忐忑的来答一下,国内某不知名高校
铁道电气化 专业在读研究生
在知乎上从来都是只看不发言,因为都不会,好不容易一个和我专业如此相关的问题,小弟尝试着看看能不能回答好。
附图除某图出自某高铁竣工图的一小部分截图,(不敢乱贴出实际施工图纸)其它都是自己平时CAD画的,不规范请谅解。
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
由于个人专业方向是牵引供电方向,故只对题主提出的问题 1、2作回答,问题2可以深入回答,问题3属于弓网关系研究,因只是略懂,且
@Anordinance汭 回答的已经很详细了。
2015.8.25 修改 @
陈俊直 指正,走行轨上除了将电流回流到牵引变电所,不是走“通信信号”,而是车辆位置信号。
2015.4.10 晚修改了增加回流线对通信线抑制干扰的原理。
问题1:火车的动力来源交流电还是直流电?
(补充: 在一般我们的牵引供电研究领域,牵引供电分为两大方向
大铁路 和
地铁)
题主所说的火车,肯定是属于大铁路范畴(包括普速和高铁),采用交流电给机车 (也就是火车)供电。
而在地铁中,一般采用直流电给机车供电,(国内也有特列,温州地铁采用大铁路供电方式,27.5KV交流供电:
温州轨道交通_百度百科)
问题2:电力是如何给火车提供动力的?
题主问电力如何给火车提供动力,其实扯淡点和电力如何给你家提供电力途径是一样的,都绕不开输配电。
只不过家庭用电,输配电都是国家电网给干了。个人理解,铁路供电系统中,供电部门(铁路局的
供电段和地铁的
机电中心)负责了配电部分。
牵引供电系统即代表配电部分,给火车提供电力源。
牵引供电系统两主要组成部分:牵引变电所 和牵引网
要想给火车提供电力,首先要完成从输入电网电压到火车运行电压的一个转换,这个就是由牵引变电所完成,一般电网给铁路输入的电压是110KV或者220KV,牵引变电所将电压转换了27.5kv或者55kv(比额定电压高10%),采用两路进线,一备一用。火车运行电压27.5KV,(无论是高铁还是普速列车,虽然高铁在供电方式上是AT供电,变压后是55KV,但是轨-接触网之间的电压还是27.5KV,后续有讲。)
<img src="https://pic1.zhimg.com/19803f6e9a5975d3c97e59e7de7788b0_b.jpg" data-rawwidth="944" data-rawheight="514" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="944" data-original="https://pic1.zhimg.com/19803f6e9a5975d3c97e59e7de7788b0_r.jpg">
牵引变电所完成降压后,给整个铁路供电系统提供了电力电源,但是初中物理老湿就告诉过你,一个电路光有电源是不行滴,还得有一个回路。这个时候就得有牵引网了。一个最简单的牵引供电模型就是:
<img src="https://pic4.zhimg.com/945355a7dc4275bc84319137ece8e9db_b.jpg" data-rawwidth="985" data-rawheight="514" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="985" data-original="https://pic4.zhimg.com/945355a7dc4275bc84319137ece8e9db_r.jpg">
当然,不可能这么简单就可以了,牵引网包括接触网,承力索、回流线等等,AT供电更复杂,
先写到这里,我要吃饭去了,食堂没饭了。------继续写,食堂饭真难吃
机车要运行就要有一个完整的电路回路,回路由哪些导线构成,就是我们要谈到的牵引网部分了。普速和高铁的牵引网组成结构是不一样,结构不一样,本质是供电方式不一样。
中国大部分运营铁路牵引供电方式主要有两种:
1、 带回流线的直接供电方式(普速列车)
2、AT供电方式(动车高铁)
其他类似于BT供电、直接供电、CC供电仅仅存在于教科书和少部分实验线路不怎么关注
带回流线的直接供电方式---------- 主要组成:接触网、钢轨、回流线
带回流线的直接供电方式,是在直接供电方式下的一种改进的方式,增加了一根回流线。
直接供电方式,就是上面提到的最简单的牵引供电模型,示意图如下:
<img src="https://pic3.zhimg.com/dc9f653e16533c6b21c798ad436322ae_b.jpg" data-rawwidth="862" data-rawheight="367" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="862" data-original="https://pic3.zhimg.com/dc9f653e16533c6b21c798ad436322ae_r.jpg"> 带回流线的直接供电方式,示意图如下:
带回流线的直接供电方式,示意图如下:
<img src="https://pic4.zhimg.com/bf632125da283a25c00676029ee30f67_b.jpg" data-rawwidth="865" data-rawheight="355" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="865" data-original="https://pic4.zhimg.com/bf632125da283a25c00676029ee30f67_r.jpg"> 其实就是在直接供电方式下增加了一根回流线,回流线在工程上每5-6km和钢轨并联一次。于是有人问为什么要这么做。
其实就是在直接供电方式下增加了一根回流线,回流线在工程上每5-6km和钢轨并联一次。于是有人问为什么要这么做。
众所周知的电路知识,电路是一个回路,机车运行的时候,电流从牵引变电所出来经过接触网流入机车,在通过机车流向钢轨,通过钢轨和大地流回牵引变电所(大部分通过钢轨,少部分通过大地,二者绝缘不是很好)。
