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电气系统在铁路上的应用_4

2019-09-24 15:18栏目:观点
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我国电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制,额定电压25kV。牵引动力为电能,牵引供电设备将国家电力系统输送的电能变换为适合电力机车使用的形式,电力机车则完成牵引任务,因此牵引供电设备和电力机车是电气化铁路的两大主要装备,铁路其他装备和基础设施应与之相适应。

一、电气化铁路的基础知识

(一)牵引供电系统简介

将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统,又称牵引供电系统,主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电所将电力系统输电线路电压从110kV(或220kV)降到27.5kV,经馈电线将电能送至接触网;接触网沿铁路上空架设,电力机车升弓后便可从其取得电能,用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置,两相邻牵引变电所之间设有分区亭,接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分区亭之间的接触网(含馈电线)称供电臂。

牵引供电回路是由牵引变电所馈电线接触网电力机车钢轨回流联接(牵引变电所)接地网组成的闭合回路,其中流通的电流称牵引电流,闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧,处理不当会造成严重的后果。通常将接触网、钢轨回路(包括大地)、馈电线和回流线统称为牵引网。
牵引供电设备的检修运行由供电段负责,牵引供电系统的运行调度则由供电调度负责。供电调度通常设在分局和铁路局调度所。

1、牵引变电所

牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低,同时以单相方式馈出。降低电压是由牵引变压器来实现的,将三相变为单相是通过变电所的电气接线来达到的。
牵引变压器(主变)是一种特殊电压等级的电力变压器,应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求,是牵引变电所的心脏。我国牵引变压器采用三相、三相二相和单相三种类型,因而牵引变电所也分为三相、三相二相和单相三类。

随着技术水平的提高,我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统,牵引变电所将逐步实现无人值班,直接由供电调度实行遥控运行。

2、接触网

接触网是沿铁路沿线架设的特殊电力线路,电力机车受电弓通过与之滑动摩擦接触而授流,取得电能。所以两者均应保持良好的工作状态。
受电弓的运动状态是很复杂的,影响因素也很多。为了保证对其良好的供电,接触网结构本身应做到:

(1)接触线距钢轨面的高度应尽量相等,定位点及跨中与受电弓中心相对位置符合要求;
(2)接触悬挂应有较均匀的弹性和良好的稳定性;
(3)良好的绝缘性能;
(4)适应气象条件的变化并能保持上述特性不应有很大的变化;
(5)接触网结构应力求轻巧简单,做到标准化,方便施工和运行维修;
(6)零部件标准化,轻便,耐腐蚀,可靠性高,
(7)接触线应有足够的耐磨性;
(8)主导电回路通畅。

(二)接触网的悬挂方式

架空式接触网主要由接触悬挂、支持装置、定位装置和支柱基础四大部分组成。前三部分带电,与支柱(或其它建筑物)接地体之间用绝缘子隔开。

1、接触悬挂

通常,接触悬挂由承力索、吊弦、接触线和补偿装置组成,即链形悬挂。补偿装置的作用是在环境温度变化时,使接触线、承力索的张力保持恒定。承力索和接触线下锚方式均采用补偿装置的叫全补偿,仅接触线采用补偿的称半补偿。支柱处吊弦采用简单吊弦或弹性吊弦的分别为简单链形悬挂或弹性链形悬挂。

目前我国干线电气化铁路正线大都采用全补偿简单链形悬挂,站线则多为半补偿简单链形悬挂。

只有接触线的悬挂称简单悬挂,一般都采用补偿方式,只在机务段库线、厂矿专用线等少数场合采用。

接触悬挂沿线路架设,为了满足机械受力方面的要求而分成一个一个单独的锚段,锚段与锚段的相互过渡结构称为锚段关节,通常有绝缘(四跨)锚段关节和非绝缘(三跨)锚段关节之分,前者亦称电分段锚段关节,后者则为机械分段锚段关节。锚段与锚段之间的电气联接用电联接线(三跨)或隔离开关(四跨)完成。

