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

等构成的电气网络称为牵引网。

牵引网的核心是接触网。接触网是电气化轨道交通所特有的、沿路轨架设的、为电气列车提供牵引电能的特殊电力输电线路，是电气化轨道交通牵引供电系统的重要组成部分，一般包括支柱与基础、支持与定位、接触悬挂、供电辅助设备四部分。如图1-2-2所示。

图1-2-2 柔性架空接触网图1-2-3 运行中的电力机车

(3) 电气列车及受电弓

电气列车由电气、机械和空气管路三大系统组成。空气管路系统负责提供通风、冷却和制动所需的压缩空气。机械部分包括转向架和车体两部分，转向架在运行中起承重、传力和转向的作用，车体是安装机车设备和乘务员工作的场所，除承受设备重量外还将牵引力或制动力传递给车钩以牵引或制动列车。电气部分包括受电弓、主断路器、变流整流装置和牵引电动机等，其电传动的原理和流程如图1-2-4所示。

图1-2-4交-直-交牵引电传动原理图图1-2-5 DSA250受电弓

受电弓安装于电气列车的车顶之上，是电气列车从接触网获得电能的专用设备，其设备属性归机车，工作属性归接触网，弓网只有在几何、电气、机械、材料等多方面都相互适配的情况下才能保质完成受流。受电弓种类较多（详见第5章），图1-2-5为DSA250单臂受电弓。该（系列）受电弓弓头的几何尺寸如图1-2-6所示，弓头宽度1950mm，有效工作范围1450mm, 最佳工作范围1030mm。

图1-2-6DSA受电弓滑板尺寸示意图

为保证受电弓运行安全，在受电弓动态包络线的空域内不能存在任何影响其安全运行的物件。受电弓

动态包络线是指受电弓在允许的最高速度运行状态下可能达到的最大允许抬升量和最大允许摆动量的轮廓线，如图1-2-7所示。

1-2-7受电弓动态包络线示意图

电气列车的牵引动力有集中和分散两种配置形式，如图1-2-8所示。动力分散型电气列车称为动车组，具有轴重轻、起动和制动快的特点，世界各国的高速铁路大多采用动力分散方式。但动力分散型电气列车的振动和噪声对车厢内的舒适度有一定影响，且动力设备工作环境差，故障率相对较高；列车只能单元编组，车辆利用率较低。动力集中型的电气列车称为电力机车，它能较好解决动力分散型存在的问题，但又没有动力分散型的优点。

图1-2-8动车组的组成及其动力模式

列车动力的配置方式，特别是受电弓的配置方式与接触网的分相结构和载流容量密切相关。

1.3 牵引供电系统的供电方式

牵引网是非对称供电网络，将对处于其影响范围内的电气设备和人员产生电磁干扰。为减少这些电磁干扰，降低牵引网阻抗和电能损失，减少牵引回流中的轨回流和地回流、降低钢轨电位，可在牵引网中增设回流线、BT变压器、AT变压器等，由此形成牵引供电系统的不同供电形式。

（１）直接供电

牵引回流经钢轨和大地流回牵引变电所的供电方式为直接供电方式，如图1-3-1所示。优点是接触网结构简单，造价低；缺点是电磁干扰大，轨电位较高。仅适用于远离城镇且对电磁防护要求不高的山区铁路。

图1-3-1 直接供电原理示意图图1-3-2 直供＋回流线供电方式原理示意图

（２）直接供电＋回流线

在接触网田野侧(与接触网同杆)架设一条金属绞线作为回流线，每间隔一定距离用吸上线将回流线和钢轨并联，使钢轨中的大部分牵引回流经回流线流回牵引变电所的供电方式，如图1-3-2所示。由于回流线中

的电流与接触线中的电流方向相反、大小相近，二者产生的交变电磁场可部分抵消，从而起到降低电磁干扰的目的。该种供电方式供电回路简单，比直接供电具有更低的线路阻抗和钢轨电位，又比BT 供电节约投资和运营成本，因而运用较广。

（３）BT （吸流变压器）供电

每隔2~4km 在接触网绝缘锚段关节中串入一个变比为1：1，励磁电流不大于额定电流2%的“变压器”，变压器原边线圈串接在接触网中，次边线圈串接在回流线中，在两台变压器的中间用一条导线将轨道和回流线相连，如图1-3-3所示。由于变压器原次边线圈间的电磁耦合作用，轨回流被“吸到”回流线中，因此该变压器被称为吸收变压器，连接钢轨和回流线的金属导线称为吸上线。