高中电磁部分我们学过,一根导线流过电流时 会对周围的导线产生电磁感应和静电感应。当接触网流过大电流,会对周围通信线产生很大的感应电流。这个时候如果流回去的电流全部都通过一根钢轨流到牵引变电所,钢轨上电流与接触网的相反,产生的静电感应和电磁感应与接触网产生的相反,二者相互抵消,也就没有了干扰。但是现实情况是,电流不确定性的从钢轨和广阔的大地流回牵引变电所,无法与接触网对称抵消,导致接触网会对通信线产生很大感应电流,产生干扰。
如何抑制干扰,我们设想将经过钢轨和大地的电流控制在一根导线上流回牵引变电所,大小与接触网电流相等,方向相反,则可以抵消干扰。所以就增加了一根回流线,回流线由于电阻较小,钢轨上的电流会往回流线上走,回流线隔一段距离与钢轨相连,将原来钢轨和大地大部分电流都吸上回流线,这样的效果就是回流线的电流和接触网的
电流大小基本相等,方向相反。使得回流线的感应电流抵消接触网的感应电流,完成了抑制通信线的干扰。(实际上还是有一部分电流通过钢轨和大地流回变电所,所以还是有干扰无法完全抵消)
@
陈俊直 指正,走行轨上除了回流外,不是走“通信信号”,而是车辆位置信号。
钢轨上的很大一部分电流分流到回流线上,钢轨本身电位也会下降,在设计过程中,钢轨电位在规范上也是有严格的限制。很多人说钢轨没有电压,其实在机车通过的时候,还是有电压的,只是在安全范围内。
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
AT供电方式---------- 主要组成:接触网、钢轨、正馈线
好多答主都回答了高速铁路(高铁及城际铁路等)都采用的是AT供电方式,其示意图入下:
<img src="https://pic1.zhimg.com/e72848c709732a0641c6c449397d72b8_b.jpg" data-rawwidth="886" data-rawheight="356" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="886" data-original="https://pic1.zhimg.com/e72848c709732a0641c6c449397d72b8_r.jpg">
从示意图我们可以看出,牵引变电所出来的两根线接触线和正馈线之间的电压是55KV,但是由于钢轨接地为0V(理想状态下), 所以钢轨和接触线上的电压还是27.5KV,即火车实际用的电压还是27.5kv ,这也就是 高速铁路和普速铁路虽然供电方式不一样,但是动车也可以在普速铁路上慢速跑。
好,该解释为什么高铁要用这么供电方式了。高铁或者是重载铁路(大秦运煤专线),由于速度快重载,所以在相同电压下电流肯定大,而不管什么导线(接触线)肯定是有阻抗R,△U=IR,电流越大,电阻一定的条件下,电压损失就大。这个时候,供电电压成倍的提高,牵引网阻抗就会变小,压降就会变小。所以AT供电方式在这种情况下网上电压损失减小,一个牵引变电所覆盖的区域就要大。自耦变压器在这里的作用就是将钢轨的电流洗上至正馈线及接触网,目的依旧是尽量是钢轨电流变小,降低钢轨电位,减小对通信干扰。具体原理感兴趣可以自己查查资料
在实际的运行线路中,
@严同 给出的AT供电示意图仅仅是课本上的知识,在实际的线路中,一个牵引供电区间 一般只有两个自耦变压器,因为一个供电臂一般距离30KM,每隔15km 一个自耦变压器即可,一个在
AT所,一个在AT分区所,牵引变电所采用的VX接线的变压器本身就具有了自耦变压器的功能,故牵引变电所处不需要自耦变压器。
附
@严同 的示意图:
<img src="https://pic2.zhimg.com/d31e648e6546d181433040dbee89786d_b.jpg" data-rawwidth="601" data-rawheight="206" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="601" data-original="https://pic2.zhimg.com/d31e648e6546d181433040dbee89786d_r.jpg">
一般复线情况一个供电臂原理图为:
<img src="https://pic1.zhimg.com/c91b1985e1eceab3c1a1af9821800c64_b.jpg" data-rawwidth="1467" data-rawheight="631" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1467" data-original="https://pic1.zhimg.com/c91b1985e1eceab3c1a1af9821800c64_r.jpg">
讲到牵引变电所覆盖区域,我们首先要理解,一条高铁线路,考虑到容量损耗的问题,根据线路的长度会分部好几个牵引变电所,就好比每个城市会有好几个变配电站一样。 高铁上一个牵引变电所 有左右两个供电臂,每个供电臂长度30KM左右,供电臂与供电臂之间在正常状态下接触网是隔开的,AT分区所完成这个功能,于是就有了过分相这么一个名词,故障状态下才会越区供电。所以一个牵引变电所能够覆盖60KM左右的高铁线路。
示意图:
<img src="https://pic4.zhimg.com/2ab7f6aa3f44fef77fe38e160f588573_b.jpg" data-rawwidth="1445" data-rawheight="487" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1445" data-original="https://pic4.zhimg.com/2ab7f6aa3f44fef77fe38e160f588573_r.jpg">
例如京沪高铁上,其牵引变电所分布情况:(懒一下直接复制了):
北京南分区所ATS1
李营牵引变TSS1
佟场分区所ATS2
魏善庄牵引变TSS2
伙达营ATS3
艾各庄分区ATS4
连庄ATS5
豆张庄牵引变TSS3
......
(鉴于评论说涉嫌泄密,故删去大部分,并删掉了位置信息)
感谢我那些在中铁、中铁建、铁路局爬电线杆的同学们,辛苦啦。
好吧,头一次答题不好请见谅,有空还可以尝试写一写地铁的供电方式。