[科普中国]-电气化铁道

电气化铁道（electric railway）是指采用电力牵引的铁路。又称电气化铁路。在电气化铁道上，运行电气列车（由电力机车牵引的列车和电动车组），在铁路沿线设有向电力机车和电动车（简称电力机车动车）供电的电力牵引供电系统。

简介电气化铁道是用电力机车作基本牵引力的铁道。由电力机车和电力供应系统两个主要部分组成。

电气化铁道的电源来自国家电网。国家电网的高压交流电送到铁路的牵引变电所，进行第一次降压，送到轨道上空的接触网。机车从接触网上获取电流后，在机车内进行第二次降压并整流成直流电（也可在牵引变电所内整流），用以驱动直流电动机。电动机带动机车轮轴转动，机车就可牵引车厢前进。

电气化铁道发展很快，已成为最现代化的铁道。其主要特点是：

（1）电力机车效率高。采用火力发电的效率是蒸汽机车的4倍；如用水力发电，效率为蒸汽机车的10倍。

（2）功率大。20世纪末最大功率电力机车可达10000马力以上（中国使用的韶山型电力机车功率为5700马力），是蒸汽机车的4倍，内燃机车也难以比拟。由于牵引能力很强，在运输繁忙的铁道上采用，可以缓和运输的紧张情况。

（3）加速快和爬坡能力强，特别适用于山区铁路。此外，电力机车不污染环境，司机劳动条件好，旅客在旅途中也可免受煤烟和废气困扰1。

技术经济电力机车动车本身不带原动机和燃料，比功率（单位重量功率）大，与内燃机车和内燃动车相比，在相同或相近的持续牵引力（以单轴计）下持续速度高一倍以上，牵引相同重量的列车可以实现更高的额定最高速度（或称最高运营速度），而且恒功速度范围宽，电制动功率也大，所以起、制动和加、减速性能也均较优越。电力牵引这种快跑、多拉的特性能更充分地满足铁路运输对提高行车速度、增加列车重量和加大行车密度的综合要求，从而更加有利于：大幅度提高旅客运输的旅行速度和高附加值商品运输的送达速度；组织煤炭、建材、粮食等大宗货物的高效、快捷的重载直达运输；发挥速度优势，不断推出运输新产品，拓广铁路运输的营销范围，增强其在运输市场上的竞争实力。特别轨道交通与高速公路、航空运输协调发展的“运输走廊”，吸引大中城市间和市郊运输的大量客流转乘高速和快速电气列车，可以明显改善人们的旅行条件、缓解交通堵塞、减少大气污染、节省石油及土地等有限资源。这种超越上述企业效益的重大国民经济效益和社会效益，在唤醒发达国家的政府和社会对铁路公益性的再认识，为铁路发展获取资金和支持方面，起了重要的作用。

电气化铁路虽然一次投资较大，但是电气化后完成的运量大，运输收入多，运输成本低，所需投资能在短期内得到偿还清（视运量大小，一般为5年～10年，有的只需2年～3年）。运输成本的降低，主要是电力机车动车直接利用外部电源、构造简单、摩擦件少、购置费低、使用寿命长，因而包括能源费、维修费、折旧费的机务成本低；机车车辆周转快，设备利用率高；客运电力机车动轴少、轴重轻，由提速而增加的工务成本也较少；空调客车、冷藏车日起触网供电，较加挂发电车节省费用和运力。

现代电气化铁路的组成 现电气化镇路除电力牵引供电系统和电力机车动车外，还应包括对供电设施集中监控的远动系统。牵引供电设施分布在铁路沿线，运行管理复杂，早在20世纪50年代末和60年代初，国际上即开始研制并采用远动装置。随着电子技术的飞速发展，特别是计算机技术的引入，远动装置已逐步形成能日臻完善的系统（电力牵引供电系统的子系统）。远动系统的功能可归纳为“四遥”，即遥控、遥信、遥测和遥调。采用微机远动系统，可及时掌握供电设施的运行状态、节省人力和实现无人操作，防止误传指令和误操作，提高牵引供电的可靠性，保证运输安全。

电气化铁路成机务设施，除通常意义下的电力机车机务段外，还应有集机车、车辆于一体的电动车组运用和检修基地。

列车运行控制系统的发展是采用车上与地面信号相结合，以车上信号为主的控制方式。这就要求机务和动车组运用检修基地适应这种机电一体化的情况，配备相应的检修设备和技术力量，并加强与电务部门的合作。

