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电气化铁路

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韶山9型电力机车在电气化铁路上

电气化铁路,亦称电化铁路,是由电力机车电联车这两种铁路列车(即通称的火车)为主,所行驶的铁路

可以用以下方法来对电气化铁路进行分类:

电力来源[编辑]

轨道供电[编辑]

第三轨供电

采用轨道供电的电气化铁路通常铺设有额外的供电轨道,用来连接电网和机车,为机车提供电力供应,亦被称为第三轨供电,这条轨道被称为第三轨。也有少数铁路使用第四轨(例如伦敦地铁)作为电流回路。

架空电缆供电[编辑]

接触网供电
朝鲜“红旗1号”电气化火车

架空电缆(或高架电缆),在中国大陆称为接触网供电,在台湾称为架空电车线供电[1]。相对而言,在中国大陆和台湾架空电缆和高架电缆一般是指高压输电线路

架空电缆由电力机车或动车组的架式集电弓连接,从铁路的供电电网取电。导线通过列车正常的运行轨道接地形成回路,分为柔性和刚性两种。架空电缆同时具有高压输电道的好处,例如日本京急线。此外,较新的铁路亦有采用刚性电缆,并可过渡至一般高架电缆。

超级电容[编辑]

如果不使用外部连续供电,可以借助充放电快速且功率密度高的超级电容使电力列车暂时摆脱运行沿途的供电线路,在非电化铁路或交流电铁路中的中性区行驶。但需要在特定的供电点——例如车站——进行充电来补充消耗的电能。

标准电压[编辑]

下表列出了国际标准及欧洲标准(EN)中,最常见的六款电气化铁路电压。

电气标准 电压
最低非永久性 最低永久性 标称 最高永久性 最高非永久性
600 V DC 400 V 400 V 600 V 720 V 800 V
750 V DC 500 V 500 V 750 V 900 V 1,000 V
1,500 V DC 1,000 V 1,000 V 1,500 V 1,800 V 1,950 V
3 kV DC 2 kV 2 kV 3 kV 3.6 kV 3.9 kV
15 kV AC, 16.7  Hz 11 kV 12 kV 15 kV 17.25 kV 18 kV
25 kV AC, 50 Hz (EN 50163)
25 kV AC, 60 Hz (IEC 60850)
17.5 kV 19 kV 25 kV 27.5 kV 29 kV

供电类型[编辑]

直流供电[编辑]

早期的电气化铁路采用电压相对低的直流供电。机车或动车组的电动机直接连接在电网主线上,通过并联串联在电动机上的电阻继电器来进行控制。随着电力电子学的出现,利用电子零件作开关,便可改变直流电电压的有效值,利用逆变器可以把直流电变成交流电,而且频率可以控制。因此,直流及交流电动机均可以使用。

通常有轨电车和地铁的电压是600V,750V和1500V,铁路使用1500V和3000V。过去车辆使用旋转变流器来将交流电转换为直流电。现在一般使用半导体整流器完成这个工作。

采用直流供电的系统比较简单,但是它需要较粗的导线,供电站之间距离也较短,并且直流线路有显著的电阻损失。

荷兰日本澳大利亚印尼香港马来西亚丹麦的一些地区、法国的少数地区和中国大陆部分城市轨道交通系统的线路使用1500V的直流电,其中,荷兰实际使用的电压大约有1600V到1700V。

比利时意大利西班牙波兰捷克北部、斯洛伐克、前南斯拉夫、前苏联使用3000V直流电。

低频交流电[编辑]

一些欧洲国家使用低频交流电来给电力机车供电。德国奥地利瑞士使用15kV 16.7Hz交流电。

15kV系统原本以同步发电机供电,但后来使用感生发电机供电。以16 23Hz运作时,感生发电机会出现直流分量,并导致过热问题。作为解决方案,供电频率由原本工频的13随意地改成16.7Hz,同时,此频率也落在原本16 23Hz的允许范围内,确保了铁路可正常运作。在挪威瑞典,以同步发电机供电的铁路系统则继续使用16 23Hz。

美国使用11000V或12500V 25Hz的交流电。机车的电机通过可调变压器来控制。

工频交流电[编辑]

匈牙利曾经在二十世纪三十年代在电气化铁路上使用50Hz的交流电。然而直到五十年代以后才被广泛使用。

目前,一些电气化机车使用变压器和整流器来提供低压脉动直流电给电动机使用,通过调节变压器来控制电动机速度。另一些则使用可控硅或场效应管来产生突变交流或变频交流电来供应给机车的交流电机。

