電氣基本知識在高速動車組上的應(yīng)用

1、電工基礎(chǔ)與應(yīng)用課程論文電氣基本知識在高速動車組上的應(yīng)用摘要：電氣化鐵路是鐵路發(fā)展的必然趨勢，那么電氣化在鐵路上的應(yīng)用又有哪些呢？從牽引供電系統(tǒng)到牽引傳動系統(tǒng)，從牽引變電所到受電弓甚至到為動車中各個用電器所消耗的電都有電氣的影子。那么電氣究竟怎么在高速動車組上工作上呢？為什么高速動車組的發(fā)展離不開電氣呢？關(guān)鍵詞：動車組，電氣化鐵路，牽引供電系統(tǒng)，接觸網(wǎng) 高壓供電系統(tǒng) 受電弓 牽引傳動系統(tǒng) 交流傳動引言：電氣化鐵路是世界鐵路的發(fā)展趨勢，中國的電氣化鐵路的里程已是世界第一，而高速鐵路的發(fā)展尤其是動車組的發(fā)展也是未來的鐵路發(fā)展的主要方向。那么電氣化在高速動車組上又有哪些應(yīng)用呢？電氣化鐵路 電氣化鐵路是

2、以電能作為牽引動力的一種軌道交通運輸形式， 具有牽引功率大， 能源綜合利用率高，勞動生產(chǎn)率高，污染環(huán)境小，便于實現(xiàn)自動控制，能促進(jìn)沿線地區(qū)電力工業(yè)發(fā)展的優(yōu)點，已成為鐵路運輸現(xiàn)代化的標(biāo)志。 電氣化鐵路由牽引系統(tǒng)和電力機車或動車組這兩種鐵路列車 （即通稱的火車） 和機務(wù)系統(tǒng)組成。 隨著哈大高鐵 12 月 1 日正式開通運營，我國電氣化鐵路總里程已突破 4.8 萬公里（不含港澳臺地區(qū)電氣化鐵路里程） ，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。其中，我國高速鐵路已達(dá) 8600 余公里，穩(wěn)居世界首位。京廣高鐵開通之后，我國的電氣化鐵路?睦锍逃紙印縵低?牽引供電系統(tǒng)包括牽引變電所和牽引網(wǎng)兩大

3、部分。牽引變電所，牽引網(wǎng)，火車三者一起構(gòu)成一個閉合的牽引供電回路 1. 牽引變電所 牽引變電所由牽引變壓器，高壓斷路器等一次設(shè)備和用于監(jiān)控的二次設(shè)備組成，其主要作用是將地方電力網(wǎng)送來的三相高壓電變換為適合電力機車使用的電能，并降低電力牽引負(fù)荷對電力系統(tǒng)的不良影響。 一條電氣化鐵路沿線設(shè)有多個牽引變電所，相鄰變電所間的距離約為 4050 公里。在長的電氣化鐵路中，為了把高壓輸電線分段以縮小故障范圍一般每隔 200250 公里還設(shè)有支柱牽引變電所它除了完成一般變電所的功能外，還把高壓電網(wǎng)送來的電能，通過它的母線和輸電線分配給其他中間變電所。 牽引變電所的主要電力設(shè)備是單機容量為 10000 千伏安

4、以上的降壓變壓器稱主變壓器或牽引變壓器。工礦和城市交通大多采用直流電力牽引，故直流牽引變電所里除降壓變壓器外，還有把交流電變成直流電的半導(dǎo)體整流器。此外，各類牽引變電所中還有用來接通和開斷電力電路的主斷路器、為了檢修和安全用的隔離開關(guān)，以及為了自動、遠(yuǎn)動控制和保護(hù)用的自動控制系統(tǒng)和斷電保護(hù)系統(tǒng)。 牽引變壓所分為直流和交流兩類。直流牽引變電所的功能是把區(qū)域電網(wǎng)的高壓電加以降壓和整流，使之成為直流 1500 伏、750 伏或城市交通用 600 伏電壓再送到接觸網(wǎng)，為直流電力機車或電動車輛供電。交流牽引變電所根據(jù)牽引變壓器繞組接線不同，又分為三相、單相和三相-兩相牽引變電所。三相牽引變電所：變壓器原