基础知识牵引供电系统简介

将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统，又称牵引供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电所将电力系统输电线路电压从110kV（或220kV）降到27.5kV，经馈电线将电能送至接触网；接触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后便可从其取得电能，用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置，两相邻牵引变电所之间设有分区亭，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分区亭之间的接触网（含馈电线）称供电臂。

牵引供电回路是由牵引变电所——馈电线——接触网——电力机车——钢轨——回流联接——（牵引变电所）接地网组成的闭合回路，其中流通的电流称牵引电流，闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧，处理不当会造成严重的后果。通常将接触网、钢轨回路（包括大地）、馈电线和回流线统称为牵引网。

牵引供电设备的检修运行由供电段负责，牵引供电系统的运行调度则由供电调度负责。供电调度通常设在分局和铁路局调度所。

牵引变电所

牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式馈出。降低电压是由牵引变压器来实现的，将三相变为单相是通过变电所的电气接线来达到的。

牵引变压器（主变）是一种特殊电压等级的电力变压器，应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。我国牵引变压器采用三相、三相——二相和单相三种类型，因而牵引变电所也分为三相、三相——二相和单相三类。

随着技术水平的提高，我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统，牵引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行。

接触网

接触网是沿铁路沿线架设的特殊电力线路，电力机车受电弓通过与之滑动摩擦接触而授流，取得电能。所以两者均应保持良好的工作状态。

受电弓的运动状态是很复杂的，影响因素也很多。为了保证对其良好的供电，接触网结构本身应做到：

（1）接触线距钢轨面的高度应尽量相等，定位点及跨中与受电弓中心相对位置符合要求；

（2）接触悬挂应有较均匀的弹性和良好的稳定性；

（3）良好的绝缘性能；

（4）适应气象条件的变化并能保持上述特性不应有很大的变化；

（5）接触网结构应力求轻巧简单，做到标准化，方便施工和运行维修；

（6）零部件标准化，轻便，耐腐蚀，可靠性高，

（7）接触线应有足够的耐磨性；

（8）主导电回路通畅。

悬挂方式架空式接触网主要由接触悬挂、支持装置、定位装置和支柱基础四大部分组成。前三部分带电，与支柱（或其它建筑物）接地体之间用绝缘子隔开。

接触悬挂通常，接触悬挂由承力索、吊弦、接触线和补偿装置组成，即链形悬挂。补偿装置的作用是在环境温度变化时，使接触线、承力索的张力保持恒定。承力索和接触线下锚方式均采用补偿装置的叫全补偿，仅接触线采用补偿的称半补偿。支柱处吊弦采用简单吊弦或弹性吊弦的分别为简单链形悬挂或弹性链形悬挂。

我国干线电气化铁路正线大都采用全补偿简单链形悬挂，站线则多为半补偿简单链形悬挂。

只有接触线的悬挂称简单悬挂，一般都采用补偿方式，只在机务段库线、厂矿专用线等少数场合采用。

接触悬挂沿线路架设，为了满足机械受力方面的要求而分成一个一个单独的锚段，锚段与锚段的相互过渡结构称为锚段关节，通常有绝缘（四跨）锚段关节和非绝缘（三跨）锚段关节之分，前者亦称电分段锚段关节，后者则为机械分段锚段关节。锚段与锚段之间的电气联接用电联接线（三跨）或隔离开关（四跨）完成。

支持装置支持装置用以支持接触悬挂并将其负荷传给支柱或其他建筑物，其结构随线路情况而变化。区间主要为腕臂结构；站场则视股道数量、线路情况、支柱所在位置等因素而选用软横跨、硬横跨或腕臂结构，以软横跨为主，高速铁路则采用硬横梁；隧道和桥梁（下承桥）等大型建筑物处又要视具体情况而作设计，必要时采用特殊结构。

定位装置定位装置包括定位器和定位管，其作用是保证接触线与受电弓的相对位置在规定范围内，并将接触线的水平张力传给支柱。

支柱基础支柱用来承受接触悬挂和支持装置的负荷，并将接触悬挂固定在规定高度。支柱有钢柱和钢筋混凝土柱两种。前者立在用钢筋混凝土浇成的基础上，基础埋在路基内；后者则直接埋在路基中。桥梁（上承桥）通常采用钢柱，其基础在桥墩上预留。

