电气化铁道概论.pptx

目目 录录、电气化铁路概述、电气化铁路概述 、电气化铁路牵引供电系统原理、电气化铁路牵引供电系统原理、牵引供电系统的负荷特性、牵引供电系统的负荷特性、电气化铁路对电力系统的影响及对策、电气化铁路对电力系统的影响及对策、对电力系统供电方案的建议、对电力系统供电方案的建议、接触网关键技术、接触网关键技术、电气化铁路概述、电气化铁路概述一、电气化铁路发展历史一、电气化铁路发展历史 1825 1825年英国人修建了世界上第一条铁路，开创了人类轨年英国人修建了世界上第一条铁路，开创了人类轨道交通新纪元。我国于道交通新纪元。我国于18811881年修建第一条铁路年修建第一条铁路唐山至胥唐山至胥各庄煤矿铁路，各庄煤矿铁路，19091909年由詹天佑工程师主持的我国第一条自年由詹天佑工程师主持的我国第一条自主设计修建的铁路主设计修建的铁路京张铁路通车，拉开了我国铁路发展京张铁路通车，拉开了我国铁路发展的序幕。的序幕。最早的蒸汽机车照片最早的蒸汽机车照片 1879 1879年，在柏林的世博会上，年，在柏林的世博会上，西门子和哈尔斯克制西门子和哈尔斯克制作作展出了约展出了约550m550m的电气化铁路，人类第一次采用电力来牵的电气化铁路，人类第一次采用电力来牵引列车。引列车。西门子和哈尔斯克制作的电气化铁路实验照片 1881 1881年年5 5月，德国在柏林近郊的利希特菲尔德修建月，德国在柏林近郊的利希特菲尔德修建的一条长的一条长2.45km2.45km的电气化铁路投入运行的电气化铁路投入运行，这是世界上，这是世界上第一条商业运行的电气化铁第一条商业运行的电气化铁路路，开启了铁路电力牵引，开启了铁路电力牵引的新时代。的新时代。2020世纪初期，电气化铁世纪初期，电气化铁路路在世界各地得到在世界各地得到迅速发展。迅速发展。二、电气化铁路供电制式二、电气化铁路供电制式 早期电气化铁路主要采用直流早期电气化铁路主要采用直流750V750V、1500V1500V供电制式，供电制式，上世纪上世纪3030年代后开始采用直流年代后开始采用直流3000V3000V供电制式。供电制式。19501950年法国在埃克斯年法国在埃克斯.累累.班班里亚罗什休尔伏龙区里亚罗什休尔伏龙区段试建的段试建的25kV25kV工频单相交流电气化铁路成功，工频单相交流电气化铁路成功，25kV25kV工频工频单相交流制在世界广泛推广，我国电气化铁路全部采用单相交流制在世界广泛推广，我国电气化铁路全部采用25kV25kV工频单相交流制。工频单相交流制。目前世界电气化铁路主要有以下目前世界电气化铁路主要有以下3 3种供电制式：种供电制式：（一）（一）1.5kV1.5kV、3kV3kV直流制直流制 （二）（二）15kV 1615kV 162 2/3 3HzHz低频单相交流制低频单相交流制 （三）（三）25kV25kV工频单相交流制工频单相交流制三、世界电气化铁三、世界电气化铁路路概况概况 电气化铁路牵引动力大，能源利用率高，并能够综合利电气化铁路牵引动力大，能源利用率高，并能够综合利用能源，对环境污染小，具有其他牵引动力无可比拟的优用能源，对环境污染小，具有其他牵引动力无可比拟的优越性。采用电力牵引，减轻铁路运输对环境的影响，适应越性。采用电力牵引，减轻铁路运输对环境的影响，适应可持续发展，是铁路牵引动力的发展方向。在石油资源逐可持续发展，是铁路牵引动力的发展方向。在石油资源逐渐枯竭，环保呼声日益高涨的今天，发展电力牵引具有十渐枯竭，环保呼声日益高涨的今天，发展电力牵引具有十分重要的意义。分重要的意义。到到20002000年底，全世界电气化铁路总里程已达年底，全世界电气化铁路总里程已达262179km262179km，占世界铁路总营业里程占世界铁路总营业里程1208843km1208843km的的21.7%21.7%，承担世界铁路，承担世界铁路总运量的总运量的50%50%以上。欧洲等发达国家电气化率约在以上。欧洲等发达国家电气化率约在50%50%，承，承担的运量比重在担的运量比重在80%80%以上。以上。