5、邊繞組通常為星形連接，副邊繞組為三角形連接。三角形的一個連接點接鐵路行車軌道，另兩個連接點分別接牽引變電所左右兩側(cè)的供電分區(qū)接觸網(wǎng)。由于兩側(cè)相位差 60需要分段。這種牽引變電所的優(yōu)點是變壓器副邊保持三相，可供變電所本身和地方的三相用電，缺點是變壓器的容量未能充分利用。單相牽引變電所：采用 12 臺單相變壓器。用一臺單相變壓器時，副邊繞組的一端接軌道，另一端同時供給左右兩側(cè)的供電分區(qū)接觸網(wǎng)。為了檢修方便，兩供電分區(qū)采用相關(guān)分段加以隔離。若用兩臺單相變壓器時，其原邊繞組分別接到高壓三相母線中兩對不同的母線上，使三相負(fù)載平衡；兩個副邊繞組按 v 形接線公共點接軌道其余兩端分別向兩側(cè)的分區(qū)供電并用相關(guān)

6、分段。單相變電所的優(yōu)點是變壓器容量利用較充分。但地區(qū)負(fù)荷需專用變壓器，簡單的單相接線，還影響三相系統(tǒng)的平衡。三相-兩相牽引變電所：變壓器原邊繞組接成 t形，與三相高壓母線連接；副邊為兩相連接，共用端接軌道，另兩端分別接供電分區(qū)由于兩者相位差 90，兩分區(qū)也需隔開。這種形式的牽引變電所一定程度上克服了三相和單相牽引變電所的缺點。中國早期的牽引變電所大多采用三相牽引變電所，從 80 年代起出現(xiàn)采用三相兩相牽引變電所。此外，歐美一些國家由于歷史上的原因，還有頻率為 16 赫或 25赫的單相牽引變電所，但現(xiàn)在發(fā)展的主流是單相工頻交流牽引及相應(yīng)的變電所。歷史上還出現(xiàn)過三相電力牽引及其變電所但因三相接觸網(wǎng)

7、結(jié)構(gòu)復(fù)雜現(xiàn)在一般不用。中國干線電力牽引采用單相工頻 25 千伏交流電牽引變電所把輸入的 110 千伏三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?25 千伏單相交流電送入接觸網(wǎng)，從而完成電力牽引的供電任務(wù)。牽引變電所的任務(wù)是將電力系統(tǒng)三相電壓降低，同時以單相方式饋出。降低電壓是由牽引變壓器來實現(xiàn)的，將三相變?yōu)閱蜗嗍峭ㄟ^變電所的電氣接線來達(dá)到的。牽引變壓器（主變）是一種特殊電壓等級的電力變壓器，應(yīng)滿足牽引負(fù)荷變化劇烈、外部短路頻繁的要求，是牽引變電所的“心臟”。我國 牽引變壓器采用三相、二相和單相三種類型，因而牽引變電所也分為三相、二相和單相三類。隨著技術(shù)水平的提高，我國干線電氣化鐵路已推廣使用集中監(jiān)視及控制的遠(yuǎn)動系統(tǒng)，牽

8、引變電所將逐步實現(xiàn)無人值班，直接由供電調(diào)度實行遙控運行 2.牽引網(wǎng) 牽引網(wǎng)包括饋電線，接觸網(wǎng)，鋼軌，回流線，大地回路。饋電線是連接牽引變電所和接觸網(wǎng)的電力供給線，多為銅絞線；鋼軌在電氣化鐵路的有三大作用：列車導(dǎo)軌，牽引電流的電氣回路，信號系統(tǒng)的回路；回流線是連接鋼軌和牽引變電所的電連接線，主要是為了回流提供電氣通路。接觸網(wǎng)是牽引網(wǎng)的核心，是電氣化鐵道的主要供電設(shè)施，其功能是不間斷的向火車供電。 3.電力系統(tǒng)對牽引變電所的供電方式 電力牽引為一級負(fù)荷，牽引變電所應(yīng)有兩路電路電源供電；當(dāng)其中任一路發(fā)生故障時，另一路應(yīng)能正常供電。兩路電路可以由電力系統(tǒng)中不同的變電所供電，也可以由同一區(qū)域供電。供電電