由于原次边线圈的电磁耦合，流过接触线的电流和流过回流线的电流大小基本相等，方向相反，从而能有效减少牵引电流对附近金属线路和电子设备的干扰，有效降低钢轨对地电位。

图1-3-3 BT 供电方式原理示意图 （４）AT （自耦变压器）供电方式

A T 供电方式的接触网如图1-3-4 所示，由负馈线（AF ）、保护线（PW ）线和自耦变压器等组成，其基本原理如图1-3-5所示。

图1-3-4 AT 接触网示意图 图1-3-5 AT 供电原理图

牵引变电所内的A T 主变压器将220kV(或110kV)交流电降压为单相55kV 交流电馈送到接触网和负馈线上，自耦变压器次边的中心抽头与钢轨相连，接触网与负馈线对地（钢轨）电压均为27.5kV 。正常运行时，接触网和负馈线上各通过二分之一的牵引电流，大小相等，方向相反，从而起到防止电磁干扰的目的。

由于A T 供电提高了供电电压，变电所间距可加大至40~60km ，可节省投资，减少接触网电分相数量，改善列车运行环境，减少对通信的干扰，降低通信线路迁改费用，减少电能损失，降低运营成本，因此，高速电气化铁路一般都采用AT 供电。

（５）CC （同轴电缆供电）供电

CC 供电是利用同轴电缆内外导体间互感系数很大的特点来降低电磁干扰的，电缆内导体与接触线并联供电，电缆外导体与钢轨并联作为回流线，由于内外导体相距只有13mm ，耦合系数接近１，电磁耦合效果是其它几种供电方式无法比拟的。但同轴电缆价格昂贵，长距离架设是不经济的，因此，CC 供电方式一般仅应用于空间受限的长大隧道、大型桥梁或电磁防护要求很高的城市区域。

（6）混合供电

牵引网同时采用以上几种供电方式供电称为混合供电。如高速电气化铁路就常将直供＋回流线与AT 供电混用，在城镇和电磁防护要求较高区段采用A T 供电，其它区段采用直供＋回流线。

近年，有学者提出“同相供电”的供电方式，若同相供电得以实现，则可以减少接触网中的电分相，同时，能最大限度的降低负序和谐波对电力系统的干扰，使电气化铁路牵引供电的电能质量得到根本改善。

BT 供电的明显缺点是牵引网阻抗较大，供

电臂末端电压偏低，馈电回路结构复杂，工程

造价增高；当列车位于吸流变压器附近时，从

列车到吸上线的距离内，牵引电流基本都在钢

轨中流动，牵引电流产生的电磁影响得不到防

护，这种现象称为“半段效应”。

1.4 接触网综述

1.4.1 接触网的类型

如前所述，牵引网的核心是接触网，也就是说，接触网是牵引供电系统的重要组成部分，无论城市轨道交通还是电气化铁路都有接触网。因此，广义而言，接触轨也是接触网的一种形式。

接触轨与取流靴匹配组成轨-靴受流系统，主要用于城市地铁列车供电。接触轨安装于两走行轨之外、列车运行侧面，因其横断面与钢轨类似，故又俗称为“第三轨”，具有占用净空少，维修工作量少的优点。

为减少“迷流”对地下金属设施的腐蚀，有的用“第三轨供电、第四轨回流”的形式，如图1-4-1所示。

图1-4-1接触轨式接触网图1-4-2柔性架空式接触网

一般而言，接触网主要指架空式接触网，它有刚性悬挂和柔性悬挂之分。柔性架空接触网如图1-4-2所示，主泛应用于干线电气化铁路和城市轨道交通。由于供电制式不同，电气化铁路接触网和城市轨道交通接触网的结构和要求有一些差别。

图1-4-3“π”型汇流排刚性架空接触网

刚性架空接触网如图1-4-3所示，它具有结构紧凑、占用净空小、维护方便的特点，广泛应用于城市轨道交通系统的地下线路或运行速度在160km/h以下的电气化铁路隧道内悬挂。

刚性悬挂有“π型汇流排＋接触线”（如图1-4-3所示）和“T型汇流排+接触线”（如图1-4-4所示）两种结构形式。π型汇流排结构紧奏，它通过自身弹性夹持接触线，零件较少，应用较多；T型汇流排需用汇流排线夹夹持接触线，结构较π型汇流排复杂，零件多，单位重量重。

