高速鐵路電氣化系統(tǒng)概論

1、高速電氣化鐵道概論,第 1 部分 變電工程 1列車負(fù)荷特點(diǎn) 2牽引供電方式 3. 牽引供電設(shè)施的分布 4牽引變電器接線和電源電壓 5牽引變電所二次側(cè)設(shè)備選擇 6電力調(diào)度與綜合自動(dòng)化系統(tǒng),第 2 部分 接觸網(wǎng)工程 1. 弓網(wǎng)受流質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 2. 接觸網(wǎng)懸掛方式 3. 接觸線的選擇 4. 接觸網(wǎng)導(dǎo)線組成及張力組合 5. 導(dǎo)線高度與結(jié)構(gòu)高度 6. 定位器設(shè)計(jì)思路 7. 錨段關(guān)節(jié)形式 8. 線岔形式 9. 接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ) 10.接觸網(wǎng)接地方式 11.電分相設(shè)計(jì) 12.施工誤差 13.架線工藝,第 1 部分 變電工程,1列車負(fù)荷特點(diǎn),負(fù)荷大 高速列車單車電流可達(dá)6001000A，而普速列車電流一般不大

2、于300A 速度高 客運(yùn)專線列車運(yùn)行速度一般在250km/h以上 密度大 客運(yùn)專線列車追蹤間隔一般為34分鐘 功率因數(shù)高 采用交直交動(dòng)車組，功率因數(shù)在0.95以上,2牽引供電方式,東海道、東北 、上越 、山陽、北陸、盛岡-秋田、盛崗八戶等所有新干線總長2154km，全部采用AT供電方式，運(yùn)營速度為260300km/h,日本,東南線（426km，270km/h）為AT與直供混合供電方式，而大西洋線、北方線、地中海線總長918km，全部采用AT供電方式，運(yùn)營速度為300350km/h,法國,德國,曼海姆斯圖加特、漢諾威維爾茨堡、漢諾威柏林、法蘭克福科隆、紐倫堡英格爾斯塔特等所有高速線路全長880k

3、m，均采用直接供電方式，運(yùn)營速度為250330km/h,（1） 國外情況,2牽引供電方式,漢城釜山全長412km，采用AT供電方式，運(yùn)營速度為300km/h,韓國,馬德里塞維利亞（471km，250km/h）采用直接供電方式，馬德里巴塞羅那（730km，350km/h）采用AT供電方式,西班牙,都靈佛羅倫薩，羅馬那不勒斯（620km，300km/h）采用AT供電方式,意大利,另外，中國臺(tái)灣的臺(tái)北高雄高速鐵路也采用AT供電方式,2牽引供電方式,50Hz/60Hz、25kV牽引供電方式（300350km/h）,2牽引供電方式,與直接供電方式相比，AT供電方式具有如下優(yōu)勢： 具有更大的供電潛力，特別

4、是越區(qū)供電能力 變電所間距大，可節(jié)省電力系統(tǒng)供電線路的投資 減少接觸網(wǎng)電分相數(shù)量，改善列車運(yùn)行環(huán)境和延長車上設(shè)備使用壽命 減少對通信線的干擾，降低通信線路遷改費(fèi)用 減少電能損失，降低運(yùn)營成本 鑒于以上優(yōu)勢，客運(yùn)專線電氣化一般采用AT供電方式,（2）AT供電方式的優(yōu)越性,3牽引供電設(shè)施的分布,（1）牽引變電所間距 盡管采用了AT供電方式，因客運(yùn)專線列車密度大，單車功率大，AT牽引變電所的間距比普速小，一般為5060km （2）AT所間距 基于牽引變電所的間距，一般每個(gè)供電臂內(nèi)僅設(shè)置一處自藕變壓器所，位于供電臂的中部，亦即AT所間距為1215km。,4牽引變壓器接線和電源電壓,對于AT供電方式面言

