电气化铁道概论课件.pptx
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1、目 录,、电气化铁路概述 、电气化铁路牵引供电系统原理、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、对电力系统供电方案的建议、接触网关键技术,、电气化铁路概述,一、电气化铁路发展历史,1825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1881年修建第一条铁路唐山至胥各庄煤矿铁路,1909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京张铁路通车,拉开了我国铁路发展的序幕。,最早的蒸汽机车照片,1879年,在柏林的世博会上,西门子和哈尔斯克制作展出了约550m的电气化铁路,人类第一次采用电力来牵引列车。,西门子和哈尔斯克制作的电气化铁路实验照片,1881年
2、5月,德国在柏林近郊的利希特菲尔德修建的一条长2.45km的电气化铁路投入运行,这是世界上第一条商业运行的电气化铁路,开启了铁路电力牵引的新时代。20世纪初期,电气化铁路在世界各地得到迅速发展。,二、电气化铁路供电制式,早期电气化铁路主要采用直流750V、1500V供电制式,上世纪30年代后开始采用直流3000V供电制式。 1950年法国在埃克斯.累.班里亚罗什休尔伏龙区段试建的25kV工频单相交流电气化铁路成功,25kV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25kV工频单相交流制。 目前世界电气化铁路主要有以下3种供电制式: (一)1.5kV、3kV直流制 (二)15kV 16
3、2/3Hz低频单相交流制 (三)25kV工频单相交流制,三、世界电气化铁路概况,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。 到2000年底,全世界电气化铁路总里程已达262179km,占世界铁路总营业里程1208843km的21.7%,承担世界铁路总运量的50%以上。欧洲等发达国家电气化率约在50%,承担的运量比重在80%以上。,世界主要国家电气化铁路统计表,单位:万公里,世界
4、第一条高速电气化铁路日本东海道新干线(东京新大阪)于1964年10月建成通车,最高时速210km/h,开创了高速铁路的先河。随着1983年9月,法国东南高速线(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高速铁路,到目前为止全世界已建成高速铁路约6050km。,德国,1964年开始,新干线总长度达1835公里,高速列车客运量为世界之最。,高速铁路是指由新一代列车提供的时速在200350km甚至更高的铁路快速运营服务。,法国,日本,1983年开通第一条现代化高速铁路,高速列车TGV运行速度为300350km/h, 最高试验速度为515.3km/h,198
5、5年开始研究ICE高速列车,1991年投入运营, 有高速铁路700多公里,高速列车最高运行速度达330km/h,世界高速铁路的已投入运营里程(2005年),四、我国电气化铁路概况,我国第一条电气化铁路宝成铁路宝鸡至凤州段,于1961年8月15日建成通车。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1980年底,共建成电气化铁路1676km。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向主要长大干线、重载、高速发展。到2005年底,我国电气化铁路已达20132公里。电气化率为27%,承担的运量比重近50%。,铁路已成为制约国民经济发展瓶颈,电
6、力牵引,能源危机,货运运能只能满足1/3运量,客运节假日输送旅客4000万人次/日,客运高速化,既有线提速,高密度运行,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,全路行车用柴油年消耗量约占全国柴油消耗总量的10%。内燃机车使用柴油的能源利用效率较低,平均约为30%。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24.2%,效率70%;火电占74.0%,效率35%计算,综合利用效率为42.8%。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。国务院批准的中长期铁路网规划明确,
7、到2020年,我国铁路总里程将达到100,000km,其中电气化50,000km,主要干线铁路都将实现电气化。铁路电气化率约为50%,承担的运量比重在80%以上。,中长期铁路网规划客运专线,国家发展和改革委员会2004159号文件中长期铁路网规划批准:“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“四纵四横”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1.2万公里以上,客车速度目标值达到每小时200公里及以上。,“十一五”铁路规划,将建成新线19,800公里,其中客运专线9,800公里,既有线复线8,000公里,既有线电气化15,000公里。 2010年
8、,全国铁路营业里程将达到95,000公里,其中复线里程42,750公里,电气化里程42,750公里。,四纵:北京-上海,北京-武汉-广州-深圳,北京-沈阳-哈尔滨(大连),杭州-宁波-福州-深圳。 四横:徐州-郑州-兰州,杭州-南昌-长沙,青岛-石家庄-太原,南京-武汉-重庆-成都。 三个城际客运系统:环渤海地区、长三角地区、珠三角地区,覆盖区域内主要城镇。 至2020年,中国铁路将形成以高/快速客运专线为主干网络的客运系统。,、电气化铁路牵引供电系统原理,电气化铁路牵引供电系统的组成 牵引供电系统是电气化铁路从电力系统接引电源,降压转换后给电力机车供电的电力网络。它由牵引变电所和牵引网两部分
9、组成。如下图所示:,电力系统向电气化铁路供电示意图,牵引变电所采用2路电源进线,2台牵引变压器,一主一备方式运行。110或220kV电源经牵引变压器后,降压为125kV或225kV,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。 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:,牵引供电系统原理示意图,接 触 网 示 意 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。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;对弱电系统的电磁干扰较大,二、
10、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,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。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(BT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,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、供电可靠性高等优点,相对直接供电方式,钢轨
11、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;对弱电系统的电磁干扰减小 相对BT方式,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,(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。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,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; 。,(四)自耦变压器供电方式(AT方式),牵引网供电方式的比较, 225kV系统,供电电压比直供方式高一倍,电压损失降为1/4,牵引网单位阻抗约为直供方式的1/4(实际
12、略高),电能损失小,显示了良好的供电特性;(55kv阻抗归算至275kv,阻抗1/4,压损1/4) 牵引变电所的间距大,易选址,减少了外部电源的工程数量和投资; 减少了电分相数量,有利于列车的高速运行; 牵引网回路是平衡回路,防干扰效果,可改善电磁环境,并减少防干扰费用;,1) AT供电方式特点,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AT所,一般间距为10 20 km ,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净空要求高,投资较大,保护和维护难度较
13、大,1) AT供电方式特点, 125kV系统,变电设施较为简单,接触网在一般情况下(重负荷除外)也比较简单,但在接触网使用加强导线的情况下,牵引网结构已与AT供电方式相当;在牵引网的电压损失和电能损失方面较AT供电方式为大; 牵引变电所的间距较小,增加了电分相数量,外部电源的工程数量和投资较大;,牵引网供电方式的比较,2)带回流线的直接供电方式,牵引网供电方式的比较, 牵引网回路不完全是平衡回路,防干扰性能较差,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; 适用于防干扰问题不突出和外部电源投资相对较小的区段及运输繁忙干线、重载和高速线。,2)带回流线的直接供电方式,50Hz
14、/60Hz、25kV牵引供电方式(300350km/h),技术上AT和带回流线直供方式均能满足300km/h及以上高速牵引。两者相比,AT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AT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。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接供电方式,、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。,(一)交直型电力机车 电力机车从接触网取得25kV工频单相交流电,经车载变压器降压为1500V,整流后向牵引电动机供电
15、。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,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会产生谐波,功率因数较低。,SS4型货运电力机车,SS8型客运电力机车,(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流传动电力机车的研制,1979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GTO或IGBT控制导通和关
16、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,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。 我国于1991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。,德国ICE高速列车,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。 (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
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