世界主要国家电气化铁路统计表世界主要国家电气化铁路统计表世界主要国家电气化铁路统计表世界主要国家电气化铁路统计表序号序号国家国家铁路总里程铁路总里程电气化里程电气化里程供电制式供电制式1俄罗斯俄罗斯8.84.125kV工频单相交流、直流工频单相交流、直流2德国德国4.72.115kV 16 2/3Hz单相交流单相交流3中国中国7.52.025kV工频单相交流工频单相交流4日本日本2.81.720kV、25kV工工频频单单相相交交流流、直直流流5法国法国3.41.525kV工频单相交流、直流工频单相交流、直流6印度印度6.41.425kV工频单相交流工频单相交流7南非南非2.41.225kV工频单相交流、直流工频单相交流、直流8波兰波兰2.51.23kV直流直流9意大利意大利2.01.125kV工频单相交流、直流工频单相交流、直流单位：单位：万公里万公里世界第一条高速电气化铁路世界第一条高速电气化铁路日本东海道新干线日本东海道新干线（东京新大阪）于（东京新大阪）于19641964年年1010月建成通车，最高时速月建成通车，最高时速210km/h210km/h，开创了高速铁路的先河。随着，开创了高速铁路的先河。随着19831983年年9 9月，法国月，法国东南高速线（巴黎里昂）建成通车，掀起了世界高速铁东南高速线（巴黎里昂）建成通车，掀起了世界高速铁路建设的高潮。随后德国、西班牙等国家也开始大力发展路建设的高潮。随后德国、西班牙等国家也开始大力发展高速铁路，到目前为止全世界已建成高速铁路约高速铁路，到目前为止全世界已建成高速铁路约6050km6050km。德国德国1964年年开始，新开始，新干线总长度达干线总长度达1835公里公里，高速，高速列车客运量为世列车客运量为世界之最。界之最。高速铁路高速铁路是指由新一代列车提供的时速在是指由新一代列车提供的时速在200350km甚甚至更高的铁路快速运营服务。至更高的铁路快速运营服务。法国法国日本日本1983年年开通第一条现开通第一条现代化高速铁路，高速代化高速铁路，高速列车列车TGV运行速度为运行速度为300350km/h，最高试验速度为最高试验速度为515.3km/h1985年年开始研究开始研究ICE高速列车，高速列车，1991年投入运营年投入运营,有高速铁路有高速铁路700多公里多公里，高速列，高速列车最高运行速度车最高运行速度达达330km/h世界高速铁路的已投入运营里程世界高速铁路的已投入运营里程(2005(2005年年)四、我国电气化铁路概况四、我国电气化铁路概况 我国第一条电气化铁路我国第一条电气化铁路宝成铁路宝鸡至凤州段宝成铁路宝鸡至凤州段，于于19611961年年8 8月月1515日建成通车。日建成通车。我国电气化铁路发展初期，我国电气化铁路发展初期，主要局限在隧道多、坡度大的山区铁路。到主要局限在隧道多、坡度大的山区铁路。到19801980年底，共年底，共建成电气化铁路建成电气化铁路1676km1676km。发展速度十分缓慢。改革开放后，。发展速度十分缓慢。改革开放后，电气化铁路开始从山区向平原，由标准低的边远地区铁路电气化铁路开始从山区向平原，由标准低的边远地区铁路向主要长大干线、重载、高速发展。到向主要长大干线、重载、高速发展。到20052005年底，我国电年底，我国电气化铁路已达气化铁路已达2013220132公里。电气化率为公里。电气化率为27%27%，承担的运量比，承担的运量比重近重近50%50%。铁路已成为制约国民经济发展瓶颈铁路已成为制约国民经济发展瓶颈电电力力牵牵引引能能源源危危机机货运运能只能货运运能只能满足满足1/31/3运量运量客运节假日输客运节假日输送旅客送旅客40004000万万人次人次/日日客运高速化客运高速化既有线提速既有线提速高密度运行高密度运行货运重载化货运重载化 目前，铁路内燃机车是我国交通运输业能源消费的大户，目前，铁路内燃机车是我国交通运输业能源消费的大户，全路行车用柴油年消耗量约占全国柴油消耗总量的全路行车用柴油年消耗量约占全国柴油消耗总量的10%10%。内燃。内燃机车使用柴油的能源利用效率较低，平均约为机车使用柴油的能源利用效率较低，平均约为30%30%。电力牵引。电力牵引使用电能的能源利用效率，按目前我国电网大约水电占使用电能的能源利用效率，按目前我国电网大约水电占24.2%24.2%，效率，效率70%70%；火电占；火电占74.0%74.0%，效率，效率35%35%计算，综合利用效率为计算，综合利用效率为42.8%42.8%。远比内燃能源利用效率高，具有显著的节能效益。电。远比内燃能源利用效率高，具有显著的节能效益。电力牵引对环境污染小。国家的能源政策和环保政策，决定了力牵引对环境污染小。国家的能源政策和环保政策，决定了我国电力牵引必将是铁路牵引动力的发展方向。国务院批准我国电力牵引必将是铁路牵引动力的发展方向。国务院批准的的中长期铁路网规划中长期铁路网规划明确，到明确，到20202020年，我国铁路总里程年，我国铁路总里程将达到将达到100,000km100,000km，其中电气化，其中电气化50,000km50,000km，主要干线铁路都将，主要干线铁路都将实现电气化。