5、，目前國內(nèi)外采用的主變壓器接線有對頂三角接線、變形伍德橋接線、斯考特接線、V型接線和單相接線等幾種，其中單相接線造成的負(fù)序影響最大，其余幾種接線均可減少負(fù)序影響； 但從減少接觸網(wǎng)電分相數(shù)量角度出發(fā)，宜采用單相接線，以避免在牽引變電所處設(shè)電分相； 為了在采用單相接線的同時(shí)，盡量減少對電力系統(tǒng)的負(fù)序影響，應(yīng)盡量避免采用110kV電源供電，力爭220kV供電； 采用220kV電源電壓，系統(tǒng)短路容量遠(yuǎn)大于110kV，允許承受負(fù)序能力也大大增強(qiáng)；同時(shí)220kV供電增加了對牽引供電系統(tǒng)供電的可靠性，并節(jié)省了電力系統(tǒng)增容改造的投資。,5牽引變電所二次側(cè)設(shè)備選擇,牽引變電所二次側(cè)設(shè)備可采用傳統(tǒng)的戶外開關(guān)設(shè)備或

6、戶內(nèi)開關(guān)設(shè)備（即開關(guān)柜）； 目前我國電氣化鐵道牽引變電所饋線側(cè)除了哈大線采用了間隔護(hù)板式簡易空氣開關(guān)柜以外，其他各線的設(shè)備還停留在高壓室網(wǎng)柵間隔式分散布置的方式； 在我國，電力部門和城交領(lǐng)域在35kV已廣泛采用空氣絕緣和六氟化硫絕緣開關(guān)柜，即所為AIS和GIS，特別是GIS由于其體積小，可靠性高，維護(hù)工作量小，大大節(jié)省變電所占地面積、房屋面積和電纜等優(yōu)點(diǎn)已成為35kV配電設(shè)備的發(fā)展方向； 電氣化鐵路二次側(cè)開關(guān)設(shè)備采用GIS也是大趨勢。,5牽引變電所二次側(cè)設(shè)備選擇,與傳統(tǒng)的戶外型設(shè)備相比，227.5kV GIS開關(guān)柜主要特點(diǎn)如下： 1）集成化程度高，并使設(shè)備供貨渠道得到有效控制，避 免了安裝的分

7、散性，使設(shè)備質(zhì)量得到了有效的保證； 2）使用壽命長，可操作30000次，10000次內(nèi)無維護(hù)； 3）大大節(jié)省場地面積和房屋面積； 4）施工簡易化； 5）為全所無人值班和自動(dòng)裝置等措施的有效實(shí)施了良好的設(shè)備基礎(chǔ)； 6）節(jié)省了大量的控制電纜。,第 2 部分 接觸網(wǎng)工程,1弓網(wǎng)受流質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),歐洲關(guān)于弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),2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,2接觸網(wǎng)懸掛方式,接觸網(wǎng)的三種懸掛方式（復(fù)鏈、彈鏈、簡鏈）在國外高速客運(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)營維護(hù)不方便； 彈性鏈形懸掛能滿足高速弓網(wǎng)受

8、流質(zhì)量要求，但接觸線動(dòng)態(tài)抬升量大，容易產(chǎn)生疲勞，且彈性吊索安裝、調(diào)整工作量大； 簡單鏈型懸掛也能夠滿足高速弓網(wǎng)受流要求，國內(nèi)具有豐富的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，但靜態(tài)彈性不均勻度較大，動(dòng)態(tài)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差較彈鏈和復(fù)鏈大。,3接觸線的選擇,時(shí)速300km/h及以上接觸線的應(yīng)用情況,3接觸線的選擇,從國外高速客運(yùn)專線接觸線的使用情況來看，主要以銅錫和銅鎂合金線為主。銅錫和銅鎂線均能滿足高速鐵路高抗拉強(qiáng)度的要求，在導(dǎo)電性方面，0.2%含量的上述合金線有80%左右的導(dǎo)電率，而0.5%含量的上述合金線則只有60%左右的導(dǎo)電率，且硬度較高，對施工要求也較高。,4接觸網(wǎng)導(dǎo)線組成及張力組合,高速客運(yùn)專線牽引網(wǎng)需要的

9、載流量較大（一般為8001200A），要求接觸線及承力索截面較大。承力索一般采用120mm2的鎂銅合金絞線，接觸線一般采用150mm2的銅錫或銅鎂合金線。當(dāng)接觸線和承力索總的載流截面不能滿足牽引網(wǎng)載流量要求時(shí)，還需設(shè)置加強(qiáng)線（一般在第一AT段內(nèi)）； 為了確保良好的弓網(wǎng)受流質(zhì)量，動(dòng)車組的運(yùn)行速度宜在接觸線的波動(dòng)傳播速度0.7倍以下。,根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，對于最高運(yùn)行速度為350km/h的客運(yùn)專線，承力索及接觸線的張力應(yīng)分別不小于20kN和25kN。 即：THJ120+CuSn150/CuMg150（20kN+25kN）,5導(dǎo)線高度及結(jié)構(gòu)高度,在滿足建筑限界的情況下，接觸線的懸掛高度應(yīng)盡量低，以減小空氣

