采用專(zhuān)用單相16 2/3 HZ的發(fā)電廠(chǎng),給牽引變電所供電,也有部分了BT方式。但由于BT方式在供電能力和BT變壓器處電分段采用公共電力系統,經(jīng)電氣化鐵路的變頻站供給牽引網(wǎng)。供電方增刊.曹東白等:客運專(zhuān)線(xiàn)電氣化的技術(shù)特點(diǎn)1752.4高速鐵路AT牽引供電系統的發(fā)展含900c 800白從1972年日本山陽(yáng)新干線(xiàn)通車(chē),AT方式首次工程應用電話(huà)7006000以來(lái),AT供電技術(shù)有了很大的進(jìn)步,AT供電系統8趨簡(jiǎn)單。S002.4.1 牽引變電所饋線(xiàn)電壓400300日本AT方式牽引變電所饋線(xiàn)電壓為55kV,變電所需設200SwV本引力AT,同時(shí)饋線(xiàn)設備均為55 kV電壓等級。100以法國為代表的AT方式牽引變電所饋線(xiàn)電壓采用2x275kV,700 1500 250 300 35kmn/h變電所取消AT,同時(shí)饋線(xiàn)設備均為2x27.5kV,降低了電壓等圜2高速列車(chē)牽引特性曲線(xiàn)級，簡(jiǎn)化了牽引變電所的接線(xiàn)和設備。式采用直供方式,全線(xiàn)同相,沒(méi)有接觸網(wǎng)電分相，且牽引變電所2.4.2關(guān)于輔 助分區所(SSP)間牽引側實(shí)行雙邊供電。日本在A(yíng)T牽引網(wǎng)設有饋電臂分段用SSP,主要目的是減少事故情況下饋電臂停電范圍,但增加了系統的復雜性,而法國等2.2. AT 方式簡(jiǎn)介國家不設SSP。AT供電方式牽引變電所供電電壓為2x27.5kV,比直接供2.4.3自耦變 壓器(AT)設置密度電方式供電電壓高一倍,因此AT供電方式也稱(chēng)作2x27.5kV供日本最初的AT區段,規定AT的間隔為10km,主要是從電方式。防干擾角度考慮,但隨著(zhù)通信線(xiàn)路的光纜化,日本最近建成的東AT供電方式牽引網(wǎng)由AT(自耦變壓器)接觸線(xiàn)、正饋線(xiàn)、北新干線(xiàn)延伸線(xiàn)盛岡-八戶(hù)段,AT間隔已增加到15km,法國.鋼軌和保護線(xiàn)構成(見(jiàn)圖3)。正饋線(xiàn)和接觸線(xiàn)構成牽引網(wǎng)平衡AT 區段AT間隔也在15km左右,我國大秦、京秦線(xiàn)AT最大間回路,AT將2x27kV電壓轉換成27.5kV向列車(chē)供電。隙達19 km。與直接供電方式相比AT方式牽引網(wǎng)增設了AT,并在接觸2.4.4接觸網(wǎng)接地保護 方式網(wǎng)方面增加了正饋線(xiàn)和保護線(xiàn)。日本在A(yíng)T區段以前一直采用雙重絕緣加放電器實(shí)現接觸網(wǎng)絕緣子閃絡(luò )保護接地，但由于接觸網(wǎng)結構復雜和放電器不如直接接地更直接可靠,近幾年修建的新干線(xiàn)(如上野新干線(xiàn)和九|變。Tr州新干線(xiàn))均取消雙重絕緣,改為直接接地方式,歐洲各國的高電速鐵路接觸網(wǎng)也采用直接接地。所AT3牽引變電所牽21.58;R3.1牽引變壓器 接線(xiàn)引27.68前F高速鐵路牽引變壓器接線(xiàn)主要有單相、V型、斯考特和伍德網(wǎng)布里奇等四種。目前歐洲國家多用單相接線(xiàn),其優(yōu)點(diǎn)是變電所接線(xiàn)簡(jiǎn)單,變Tr.主變壓器; AT.自耦變壓器;T.接觸懸桂; R.鋼軌;F正饋線(xiàn)電所處接觸網(wǎng)可不設電分相,有利于商速列車(chē)的運行;但對電力圖3 AT 供電方式示意圍系統的負序影響較大。V型接線(xiàn)目前在國外個(gè)別變電所中采用，主要是考慮負序2.3 AT 方式和直供方式的一般性比較影響。AT供電方式供電電壓高,因此供電能力強,牽引變電所的斯考特和伍德布里奇接線(xiàn)均為平衡接線(xiàn)(見(jiàn)圖4),主要在間距大，可減少接觸網(wǎng)電分相和電力系統投資。在電磁兼容方日本采用。