铁路电气化率约为实现电气化。铁路电气化率约为50%50%，承担的运量比重在，承担的运量比重在80%80%以上。以上。中长期铁路网规划中长期铁路网规划客运专线客运专线 国家发展和改革委员会国家发展和改革委员会20041592004159号文件号文件中长期铁路中长期铁路网规划网规划批准：批准：“为满足快速增长的旅客运输要求，建立省会为满足快速增长的旅客运输要求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横四纵四横”铁路快铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。建设客运专线速客运通道以及三个城际快速客运系统。建设客运专线1.21.2万公万公里以上，客车速度目标值达到每小时里以上，客车速度目标值达到每小时200200公里及以上。公里及以上。“十一五十一五”铁路规划铁路规划 将建成新线将建成新线1919，800800公里，其中客运专线公里，其中客运专线9 9，800800公里，既有公里，既有线复线线复线8 8，000000公里，既有线电气化公里，既有线电气化1515，000000公里。公里。20102010年，全国铁路营业里程将达到年，全国铁路营业里程将达到9595，000000公里，其中复线公里，其中复线里程里程4242，750750公里，电气化里程公里，电气化里程4242，750750公里。公里。四纵：北京四纵：北京-上海，北京上海，北京-武汉武汉-广州广州-深圳，北京深圳，北京-沈阳沈阳-哈尔滨（大连），杭州哈尔滨（大连），杭州-宁波宁波-福州福州-深圳。深圳。四横：徐州四横：徐州-郑州郑州-兰州，兰州，杭州杭州-南昌南昌-长沙，青岛长沙，青岛-石家石家庄庄-太原，南京太原，南京-武汉武汉-重庆重庆-成成都。都。三个城际客运系统：环渤三个城际客运系统：环渤海地区、长三角地区、珠三海地区、长三角地区、珠三角地区，覆盖区域内主要城角地区，覆盖区域内主要城镇。镇。至至20202020年，中国铁路将形年，中国铁路将形成以高成以高/快速客运专线为主快速客运专线为主干网络的客运系统。干网络的客运系统。、电气化铁路牵引供电系统原理、电气化铁路牵引供电系统原理电气化铁路牵引供电系统的组成电气化铁路牵引供电系统的组成 牵牵引引供供电电系系统统是是电电气气化化铁铁路路从从电电力力系系统统接接引引电电源源，降降压压转转换换后后给给电电力力机机车车供供电电的的电电力力网网络络。它它由由牵牵引引变变电电所所和牵引网两部分组成。如下图所示：和牵引网两部分组成。如下图所示：电力系统向电气化铁路供电示意图电力系统向电气化铁路供电示意图 牵引变电所采用牵引变电所采用2 2路电源进线，路电源进线，2 2台牵引变压器，一主一台牵引变压器，一主一备方式运行。备方式运行。110110或或220kV220kV电源经牵引变压器后，降压为电源经牵引变压器后，降压为125kV125kV或或225kV225kV，然后供给牵引网。牵引网如同电力系统，然后供给牵引网。牵引网如同电力系统的输电线路，它由馈电线、接触网、轨道回路组成。接触网的输电线路，它由馈电线、接触网、轨道回路组成。接触网架设在铁路上方，电力机车通过受电弓与接触线滑动接触而架设在铁路上方，电力机车通过受电弓与接触线滑动接触而获得电能。获得电能。牵引供电系统原理图、牵引变电所主接线图、接触网示牵引供电系统原理图、牵引变电所主接线图、接触网示意图分别如下所示：意图分别如下所示：牵引供电系统原理示意图牵引供电系统原理示意图接接 触触 网网 示示 意意 图图 牵引电流通过电力机车后直接从钢轨或大地返回牵引变电所。牵引电流通过电力机车后直接从钢轨或大地返回牵引变电所。结构简单，投资最少，维护费用低。结构简单，投资最少，维护费用低。在负荷电流较大的情况下，钢轨电位高；对弱电系统的电磁在负荷电流较大的情况下，钢轨电位高；对弱电系统的电磁干扰较大干扰较大二、牵引网供电方式：二、牵引网供电方式：牵引网根据供电能力大小、接触网架设环境、电磁兼牵引网根据供电能力大小、接触网架设环境、电磁兼容要求等条件，有以下不同的几种供电方式。容要求等条件，有以下不同的几种供电方式。（一）直接供电方式一）直接供电方式 在接触网和回流线中串接吸流变压器，让牵引电流通过电力在接触网和回流线中串接吸流变压器，让牵引电流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所。