9、壓有 110kv 和 220kv 兩種。其中 110kv 區(qū)域變電所數(shù)量多，分布廣，可以就近供電，投資低。220kv 系統(tǒng)容量大，電壓穩(wěn)定，承受負(fù)序電流和諧波電流的能力大。直接用其供電，降低系統(tǒng)的投資，但牽引供電所受電電壓較高，投資增大。 電力系統(tǒng)對電氣化鐵路的供電應(yīng)保證供電的質(zhì)量，牽引變電所電源側(cè)母線電壓變動幅度不應(yīng)超過額定電壓的 5。 電力系統(tǒng)對牽引變電所的供電方式，即牽引變電所一次側(cè)的供電方式，可分為一邊供電，兩邊供電和環(huán)形供電。 4.牽引變電對牽引網(wǎng)的供電方式 牽引變電所對接觸網(wǎng)的供電有兩種方式:單邊供電和雙邊供電。接觸網(wǎng)通常在相鄰兩牽引變電所的中央斷開，將兩牽引變電所間兩個供電臂的接

10、觸網(wǎng)分為兩個供電分區(qū)。每以供電分區(qū)的接觸網(wǎng)只能從一端的牽引變電所獲得電能，稱為單邊供電。單邊供電的主要優(yōu)點是：當(dāng)某一供電臂內(nèi)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，只影響本供電臂，而不影響其他供電臂的正常供電，從而縮小事故范圍。我國一般為單邊供電。如果在中央斷開處設(shè)開關(guān)設(shè)備時可將兩供電分區(qū)連通，此處稱為分區(qū)亭。將分區(qū)亭的斷路器閉合，則相鄰牽引變電所間的兩個接觸網(wǎng)供電分區(qū)可同時從兩變電所獲得電能，此方式稱為雙邊供電。雙邊供電均衡了負(fù)荷，降低了接觸網(wǎng)的損耗，可以提高接觸網(wǎng)的電壓水平，但雙邊供電形成環(huán)網(wǎng)，當(dāng)牽引變電所電源側(cè)線路發(fā)生故障時，低壓側(cè)向高壓側(cè)有反饋，會造成繼電保護(hù)設(shè)置困難。 5.牽引網(wǎng)的供電方式 針對牽引網(wǎng)的結(jié)

11、構(gòu)，采取不同的技術(shù)措施和裝備，以減少牽引網(wǎng)對鄰近通信線的干擾，降低牽引網(wǎng)電壓的損失和電能損失，提高電氣化鐵道效益，從而形成了牽引供電系統(tǒng)不同的供電方式。供電方式主要有直接供電方式，吸流變壓器（bt）供電方式，自耦變壓器（at）供電方式，直供回流（dn）供電方式。接觸網(wǎng) 接觸網(wǎng)是在電氣化鐵道中，沿鋼軌上空“之”字形架設(shè)的，供受電弓取流的高壓輸電線。接觸網(wǎng)是鐵路電氣化工程的主構(gòu)架，是沿鐵路線上空架設(shè)的向動車供電的特殊形式的輸電線路。也稱為架空式接觸網(wǎng)，接觸網(wǎng)是牽引網(wǎng)的核心，是電氣化鐵道的主要供電設(shè)施，其功能是不間斷的向火車供電。從結(jié)構(gòu)形式看分為：1.基礎(chǔ)構(gòu)件，如水泥支柱、鋼柱及支撐這些結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)