图1-4-4重庆轻轨T型汇流排刚性式接触网

另外，为适应防洪、装卸、轮渡等某些特定需要，将接触网设计成可整体移动的、部分移动的、上下

升降的特殊形式。如图1-4-5所示的移动式接触网，它是为大型货物装卸场专门设计的。该接触网的接触悬挂可在水平面或垂直面内旋转到支柱所在位置，从而为装卸作业机械提供必要的空间。

(a) 试验线上的平移接触网 (b)昆南货场上的移动接触网 (c) 固定网和移动网的街接

图1-4-5 昆明南站移动式接触网

1.4.2 接触网的基本特性

接触网具有典型的环境特性、备用特性、机电特性、负荷特性和学科特性，了解接触网的这些基本特性有利于理解和掌握接触网的内在规律，为接触网的设计、运营以及理论研究提供思路和方法。

（1）接触网的环境特性

接触网的环境特性表现在气象、电磁、空间三个方面。

接触网是露天设备，其技术状态和安全与大气温度、湿度、冰、雪、风、霜、污染、雷电等密切相关，接触网的张力、弛度、弹性、机械强度、空间姿态、电气强度、载流能力、接触线与受电弓滑板间的磨耗都受气象环境的影响，接触网的设计工作和运营工作有一大半与气象条件有关，天气的突变有可能造成接触网的重大事故。

接触网属于非对称供电网络，其影响范围内的各金属导体间存在感性耦合、容性耦合和电导耦合，为消除这些耦合造成的影响，保护人员和设备安全，必须充分研究接触网电磁的变化规律，采取合理的技术措施，将接触网电磁对人员和设备的影响控制在允许条件之下。

试验研究表明：1kV/m 的电场将在人体内引起约0.015mA 的电流，对应的电流密度为0.2~0.3mA/m 2；而

50Hz ，T μ1（m A /7962.0=）的磁场可感应出的电流密度约2/01.0m mA 。人体平均截面积为0.06~0.07m 2。

表1-4-1归纳了50Hz 牵引供电系统中的相应标准和数据。 ［15］

根据德国DIN VDE0228标准，50Hz 单相交流电气化铁道的影响范围在城市为500m ,其他地区为2000m 。一般而言，25kV 交流电气化铁路的最大电场在2.7kV/m 以下，对人体不会有影响；短时间内形成的磁场强度最大在80A/m 以下，对人体也不会有影响。

关于工频强电场对人体影响的机理，各国观点不太一致，德国、俄罗斯、西班牙、日本等国多数文献均认为工频强电场对人体有不利影响，俄罗斯卫生部规定：在强电场工作下的工作人员所能承受的容许标准为5000V/m 。美国则认为工频电站周围电磁污染严重，而线网附近的电磁污染较轻。

接触网沿轨道线路敷设，线路四周的建筑物，如电力输电线、通讯电缆、桥涵隧道、车站建筑、地下设施等与接触网之间会相互影响，接触网与这些建筑物的空间距离必须满足建筑限界和电气安全要求。

（2）接触网的备用特性

接触网是没有备用的，这是由弓-网(轨-靴)受流系统的特殊性决定的，无备用特性决定了接触网的脆弱性和重要性，只有提高接触网的可靠性来确保接触网的安全性。

（3）接触网的机电特性

接触网的本质是电力输电线，但它又不同于一般电力输电线，这是由接触网服务对象的特殊性所决定的。接触网必须考虑与受电弓在几何、电气、机械三大方面的匹配，除满足电气强度、牵引功率，电压水平，绝缘安全等电气方面的技术要求外，还必须在机械强度、振动特性、空间位置、动态弹性等方面满足一系列机械技术要求。因此，对接触网的要求是机电双方面的，任何一方的不足都会降低弓网受流质量，甚至不能完成电能传输。

在接触网中，机电特性表现最为突出的是接触线，它不单要承载强大的牵引电流以满足牵引功率的需要，还要承受强大的械机张力以满足弓网动态匹配的需要。

（4）接触网的负荷特性

接触网承担的是电力牵引负荷是高速移动、随机出现的，时有时无，变化很大。这些特点使接触网常处于电气过渡状态，承受较大的电气冲击，导致接触网设备安全和绝缘安全大大低于一般电力输配电系统。

（5）接触网的学科特性

弓网受流的理论研究和工程实践都没有单一性，无论是接触网，还是受电弓以及弓网系统的匹配都具有明显的交叉特性，它涉及电气、机械、土木、材料等多门学科的相关知识。接触网的学科特性决定了接触网的复杂性，只有通过培养多学科交叉型人才才能从根本上解决弓网受流的理论与工程问题。

