電氣化鐵道技術論文
電氣化鐵道屬于當代的一種交通運輸工具，是通過電能作為牽引動力進行運作的。學習啦小編為大家整理的電氣化鐵道技術論文，希望你們喜歡。
電氣化鐵道技術論文篇一
電氣化鐵道節(jié)能技術探討
摘要：一直以來，我國都是能源消耗大國，對于節(jié)約能源也給予了相應的重視，并提出建設能源節(jié)約型社會的發(fā)展目標，鐵路建設中也相繼出臺與節(jié)約能源相關的政策和文件，這也正是當前電氣化鐵道設計者需要遵循的準則和技術規(guī)范。本文先就電氣化鐵道的基本概念及其組成進行闡述，然后針對外部電源、牽引變電所、接觸網(wǎng)以及電力機車中的節(jié)能技術進行探討，以供參考。
關鍵詞：節(jié)能減排;電氣化鐵道;牽引變電所;接觸網(wǎng);電力機車
中圖分類號：TE08文獻標識碼： A
引言
我國電氣化鐵路是從20世紀50年代初開始籌劃的。當時，主要是討論采用什么樣的電流制與多高的額定電壓。經(jīng)過反復研究論證，結合國內外情況，確定我國電氣化鐵路采用工頻單相25KV交流制。截至2007年底，全國鐵路電氣化里程達到24433公里，電氣化率達到27%，使機車牽引效率提高了2/3。2008年10月31日，《中長期鐵路網(wǎng)調整規(guī)劃》經(jīng)國家批準正式頒布實施。調整規(guī)劃明確了到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達到12萬公里以上的路網(wǎng)結構與布局方案，其中客運專線及城際鐵路達到1.6萬公里以上，復線率和電化率分別達到50%和60%以上，主要繁忙干線實現(xiàn)客貨分線。然而，隨著鐵路電氣化建設的不斷加快，用電量也將不斷攀升。從用電總量上來看，作為節(jié)能型交通運輸方式的鐵路仍然是用電大戶，提高電氣化鐵路的能源用電效率，將產(chǎn)生可觀的節(jié)能減排效益。
一、電氣化鐵路的組成
鐵路機車按照牽引動力所使用的能源類別可分為：蒸汽機車、內燃機車和電力機車三種。與此對應的鐵路牽引方式也有蒸汽牽引、內燃牽引和電力牽引三種。所謂電力牽引，就是由外電源供給動力車電能的牽引方式。采用電力牽引的鐵路稱為電氣化鐵路。作為電氣化鐵路牽引動力的電力機車，本身不帶能源。他必須從外部電源和牽引供電系統(tǒng)獲得電能，電能經(jīng)過變換后，輸送到牽引電動機，使牽引電動機旋轉來驅動車輪轉動牽引列車運行。因此電氣化鐵路除了一般的鐵路線路、車站、通訊、信號燈設施外、還包括特殊的牽引供電系統(tǒng)、電力機車以及相應的運行、維修和管理單位供電段、電力機務段、電力調度及其主管部門等。下圖為電氣化鐵道示意圖。
圖1電氣化鐵道示意圖
二、節(jié)能設計思路
鐵路電力節(jié)能設計的思路主要體現(xiàn)在變電、配電、用電三個方面，針對其進行細化分析，提出以下電力節(jié)能的設計思路:
(一)、變電模塊電力節(jié)能的設計思路
對變電模塊實行電力節(jié)能的設計，需對核心設備變壓器進行設計，首先需要對變壓器進行設計，變壓器在運行時，分為兩種電能損失，鐵損和線損，變壓器在工作時，由于功率產(chǎn)生的損失，線損會隨著消耗功率的增加而增加，鐵損則是根據(jù)變壓器的基本性能產(chǎn)生，屬常規(guī)固定值，因此，鐵路電力選擇變壓器時必須遵循節(jié)能降耗的原則;其次是兼并融合變壓器，變壓器的數(shù)量越多，代表其在傳輸過程中，需要消耗的能量越大，為防止電能消耗過度，可利用兼容性比較大的變壓器代替分散的變壓器，則將鐵路系統(tǒng)的變電方式改為集中式，事實證明，將變壓器進行集中變電，可較傳統(tǒng)變壓器節(jié)電20%左右;最后保障容量合適，變壓器運行過程中，容量選擇不合理會增加變壓器的損耗，同時加重無功運行的負擔，選擇容量值時，結合電力的實際情況，保障變壓器的經(jīng)濟運行狀態(tài)。