12、；2.基礎(chǔ)安裝結(jié)構(gòu)件，這項內(nèi)容的作用主要是連接接觸網(wǎng)導(dǎo)線和基礎(chǔ)構(gòu)件；3.接觸網(wǎng)導(dǎo)線，這部分作用就是傳輸電流給電力機車；4.其他輔助構(gòu)件，包括回流線、附加懸掛等。接觸網(wǎng)、鋼軌與大地、回流線統(tǒng)稱為牽引網(wǎng)。其特點為：露天設(shè)備、無備用、機電一體化因而對其基本的要求為 ，在惡劣氣候條件下下能保證正常供電。 （1） 設(shè)備安全可靠， （2） 有足夠的電氣強度，能保證在牽引高峰時正常的提供電能。 （3） 有足夠的機械強度，保證接觸網(wǎng)懸掛具有可靠的穩(wěn)定性。 （4） 網(wǎng)上設(shè)備的空間位置不影響受電弓取流。 （5） 有足夠的防腐性能和耐磨性能 （6） 在最高速度運行速度下，弓網(wǎng)離線率應(yīng)在可容許的范圍內(nèi)。高壓供電系統(tǒng)

13、高壓供電系統(tǒng)的功能就是將來自接觸網(wǎng)的電能進(jìn)行變壓和濾波處理，再供給列車電氣系統(tǒng)各設(shè)備使用。這些電氣系統(tǒng)是：輔助電源系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)。 高壓供電系統(tǒng)主要設(shè)備有受電弓、高壓總線斷路器、主斷路器、主變壓器、網(wǎng)側(cè)變流器、輔助逆變器、電機逆變器、三相變壓器、電池充電器等。受電弓 電力牽引機車從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設(shè)備，安裝在機車或動車車頂上。受電弓可分單臂弓和雙臂弓兩種，均由滑板、上框架、下臂桿（雙臂弓用下框架）、底架、升弓彈簧、傳動氣缸、支持絕緣子等部件組成。菱形受電弓，也稱鉆石受電弓，以前非常普遍，后由于維護(hù)成本較高以及容易在故障時拉斷接觸網(wǎng)而逐漸被淘汰，近年來多采用單臂弓（見圖）。高速列

14、車通過車頂上的受電弓與接觸線的滑動接觸來獲取電能的，該過程稱為“收流”，負(fù)荷電流通過接觸線和受電弓滑板接觸面的流暢程度與滑板與接觸線間的接觸壓力、過渡電阻、接觸面積有關(guān)。 單臂受電弓 升弓：壓縮空氣經(jīng)電空閥均勻進(jìn)入傳動氣缸，氣缸活塞壓縮氣缸內(nèi)的降弓彈簧，此時升弓彈簧使下臂桿轉(zhuǎn)動，抬起上框架和滑板，受電弓勻速上升，在接近接觸線時有一緩慢停滯，然后迅速接觸接觸線。 降弓：傳動氣缸內(nèi)壓縮空氣經(jīng)受電弓緩沖閥迅速排向大氣，在降弓彈簧作用下，克服升弓彈簧的作用力，使受電弓迅速下降，脫離接觸網(wǎng)。 收流，這項技術(shù)看上去平淡無奇。然而，實際上它卻一直是困擾世界高速鐵路界的一個難題，至今也仍是各國技術(shù)人員孜孜不倦

15、進(jìn)行攻關(guān)的研發(fā)課題。因為保證在高速的條件下良好的收流實在是太難了。1964 年，日本東海新干線開通前的列車試運行時，最讓日本鐵路專家不安的技術(shù)問題，不是信號，也不是線路，而是受流！人類對交通工具的速度永遠(yuǎn)充滿熱情，中國、日本、法國等國都在研發(fā)更高速度等級的高速列車，受流，依舊是技術(shù)專家們需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。受流質(zhì)量?岣叩募虻治?由于列車運行所需要的電能是靠受電弓與接觸線的接觸來獲取的，所以，在列車運行過程中，如果受電弓與接觸線能夠保持緊密接觸就在理想不過了，然而現(xiàn)實中，這種理想的接觸很難實現(xiàn)，對于高速的列車尤其如此。 受電弓是靠一定的抬升力讓滑板與接觸網(wǎng)保持接觸的。例如:京津城際高速列