机车后从回流线返回牵引变电所。电磁兼容性能好，对周围环境影响小，钢轨电位低电磁兼容性能好，对周围环境影响小，钢轨电位低 （二）吸流变压器供电方式（二）吸流变压器供电方式（BTBT方式）方式）接触网中串接吸流变压器，牵引网阻抗增大，供电臂压降接触网中串接吸流变压器，牵引网阻抗增大，供电臂压降增大，牵引变电所的供电距离缩短增大，牵引变电所的供电距离缩短使一个供电臂的接触导线分成很多段，大大影响高速列车使一个供电臂的接触导线分成很多段，大大影响高速列车运行的安全性及列车速度运行的安全性及列车速度牵引电流通过电力机车后部分从回流线返回牵引变电所，牵引电流通过电力机车后部分从回流线返回牵引变电所，部分从钢轨地返回。部分从钢轨地返回。兼有直接供电方式结构简单，投资和维修量小、供电可靠兼有直接供电方式结构简单，投资和维修量小、供电可靠性高等优点性高等优点相对直接供电方式相对直接供电方式，钢轨电位和对通信线路的干扰有所改，钢轨电位和对通信线路的干扰有所改善。钢轨电位降低；牵引网阻抗降低，供电距离增长；对善。钢轨电位降低；牵引网阻抗降低，供电距离增长；对弱电系统的电磁干扰减小弱电系统的电磁干扰减小 相对相对BTBT方式方式，结构简单，投资少，维护费用低；牵引网阻，结构简单，投资少，维护费用低；牵引网阻抗减小，供电距离增长抗减小，供电距离增长 （三）带回流线的直接供电方式（三）带回流线的直接供电方式牵引电流通过电力机车后从正馈线返回。牵引电流通过电力机车后从正馈线返回。供电电压提高，更能适应大功率负荷的供电，功率输送能力供电电压提高，更能适应大功率负荷的供电，功率输送能力强，供电距离远，可减少牵引变电所数量，减少电分相数目，强，供电距离远，可减少牵引变电所数量，减少电分相数目，机车通过分相中性段短时失电产生的速度和功率损失得到降机车通过分相中性段短时失电产生的速度和功率损失得到降低；有效降低对通讯线路的干扰低；有效降低对通讯线路的干扰;。ATAT供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维护难度较大运营维护难度较大 （四）自耦变压器供电方式（四）自耦变压器供电方式（ATAT方式）方式）牵引网供电方式的比较牵引网供电方式的比较 225kV225kV系系统统，供供电电电电压压比比直直供供方方式式高高一一倍倍，电电压压损损失失降降为为1/41/4，牵牵引引网网单单位位阻阻抗抗约约为为直直供供方方式式的的1/41/4（实实际际略略高高），电电能能损损失失小小，显显示示了了良良好好的的供供电电特特性性；（55kv55kv阻抗归算至阻抗归算至275kv275kv，阻抗，阻抗1/41/4，压损，压损1/41/4）牵牵引引变变电电所所的的间间距距大大，易易选选址址，减减少少了了外外部部电电源源的的工程数量和投资；工程数量和投资；减少了电分相数量，有利于列车的高速运行；减少了电分相数量，有利于列车的高速运行；牵牵引引网网回回路路是是平平衡衡回回路路，防防干干扰扰效效果果，可可改改善善电电磁磁环境，并减少防干扰费用；环境，并减少防干扰费用；1)AT1)AT供电方式特点供电方式特点牵引网供电方式的比较牵引网供电方式的比较 牵引网系统需设正馈线，较一般直供方式复杂，但在牵引网系统需设正馈线，较一般直供方式复杂，但在重负荷区段不必设加强导线，可与直供方式相当；变电重负荷区段不必设加强导线，可与直供方式相当；变电系统较直供方式减少了牵引变电所的数量，但需设系统较直供方式减少了牵引变电所的数量，但需设AT所，所，一般间距为一般间距为10 20 km，开关设备需用双极；，开关设备需用双极；牵引网结构复杂，导线数量多，对跨线建筑物和隧道牵引网结构复杂，导线数量多，对跨线建筑物和隧道净空要求高，投资较大，保护和维护难度较大净空要求高，投资较大，保护和维护难度较大1)AT1)AT供电方式特点供电方式特点 125kV125kV系系统统，变变电电设设施施较较为为简简单单，接接触触网网在在一一般般情情况况下下（重重负负荷荷除除外外）也也比比较较简简单单，但但在在接接触触网网使使用用加加强强导线的情况下，牵引网结构已与导线的情况下，牵引网结构已与ATAT供电方式相当；供电方式相当；在在牵牵引引网网的的电电压压损损失失和和电电能能损损失失方方面面较较ATAT供供电电方方式式为为大；大；牵牵引引变变电电所所的的间间距距较较小小，增增加加了了电电分分相相数数量量，外外部部电源的工程数量和投资较大；电源的工程数量和投资较大；牵引网供电方式的比较牵引网供电方式的比较2)2)带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式牵引网供电方式的比较牵引网供电方式的比较 牵牵引引网网回回路路不不完完全全是是平平衡衡回回路路，防防干干扰扰性性能能较较差差，需增加防干扰费用；需增加防干扰费用；供电回路结构简单，运行可靠，投资和维修量低；供电回路结构简单，运行可靠，投资和维修量低；适适用用于于防防干干扰扰问问题题不不突突出出和和外外部部电电源源投投资资相相对对较较小小的区段及运输繁忙干线、重载和高速线。