2、支持装置

支持装置用以支持接触悬挂并将其负荷传给支柱或其他建筑物,其结构随线路情况而变化。区间主要为腕臂结构;站场则视股道数量、线路情况、支柱所在位置等因素而选用软横跨、硬横跨或腕臂结构,以软横跨为主,高速铁路则采用硬横梁;隧道和桥梁(下承桥)等大型建筑物处又要视具体情况而作设计,必要时采用特殊结构。

3、定位装置

定位装置包括定位器和定位管,其作用是保证接触线与受电弓的相对位置在规定范围内,并将接触线的水平张力传给支柱。
4、支柱基础

支柱用来承受接触悬挂和支持装置的负荷,并将接触悬挂固定在规定高度。支柱有钢柱和钢筋混凝土柱两种。前者立在用钢筋混凝土浇成的基础上,基础埋在路基内;后者则直接埋在路基中。桥梁(上承桥)通常采用钢柱,其基础在桥墩上预留。
支柱上还装有接地装置,与钢轨回路接通,起到保护作用。下锚支柱上还装有补偿装置,并设拉线装置。

(三)接触网的供电分段
为了保证安全供电和灵活运用,接触网在结构上设有供电分段。

如前所述,在牵引变电所和分区亭所在地的接触网设置的分相绝缘装置为分相电分段;在同一供电臂内设置的电分段为同相电分段,如区间和站场之间(纵向),站场内的货物线、装卸线、段管线,枢纽内场与场之间等(横向)。

同相电分段的结构为四跨锚段关节,或采用分段绝缘器+三跨锚段关节结构。
分相电分段的结构,早期为八跨(两个四跨迭加)锚段关节式,后来为分相绝缘器+三跨锚段关节所代替。近年来,随着列车速度的不断提高,锚段关节式分相结构由于其弹性好、硬点小,受电弓过渡平滑等优点,在提速区段和高速区段又逐步采用。必须指出,电力机车在通过分相绝缘装置时,要断电通过,即在通过前将主断路器断开,滑行通过后,再闭合主断路器继续运行,否则会引起强烈电弧,造成相间短路,甚至烧断接触网线索。

(四)接触网的供电方式

我国电气化铁路均采用单边供电方式,即牵引变电所向接触网供电时,每一个供电臂的接触网只从一端的牵引变电所获得电能(从两边获得电能则为双边供电,可提高接触网末端网压,但由于其故障范围大、继电保护装置复杂等原因尚未有采用)。复线区段可通过分区亭将上下行接触网联接,实现并联供电,可适当提高末端网压。当牵引变电所发生故障时,相邻变电所通过分区亭实现越区供电,此时供电范围扩大,网压降低,通常应减少列车对数或牵引定数,以维持运行。

1、直接供电方式

如前所述,电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制,单相交流负荷在接触网周围空间产生交变电磁场,从而对附近通信设施和无线电装置产生一定的电磁干扰。我国早期电气化铁路(如宝成线、阳安线)建设时,处于山区,地方通信技术不发达,铁路通信采用高屏蔽性能的同轴电缆,接触网产生的电磁干扰影响极小,不用采取特殊防护措施,因此上述单边供电方式亦称为直接供电方式(简称TR供电方式)。随着电气化铁路向平原和大城市发展,电磁干扰矛盾日显突出,于是在接触网供电方式上采取不同的防护措施,便产生不同的供电方式。目前有所谓的BT、AT和DN供电方式。从以下的介绍中可以看出这些供电方式有一个共同特点,即在接触网支柱田野侧,与接触悬挂同等高度处都挂有一条附加导线。电力牵引时,附加导线中通过的电流与接触网中通过的牵引电流,理论上讲(或理想中)大小相等、方向相反,从而两者产生的电磁干扰相互抵消。但实际上是做不到的,所以不同的供电方式有不同的防护效果。

2、吸流变压器(BT)供电方式

这种供电方式,在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器(变比为1:1),其原边串入接触网,次边串入回流线(简称NF线,架在接触网支柱田野侧,与接触悬挂等高),每两台吸流变压器之间有一根吸上线,将回流线与钢轨连接,其作用是将钢轨中的回流吸上去,经回流线返回牵引变电所,起到防干扰效果。