这样的供电形式比较经济,但是也存在缺点:外部电力系统的相位负荷不等,而且还会产生显著的电磁干扰。

中国大陆香港港铁系统内属九铁公司部分)、法国英国芬兰丹麦、前苏联、前南斯拉夫西班牙标准轨高铁路段)、东日本(东北、上越、北海道新干线及北陆新干线轻井泽以东)使用单相25000V50Hz电力供应,台湾高速铁路台湾铁路管理局韩国西日本(东海道、山阳、九州新干线及北陆新干线轻井泽以西)使用单相25000V60Hz电力供应,而美国通常使用单相12500V和25000V60Hz的交流电。另外日本东北、北海道地区使用20000V50Hz交流电,北陆地区、九州地区使用20000V60Hz交流电。

多种系统供电[编辑]

日本E653系采用双交直流

因为有这么多的供电方式,有时候甚至一个国家内都采用不同的方式(如日本的交流电电网大致以糸鱼川静冈构造线为分界,以西是60Hz,以东是50Hz),所以列车经常必须从一种供电方式转向为另一种供电方式。其中一种方法是在换乘站更换机车,然而会造成不便。

另一种方法是使用支持多种供电系统的机车。在欧洲,通常是支持四种供电系统(直流1500V、直流3000V、交流15000V16.67Hz、交流25000V50Hz)的机车,这样,它在从一个供电系统到另一个的时候就可以不用停留。

日本国铁在上世纪60年代初已有交直流对应的列车机车、但当时只能对应其中50/60一个Hz,俗称“单交直流型”。直至60年代尾才成功研发可在全日本电化区间的行驶用的多种供电系统(直流1500V、交流20000V 50/60Hz),俗称“双交直流型”,并开始引进当时量产中的列车机车系列上,但在1987年由JR分社经营后,由于预期旅客电车不需再作全国性的调动或行驶,加上双交直流型电车成本较高,故除了至国铁末年仍量产中的415系1500番台及之后的JR东日本E653系是双交直流型电车外,单交直流型的旅客电车重新被各JR旅客会社采用。而因北海道新干线与在来线共用海峡线这一段的路轨,但海峡线使用的电压于北海道新干线通车后将升压为交流25000V,与一般在来线使用的交流20000V有所不同,因此JR货物开发、制造了能对应两种交流电电压的EH800型电力机车

世界铁路电气化概况[编辑]

世界上68个国家和地区拥有电气化铁路。2012年12月1日哈大高铁正式开通,中国大陆电气化铁路总里程突破4.8万公里,超越了俄罗斯,跃升为世界第一位。俄罗斯43300公里、德国21013公里、印度18810公里、日本16965公里、法国15217公里。

欧洲[编辑]

欧洲电气化铁路电压分布
  750V 直流电
  1500V 直流电
  3000V 直流电
  15kV 16.7Hz 交流电
  25kV 50Hz 交流电
  非电气化

台湾[编辑]

电气化路线[编辑]

优点[编辑]

电气化铁路由于以电力为动力来源,不像传统使用内燃机或蒸气机动力的火车会造成沿线较大的噪音、空气污染及车厢闷热,特别在长隧道及地下化区间。另外电动机的起步及加速较快,可缩短列车运行时间,增加班次密度,也能提高总载运量(一列车能容更多乘客)。

缺点[编辑]

由于电气化铁路有架空电线或第三轨,因此需有安全措施避免人误触高压电而伤亡。另外架空电线或第三轨也会大幅增加铁路养护的成本,因此班次不多的铁路较少采用电气化。其次,电力作为列车的主要运行能源,若铁路业者未有自备发电设施,得承受供电业者因发电能源短缺或供电设备故障等,而造成列车营运停摆的风险。另外在恶劣天气中,导致接触网与列车集电装置之间无法有效接触,使其超出接触网所允许的安全承载范围,如强风造成供电设备大幅度摆动、严寒下的架线结冰或断裂等,从而威胁列车行驶安全。例如在2008年中国大陆南方部分省市的特大雪灾中,大面积的电气化路线之供电故障,铁路部门不得不调度内燃机车将受困列车拖出。以及在中国大陆新疆的高铁路线,列车通过强风带需要挡风设备等。

参考文献[编辑]

引用[编辑]

书目[编辑]

  • 宫本昌幸 著:‘铁道の科学’,讲谈社2006年6月20日初版第1刷発行 ISBN 4062575205
  • IEC 60850: Railway applications – Supply voltages of traction systems, 3rd edition (2007)
  • The Office of the Supreme Leader, Sayyid Ali Khamenei. 20 March 2009. Retrieved 27 January 2011.