的区段及运输繁忙干线、重载和高速线。2)2)带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式50Hz/60Hz50Hz/60Hz、25kV25kV牵引供电方式（牵引供电方式（300300350km/h350km/h）1996年日 本山阳新干线300km/hAT1983年法 国TGV东南线300km/hAT+直供回流1990年法 国TGV大西洋线300km/hAT1994年法 国TGV北方线300km/hAT2001年法 国TGV地中海线350km/hAT2003年韩 国汉城釜山300km/hAT2004年西班牙马德里巴塞罗那350km/hAT2004年意大利都灵佛罗伦萨300km/hAT2008年意大利罗马那不勒斯300km/hAT技术上技术上AT和带回流线直供方式均能满足和带回流线直供方式均能满足300km/h及以上高及以上高速牵引。两者相比，速牵引。两者相比，AT供电方式更能适应大功率负荷的供电，供电方式更能适应大功率负荷的供电，同时电分相数目减少。但同时电分相数目减少。但AT供电方式接触网结构复杂，供变供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维护难度较大。电设施较多，运营维护难度较大。高速铁路牵引供电方式应采用高速铁路牵引供电方式应采用AT供电方式或带回流线的直供电方式或带回流线的直接供电方式接供电方式、牵引供电系统的负荷特性、牵引供电系统的负荷特性 牵引供电系统的任务是向电力机车（动车组）供电。牵引供电系统的任务是向电力机车（动车组）供电。牵引供电系统的负荷特性，主要取决于电力机车的电气牵引供电系统的负荷特性，主要取决于电力机车的电气特性、铁路线路条件和运输组织方案等因素。特性、铁路线路条件和运输组织方案等因素。（一）交直型电力机车（一）交直型电力机车 电力机车从接触网取得电力机车从接触网取得25kV25kV工频单相交流电，经车载变工频单相交流电，经车载变压器降压为压器降压为1500V1500V，整流后向牵引电动机供电。我国目前主，整流后向牵引电动机供电。我国目前主要采用交直型电力机车，今后将逐渐淘汰，更换为交直交型要采用交直型电力机车，今后将逐渐淘汰，更换为交直交型电力机车。交直型电力机车工作原理如下图所示：电力机车。交直型电力机车工作原理如下图所示：一、电力机车的电气特性一、电力机车的电气特性 交直型电力机车采用半控桥式整流，通过晶闸管控制交直型电力机车采用半控桥式整流，通过晶闸管控制导通角来控制机车出力，所以，交直机车在整流过程中导通角来控制机车出力，所以，交直机车在整流过程中会产生谐波会产生谐波，功率，功率因数较低。因数较低。SS4SS4型货运电力机车型货运电力机车 SS8SS8型客运电力机车型客运电力机车 （二）交直交型电力机车（动车组）（二）交直交型电力机车（动车组）为克服交直型电力机车的缺点，世界各国竞相开展了交为克服交直型电力机车的缺点，世界各国竞相开展了交流传动电力机车的研制，流传动电力机车的研制，19791979年德国开发了世界首台大功率年德国开发了世界首台大功率干线交流传动电力机车，欧洲等主要发达国家迅速推广，目干线交流传动电力机车，欧洲等主要发达国家迅速推广，目前已普遍采用。交直交型电力机车工作原理如下图所示：前已普遍采用。交直交型电力机车工作原理如下图所示：交直交机车采用四象限整流，通过交直交机车采用四象限整流，通过GTOGTO或或IGBTIGBT控制导通控制导通和关断角来控制机车的出力，可分别控制导通和关断机车主和关断角来控制机车的出力，可分别控制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流，使电流波形逼近正弦波，变压器的若干个低压绕组的整流，使电流波形逼近正弦波，且电流与电压的相位基本同步。所以，交直交型电力机车的且电流与电压的相位基本同步。所以，交直交型电力机车的谐波含量很小、功率因数高。