电气化轨道交通概述

第1章电气化轨道交通概述

1.1 电气化轨道交通的起源与发展

电气化轨道交通是指利用电能作为牵引原动力的轨道交通，具有牵引功率大、能源综合利用率高、劳动生产率高、便于实现自动化控制的优点，已成为现代化轨道交通的主流。

世界首套具有现代雏形的“电气化轨道交通系统”出现于1879年［1］，该系统由“一条轨距1m、长300m 的椭圆形轨道（兼作回流轨）；一根敷设于两走行轨中间的DC150V供电轨；一台2.2kW直流电机驱动的…电力机车‟；三节…客车车厢‟”组成，最高运行速度13km/h，一次载客量18人，如图1-1-1所示。

图1-1-1 世界上第一套电气化轨道交通系统

由于受电力技术的限制，早期的电气化轨道交通系统均采用低压直流供电。随着电力和电子技术的发展，电气化轨道交通系统逐步向高压、交流和大功率牵引发展，并逐步演化为城市地铁、城市轻轨和干线电气化铁路等不同运输形式。

1.1.1 城市地铁及轻轨的发展

城市地铁和轻轨统称为城市轨道交通，全世界现有142座城市拥有城市轨道交通系统，运营里程近10000km，有14座城市的地铁运营里程在100 km以上，其中纽约和伦敦的地铁线超过400 km，巴黎地铁线超过300 km，近期还有20多个国家的30多座城市正在修建城市地铁［２］。

世界第1条地铁于1863年在英国伦敦建成并投入运营，最初由蒸汽机车牵引，1893年实现电气化，这也是世界第一条电气化地铁系统。

1886年美国阿拉巴马州蒙哥利市开始出现有轨电车，这是世界上最早的“城市轻轨”。旧式有轨电车速度慢、噪声大、舒适度差、且占用城市街道、影响城市景观，在汽车交通的冲击下纷纷落马，到20世纪70年代，全世界仅有8座城市还存在有轨电车。当汽车交通的弊端（交通堵塞、空气污染、噪声扰民、能源危机）凸显之后，国际上一些大城市便利用现代技术改造旧式有轨电车，建成了技术先进的现代化城市轻轨交通系统。

中国第1条地铁是北京地铁，始建于1965年，1969年9月通车；2000年5月，北京开始轻轨（西直门~回龙观）建设，2001年建成通车。到2015年底，北京地铁及轻轨交通的运营里程将达到468km以上［2］。

截止至2009年底，中国已开通城市轨道交通的城市有北京、天津、上海、广州、深圳、香港、台北、武汉、南京、重庆、长春、大连等，正在建设和即将开通的城市有成都、杭州、青岛、长春、沈阳、高雄、台中等20多个城市，至2010年，中国城轨交通里程总数将达到2091.15km［3］。

1.1.2 电气化铁路的发展

世界第1条商业运营的电气化铁路于1893年在瑞典诞生，线路全长11km，DC550V供电。随后西欧和前苏联都拥有了自己的电气化铁路，但因两次世界大战的影响，电气化铁路并没有得到很大发展。二战之后，发达国家急剧增长的运输需求和行业竞争迫使铁路部门开始了大规模的铁路现代化建设（主要是铁路电气化建设），电气化铁路的建设速度不断加快，平均每年新建电气化铁路在5000km以上。到20世纪70年代末，欧洲、日本以及前苏联的铁路干线均已实现电气化。

中国第1条电气化铁路是宝（鸡）~成（都）铁路，始建于1955年，1961年8月15日宝鸡至凤州段（93km）建成通车。由于历史原因，全长676km的宝成电气化铁路至1975年7月1日才实现全线通车。

改革开放后，中国电气化铁路得到了突飞猛进的发展，截止至2009年底，中国电气化铁路总运营里程已突破26000 km ，仅次于俄罗斯，位居世界第二。根据08年底修订后的《中长期铁路网规划》，到2020年，中国铁路运营里程达120,000km ，电化率在60%以上。

1964年10月1日，日本新干线实现了210km/h 的实际运营速度，随后，日、德、法等国在高速铁路领域展开了激烈竞争，各国创造的基于“轮－轨”和“弓－网”的最高速度纪录如表1-1-1所示。

表1-1-1 电气化铁路最高试验速度纪录表

中国于1995年开始筹备与建设高速铁路，第6次大提速后，时速200km 以上的运营线路（均为电气化铁路）达6003km ，位居世界第一。京津城际高速铁路的建成通车以及即将开通的时速300km/h 以上的郑西、武广、京沪高速客运专线标志着中国铁路己进入崭新的历史发展时期。

1.2 电气化铁路牵引供电系统的基本构成

供电制式（供电电源的频率和电压等级）不同，牵引供电系统的组成也就不完全相同，但均包括电能的产生、馈出和传输三大部分。中国电气化铁路采用的是单相工频交流25kV 供电制式，接触网标称电压为25kV ，变电所出口电压为27.5kV ，如图1-2-1所示。

发电机升压变压器降压变压器

输电线路用户发电厂

配电系统G TM TM L

接触网馈线27.5kV 牵引变电所钢轨

110kV 专用高压输电线路牵引)供电系统

电

气

化

铁

路

供

电

系

统回

流

线受电弓或 220kV

图1-2-1 电气化铁路供电系统示意图

从图1-2-1可知，牵引变电所、牵引网和电气列车组成了电气化铁路的电力牵引系统，人们习惯将它们称为电气化铁路的“三大元件”。

（1） 牵引变电所

牵引变电所从国家电网接受AC220（或110）kV 三相电，将其变换为AC25kV 单相电馈送到接触网上，除此而外，牵引变电所还承担着降低和消除牵引负荷对电力系统影响的职责。牵引变电所中的牵引变压器、高压断路器、高压隔离开关等高压设备称为一次设备。而用于监控一次设备的低压设备，如控制室内的各种表盘等，称为变电所的二次设备。

（2） 牵引网

牵引电流从牵引变压器次边流出，经高压开关、馈电线、接触网，电气列车主变压器，钢轨、大地、回流线（A T 供电为负馈线）流回牵引变电所，如图1-2-1所示。由馈电线、接触网、轨道和大地、回流线