日本對負序影響有較嚴格的限制,采用上述接線(xiàn)可以面，由于A(yíng)T供電方式是平衡回路,因此對通信線(xiàn)的危險影響和符合電力系統的要求，但對于前兩種接線(xiàn)而言，變電所接線(xiàn)復雜音影響具有較好的屏蔽作用。雜,且需要配置55 kV設備和AT。直接供電方式牽引網(wǎng)系統簡(jiǎn)單，能適應目前一般既有電氣3.2外部電源供電電壓化鐵路牽引供電的需要，在電磁兼容方面防干擾效果不如AT國外客運專(zhuān)線(xiàn)外部電源供電電壓為154.225275和400kV。在具體應用上,我國除幾條運煤和重載線(xiàn)路(如京秦線(xiàn)、大客運專(zhuān)線(xiàn)AT方式牽引變電所的容量與既有鐵路直供方式秦線(xiàn)、神朔線(xiàn)、侯月線(xiàn))和個(gè)別繁忙干線(xiàn)(京廣線(xiàn)鄭武段)采用AT引變電所相比有大幅的增加，達50~75 MVA;同時(shí)為了減少接觸方式外,其余電氣化鐵路均采用直接供電方式。對于高速鐵路，網(wǎng)電分 相,牽引變壓器采用單相接線(xiàn)是有效措施之一。對于大容國外以采用AT方式為主。因此AT方式適用于客速專(zhuān)線(xiàn).重載量的單相負荷，電力系統只有采用高壓或超壓供電才能承受單鐵路和繁忙的干線(xiàn)鐵路。直接供電方式適用于包括繁忙干線(xiàn)在相牽引負荷的影響,目前110kV供電已不能滿(mǎn)足需要,因此采用176鐵道工程學(xué)報2004年12月對于客運專(zhuān)線(xiàn)接觸網(wǎng)，要求列車(chē)運行速度和C之比(稱(chēng)為L(cháng)u_0-可WiIr_無(wú)量綱速度β)在0.7-0.75以下。 當列車(chē)速度越接近C，即β越大時(shí)，弓網(wǎng)的振動(dòng)越劇烈。表2是國外幾條高速鐵路接觸網(wǎng)的12波動(dòng)傳播速度和無(wú)量綱速度。座44kV表2國外高速鐵路接觸網(wǎng)相關(guān)參數W63~154kV (法國地西班牙馬德里I德國法蘭志福2線(xiàn)別中海線(xiàn)-塞維利亞線(xiàn)-科隆線(xiàn)Iu,M座44k設計時(shí)速(km/h)350330接觸線(xiàn)波動(dòng)IW_傳播速度493553572(a)斯科達結線(xiàn)C(km/h)Sit. Tr。上W.B無(wú)量綱速度β.710.630.58接觸線(xiàn)型號| CuMg 150(0.2)CuMg 150(0.5) CuMg 120(0.5)| CuSn 150(0.2)B應V接觸線(xiàn)張力kN)31.5為了提高波動(dòng)傳播速度,除了盡量采用較細的接觸線(xiàn)外,主A座要是加大接觸線(xiàn)的張力，這就對接觸線(xiàn)的材質(zhì)提出了更高的要220kV60kV求。目前用于高速接觸線(xiàn)的線(xiàn)材主要有日本采用的銅包鋼(CS)線(xiàn)，日本、法國采用的錫銅線(xiàn)(CuSn)和德國、法國、西班牙采用的鎂銅線(xiàn)(CuMg) ,有關(guān)錫銅和鎂銅線(xiàn)的主要技術(shù)數據見(jiàn)表3。(b)伍德布里奇結線(xiàn)表3歐洲高速接觸網(wǎng)常用銅合金接觸線(xiàn)的主要技術(shù)數據圖4日本國鐵AT變電所主變壓器結線(xiàn)型式JCuSn150CuMg150CuMg150CuMg1203.3 饋線(xiàn)設備(0.2)(0.5)直徑(mm)14.8傳統的AT牽引變電所饋線(xiàn)設備由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器等單體設備組成，戶(hù)外布置，日本在個(gè)別變電所分區所采用GIS。線(xiàn)密度(nm)1.3341.067隨著(zhù)35 kV電壓等級的戶(hù)內開(kāi)關(guān)柜，特別是GIS開(kāi)關(guān)柜技20C時(shí)直流電阻(0/km)| 0.1650.1541.910.239術(shù)的日臻成熟和AT牽引變電所饋線(xiàn)電壓由55kV改進(jìn)為2x電阻率(x10- 80m)2.3952.242.278 2.27827.5kV,戶(hù)內CIS開(kāi)關(guān)柜型式的饋線(xiàn)設備已在國外采用(如西線(xiàn)膨脹系數(x10-6/C)| 1717班牙馬德里一塞維利亞線(xiàn)), 牽引變電所因此更加小型、簡(jiǎn)單和綜合拉斷力(kN)61.168.457便于維護?？