客运专线电气化的技术特点

2004年12月December 2004增刊JOURNAL OF RAIL WAY ENGINEERING SOCIETYSupplement文章编号:1006- -2106(2004)00 -0174- -04客运专线电气化的技术特点曹东白*姜春林丁为民苏鹏程李汉卿李高翎(中铁电气化勘测设计研究院，天津300250)提要:为适应客运专线列车负荷大、密度大、速度高以及大运量旅客运输的特点,牵引供电系统的牵引供电方式、外部电源电压、牵引变压器接线;变电所的设备集成化、无人值班、安全监控、接触网的马网关系悬挂方式、接触线线材选择、综合接地等技术问题与既有线路有不同的解决方案。关键词:客运专线;电气化;特点中图分类号: U224文献标识码:A易产生电弧等方面存在严惩不足,从1972年山阳新干线开始采1客运专线列车负荷的特点.用AT供电方式。目前日本所有新干线均采用AT方式,东海道世界各国的客运专线,无一例外地采用了电力牵引的方式，新干线也于80年代改造为AT方式。客运专线列车有动力分散型(电动车组)和动力集中型(机车牵表1各国代表性高速列车特性(300 km/h以上) .引)两种。参数|载重[ 电机|额定功率|吨功率|营业速度国名客运专线是铁路客运大动脉,其突出特点是列车速度高、密车型(kW){kW)(kW/) (km/h)度大,列车功率大。目前,列车最高运营速度e达300-350 km/h,JR-500日本700 285x6418240 26.1300伴随速度的提高,列车功率也显著增加(见图1)。列车功率最大TGV-A法国4791100x8 8800 18.4已达1 800kW左右(各国高速列车电气参数见表1),列车电流TGV-R法国4161100x8 880021.2最大达900A以上(见图2)。Eurostar法国816 1020x12 12200| 15.0列车密度大也是客运专线的特点之一，目前最小列车运行AVE西班牙4211 100x8 8800| 20.9间原已达3nin以内。ETRS0O意大利635|1 100x8 8800 13.540TCV-Korea法韩7741 100>x12 13200 17.1多300r 250AGV法国359 I 600x12| 7200| 20.1350，200德国400500x16800020330100◆Fe+160ICF3- 350E德国400 500x16 8 8002228.18.6设计用车型中国800 | 330x4815840| 19.8单位重量牵引功率(kW/1)图1牵引功率和列车速度关系 曲线2.1.2法国1982年,法国第一条高速铁路一-TCV 东南线建成,全线2牵引供电方式采用直供和AT混合供电方式(8 个直供变电所、2个AT变电所),采用AT方式主要是节省外部电源费用。2.1 国外高速铁路牵引供电方式从1990年TGV大西洋线开始,所有高速铁路采用AT方式。2.1.1日本2.1.3德国日本由于国土狭窄，电气化铁路常常与通信线路处子同一德国高速铁路采用15kV,16 2/3HZ 供电,铁路有自营的走廊,因此在第一条高速铁路一东海 道新干线(1964年)采用专用单相16 2/3 HZ的发电厂,给牵引变电所供电,也有部分了BT方式。但由于BT方式在供电能力和BT变压器处电分段采用公共电力系统,经电气化铁路的变频站供给牵引网。供电方增刊.曹东白等:客运专线电气化的技术特点1752.4高速铁路AT牵引供电系统的发展含900c 800白从1972年日本山阳新干线通车,AT方式首次工程应用电话7006000以来,AT供电技术有了很大的进步,AT供电系统8趋简单。S002.4.1 牵引变电所馈线电压400300日本AT方式牵引变电所馈线电压为55kV,变电所需设200SwV本引力AT,同时馈线设备均为55 kV电压等级。100以法国为代表的AT方式牵引变电所馈线电压采用2x275kV,700 1500 250 300 35kmn/h变电所取消AT,同时馈线设备均为2x27.5kV,降低了电压等圜2高速列车牵引特性曲线级，简化了牵引变电所的接线和设备。式采用直供方式,全线同相,没有接触网电分相，且牵引变电所2.4.2关于辅 助分区所(SSP)间牵引側实行双边供电。日本在AT牵引网设有馈电臂分段用SSP,主要目的是减少事故情况下馈电臂停电范围,但增加了系统的复杂性,而法国等2.2. AT 方式简介国家不设SSP。AT供电方式牵引变电所供电电压为2x27.5kV,比直接供2.4.3自耦变 压器(AT)设置密度电方式供电电压高一倍,因此AT供电方式也称作2x27.5kV供日本最初的AT区段,规定AT的间隔为10km,主要是从电方式。防干扰角度考虑,但随着通信线路的光缆化,日本最近建成的东AT供电方式牵引网由AT(自耦变压器)接触线、正馈线、北新干线延伸线盛冈-八户段,AT间隔已增加到15km,法国.钢轨和保护线构成(见图3)。正馈线和接触线构成牵引网平衡AT 区段AT间隔也在15km左右,我国大秦、京秦线AT最大间回路,AT将2x27kV电压转换成27.5kV向列车供电。隙达19 km。