10、動(dòng)力對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響。國外高速鐵路接觸線高度如下： 日本：5000mm 法國：5080mm 德國：5300mm 我國客運(yùn)專線車輛建筑限界高度為4800mm，綜合考慮絕緣距離、導(dǎo)線弛度、施工誤差等因素，客運(yùn)專線接觸線懸掛點(diǎn)高度定為5300mm，最低點(diǎn)高度為5150mm。,5導(dǎo)線高度及結(jié)構(gòu)高度,結(jié)構(gòu)高度大小主要取決于允許的最短吊弦長度。對于兩端都有吊弦線夾的整體式吊弦來說，吊弦長度越短，其呈現(xiàn)的剛度越大，對弓網(wǎng)受流越不利。根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，對于高速而言，最短吊弦長度不宜小于800mm，與之對應(yīng)的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度不宜小于1400mm。國外高速鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度如下： 法國：1400mm（簡鏈） 德國：

11、1600mm或1800mm（彈鏈） 日本：950mm（簡鏈）或1500mm（復(fù)鏈）,6定位裝置,歐標(biāo)EN50119規(guī)定：當(dāng)定位器不帶限位功能時(shí)，其自由抬升空間至少應(yīng)為接觸線實(shí)際抬升量或模擬抬升量的2倍；當(dāng)帶限位功能時(shí)，定位器自由抬升空間至少應(yīng)為接觸線實(shí)際抬升量或模擬抬升量的1.5倍; 歐標(biāo)prEN50367規(guī)定：受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的上抬量為接觸線實(shí)際抬升量或模擬抬升量的2倍。受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的左右擺動(dòng)量與線路、軌道、機(jī)車等的性能有關(guān)，實(shí)測值較難確定，一般根據(jù)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)取值為250300mm; 法國采用的彎形定位器不帶限位，允許最大抬升量為400mm；德國采用帶限位的直形定位器，限位抬升量為1501

12、80mm。,6定位裝置,法國地中海線 （不限位定位器）,6定位裝置,西班牙馬德里巴塞羅那線（限位定位器）,7錨段關(guān)節(jié)形式,國外高速接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)形式較多，三跨、四跨、五跨均有應(yīng)用實(shí)例。日本和法國一般采用四跨關(guān)節(jié)形式；德國漢諾威維爾茨堡（Re250）、曼海姆斯圖加特（Re250）、柏林漢諾威（Re330）三條高速鐵路均采用五跨關(guān)節(jié)形式，法蘭克福科?。⊿ICAT-H1.0）高速鐵路則采用三跨（非絕緣）和五跨（絕緣）關(guān)節(jié)形式；西班牙馬德里巴塞羅那（EAC-350）和意大利羅馬那不勒斯高速鐵路均采用四跨關(guān)節(jié)形式。,三跨非絕緣,四跨非絕緣,五跨非絕緣,7錨段關(guān)節(jié)形式,三跨和五跨關(guān)節(jié)在跨距中部過渡，跨中兩

13、支接觸線相對于懸掛點(diǎn)高出約40mm；四跨關(guān)節(jié)則在定位點(diǎn)過渡，兩支懸掛在中心柱外側(cè)第一吊弦之間形成一等高過渡段，非支從第一吊弦點(diǎn)開始抬升，中心柱定位器一般按不受力設(shè)計(jì); 各國的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，只要錨段關(guān)節(jié)安裝調(diào)整得當(dāng)，無論三跨、四跨、五跨，均可取得滿意的受流效果。相對而言，四跨關(guān)節(jié)的安裝調(diào)整較為容易，且安全性較好。,三跨絕緣,四跨絕緣,五跨絕緣,8線岔形式,高速接觸網(wǎng)線岔可分為交叉和無交叉兩大類，其中無交叉線岔又可分為兩支無交叉和三支無交叉（錨段關(guān)節(jié)式）兩種形式。,A、C為懸掛點(diǎn)，B為交叉點(diǎn)，懸掛A點(diǎn)一般位于線間距0400mm范圍之內(nèi)，交叉點(diǎn)B位于線間距400700mm范圍之內(nèi)。在懸掛點(diǎn)A處，正線