谐波含量很小、功率因数高。我国于我国于19911991年开始进行交流传动电力机车的研究，先后年开始进行交流传动电力机车的研究，先后研制成功了交直交动车组和交直交货运电力机车。近年将从研制成功了交直交动车组和交直交货运电力机车。近年将从国外引进技术合作生产高速动车组。铁路计划逐渐淘汰交直国外引进技术合作生产高速动车组。铁路计划逐渐淘汰交直型电力机车，全面推广交直交型电力机车和动车组。型电力机车，全面推广交直交型电力机车和动车组。德国德国ICEICE高速列车高速列车 二、列车的负荷特性二、列车的负荷特性 列车的负荷大小，主要与列车牵引重量、运行速度、线路列车的负荷大小，主要与列车牵引重量、运行速度、线路坡度等因素有关，铁路设计据此选定机车（动车组）类型及坡度等因素有关，铁路设计据此选定机车（动车组）类型及牵引功率。牵引功率。（一）列车负荷与牵引重量的关系（一）列车负荷与牵引重量的关系 在运行速度、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵引重在运行速度、线路坡度相同的情况下，列车负荷与牵引重量成正比。量成正比。（二）列车负荷与运行速度的关系（二）列车负荷与运行速度的关系列车运行速度越高，空气阻力越大，空气阻力随速度呈几何列车运行速度越高，空气阻力越大，空气阻力随速度呈几何级数增长。在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速度级数增长。在牵引重量、线路坡度相同的情况下，运行速度越高，牵引功率和能耗大幅度提高。越高，牵引功率和能耗大幅度提高。10016020025030035001002003004002.84.67.413.318.624.8单位重量牵引功率（单位重量牵引功率（kW/t)kW/t)列车速度(km/h)并且在高速时，列车主要克服空气阻力运行，持续受并且在高速时，列车主要克服空气阻力运行，持续受流时间长。流时间长。（三）负荷与线路坡度的关系（三）负荷与线路坡度的关系 列车爬坡的情况下克服重力运行，在运行速度较低时，列车爬坡的情况下克服重力运行，在运行速度较低时，空气阻力较小，线路坡度对牵引负荷的影响较大。高速列车空气阻力较小，线路坡度对牵引负荷的影响较大。高速列车的空气阻力较大，列车主要克服空气阻力运行，线路坡度对的空气阻力较大，列车主要克服空气阻力运行，线路坡度对牵引负荷的影响较小。牵引负荷的影响较小。铁路根据运量和线路条件编制运输组织计划，列车在铁路根据运量和线路条件编制运输组织计划，列车在行车调度的指挥下，在铁路上按信号运行。单线铁路一般行车调度的指挥下，在铁路上按信号运行。单线铁路一般采用站间闭塞方式，一个区间只能有采用站间闭塞方式，一个区间只能有1 1列车运行。双线铁路列车运行。双线铁路一般采用划分区段闭塞方式，按固定间隔时间追踪运行，一般采用划分区段闭塞方式，按固定间隔时间追踪运行，目前货车一般追踪时间间隔目前货车一般追踪时间间隔8 8分钟，最小追踪时间间隔分钟，最小追踪时间间隔5 5分分钟；客运专线高速列车设计最小追踪时间间隔，近期钟；客运专线高速列车设计最小追踪时间间隔，近期4 4分钟，分钟，远期远期3 3分钟。分钟。铁路建设时，基础设施均按远期线路能力一次规划建铁路建设时，基础设施均按远期线路能力一次规划建设到位，运输设备按近期需要配置。设到位，运输设备按近期需要配置。三、铁路运输组织方案三、铁路运输组织方案四、牵引变电所负荷特性四、牵引变电所负荷特性 牵引变电所一般向两侧供电臂供电，牵引变电所的负牵引变电所一般向两侧供电臂供电，牵引变电所的负荷大小，与供电臂中运行的列车数量、铁路线路坡度及列荷大小，与供电臂中运行的列车数量、铁路线路坡度及列车运行速度等因素有关。实测牵引变电所负荷曲线实例如车运行速度等因素有关。实测牵引变电所负荷曲线实例如下图：下图：实测牵引变电所负荷曲线实例实测牵引变电所负荷曲线实例 牵引变电所负荷具有如下特点：牵引变电所负荷具有如下特点：（一）负荷波动频繁（一）负荷波动频繁 每一条铁路沿线线路条件千差万别，列车在运行时速度每一条铁路沿线线路条件千差万别，列车在运行时速度和线路坡度随时都在变化；且列车在铁路上按信号运行，在和线路坡度随时都在变化；且列车在铁路上按信号运行，在铁路运输状态发生变化时，在供电臂内列车数量疏密不等。铁路运输状态发生变化时，在供电臂内列车数量疏密不等。所以，牵引变电所两供电臂内，列车的数量及每一列车的负所以，牵引变电所两供电臂内，列车的数量及每一列车的负荷状态随时都在变化，牵引变电所的负荷呈现出频繁波动的荷状态随时都在变化，牵引变电所的负荷呈现出频繁波动的状态。