16、車受電弓的靜止抬升力約為 70-80 牛頓，列車高速運行時受氣流的作用會產(chǎn)生一個動態(tài)的抬升力，故列車在抬升力的作用下發(fā)生上下振動，受電弓前進(jìn)的速度和接觸線波動的傳播的速度越接近，受電弓和接觸線就越容易失去接觸，這種現(xiàn)象叫做離線。一般用離線率評價列車受流質(zhì)量的好壞。為了降低離線率，我們在接觸懸掛方式已定的情況下，從接觸線和受電弓的兩個方面進(jìn)行努力。 1. 接觸線的波動速度和列車速度越接近就越容易發(fā)生離線。經(jīng)試驗表明，列車速度與波動傳播的比值在 0.6-0.7 之間，就可以保證良好的受流質(zhì)量。因而在保障良好受流的前提下要提高列車速度，采取提高波動傳播速度是一種有力的手段，其措施有兩個：一是增大接觸

17、線的張力；二是降低單位長度接觸線的質(zhì)量，也就是其采用輕質(zhì)材料。 2.增大受電弓的抬升力和減輕受電弓的質(zhì)量也可以提高受流的質(zhì)量，但這個辦法有一定的限度，同時也受電弓滑板和接觸線的損耗，縮短壽命，所以需要綜合考慮，合理選取。輔助供電系統(tǒng) 高速列車的輔助供電系統(tǒng)包括三相交流供電系統(tǒng)及直流供電系統(tǒng)兩部分。輔助供電系 牽統(tǒng)采用母線供電方式 三相交流供電母線為列車中的牽引變壓器冷卻泵及冷卻風(fēng)機， 引 流器冷卻泵及冷卻風(fēng)機、空氣壓縮機、空調(diào)系統(tǒng)制冷壓縮機、冷凝器風(fēng)扇等 、管路伴熱器、客室照明系統(tǒng)、廚房設(shè)施、衛(wèi)生設(shè)備等提供電源 直流供電母線為列車中的硬線控制電路、列車中央控制單元、牽引控制單元、制動控制單元，

18、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備輔助空氣壓縮機等提供電源。速列車上所有系統(tǒng)設(shè)備的運行都離不開輔助供電系統(tǒng) 輔助供電系統(tǒng)直接關(guān)系到整個列車的運行狀態(tài) 是列車穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。 其基本工作原理：輔助變流器通過牽引變壓器輔助繞組或牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)獲取電能 并將其轉(zhuǎn)換為三相交流電供車上負(fù)載設(shè)備使用 充電機通過三相交流母線供電經(jīng)過整流后將電能變換為直流電供給車上負(fù)載設(shè)備供電 并對蓄電池進(jìn)行充電。整個輔助供電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件主要有輔助變流器、充電機以及蓄電池。 crh1 crh2 crh3 crh5 輔助變流器容量 144kva5 205kva2 160kva 300kva5 牽引輔助系統(tǒng) 取自牽引回路直 取自牽引變壓器 取自

19、牽引回路直 取自牽引回路直 輸入電壓 流環(huán)節(jié) dc1650v 輔助繞組單相 流環(huán)節(jié) dc3000v 流環(huán)節(jié) dc3600v ac400v/50hz 交流母線電壓 3ac400v/50hz ac100v/50hz 3ac440v/60hz 3ac400v/50hz ac220v/50hz 充電器容量 22kva5 58kva2 60kva2 15kva8 直流母線電壓 110v 100v 110v 24v 中國高速列車輔助供電系統(tǒng)基本參數(shù)牽引系統(tǒng) 牽引系統(tǒng)主要設(shè)備包括：變流器箱、過濾器箱、牽引電動機、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、反應(yīng)桿、速度傳感器等。 牽引系統(tǒng)的主要作用是將主電壓器牽引線圈的交流電壓轉(zhuǎn)換成可