(二)、配電模塊電力節(jié)能的設計思路
鐵路電力配電模塊即是實現(xiàn)高壓到變電，低壓到用電的轉換過程，在配電線路結構中，由于電阻的存在，會在配電轉換的過程中，產(chǎn)生不良損耗，因此配電線路的損耗與線路中的電流、電阻變化存在較大的關系。為提高配電模塊的節(jié)能設計，可研究線路中的電流和電阻。公式I=P/Ucosφ，可推斷出電流與功率的變化關系，通過提高配網(wǎng)中的φ，實現(xiàn)損耗的降低，安裝無功補償，不僅可以減少配電模塊中的浮裝，而且可提高載荷的效率;降低配網(wǎng)中的電阻，同樣可節(jié)約配電能源，根據(jù)公式R=pL/S，可得電阻與電阻率的正比關系，因此，配網(wǎng)中可以降低電阻值的方式，降低能源消耗，首先在選擇配電導線時，以電阻率較小的材料為主，例如:銅線、鋁線;第二盡量減少配網(wǎng)線路長度，避免盤旋、拉距式的線路安裝，最好采用直線安裝的方式;第三增加橫截面積，橫截面的增加，不僅可以延長導線的使用壽命，而且可在很大程度上提高配電效率，減少損耗。
(三)、用電模塊電力節(jié)能的設計思路
用電模塊屬于鐵路電力的終端，用電設備與用電類型多種多樣，鐵路電力中照明用電類型占據(jù)用電模塊較大比重，實現(xiàn)節(jié)能降耗措施主要圍繞照明，例如:優(yōu)化鐵路照明系統(tǒng)的線路設置，采用節(jié)能型的線路安裝;有效采取照明控制，目前比較常用的為聲控、光控和觸摸控;采用節(jié)能型的照明設備，如節(jié)能光源、燈具;采取自然光照明等。
三、電氣化鐵路節(jié)能技術應用
鐵路電力系統(tǒng)中的節(jié)能方案具備技術性的特點，其不僅可以實現(xiàn)電力節(jié)能的規(guī)劃，同時也可安排相應節(jié)能技術的使用。利用節(jié)能方案規(guī)定多項技術的節(jié)能操作，提高鐵路電力節(jié)能的效率。
(一)、變壓器的節(jié)能應用
1)要與鐵路運行能耗的實際情況相結合，選取數(shù)量和容量都較為合適的變壓器，通過資金費用以及維修資金，與實際負荷情況相結合，選取容量和電力負荷都較為適當?shù)淖儔浩?，在此基礎上，設備可以實現(xiàn)高速正常運行。很多時候，在經(jīng)濟運行區(qū)域內，變壓器的負荷率可以實現(xiàn)正常操作，換言之，在30～75%，若是可以達到50～60%，那么基本上可以達到最佳狀態(tài)。
2)能耗運用是選擇變壓器的主要依據(jù)，在新建、改建以及擴建上，變壓設備要保證自身有突出效果，例如，新型電磁熱耦合的節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器等，通過這一系列型號的變壓器，節(jié)約能源必定會實現(xiàn)，同時短路所造成的損失也會得到有效減少或者避免。
3)降低負序電流造成的損失。為了整體減少進入電力系統(tǒng)負序分量，采用牽引變電所換接相序的措施。所謂換接相序，就是指個相鄰牽引變電所牽引變壓器的原邊各端子輪換接入電力系統(tǒng)中不同的相。如果各牽引變電所由統(tǒng)一電力系統(tǒng)供電，則各牽引變電所的牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的總負序電流與每個牽引變電所引入的相序有關。為了達到減小單相牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的負序電流，減輕對電力系統(tǒng)負序影響的目的，通常采用牽引變電所換接相序的措施。