与直接供电方式相比AT方式牵引网增设了AT,并在接触2.4.4接触网接地保护 方式网方面增加了正馈线和保护线。日本在AT区段以前一直采用双重绝缘加放电器实现接触网绝缘子闪络保护接地，但由于接触网结构复杂和放电器不如直接接地更直接可靠,近几年修建的新干线(如上野新干线和九|变。Tr州新干线)均取消双重绝缘,改为直接接地方式,欧洲各国的高电速铁路接触网也采用直接接地。所AT3牵引变电所牵21.58;R3.1牵引变压器 接线引27.68前F高速铁路牵引变压器接线主要有单相、V型、斯考特和伍德网布里奇等四种。目前欧洲国家多用单相接线,其优点是变电所接线简单,变Tr.主变压器; AT.自耦变压器;T.接触悬桂; R.钢轨;F正馈线电所处接触网可不设电分相,有利于商速列车的运行;但对电力图3 AT 供电方式示意圍系统的负序影响较大。V型接线目前在国外个别变电所中采用，主要是考虑负序2.3 AT 方式和直供方式的一般性比较影响。AT供电方式供电电压高,因此供电能力强,牵引变电所的斯考特和伍德布里奇接线均为平衡接线(见图4),主要在间距大，可减少接触网电分相和电力系统投资。在电磁兼容方日本采用。日本对负序影响有较严格的限制,采用上述接线可以面，由于AT供电方式是平衡回路,因此对通信线的危险影响和符合电力系统的要求，但对于前两种接线而言，变电所接线复杂音影响具有较好的屏蔽作用。杂,且需要配置55 kV设备和AT。直接供电方式牵引网系统简单，能适应目前一般既有电气3.2外部电源供电电压化铁路牵引供电的需要，在电磁兼容方面防干扰效果不如AT国外客运专线外部电源供电电压为154.225275和400kV。在具体应用上,我国除几条运煤和重载线路(如京秦线、大客运专线AT方式牵引变电所的容量与既有铁路直供方式秦线、神朔线、侯月线)和个别繁忙干线(京广线郑武段)采用AT引变电所相比有大幅的增加，达50~75 MVA;同时为了减少接触方式外,其余电气化铁路均采用直接供电方式。对于高速铁路，网电分 相,牵引变压器采用单相接线是有效措施之一。对于大容国外以采用AT方式为主。因此AT方式适用于客速专线.重载量的单相负荷，电力系统只有采用高压或超压供电才能承受单铁路和繁忙的干线铁路。直接供电方式适用于包括繁忙干线在相牵引负荷的影响,目前110kV供电已不能满足需要,因此采用176铁道工程学报2004年12月对于客运专线接触网，要求列车运行速度和C之比(称为Lu_0-可WiIr_无量纲速度β)在0.7-0.75以下。 当列车速度越接近C，即β越大时，弓网的振动越剧烈。表2是国外几条高速铁路接触网的12波动传播速度和无量纲速度。座44kV表2国外高速铁路接触网相关参数W63~154kV (法国地西班牙马德里I德国法兰志福2线别中海线-塞维利亚线-科隆线Iu,M座44k设计时速(km/h)350330接触线波动IW_传播速度493553572(a)斯科达结线C(km/h)Sit. Tr。上W.B无量纲速度β.710.630.58接触线型号| CuMg 150(0.2)CuMg 150(0.5) CuMg 120(0.5)| CuSn 150(0.2)B应V接触线张力kN)31.5为了提高波动传播速度,除了尽量采用较细的接触线外,主A座要是加大接触线的张力，这就对接触线的材质提出了更高的要220kV60kV求。目前用于高速接触线的线材主要有日本采用的铜包钢(CS)线，日本、法国采用的锡铜线(CuSn)和德国、法国、西班牙采用的镁铜线(CuMg) ,有关锡铜和镁铜线的主要技术数据见表3。(b)伍德布里奇结线表3欧洲高速接触网常用铜合金接触线的主要技术数据图4日本国铁AT变电所主变压器结线型式JCuSn150CuMg150CuMg150CuMg1203.3 馈线设备(0.2)(0.5)直径(mm)14.8传统的AT牵引变电所馈线设备由断路器、隔离开关、避雷器等单体设备组成，户外布置，日本在个别变电所分区所采用GIS。线密度(nm)1.3341.067随着35 kV电压等级的户内开关柜，特别是GIS开关柜技20C时直流电阻(0/km)| 0.1650.1541.910.239术的日臻成熟和AT牵引变电所馈线电压由55kV改进为2x电阻率(x10- 80m)2.3952.242.278 2.27827.5kV,户内CIS开关柜型式的馈线设备已在国外采用(如西线膨胀系数(x10-6/C)| 1717班牙马德里一塞维利亚线), 牵引变电所因此更加小型、简单和综合拉断力(kN)61.168.457便于维护。抗拉强度(N/mm)4204704903.4 二次设备允许工作应力(N/mm)197220230主要配备基于保护、控制、监视、测量为主要功能的全所自动化允许工作张力(kN)29.633.127.6使用张力(kN)25系统基于无人值班和安全防火的安全监控系统和与全线综合调度运营速度V(km/h)系统接口的牵引供电调度系统。波动传播速度C(km/h) 4935734接触网β值(=V/C)0.710.61安全系数(磨耗面积为1.921.701.664.1 弓网受流系统20% ,张力增量按29%考虑)列车在运行过程中通过受电弓从接触网获得电能，弓网之间的接触质量直接影响受流质量。