由于大地回流及所谓的半段效应,BT供电方式的防护效果并不理想,加之吸回装置造成接触网结构复杂,机车受流条件恶化,近年来已很少采用。

3、自耦变压器(AT)供电方式

采用AT供电方式时,牵引变电所主变输出电压为55kV,经AT(自耦变压器,变比2:1)向接触网供电,一端接接触网,另一端接正馈线(简称AF线,亦架在田野侧,与接触悬挂等高),其中点抽头则与钢轨相连。AF线的作用同BT供电方式中的NF线一样,起到防干扰功能,但效果较前者为好。此外,在AF线下方还架有一条保护(PW)线,当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用,同时亦兼有防干扰及防雷效果。

显然,AT供电方式接触网结构也比较复杂,田野侧挂有两组附加导线,AF线电压与接触网电压相等,PW线也有一定电位(约几百伏),增加故障几率。当接触网发生故障,尤其是断杆事故时,更是麻烦,抢修恢复困难,对运输干扰极大。但由于牵引变电所馈出电压高,所间距可增加一倍,并可适当提高末端网压,在电力系统网络比较薄弱的地区有其优越性。

4、直供+回流(DN)供电方式
这种供电方式实际上就是带回流线的直接供电方式,NF线每隔一定距离与钢轨相连,既起到防干扰作用,又兼有PW线特性。由于没有吸流变压器,改善了网压,接触网结构简单可靠。近年来得到广泛应用。

综上所述,早期电气化铁路均采用直接供电方式,为避免和减少对外部环境的电磁干扰,研发了BT、AT和DN供电方式,就防护效果来看,AT方式优于BT和DN方式,就接触网的结构性能来讲,DN方式最为简单可靠。随着通信技术的快速发展,光缆的普遍应用,通信设施及无线电装置自身的防干扰性能大为增强,考虑到接触网的运行可靠性对电气化铁路的安全运行至关重要,所以通常认为,一般情况下DN供电方式为首选,在电力系统比较薄弱的地区,经过经济技术比较,可采用AT供电方式,BT供电方式则尽量少采用或不采用。本人认为,这是近三十年来我国电气化铁路供电方式发展和应用的实践过程中总结出来的普遍看法,同样也要接受今后的实践检验,不断总结提高。

(五)电力机车简介

我国电气化铁路采用的电力机车大多数为可控硅整流器电力机车,其结构简单、牵引性能好、运行可靠、维修方便,而且各项经济技术指标较高,所以被广泛采用。电力机车工作时,受电弓从接触网获得高压单相交流电能,经过变压器降压和整流器整流,把高压交流电变成低压直流电供给牵引电动机使用。目前,国产主型电力机车为SS(韶山)型, SS1、3、4、6、6B、7和7B型均为客货两用型,近年来随着列车提速和高速铁路的发展,研制开发了SS7C、7D、7E、SS8和SS9型客运电力机车,以及DJ型(交直交)客运电力机车。此外,我国还先后引进过法(6Y、6G、8K)、日(6K)、德(DJ1)和前苏联(8G)等国的电力机车。

有关电气化铁路的基础知识简单介绍到这里。根据铁道部关于郑~徐电气化改造工程初步设计批复意见,郑州、济南铁路局管内的郑州~徐州电气化铁路牵引供电系统采用远动装置;济南局文庄牵引变电所采用单相变电所,主变为220kV单相牵引变压器;郑州局圃田牵引变电所采用三相变电所,主变为110kV三相Y/接牵引变压器;郑~徐间其余牵引变电所采用三相二相变电所,主变为近年来新开发的110kV三相V/V接牵引变压器;接触网采用全补偿简单链形悬挂(正线)和半补偿简单链形悬挂(站线),分相绝缘装置为锚段关节式;济南局刘庄~北东闸、郑州局商丘西~兴隆庄间站场采用硬横梁方案,以满足列车最高运行速度200km/h的要求;供电方式为DN方式;客运机车为SS9型,货运机车为SS4型。