4)牽引網(wǎng)電壓補償。提高牽引網(wǎng)電壓常見的方法有：縮短牽引網(wǎng)供電臂長度;加大饋線截面或增設加強導線;采用串聯(lián)電容補償裝置;采用單相自耦調壓器或增壓器;采用AT供電方式，提高饋電電壓。
(二)、接觸網(wǎng)節(jié)能技術
1)選擇合適的接觸線材料，降低接觸網(wǎng)阻抗。接觸線材料引起電能損失不可避免，因為任何導線在普通條件下都存在阻抗。因而，必然會引起電能損失。在這方面，線路阻抗大小就決定了電能損失的多少。因此，選擇單位阻抗較小的接觸線將有助于電氣化鐵道的節(jié)能。由于電氣化鐵道供電的特殊性，還要求接觸線必須具有抗拉強度高、耐熱性能好、耐磨性能好、制造長度長等性能，而這些性能之間往往又存在著矛盾，因此在選擇接觸線時要綜合考慮各方面因素，力求在滿足其他各性能的條件下選擇阻抗最小的材料。
2)使用無磁化或低磁化金具。目前，在電力系統(tǒng)輸配電線路的節(jié)能技術中人們很重視對無磁化或低磁化金具的使用，這是因為金具上產(chǎn)生的感應電動勢與材料的相對導磁率成正比，在鐵磁材料金具中，由于其相對導磁率高(可以達到250～1000)，感應的電動勢大，因此產(chǎn)生的渦流大。渦流在金具電阻上發(fā)熱，從而將線路電能大量轉化為熱能消耗掉。鑒于此，通過采用無(低)導磁率的材料如鋁或銅合金或低磁鋼來制造線路金具是節(jié)能的一種有效手段。因此，借鑒電力系統(tǒng)的經(jīng)驗，同樣可以在電氣化鐵道中采用無磁化或低磁化的金具。
3)限制供電臂的長度。供電臂的長度除了對其末端最低電壓水平有較大影響之外，還對牽引接觸網(wǎng)電能損失有較大影響。過長的供電臂，將使牽引接觸網(wǎng)電能損失急劇增加。因此，在滿足行車要求的前提下要適當限制供電臂的長度。
(三)、電力機車節(jié)能
1)再生制動節(jié)能。目前被廣泛采用的機車節(jié)能技術是再生制動節(jié)能技術。再生制動就是，一方面將車輛的動能轉化為電能回收利用，節(jié)約能源;另一方面提高機車的用電經(jīng)濟性，減輕機械摩擦制動產(chǎn)生的磨損，增加摩擦制動器的壽命。當列車實施再生制動時，異步電機處于發(fā)電機工況，列車的動能(機械能)經(jīng)過齒輪傳動，輸出到異步電機的轉子，并將機械能轉化為交流電能，再經(jīng)相應的整流、逆變通過牽引變壓器、受電弓反饋回牽引網(wǎng)。
2)變頻調速節(jié)能。在國內，對變頻調速在電機節(jié)能方面進行了定性的研究，分析變頻調速電機及其節(jié)能原理，提倡應用變頻調速技術節(jié)電。變頻調速應用于牽引電機傳動系統(tǒng)，當負載變化時，傳統(tǒng)的調節(jié)方法改變電動機的通電時間所占比例(占空比)，電動機會頻繁制動和起動，消耗大量的能量，如采用變頻調速來調節(jié)驅動電源的電壓和頻率，平滑調節(jié)電機轉速，根據(jù)負載情況改變輸出功率，將節(jié)約大量電能。在國外變頻調速技術已經(jīng)大量應用于交流牽引電機傳動系統(tǒng)中。
結束語
綜上所述，電氣化鐵道節(jié)能技術相對將為廣泛，需要我們結合建設的實際情況，選擇最為合適的技術措施，以使電能的利用效率得到有效提升，同時也可以降低能耗，提升經(jīng)濟效益。
參考文獻