14、接觸線拉出值為300400mm，并按正常接觸線高度設(shè)計(jì)，側(cè)線接觸線拉出值一般為400550mm，并抬高約150mm，使得A點(diǎn)處側(cè)線接觸線位于受電弓的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線以外。在懸掛點(diǎn)C處，正線接觸線按正常高度設(shè)計(jì)，側(cè)線接觸線比正線高30mm。,高速用交叉線岔原理,8線岔形式,在交叉點(diǎn)B處，為了減小接觸網(wǎng)的硬點(diǎn)影響，正線接觸線相對于正常高度抬高10mm（通過吊弦實(shí)現(xiàn)），側(cè)線接觸線相對于正線抬高20mm，與懸掛點(diǎn)C處高度一致。側(cè)線在AB段按拋物線抬高，在BC段靠近線岔處（線間距500mm600mm處）設(shè)有一交叉吊弦（正線接觸線通過吊弦懸掛于側(cè)線承力索上，側(cè)線接觸線通過吊弦懸掛于正線承力索上），意在使始觸區(qū)附

15、近兩支接觸線在動(dòng)態(tài)作用下能夠同步抬升。,8線岔形式,優(yōu)缺點(diǎn)： 由于限制管的存在，當(dāng)列車高速通過正線時(shí)，由于接觸線抬升量較大，受電弓必然要接觸兩支接觸線，在交叉點(diǎn)附近形成相對硬點(diǎn)是難免的，弓網(wǎng)間將產(chǎn)生較大的沖擊，從而加劇線岔處接觸線的局部磨耗，另外還存在鉆弓、打弓的危險(xiǎn)。另外，線岔處正線接觸線的高度要求非常嚴(yán)格（比正常高度高出10mm），施工精度實(shí)難保證；當(dāng)?shù)啦硖柎a較大時(shí)，限制管的長度將變得很長，否則兩支接觸線無法自由伸縮。 相對于兩支無交叉線岔而言，如果側(cè)線行車速度不高，則其側(cè)線行車較為有利，因?yàn)槭茈姽霓D(zhuǎn)換過渡較為平緩；但如果側(cè)線行車速度也較高，仍然存在正線行車的上述不利因素。,8線岔形式,

16、A、C為懸掛點(diǎn)，B為側(cè)線支接觸線始抬點(diǎn)，懸掛點(diǎn)A一般位于線間距500600mm處，側(cè)線支接觸線始抬點(diǎn)B一般為懸掛點(diǎn)A右側(cè)第3吊弦處。 懸掛點(diǎn)A處，正線接觸線拉出值為350400mm，并按正常接觸線高度設(shè)計(jì)，側(cè)線接觸線相對于正線線路中心的拉出值一般為9501000mm，并抬高90130mm（視道岔號碼大小而定），使得A點(diǎn)處側(cè)線接觸線位于正線上運(yùn)行的受電弓正常動(dòng)態(tài)抬升量（該值可通過弓網(wǎng)模擬確定）以外。BC段正線、側(cè)線接觸線一般按等高設(shè)計(jì)，側(cè)線接觸線自B點(diǎn)開始按拋物線抬高，至懸掛點(diǎn)A處時(shí)抬高90130mm，正線在AC段始終按正常高度設(shè)計(jì)。,兩支無交叉線岔原理,8線岔形式,當(dāng)正線高速行車時(shí)，側(cè)線接觸線