20、變振幅和頻率的三相電壓，用于與齒輪連接的牽引電動機的驅(qū)動和制動。該設(shè)備在驅(qū)動時向齒輪提供網(wǎng)側(cè)電源；切換至制動時將改變電源方向，并將牽引電動機變?yōu)榘l(fā)電機。 牽引系統(tǒng)還為輔助電源系統(tǒng)供電；驅(qū)動和停止時，主變壓器牽引繞組的 ac 電壓被轉(zhuǎn)換成dc 輸入電壓供給輔助逆變器。制動時，牽引電動機生成的 ac 電壓被轉(zhuǎn)化成 dc 輸入電壓供給輔助逆變器。牽引傳動系統(tǒng) 電力牽引傳動系統(tǒng)主要由牽引供電裝置，變流調(diào)速裝置，驅(qū)動裝置三部分構(gòu)成。牽引供電方式經(jīng)歷了初期的低壓直流，三相交流供電后，電流制逐步趨向統(tǒng)一。均采用交流傳動。 交流傳動技術(shù)的特點和優(yōu)點：1、構(gòu)造簡單 異步電動機是所有電機中結(jié)構(gòu)最簡單的電動機，除軸

21、承外，沒有其他機械接觸部分。串激直流電動機則不然，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。定子、轉(zhuǎn)子都有絕緣要求很高的繞組，有換向器裝置和電刷機構(gòu)，磨擦部分多，接線復(fù)雜，機械轉(zhuǎn)速受換向條件和機械強度的限制，只能達(dá)到 而交流異步電動機轉(zhuǎn)速可達(dá) 4000r/min 以上，2500r/min 左右。 試驗轉(zhuǎn)速甚至可達(dá) 6000r/min，這是直流電機所忘塵莫急的。 2、粘著性能好 （1）異步電動機有很硬的機械特性，所以當(dāng)某電機發(fā)生空轉(zhuǎn)時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩很快降低，具有很強的恢復(fù)粘著的能力?？辙D(zhuǎn)發(fā)生時，轉(zhuǎn)速上升值不大，即使是同步轉(zhuǎn)速，與原工作點的轉(zhuǎn)速差超出 5以上。串激電動機則不然，轉(zhuǎn)矩變化一點，轉(zhuǎn)速就有很大的變化。 （2）異

22、步電動機的工作點可以很方便地進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)最大可能的粘著利用，不會出現(xiàn)粘著中斷情況。根據(jù)檢測有關(guān)粘著控制的信號，準(zhǔn)確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點，使驅(qū)動系統(tǒng)既不?芊兆幟艸浞址幼畬蟮那?（3）可實現(xiàn)各軸單獨控制。當(dāng)某臺電機發(fā)生空轉(zhuǎn)時，可調(diào)節(jié)該臺電機，這樣能充分利用機車的粘著性能。在交直傳動系統(tǒng)中，某軸空轉(zhuǎn)時，需要使所有各軸電機卸載，這樣就大大降低了機車的牽引能力。3、功率大，牽引力大 這個概念是指在其它條件大致相同的前提下，在機車結(jié)構(gòu)所提供的空間條件下，可以裝更大功率的異步電動機。如加拿大改造的 cp4744 號機車，在給定的設(shè)計空間條件下，直流電動機的功率大約被限制

23、在 600700kw/軸。裝用 bbc6fra40b 異步牽引電動機，其功率可達(dá)1492kw/軸以上。正因如此，才可使機車的牽引功率大大提高。4、可靠性高，維修簡便 交流異步電動機無換向器、無電刷裝置；除軸承外無磨擦部件，密封性好，防潮、防塵、防雪性能好；全部電氣部件均是絕緣的，且所用絕緣材料均為 h 級或 f 級，絕緣性能好，耐熱性能好。因此故障率低，可靠性高。5、效率高，利用率高、使用靈活性強 交流傳動系統(tǒng)的總效率約為 0.90，而交直流傳動系統(tǒng)的總效率約為 0.86。e120 交流傳動機車在長期應(yīng)用對比中發(fā)現(xiàn)，客運作業(yè)時可節(jié)能 36，貨運作業(yè)時可節(jié)能 810。由可 靠性、耐久性和易于維修的結(jié)合，使交流傳動機車的利用率顯著提高。與直流傳動機車相比，bbc 交流傳動機車的利用率提高了 10。對鐵路運營管理來說，在計算所需數(shù)量時，機車?yán)寐势鹬匾饔?，對所需投資有決定性的影響。 交流傳動機車有很強的使用靈活性，它既可滿足貨運的大的起動牽引力的要求，又可滿足