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電氣化鐵道技術論文篇二
電氣化鐵道供電牽引電力變壓器研究
摘要：隨著我國電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的不斷發(fā)展，改善了我國鐵路運輸以往較大的能耗和過于嚴重的污染等問題。文章對電氣化鐵道供電牽引電力變壓器進行研究，通過結合我國電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的發(fā)展歷程，對牽引變壓器的共性運行原理進行了闡述，并在此基礎上對牽引變壓器的連接方法和運行特點進行了探討。
關鍵詞：電氣化鐵道;供電牽引電力變壓器;鐵路運輸;共性運行原理;交通運輸 文獻標識碼：A
中圖分類號：U223 文章編號：1009-2374(2016)14-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.010
電氣化鐵路屬于當代的一種交通運輸工具，是通過電能作為牽引動力進行運作的。電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)自身無法形成電能，而是向電力機車傳輸電力系統(tǒng)的電能。隨著我國電力牽引技術的不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，在鐵路運輸行業(yè)中，大功率、高速度且具有較強過載能力和輸送能力的電力機車必定會被大眾所認識。電氣化鐵路主要由兩個部分組成：一是電力機動車;二是牽引供電系統(tǒng)。而在電力牽引供電系統(tǒng)中牽引變壓器是最為核心的部分，其作用非常重要，不僅能夠實現(xiàn)變壓、供電以及讓負序電流和高次諧波對電力系統(tǒng)的影響得以降低，同時還能夠無償?shù)难a償電力系統(tǒng)。由此可見，牽引變壓器設計在電氣化鐵路中具有非常重要的地位和非常關鍵的作用。
1 電氣化鐵道的發(fā)展歷程和原理
1.1 電氣化鐵道的發(fā)展歷程
由于發(fā)電機和直流電動機在19世紀80年代相繼被研發(fā)出來，世界上越來越多的國家在城市內的交通運輸上運用其電力牽引技術，其中較低電壓的直流電氣化鐵道是運用最為廣泛的一種。隨著時代的進步，一些工業(yè)發(fā)達國家在20世紀之后，開始將電氣化鐵道陸續(xù)的在城市之間和運輸較為繁忙的鐵路干線上進行建設。尤其是在20世紀50年代之后，這些工業(yè)發(fā)達國家為了讓國內日益增長的運輸任務得以完成，在建設大規(guī)模鐵路的過程中，也開始對電氣化鐵道進行大力修建。20世紀80年代后，印度、南非等諸多發(fā)展中國家的電氣化鐵道發(fā)展速度也越來越快。而在我國，隨著新中國的成立，我國在對鐵路運勢進行大力發(fā)展的過程中，開始在寶成鐵路的重要路段，即寶雞到風州段建立電氣化鐵道，通過結合國外的建設經(jīng)驗，對先進的單相工頻交流供電制進行運用。當這條3%長大坡到翻越秦嶺的電氣化鐵道完工，并成功通車之后，也標志著我國鐵路發(fā)展逐漸的開始邁向了電氣化方向。
1.2 電氣化鐵道供電系統(tǒng)原理介紹
電氣化鐵道供電系統(tǒng)主要由三相交流高壓輸電線、牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、軌道和地作為牽引電流回歸通道、回流線、電力機車以及中性點接地開關這八個部分組成。一般情況下都將三相交流高壓輸電線稱之為電氣化鐵道一次供電系統(tǒng)，它的主要作用是發(fā)電、變電和輸電;其余組成部分則為電氣化鐵路牽引負荷，主要的作用是借助于牽引供電系統(tǒng)，將電氣化鐵道一次供電系統(tǒng)傳輸來的電能提供給電力機車。在牽引變電所中牽引變壓器是最為主要的設備，將電力系統(tǒng)傳輸過來的三相交流電轉化成能夠供電力機車使用的電能傳輸給電力機車是其主要任務。