支柱上还装有接地装置，与钢轨回路接通，起到保护作用。下锚支柱上还装有补偿装置，并设拉线装置。

供电分段为了保证安全供电和灵活运用，接触网在结构上设有供电分段。

如前所述，在牵引变电所和分区亭所在地的接触网设置的分相绝缘装置为分相电分段；在同一供电臂内设置的电分段为同相电分段，如区间和站场之间（纵向），站场内的货物线、装卸线、段管线,枢纽内场与场之间等（横向）。

同相电分段的结构为四跨锚段关节，或采用分段绝缘器+三跨锚段关节结构。

分相电分段的结构，早期为八跨（两个四跨迭加）锚段关节式，后来为分相绝缘器+三跨锚段关节所代替。随着列车速度的不断提高，锚段关节式分相结构由于其弹性好、硬点小，受电弓过渡平滑等优点，在提速区段和高速区段又逐步采用。必须指出，电力机车在通过分相绝缘装置时，要“断电”通过，即在通过前将主断路器断开，滑行通过后，再闭合主断路器继续运行，否则会引起强烈电弧，造成相间短路，甚至烧断接触网线索2。

供电方式我国电气化铁路均采用单边供电方式，即牵引变电所向接触网供电时，每一个供电臂的接触网只从一端的牵引变电所获得电能（从两边获得电能则为双边供电，可提高接触网末端网压，但由于其故障范围大、继电保护装置复杂等原因尚未有采用）。复线区段可通过分区亭将上下行接触网联接，实现“并联供电”，可适当提高末端网压。当牵引变电所发生故障时，相邻变电所通过分区亭实现“越区供电”，此时供电范围扩大，网压降低，通常应减少列车对数或牵引定数，以维持运行。

1、直接供电方式

如前所述，电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制，单相交流负荷在接触网周围空间产生交变电磁场，从而对附近通信设施和无线电装置产生一定的电磁干扰。我国早期电气化铁路（如宝成线、阳安线）建设时，处于山区，地方通信技术不发达，铁路通信采用高屏蔽性能的同轴电缆，接触网产生的电磁干扰影响极小，不用采取特殊防护措施，因此上述单边供电方式亦称为直接供电方式（简称TR供电方式）。随着电气化铁路向平原和大城市发展，电磁干扰矛盾日显突出，于是在接触网供电方式上采取不同的防护措施，便产生不同的供电方式。在接触网支柱田野侧，与接触悬挂同等高度处都挂有一条附加导线。电力牵引时，附加导线中通过的电流与接触网中通过的牵引电流，理论上讲（或理想中）大小相等、方向相反，从而两者产生的电磁干扰相互抵消。但实际上是做不到的，所以不同的供电方式有不同的防护效果。

2、吸流变压器（BT）供电方式

这种供电方式，在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器（变比为1:1），其原边串入接触网，次边串入回流线（简称NF线，架在接触网支柱田野侧，与接触悬挂等高），每两台吸流变压器之间有一根吸上线，将回流线与钢轨连接，其作用是将钢轨中的回流“吸上”去，经回流线返回牵引变电所，起到防干扰效果。

由于大地回流及所谓的“半段效应”，BT供电方式的防护效果并不理想，加之“吸——回”装置造成接触网结构复杂，机车受流条件恶化，已很少采用。

3、自耦变压器（AT）供电方式

采用AT供电方式时，牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT（自耦变压器，变比2:1）向接触网供电，一端接接触网，另一端接正馈线（简称AF线，亦架在田野侧，与接触悬挂等高），其中点抽头则与钢轨相连。AF线的作用同BT供电方式中的NF线一样，起到防干扰功能，但效果较前者为好。此外，在AF线下方还架有一条保护（PW）线，当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用，同时亦兼有防干扰及防雷效果。

显然，AT供电方式接触网结构也比较复杂，田野侧挂有两组附加导线，AF线电压与接触网电压相等，PW线也有一定电位（约几百伏），增加故障几率。当接触网发生故障，尤其是断杆事故时，更是麻烦，抢修恢复困难，对运输干扰极大。但由于牵引变电所馈出电压高，所间距可增加一倍，并可适当提高末端网压，在电力系统网络比较薄弱的地区有其优越性。