17、始終位于受電弓正常動(dòng)態(tài)抬升量以外，受電弓只與正線接觸線接觸，而不與站線發(fā)生任何關(guān)系，因此正線行車具有絕對的安全性。當(dāng)列車由側(cè)線駛?cè)胝€時(shí)，在B點(diǎn)以前受電弓只與側(cè)線接觸線接觸，通過B點(diǎn)以后大約在AB段的中部附近位置，受電弓在與側(cè)線接觸線接觸的同時(shí)，其一側(cè)的倒角將開始觸及正線接觸線，并隨著列車的前行，受電弓滑板將脫離側(cè)線接觸線而轉(zhuǎn)入正線接觸線取流，直至完全駛?cè)胝€。當(dāng)列車由正線駛?cè)雮?cè)線時(shí)，在A點(diǎn)以前受電弓均從正線接觸線取流，當(dāng)受電弓到達(dá)AB段的中部附近位置時(shí)，受電弓滑板將脫離正線接觸線，在其靜壓力作用下與抬高的側(cè)線接觸線相接觸（此處側(cè)線接觸線抬高值宜控制在50mm左右），進(jìn)而轉(zhuǎn)入從側(cè)線接觸線取流。

18、,8線岔形式,優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)是可以保證正線高速行車的安全，缺點(diǎn)是側(cè)線行車時(shí)受電弓的轉(zhuǎn)換過渡不是很平緩，也就是說側(cè)線允許通過速度不能太高，一般不宜超過80km/h，否則弓網(wǎng)間將產(chǎn)生較大的沖擊。該種線岔形式適合于與正線相連的車站到發(fā)線道岔。,8線岔形式,三支無交叉線岔原理,渡線電分段采用了四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)形式（關(guān)節(jié)3），以避免采用分段絕緣器產(chǎn)生的硬點(diǎn)影響。關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)5為四跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)4為五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)（相鄰兩支懸掛各形成一個(gè)錨段關(guān)節(jié)）。懸掛1為正線接觸懸掛，懸掛2為導(dǎo)向支接觸懸掛（相對于另一正線而言又為側(cè)線支接觸懸掛），懸掛3為側(cè)線支接觸懸掛（相對于另一正線而言又為導(dǎo)向支接

19、觸懸掛），從B柱到C柱的區(qū)域?yàn)檎€和側(cè)線之間的轉(zhuǎn)換區(qū)域（五跨關(guān)節(jié)的中心跨）。上圖的布置形式基于側(cè)線（或渡線）有電分段要求，如果側(cè)線無電分段要求，導(dǎo)向支接觸懸掛2可在經(jīng)過C柱并在D柱過渡后下錨。,8線岔形式,當(dāng)列車在正線上運(yùn)行時(shí)，受電弓不與側(cè)線支接觸線接觸，但在關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2處與導(dǎo)向支接觸線存在轉(zhuǎn)換過渡關(guān)系；當(dāng)列車由正線駛?cè)雮?cè)線時(shí)，受電弓首先在關(guān)節(jié)1處由正線接觸線過渡到導(dǎo)向支接觸線，然后在關(guān)節(jié)2處（B柱到C柱之間）由導(dǎo)向支接觸線過渡到側(cè)線支接觸線，經(jīng)過C柱以后完全駛離道岔進(jìn)入側(cè)線運(yùn)行；當(dāng)列車由側(cè)線駛?cè)胝€時(shí)，受電弓首先在關(guān)節(jié)2處（C柱到B柱之間）由側(cè)線支接觸線過渡到導(dǎo)向支接觸線，經(jīng)過A柱以后在關(guān)

20、節(jié)1處再由導(dǎo)向支接觸線過渡到正線接觸線，進(jìn)而完全轉(zhuǎn)入正線運(yùn)行。 總之，對于錨段關(guān)節(jié)式線岔，無論正線行車還是側(cè)線行車，非支接觸線始終處于受電弓的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線以外，且受電弓在工作支與非工作支之間的轉(zhuǎn)換過渡非常平緩，因此其安全性好，且允許側(cè)線行車速度較高（可達(dá)160km/h以上，與道岔本身允許通過速度有關(guān)）。,8線岔形式,結(jié)論與建議 基于三種線岔形式的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，對于高速客運(yùn)專線，為了保證良好的弓網(wǎng)受流質(zhì)量和確保正線接觸線的使用壽命，應(yīng)避免采用交叉布置形式，而采用無交叉布置形式。如果側(cè)線通過速度要求較高（80km/h以上），應(yīng)采用錨段關(guān)節(jié)式線岔形式；如果側(cè)線通過速度要求不高（80km/h以下），應(yīng)優(yōu)先采用錨段關(guān)節(jié)式線岔形式，困難時(shí)可采用兩支無交叉線岔形式。,10接觸網(wǎng)接地方式,對于列車密度高、客流量大的客運(yùn)專線，旅客的安全