弓网受流系统是高速铁路应4.1.2接触网应解央的重要问题一吊弦布置解决的重要课题之一。吊弦布置直接影响整体的弓网动态接触力，并对以下因素41.1接触网应解决的根本问题一波 动传播速度产生影响:客运专线接触网首先要提高接触线的波动传播速度。(1)硬点。影响局部点的最大最小按能力,可减少与接触线受电马抬升力引起接触网的振动.该点振动的传播速度即称相连的零部件质量和采用其它辅助措施(如在悬挂点增加弹性作波动传播速度(C)。C与接触线张力T和线密度p的关系如下:吊素等);增刊曹东白等:客运专线电气化的技术特点177(3)施工、维修、抢修。力争简单、高效;其它国家均采用简单或弹性链型悬挂。(4)使用寿命:4.2.2三种悬挂 方式对高速的适应性(5)造价。日、法、德三国专家都认为,对于高速接触网,只要接触线的4.1.2受电马张力有足够大，采用任何- -种悬挂方式均能满足高速弓网系统高速列车受电弓为取得良好的受流效果，在低速一元弓和对受流质量的要求，事实上目前三种悬挂方式在各国均有300二元弓的基础上,发展为目前的三元弓,即在二元弓的基础上进km/h及以上良好运行的实绩。-步把弓头分为滑板和滑板座，其间设支撑弹簧使受电弓成为4.2.3 3 种悬挂方式的比较三质点，例如德国生产的DSA- 350和法国生产的CPU受电弓复链型悬挂过于复杂.除日本以外,其他国家很少采用。车。简单链型悬挂结构简单,便于施工,维护和抢修,使用寿命高速受电弓不仅要求弓头质量小，同时要有良好的追随特可以达到了期的目标。性和空气动力特性,其参数应与接触网参数相匹配,这样叮以使弹性链型悬挂比简单链型悬挂弹性均匀度好，接触线寿命弓网系统受流质量获得事半功倍的效果。可以达到予期目标。结构上比简单链型悬挂多弹性吊索,施工、4.13弓网系统受流质量评价维护和抢修较复杂。各国高速铁路对弓网系统的受流质量均有自己的评价标4.3客运专线接触网主要参数准，表4是去年欧洲铁路联盟为即将形成的欧洲高速铁路网制定的马网受流标准。国内客运专线简单链型悬挂接触网主要参数(供参考):最高运行速度:350 km/h;表4欧洲高速铁路弓网受流质量的评价标准接触线类型:CuSn150(0.2)或CuMg150(0.2);评价项目评价项日接触线张力:25 kN;300 km/h| 300 km/h承力索类型:THJ]120;平均接触力Fm(N)160190承力索张力:20kN;接触力最大标准偏差σ0.3xFm接触线高度:5300mm;离线率(%)0.14结构高度:1600 mm; .≥2定位器允许拾升量与最大拾升量之比值跨距长;60m;锚段长:2x700 m;4.2接触网悬挂方式侧面限界:3 650 m。4.2.1国外高速接触网悬挂方式发展状况日本从东海道新干线开始一直采用复链型悬挂，直到19974.4客运专 线接触网检测年,在新建的上野新干线开始采用简单链型悬挂,最近开通的东客运专线接触网的检测除需要和普速接触网-样测试静态北新干线延伸线盛冈一八户段(2002, 12)和在建的九州新干线也参数外,必须测试列车高速运行状态下的受流性能。采用简单链型悬挂。关于测试项目,各国家不尽相同。根据欧洲标准,须测动态法国第-一条TGV高速线一-东南线采用弹 性链型悬挂,而接触力(或离线率)和接触线的拍升量。以后修建的TGV线.包括最近开通的地中海线均采用简单链型测试分车.上和地面，车上测试包括综合电气轨道测试车和悬挂。运行列车跟踪测试，主要测接触力或离线率。地面测试主要是接德国高速线全部采用弹性链型悬挂。触线敏感点的抬升量,包括跨中、悬挂点，锚段关节和线岔等。TECHNICAL CHARACTERISTICS OF PASSENGER DEDICATED LINEELECTRIFIED RAILWAYCAO Dong bai, JANG Cun tin, DING Wei- min, SU Peng cheng, LI Han-qing,LI Gao-lingElctnification Survey and Design Institute of Chinese RailwayAbstract: With increment of train load ,density and speed on Passenger. Dedicated Line, the diferent solution is required to the feedingsysterof ectrified railway ,such as voltage of outside power, contact wire of traction substation , equipment integration for substation,unattended , safety control , relationship between pantograph and catenary ,suspension, materials of overthead contact wire and earthing.Key words: Passenger Dedicated Line; electrification; features