1.4.3 接触网的理论体系

从表象看来，接触网就那几根导线，并无复杂之处。实际上，从接触网的基本特性可知：接触网涉及面非常宽泛，无论是理论研究还是实际工程，一旦深入下去就会让人产生如入大海的感觉。正因为如此，许多人(包括从事该领域工作的部分人士)都认为接触网没有什么理论可言，更没有什么理论体系！

事实上，接触网不仅有其理论，而且还存在一个严密的理论体系。接触网理论是指建立于多学科（电气、机械、力学、材料、计算机等）理论基础之上的关于弓网受流的技术理论集成，它不单指一条定理或一个公式，而是包括弓网结构优化、设计施工技术、运营维护技术，检测评价技术、新材料开发应用技术、环境影响分析六大子系统的一个系统集成。

接触网理论需要解决和回答的主要问题有：弓网关系及其评价指标，影响弓网受流的因素，弓网仿真平台，弓网受流试验方法与试验平台，设计和施工技术，运营维护的规范、故障分析方法和平台，适应高速受流要求的新材料和新零件的研发等。

弓网性能的改善是弓网受流的实际需要，也是接触网理论的完善和发展。近年来，德、法、日诸国在高速受流技术方面取得了较大进步，从这些国家的技术发展中可总结出以下观点：

（1）为保证弓网受流系统的稳定性，必须提高接触线的波动速度；

（2）出于安全考虑应采用限位定位装置，并妥善处理导线应力与振动疲劳的关系；

（3）简化设计方案以提高接触网的可靠性和可维护性；

（4）控制弓网最大接触压力、最小接触压力和接触压力偏差；

（5）提高施工精度，严格控制导线高度误差、坡度及其变化率；合理控制锚段长度，减小接触线的张力差；提高补偿装置的传动效率，严控坠铊重量误差；提高导线制造精度，严控导线自重误差；提高支柱与基础、支持与定位的稳定性、腕臂转动的灵活性；减轻网上零部件重量，合理布置电连接；改善测量手段，提高测量精度及安装精度等；

（6）降低受电弓整体重量和归算质量，增加受电弓的机械强度，提高受电弓的跟随特性。

1.4.4 接触网的供电方式

为接触网电分相需要，在两牵引变电所之间的合适位置需将接触网进行电气分断，该电气分断称为供电分区，如图1-4-6所示。

从牵引变电所馈电线出口处到供电分区处的一段接触网称为供电臂。根据牵引变电所对供电臂的供电

情况、线路情况(单、复线)、上下行接触网间的电气连接情况，接触网的供电方式可分为：单线单边供电、单线双边供电、单线越区供电；复线单边并联供电、复线单边分开供电以及复线双边纽结供电等多种形式。

图1-4-6 牵引变电所供电臂和供电分区示意图

（1）单边供电

一个供电臂只能从一个牵引变电所得到电能的供电方式叫单边供电。

（2）双边供电

若两相邻供电臂通过开关设备在电路上连通，供电臂可同时从两个牵引变电所获得电能，这种供电方式称为双边供电。实行双边供电的前提是相邻两供电臂必须同相。

双边供电可有效提高供电臂未端电压，降低网耗，但其馈线及分区亭(所)的保护及开关设备复杂，投资增大，倒闸操作复杂，而且还存在穿越电流和穿越功率的问题，造成额外的电能损失。