2 電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的連接方法
2.1 單相接線變壓器
單相接線變壓器主要分為兩種：一種是純單相變壓器，它是通過高壓側接三相電源中的任意某兩相，電壓在110kV或220kV。牽引母線和低壓側繞組首端進行連接，鋼軌、地接和末端進行連接，電壓輸出為27.5kV。通過和牽引母線的一段進行連接，并供電給兩側的供電臂。由于純單相變壓器的繞組分別和一次側電源、二次側電力機車進行連接，因此，材料的利用率都為100%;另一種為V/V接線變壓器，它是由兩臺單相接線牽引變壓器接線成V/V狀。這種變壓器一次側繞組和電力系統(tǒng)的兩個線電壓進行連接，二次側則和牽引線的兩相母線分別連接，軌道、接地網(wǎng)和公共端子進行連接。因此對地電壓存在不一樣的相位，所以需要運用分相絕緣器將中間斷開。在這種接線變壓器中，會存在兩個獨立的單相。當其中一臺變壓器出現(xiàn)故障停電后，另一臺變壓器則可以進行跨相供電，也就是能夠成為兩邊共同的供電分區(qū)的牽引網(wǎng)。一般這種接線變壓器容量利用率能夠達到100%。
2.2 三相接線變壓器
三相牽引變電所一般三相牽引變壓器會有2～3臺，變壓器繞組有3個，與110kV高壓側連接的一次繞組為星形。二次側繞組連接牽引網(wǎng)，呈現(xiàn)三角形。三角形的兩個角和供電臂分別進行連接，另一個則和行車軌道進行連接。和供電臂向連接的兩個角對軌道電壓不同相，必須分開于牽引線變電所的饋電線出口處，簡單來說就是需要進行電分相的設置。對于三相變壓器的牽引變電所，當?shù)貐^(qū)負荷不需要供應或者地區(qū)負荷選用專門的變壓器時，則牽引變壓器兩個繞組就已經(jīng)足夠，當下我國所采用的連接方式大都是這種。這種變壓器的優(yōu)點在于具有較低的造價和較小的占地面積，在三相電力系統(tǒng)中所引起的電流不對稱程度也相對來說要低很多，但是它的缺點也很明顯，在三相變壓器中，無法充分利用到?jīng)]有連接鋼軌的一相容量。
2.3 斯考特接線變壓器
這種接線方法在國外被稱為Scott接線。它的主要作用是讓單相牽引負荷電力系統(tǒng)的不對稱影響得到改善。在斯考特接線變壓器中，通常會設置兩個單相變壓器。兩臺變壓器具有不一樣的側邊繞組匝數(shù)，但卻具有相同的次邊繞組匝數(shù)，促使變壓器側邊匝數(shù)是變壓器原來邊匝數(shù)的兩倍多。這種匝數(shù)比例能夠讓兩個變壓器具有相同的次邊電壓數(shù)值。從牽引角度上來看，這種接線方法非常相似于V形接線，但是，它的接觸網(wǎng)兩端電壓相位差距90°。這種接線方式的優(yōu)點在于：能夠讓三相電力系統(tǒng)的負荷更加容易實現(xiàn)對稱，但是這種接線需要的變壓器較為特殊，且當變壓器發(fā)生故障時，存在較為復雜的轉換程序。當?shù)貐^(qū)負荷存在時，還需要將專用變壓器給建立起來。
2.4 伍德橋接線變壓器
這種變壓器接線方法是和斯考特接線擁有相同效果的變壓器接線方法。這種接線方法的主要特點在于，當二次側的兩個繞組的負荷電流相同，且二次側電流相位會差距90°時，則一次側三相電流對稱。這種連接方法的缺點在于：具有較為復雜的變壓器內部連線，這種接線不但需要變壓器，還需要有對稱升壓式自耦變壓器，這在很大程度上影響了變壓器制造、安裝以及運行檢修，而且需要較高的造價。 3 牽引變壓器工程應用趨勢