状态。（二）负荷大小不均衡（二）负荷大小不均衡 牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车的数量及每一列牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车的数量及每一列车的负荷状态随时波动，有时轻载，甚至空载。有时负载较车的负荷状态随时波动，有时轻载，甚至空载。有时负载较重，在节假日、铁路故障后恢复行车等情况下，会出现列车重，在节假日、铁路故障后恢复行车等情况下，会出现列车紧密追踪情况，在军运、煤电油运、农运等特殊运输期间，紧密追踪情况，在军运、煤电油运、农运等特殊运输期间，也会出现列车紧密追踪情况。此时，牵引变电所会出现负荷也会出现列车紧密追踪情况。此时，牵引变电所会出现负荷高峰值。高峰值。（三）负载率低（三）负载率低 牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条件等因素决定的，列车运行时受流状态随时都在发生变化，件等因素决定的，列车运行时受流状态随时都在发生变化，平均负荷较低。但牵引变电所供电能力必须适应短时出现平均负荷较低。但牵引变电所供电能力必须适应短时出现的高峰负荷的需要。所以，牵引变电所的负载率很低，一的高峰负荷的需要。所以，牵引变电所的负载率很低，一般不超过般不超过20%20%，个别能达到，个别能达到30%30%。（四）牵引变电所供电能力适应最大负荷需要（四）牵引变电所供电能力适应最大负荷需要 牵引供电系统作为铁路运输的配套基础设施，应满足牵引供电系统作为铁路运输的配套基础设施，应满足铁路运输的要求。所以，牵引变电所设计供电能力必须适铁路运输的要求。所以，牵引变电所设计供电能力必须适应任何高峰负荷的需要，并具备铁路远期规划发展的条件。应任何高峰负荷的需要，并具备铁路远期规划发展的条件。五、客运专线负荷特性五、客运专线负荷特性 （一）牵引负荷大，可靠性要求高（一）牵引负荷大，可靠性要求高 客运专线列车速度高，高峰时段密度大。空气阻力随速客运专线列车速度高，高峰时段密度大。空气阻力随速度呈几何级数增长，列车牵引力主要克服空气阻力运行，牵度呈几何级数增长，列车牵引力主要克服空气阻力运行，牵引负荷很大。引负荷很大。350km/h350km/h速度时，列车运行所需功率最高达到速度时，列车运行所需功率最高达到24000kW24000kW。客运专线速度快，运输能力大，将成为旅客运输的主客运专线速度快，运输能力大，将成为旅客运输的主要交通工具。在国民经济和社会生活中，具有十分重要的要交通工具。在国民经济和社会生活中，具有十分重要的作用。高速铁路运输必须确保安全、可靠、正点。作用。高速铁路运输必须确保安全、可靠、正点。（二）列车负载率高，受电时间长（二）列车负载率高，受电时间长 列车在运行中，主要克服轮轨磨擦阻力、线路坡道阻力列车在运行中，主要克服轮轨磨擦阻力、线路坡道阻力和空气阻力前进。轮轨磨擦阻力、线路坡道阻力与速度关系和空气阻力前进。轮轨磨擦阻力、线路坡道阻力与速度关系不大，而不大，而空气阻力随速度呈几何级数增长空气阻力随速度呈几何级数增长。高速时，空气阻。高速时，空气阻力成为列车运行的主要阻力，列车需要持续从接触网取得电力成为列车运行的主要阻力，列车需要持续从接触网取得电能。所以，高速列车负载率高，受电时间长。能。所以，高速列车负载率高，受电时间长。（三）短时集中负荷特征明显（三）短时集中负荷特征明显 客运专线具有显著的时段特征。在早、晚时段和节假日的客运专线具有显著的时段特征。在早、晚时段和节假日的高峰客流期，根据客流量需要，可能组织大编组、高密度运高峰客流期，根据客流量需要，可能组织大编组、高密度运输，甚至在短时形成紧密追踪，牵引负荷集中特征明显。牵输，甚至在短时形成紧密追踪，牵引负荷集中特征明显。牵引供电系统应具有应对各种集中负荷供电的能力和条件。引供电系统应具有应对各种集中负荷供电的能力和条件。（四）越区供电能力要求高（四）越区供电能力要求高 由于旅客运输能力和准点的需要，牵引供电系统应具有由于旅客运输能力和准点的需要，牵引供电系统应具有应对各种各样条件下的供电能力。在出现某一牵引变电所解应对各种各样条件下的供电能力。在出现某一牵引变电所解列，退出供电的情况下，往往采用由两相邻牵引变电所越区列，退出供电的情况下，往往采用由两相邻牵引变电所越区进行供电。为了尽量减少越区供电对运输能力和准点的影响，进行供电。