（3）越区供电

当某牵引变电所出现故障，完全不能向其负担的供电臂供电时，由其相邻变电所越过分区亭或开闭所向故障变电所的供电臂供电的供电方式称为越区供电，如图1-4-7所示。

图1-4-7越区供电示意图

越区供电属于非正常供电，仅作为避免中断运输的临时性措施，此时，线路上只允许客车或重要货物列车通行。

1.4.5 牵引供电对接触网的基本要求

接触网作为牵引供电系统的重要组成部分，其供电质量和供电安全必须满足电力牵引的运营需要，在任何条件下均不应对人员和设备构成安全威胁。

为确保人员和设备安全，接触网带电体与非带电体之间必须有充分的电气绝缘间隙，并具有能有效防止人员触电的安全措施；

为适应接触网负荷波动性大和发生短路事故概率远远大于一般架空电力输电线的特点，接触网系统应具有较大的短路容量和过负荷容量，以确保接触网本身的电气安全。

为确保电气了列车供电质量，接触网的供电电压和电能损失必须控制在允许范围内，馈线上网点的最高电压不超过最大允许值，供电臂末端的最低电压不低于最小允许值。

接触网应具有合理的电气分段，供电灵活、安全，故障影响范围小，便于检修和抢修。

在设计寿命期内，接触网线索和零件应有相应的机械强度和抗疲劳性能，安全可靠。

弓网两大系统必须良好耦合才能保质完成电能传输。当选定受电弓后，接触网就应有与该型号受电弓相适应的静态特性和动态特性，其结构形式、几何参数、悬挂弹性、波动速度都应适应该型号受电弓；与之相对应的，在接触网投入运营后，在其下运行的所有受电弓都必须符合当初的设计条件，静态抬升力、动态压力偏差、有效工作高度、弓头几何尺寸、滑板特性、运营方式均应与接触网相适应。

接触网是露天供电装置，气候对接触网的技术性能、安全运营有决定性影响，接触网必须能适应气候条件的变化，在设计条件下，温度、湿度、风、霜、冰、雪、雾、雷电不应造成接触网设备的损坏，也不

应影响接触网功能的正常发挥。

接触网沿轨道架设，它必须满足电气化铁路限界要求，与线路四周建筑物，如：架空高压输电线、通讯电缆、横跨天桥之间有足够安全的电气绝缘间隙和限界值。

弓网运行产生的噪音不可忽视，铁路噪音来源于轮轨冲击与摩擦、弓网滑动接触与离线、列车与空气摩擦等，噪音对设备、人员和动物均构成伤害，限制噪音是必须的。

接触网的设计、施工和运营不应对其所在地区的环境造成破坏，该区域内的动物、植物以及自然环境和文化环境均应得到良好保护，应有防止飞鸟及其它动物造成绝缘子闪络和短路的技术措施，这些技术措施不应造成动物伤害。

1.4.6 接触网与相关专业的接口问题

“接口”是指各子系统之间、系统与外部环境之间在包括系统设计、装备制造、施工、运行维护等在内的工作界面上的搭接关系和为实现系统既定性能指标而在不同子系统的设施、设备之间的参数、结构和功能配合关系。由此可知,”接口”既属于技术问题又属于管理层问题。

接触网是电气化铁路的标志性供电设施，是电气化铁路的重要组成部分，与电气化铁路的运输效率和运营安全息息相关，与铁路运输各系统间有着千丝万缕的关系，如图1-4-8所示。

图1-4-8 电气化铁路各系统间的关系简图

(1) 接触网与工务系统的接口

接触网的几何参数是以线路中心线和轨道平面为基准的，线路位置的改变、轨道平面的升降、轨道不平顺度都直接影响弓网系统的运营安全和受流质量。线路平面图和纵断面图是接触网设计的依据。

线路在空间的位置是用线路中心线表示的。线路中心线在水平面内的投影称作线路平面，反映线路的曲直变化和走向。线路中心线在垂直面内的投影称作线路纵断面，反映线路的起伏变化和高程。

线路平面由直线、缓和曲线、圆曲线组成，缓和曲线是直线和圆曲线的过渡，半径从直线端的无穷大逐渐变化到圆曲线端的圆半径，这一过程使列车离心力逐渐增加，从而避免了轮轨间的突然冲击，改善了行车条件。缓和曲线的设置还使曲线的轨距加宽和外轨超高得以过渡。如图1-4-9所示。

图1-4-9 直线、缓和曲线、圆曲线的相互关系

按一定比例将线路中心及两侧的地形地貌投影到水平面内，并标明相关技术参数，就得到线路平面图，如图1-4-10所示，它表明了线路中心的曲直变化和里程，沿线车站、桥隧建筑物等的数量和位置，以及用等高线表示的沿线地形、地物情况。

在曲线区段，为平衡列车运行产生的向心力和离心力，线路外轨必须抬高，其抬高值为：

R

V h 2m a x 6.7 （1-4-1）

实际上，列车通过曲线区段时，其速度不可能都为最大设计速度。一般采用平均速度来表明列车运行对外轨超高的需求，此时

211.8p V h R =

（1-4-2）

式（1-4-1）和（1-4-2）中： h －线路外轨超高值（mm ）；

max V －线路最大设计速度（km/h ）；

p V —设计平均速度(km/h)，新线设计时，取max 0.8p V V =；

R —曲线半径(m)。

图1-4-10 线路平面图

当列车运行速度p V V > 时，外轨超高不足，列车处于欠超高运行状态；当列车运行速度p V V <时，

外轨超高过度，列车处于过超高运行状态。欠超高和过超高统称为未被平衡超高，其值为［6］：

2211.8()

p s V V h R -?= （1-4-3）

式（1-4-3）中：h ?—未被平衡超高(mm)；

s V －列车实际运行速度；

p V —设计平均速度(km/h)；

R —曲线半径(m)。 这些未被平衡的超高需靠列车车体的倾斜来弥补，由此使得列车承载弹簧产生压缩或伸长，造成列车及受电弓的偏移，从而影响接触线拉出值和跨距的取值。