當今社會牽引變壓器工程應用正逐漸的傾向于V/V接線變壓器。首先，在220kV系統(tǒng)中，電氣化鐵道單相V/V接線變壓器牽引電力機車所形成的諧波污染要更加接近平衡變壓器所形成的污染;其次，據(jù)相關部門規(guī)定，供電部門在結合用戶和社會需求，在對雙電源且具有較高可靠性的供電時，能夠收取較高可靠性供電的相關費用。一般鐵路系統(tǒng)雙電源可靠性大約在330元。如果一個單相牽引變壓器在13000kVA容量時，容量的實際利用率為95%，則就需要13000×(1-90%)×330=442000元的供電費用。但是如果運用V/V接線變壓器，則能夠對變壓器容量做到合理配置，充分利用完容量，讓巨額費用得以節(jié)省，同時也能夠充分利用到變電所相關配套設施;再次，V/V接線變壓器的材料利用率可達100%，而平衡變壓器只能達到96%的材料利用率，因此，對V/V接線變壓器進行選用，能夠讓材料得到最大程度節(jié)約，讓經(jīng)濟開支得以減少;最后，V/V接線變壓器具有較為簡單的變電所結構和較少的投資資金。在電氣化鐵道供電系統(tǒng)中，變電站每隔30～50km會有一臺，需要巨大數(shù)量的變電站。不管是從對供電費用的節(jié)約上、材料的充分利用上等經(jīng)濟方面，還是從具有較為簡單的施工等實際工程的角度上來看，牽引變壓器在未來將很可能逐漸傾向于V/V接線變壓器。
4 未來牽引變壓器技術發(fā)展趨勢
在未來牽引變壓器技術領域中，高溫超導牽引變壓器將初見顯現(xiàn)，這種牽引變壓器具有較大功率、較輕的重量以及緊湊的結構，還能減輕45%的制造重量，能夠達到99%以上的效率，此外還更加節(jié)能環(huán)保，必將為鐵路運輸起到非常顯著的作用。德國西門子公司在2001年將運用于鐵路交通中的1000kVA高溫超導變壓器給研發(fā)出來。我國湖南株洲電子機車有限公司在2005年開始研制高溫超導變壓器，并成功將300kVA電動車組高溫超導變壓器研發(fā)出來，在北京通過了驗收。它是軌道電力機車組中運用進行原理性實驗的樣機，它有1個一次繞組、4個二次繞組、1個三次繞組，其中二次繞組相互獨立。二次繞組中的2個在一次和三次繞組之間排列，繞在鐵芯一側。牽引變壓器高溫超導化讓現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)得到完善，讓冷卻效率得到提升，促使保溫和密封性得到有效加強。高溫超導變壓器不僅體型小、重量輕，而且能耗低，具有良好的環(huán)保性能。高溫超導牽引變壓器的眾多優(yōu)點促使其逐漸成為當下最具發(fā)展前景的變壓器。
5 結語
綜上所述，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，相信在不久的將來，我國電氣化鐵道供電牽引電力變壓器的研究必將越來越先進，有效推動我國鐵路運輸發(fā)展。因此，電力牽引供電系統(tǒng)中牽引變壓器是最為核心的部分，其作用非常重要，不僅能夠實現(xiàn)變壓、供電以及讓負序電流和高次諧波對電力系統(tǒng)的影響得以降低，同時還能夠無償?shù)匮a償電力系統(tǒng)。
參考文獻
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作者簡介：楊海濤(1969-)，男，江蘇如皋人，濟南鐵路局建設項目管理中心工程師，研究方向：鐵道牽引供電。
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