为了尽量减少越区供电对运输能力和准点的影响，应避免过多的限制列车数量或降低列车速度，这样会相应加应避免过多的限制列车数量或降低列车速度，这样会相应加大两相邻牵引变电所的供电负荷。大两相邻牵引变电所的供电负荷。（五）国外普遍采用高电压、大容量电源供电（五）国外普遍采用高电压、大容量电源供电 日本、法国等国家高速铁路建设起步较早，积累了比较日本、法国等国家高速铁路建设起步较早，积累了比较丰富的经验。目前，国外高速铁路考虑到牵引负荷大，可靠丰富的经验。目前，国外高速铁路考虑到牵引负荷大，可靠性要求高，绝大多数都采用性要求高，绝大多数都采用220kV220kV或以上的电压供电，个别采或以上的电压供电，个别采用用132kV132kV或或154kV154kV时，都要求有较大的系统短路容量。日本高时，都要求有较大的系统短路容量。日本高速铁路建设最早，在电源问题上曾走过弯路。东海道新干线速铁路建设最早，在电源问题上曾走过弯路。东海道新干线19641964年建设时，限于当时电网的条件，采用了年建设时，限于当时电网的条件，采用了77kV77kV电源供电。电源供电。上世纪上世纪8080年代，旅客运输量急增，供电能力严重不满足需要，年代，旅客运输量急增，供电能力严重不满足需要，只得对电源系统进行了改造，改用只得对电源系统进行了改造，改用275kV275kV电源供电，适电源供电，适应了旅应了旅客运输的需要，列车速度也提高到了客运输的需要，列车速度也提高到了270km/h270km/h，最高，最高300km/h300km/h。我国客运专线建设刚开始起步，尚没有成熟的经验和标准。我国客运专线建设刚开始起步，尚没有成熟的经验和标准。国外的经验值得我们研究和参考。国外的经验值得我们研究和参考。世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级一览表世界主要高速铁路国家电铁供电电源电压等级一览表 国名序号铁路名称最高速度（km/h）供电方式供电电压（kV）附注日本1东海道新干线300AT275个别牵引站154kV2山阳新干线300AT275个别牵引站154kV3北陆新干线300AT2754东北新干线260AT275个别牵引站154kV5上越新干线275AT275法国1巴黎里昂300AT2251个牵引站400kV2巴黎图尔300AT2251个牵引站400kV3巴黎加莱300AT2251个牵引站400kV4里昂瓦朗斯300AT2255瓦朗斯马赛350AT2256巴黎斯特拉斯堡350AT2251个牵引站400kV西班牙1马德里塞维利亚250直供2203个牵引站132kV，但短路容量不小于2000MVA2马德里巴塞罗拉350AT4003个牵引站220kV德国德国高速铁路最高速度330km/h，采用铁路自建电网供电。电铁供电制式为15kV、162/3Hz，采用独特的同相供电方式，牵引站间距约为普通不同相供电方式的1/3，牵引变压器容量一般为215MVA。牵引站外部电源采用110kV，系统短路容量不小于1000MVA。、电气化铁路、电气化铁路对电力系统的影响及对策对电力系统的影响及对策 电气化铁路是一种单相不对称波动负荷，由于铁路运电气化铁路是一种单相不对称波动负荷，由于铁路运输的特殊性，电铁牵引负荷波动频繁、冲击大，并对电力输的特殊性，电铁牵引负荷波动频繁、冲击大，并对电力系统产生谐波、负序等不利影响，这是世界各国电铁的共系统产生谐波、负序等不利影响，这是世界各国电铁的共同属性。铁路在设计时应尽量减少对电力系统的影响，并同属性。铁路在设计时应尽量减少对电力系统的影响，并建议电力系统在研究电铁供电方案时，亦综合考虑对电铁建议电力系统在研究电铁供电方案时，亦综合考虑对电铁的合理供电方案。的合理供电方案。由于铁路行车组织方案的不均衡性和铁路线路的纵断面由于铁路行车组织方案的不均衡性和铁路线路的纵断面起伏变化，牵引变电所两供电臂负荷呈现不平衡特性，从而起伏变化，牵引变电所两供电臂负荷呈现不平衡特性，从而对电力系统产生不平衡影响。对电力系统产生不平衡影响。铁路在设计时，采取了下列措施来减轻电铁负荷对电力铁路在设计时，采取了下列措施来减轻电铁负荷对电力系统的不平衡影响：系统的不平衡影响：一、负一、负 序序（一）在牵引变电所电源进线侧采取相序轮换接入电力系统（一）在牵引变电所电源进线侧采取相序轮换接入电力系统的方式，使电铁牵引负荷均衡接入电网。下图为郑州至徐州的方式，使电铁牵引负荷均衡接入电网。下图为郑州至徐州电气化工程相序轮换接入电力系统方案示意图：电气化工程相序轮换接入电力系统方案示意图：郑州至徐