估瓘姸?N/mm)4204704903.4 二次設備允許工作應力(N/mm)197220230主要配備基于保護、控制、監視、測量為主要功能的全所自動(dòng)化允許工作張力(kN)29.633.127.6使用張力(kN)25系統基于無(wú)人值班和安全防火的安全監控系統和與全線(xiàn)綜合調度運營(yíng)速度V(km/h)系統接口的牽引供電調度系統。波動(dòng)傳播速度C(km/h) 4935734接觸網(wǎng)β值(=V/C)0.710.61安全系數(磨耗面積為1.921.701.664.1 弓網(wǎng)受流系統20% ,張力增量按29%考慮)列車(chē)在運行過(guò)程中通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)獲得電能，弓網(wǎng)之間的接觸質(zhì)量直接影響受流質(zhì)量。弓網(wǎng)受流系統是高速鐵路應4.1.2接觸網(wǎng)應解央的重要問(wèn)題一吊弦布置解決的重要課題之一。吊弦布置直接影響整體的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力，并對以下因素41.1接觸網(wǎng)應解決的根本問(wèn)題一波 動(dòng)傳播速度產(chǎn)生影響:客運專(zhuān)線(xiàn)接觸網(wǎng)首先要提高接觸線(xiàn)的波動(dòng)傳播速度。(1)硬點(diǎn)。影響局部點(diǎn)的最大最小按能力,可減少與接觸線(xiàn)受電馬抬升力引起接觸網(wǎng)的振動(dòng).該點(diǎn)振動(dòng)的傳播速度即稱(chēng)相連的零部件質(zhì)量和采用其它輔助措施(如在懸掛點(diǎn)增加彈性作波動(dòng)傳播速度(C)。C與接觸線(xiàn)張力T和線(xiàn)密度p的關(guān)系如下:吊素等);增刊曹東白等:客運專(zhuān)線(xiàn)電氣化的技術(shù)特點(diǎn)177(3)施工、維修、搶修。力爭簡(jiǎn)單、高效;其它國家均采用簡(jiǎn)單或彈性鏈型懸掛。(4)使用壽命:4.2.2三種懸掛 方式對高速的適應性(5)造價(jià)。日、法、德三國專(zhuān)家都認為,對于高速接觸網(wǎng),只要接觸線(xiàn)的4.1.2受電馬張力有足夠大，采用任何- -種懸掛方式均能滿(mǎn)足高速弓網(wǎng)系統高速列車(chē)受電弓為取得良好的受流效果，在低速一元弓和對受流質(zhì)量的要求，事實(shí)上目前三種懸掛方式在各國均有300二元弓的基礎上,發(fā)展為目前的三元弓,即在二元弓的基礎上進(jìn)km/h及以上良好運行的實(shí)績(jì)。-步把弓頭分為滑板和滑板座，其間設支撐彈簧使受電弓成為4.2.3 3 種懸掛方式的比較三質(zhì)點(diǎn)，例如德國生產(chǎn)的DSA- 350和法國生產(chǎn)的CPU受電弓復鏈型懸掛過(guò)于復雜.除日本以外,其他國家很少采用。車(chē)。簡(jiǎn)單鏈型懸掛結構簡(jiǎn)單,便于施工,維護和搶修,使用壽命高速受電弓不僅要求弓頭質(zhì)量小，同時(shí)要有良好的追隨特可以達到了期的目標。性和空氣動(dòng)力特性,其參數應與接觸網(wǎng)參數相匹配,這樣叮以使彈性鏈型懸掛比簡(jiǎn)單鏈型懸掛彈性均勻度好，接觸線(xiàn)壽命弓網(wǎng)系統受流質(zhì)量獲得事半功倍的效果?？梢赃_到予期目標。結構上比簡(jiǎn)單鏈型懸掛多彈性吊索,施工、4.13弓網(wǎng)系統受流質(zhì)量評價(jià)維護和搶修較復雜。各國高速鐵路對弓網(wǎng)系統的受流質(zhì)量均有自己的評價(jià)標4.3客運專(zhuān)線(xiàn)接觸網(wǎng)主要參數準，表4是去年歐洲鐵路聯(lián)盟為即將形成的歐洲高速鐵路網(wǎng)制定的馬網(wǎng)受流標準。