4、直供+回流（DN）供电方式

这种供电方式实际上就是带回流线的直接供电方式，NF线每隔一定距离与钢轨相连，既起到防干扰作用，又兼有PW线特性。由于没有吸流变压器，改善了网压，接触网结构简单可靠。近年来得到广泛应用。 综上所述，早期电气化铁路均采用直接供电方式，为避免和减少对外部环境的电磁干扰，研发了BT、AT和DN供电方式，就防护效果来看，AT方式优于BT和DN方式，就接触网的结构性能来讲，DN方式最为简单可靠。随着通信技术的快速发展，光缆的普遍应用，通信设施及无线电装置自身的防干扰性能大为增强，考虑到接触网的运行可靠性对电气化铁路的安全运行至关重要，所以通常认为，一般情况下DN供电方式为首选，在电力系统比较薄弱的地区，经过经济技术比较，可采用AT供电方式，BT供电方式则尽量少采用或不采用。本人认为，这是我国电气化铁路供电方式发展和应用的实践过程中总结出来的普遍看法，同样也要接受今后的实践检验，不断总结提高。

电力机车我国电气化铁路采用的电力机车大多数为可控硅整流器电力机车，其结构简单、牵引性能好、运行可靠、维修方便，而且各项经济技术指标较高，所以被广泛采用。电力机车工作时，受电弓从接触网获得高压单相交流电能，经过变压器降压和整流器整流，把高压交流电变成低压直流电供给牵引电动机使用。国产主型电力机车为SS（韶山）型， SS1、3、4、6、6B、7和7B型均为客货两用型，随着列车提速和高速铁路的发展，研制开发了SS7C、7D、7E、SS8和SS9型客运电力机车，以及DJ型（交—直—交）客运电力机车。此外，我国还先后引进过法（6Y、6G、8K）、日（6K）、德（DJ1）和前苏联（8G）等国的电力机车。有关电气化铁路的基础知识简单介绍到这里。根据铁道部关于郑~徐电气化改造工程初步设计批复意见，郑州、济南铁路局管内的郑州~徐州电气化铁路牵引供电系统采用远动装置；济南局文庄牵引变电所采用单相变电所，主变为220kV单相牵引变压器；郑州局圃田牵引变电所采用三相变电所，主变为110kV三相Y/Δ接牵引变压器；郑~徐间其余牵引变电所采用三相——二相变电所，主变为近年来新开发的110kV三相V/V接牵引变压器；接触网采用全补偿简单链形悬挂（正线）和半补偿简单链形悬挂（站线），分相绝缘装置为锚段关节式；济南局刘庄~北东闸、郑州局商丘西~兴隆庄间站场采用硬横梁方案，以满足列车最高运行速度200km/h的要求；供电方式为DN方式；客运机车为SS9型，货运机车为SS4型。

就业方向毕业生毕业后可到电气化铁道的运营、管理及施工部门，城市轨道交通的运营、管理及施工部门，电力机车的生产企业，以及一般的厂矿企业从事技术和生产工作。

就业岗位1、从事电气化铁路企业的电力调度工作。

2、从事变配电所、接触网等部门的生产、运营、检修和管理工作。

3、从事城市轨道交通牵引供电专业的生产、运行管理。

4、从事铁路及城市轨道交通牵引供电工程的施工与管理。

5、从事电气化铁道供电设备检修与维护工作。

6、在各类电力企业担任施工、运行维护工作的高级管理技术人员。

牵引供电、电力作业安全规定1、从事牵引供电工作的有关人员，实行安全等级管理制度。

2、牵引供电停电作业时，专业作业人员（包括所持的机具、材料、零部件等）与周围带电设备的距离不得小于下列规定：330kV为5000mm；220kV为3000mm；110kV为1500mm；25kV和35kV为1000mm；10kV及以下为700mm。

3、接触网的检修作业分为停电作业、间接带电作业、远离作业。

4、利用作业车进行作业时，工作平台严禁向未封锁、有电的线路侧旋转。

5、遇有雨、雪、雾恶劣天气时，一般不进行接触网“V”型天窗作业。若必须利用 “V”型天窗进行检修和事故抢修时，应增设接地线。

接触网“V”型天窗停电作业时：

1）撤除相邻线供电(馈线)臂的重合闸。

2）在牵引供电回路开口作业时，应事先采取旁路、等电位措施。

3）吸上线与钢轨及扼流变中性点连接处一般不进行拆卸作业，确需拆卸处理时，必须采取旁路措施，按分界由专业设备管理部门配合。

6、电气化铁路区段整修电缆时，电缆铠装及电缆芯两端须装设临时接地线，作业地点铺设干燥绝缘垫或作业人员穿高压绝缘靴进行。

7、需攀登牵引供电设备支柱的电力检修，由牵引供电设备专业人员现场监控进行。

8、电气化铁路区段进行架空电力线路维修、施工作业时，在与铁路长距离平行作业区段内至少每隔1km加装1组接地线3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学