國內客運專(zhuān)線(xiàn)簡(jiǎn)單鏈型懸掛接觸網(wǎng)主要參數(供參考):最高運行速度:350 km/h;表4歐洲高速鐵路弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評價(jià)標準接觸線(xiàn)類(lèi)型:CuSn150(0.2)或CuMg150(0.2);評價(jià)項目評價(jià)項日接觸線(xiàn)張力:25 kN;300 km/h| 300 km/h承力索類(lèi)型:THJ]120;平均接觸力Fm(N)160190承力索張力:20kN;接觸力最大標準偏差σ0.3xFm接觸線(xiàn)高度:5300mm;離線(xiàn)率(%)0.14結構高度:1600 mm; .≥2定位器允許拾升量與最大拾升量之比值跨距長(cháng);60m;錨段長(cháng):2x700 m;4.2接觸網(wǎng)懸掛方式側面限界:3 650 m。4.2.1國外高速接觸網(wǎng)懸掛方式發(fā)展狀況日本從東海道新干線(xiàn)開(kāi)始一直采用復鏈型懸掛，直到19974.4客運專(zhuān) 線(xiàn)接觸網(wǎng)檢測年,在新建的上野新干線(xiàn)開(kāi)始采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛,最近開(kāi)通的東客運專(zhuān)線(xiàn)接觸網(wǎng)的檢測除需要和普速接觸網(wǎng)-樣測試靜態(tài)北新干線(xiàn)延伸線(xiàn)盛岡一八戶(hù)段(2002, 12)和在建的九州新干線(xiàn)也參數外,必須測試列車(chē)高速運行狀態(tài)下的受流性能。采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛。關(guān)于測試項目,各國家不盡相同。根據歐洲標準,須測動(dòng)態(tài)法國第-一條TGV高速線(xiàn)一-東南線(xiàn)采用彈 性鏈型懸掛,而接觸力(或離線(xiàn)率)和接觸線(xiàn)的拍升量。以后修建的TGV線(xiàn).包括最近開(kāi)通的地中海線(xiàn)均采用簡(jiǎn)單鏈型測試分車(chē).上和地面，車(chē)上測試包括綜合電氣軌道測試車(chē)和懸掛。運行列車(chē)跟蹤測試，主要測接觸力或離線(xiàn)率。地面測試主要是接德國高速線(xiàn)全部采用彈性鏈型懸掛。觸線(xiàn)敏感點(diǎn)的抬升量,包括跨中、懸掛點(diǎn)，錨段關(guān)節和線(xiàn)岔等。TECHNICAL CHARACTERISTICS OF PASSENGER DEDICATED LINEELECTRIFIED RAILWAYCAO Dong bai, JANG Cun tin, DING Wei- min, SU Peng cheng, LI Han-qing,LI Gao-lingElctnification Survey and Design Institute of Chinese RailwayAbstract: With increment of train load ,density and speed on Passenger. Dedicated Line, the diferent solution is required to the feedingsysterof ectrified railway ,such as voltage of outside power, contact wire of traction substation , equipment integration for substation,unattended , safety control , relationship between pantograph and catenary ,suspension, materials of overthead contact wire and earthing.Key words: Passenger Dedicated Line; electrification; features