为保证列车运行、人员、设备安全，必须规定两线路间的最小间距，该值用两线路中心线的水平距离来表示，称作线间距。线间距的确定需考虑两相向而行的列车间的空气作用力，当两列车高速相遇时，最初形成的风压力会使列车相互排斥，接近列车尾部时又相互吸引，相互排斥或相互吸引的风压力与双向列车相对速度的平方成正比。

中国客货共线铁路的线间距（区间双线）根据速度等级分别为4.0~4.4m ，站内正线为5.0m ；客运专线区间正线和站内正线根据速度等级为4.4~5.0m ［7］。

在设置接触网支柱时，应充分考虑线间距与支柱侧面限界的关系。

按一定比例将线路中心线投影到垂直面内，并标明平面、纵断面的各项资料就构成纵断面图，线路纵断面由平道和坡道组成，坡道与坡道、坡道与平道的交接点称为变坡点，列车经过变坡点时会引起受电弓的附加振动，使弓网接触压力产生突变，导致弓网受流质量恶化。因此，平道与坡道间需通过竖曲线过渡。竖曲线一般为圆曲线，半径大小取决于列车经过变坡点的安全和竖向离心加速度对旅客舒适度的影响。

在一定车辆构造条件下，竖曲线半径可通过下式确定

2

23.6s s

v R a =? （1-4-4） 式（1-4-4）中：s R —曲线半径(m)；

v －列车运行速度；

在开行双层集装箱的客运专线上，应注意研究外轨欠超高或过超高对受电弓运行安全的影响。

s a —竖向离心加速度(2/m s )，一般取为20.08~0.5/m s ；

普速线路的竖曲线半径一般取为10000m （I 、II 级线路）和5000m （III 级线）；高速线路的竖曲线半径一般取为15000~25000m 。

坡道用坡度和坡段长度表示

1000?=L

h i ‰ （1-4-5

式（1-4-5）中，h －坡道段始点与终点的高差（m ）； L －坡道长度(m)。

坡度有正、负之别，上坡为正，下坡为负，平道为零。

桥梁、隧道等是铁路线路的主要建筑物。桥的种类很多，按其长度可分为：小桥（20m 以下）、中桥（20~100m ）、大桥（100~500m ）和特大桥（500m 以上）；隧道是铁路线路穿越山岭或大河（水底隧道）的必要建筑物，为保证线路维修人员、接触网作业人员以及行人的人身安全，在隧道洞身两侧应修建避车洞。

列车通过桥梁所引起的振动以及其它原因所引起的桥梁振动与接触网振动之间的内在联系还有待进一步研究。

列车高速通过隧道时，隧道内会产生压缩空气波，造成局部压强增大，局部压强减小，对接触网隧道支撑设备以及弓网接触压力造成影响，影响程度还有待于进一步试验研究。

为减小微气压波以及空气动力的影响，在高速铁路中，单线隧道的横断面面积己增至70m 2，复线隧道的横断面面积己增至100m 2，且隧道出口做成喇叭状。接触网支柱基础的施工不能破坏路基设施，也不能损伤路基强度！

为避免接触网下部工程施工对桥隧建筑物造成损害，同时也为了提高接触网基础工程的安全性和稳定性，应将接触网下部工程的设计和施工与桥隧工程的设计与施工统一考虑，协调设计，同步施工。

在电气化轨道交通系统中，钢轨除引导列车运行方向，承受轮对传递的巨大压力并将之传递给轨枕外，还是牵引网和信号轨道电路的重要组成部分，在电气参数上还有特定要求。

钢轨头部踏面下16mm 处两钢轨工作边之间的最小距离叫轨距。标准轨距为1435mm ，曲线区段的轨距应适当加宽，加宽量与线路曲线半径和线路最高运行速度有关。

道岔是线路的重要组成部分，是两条或两条以上轨道在平面上进行连接和交叉的设备，有单开、对称双开、不对称双开、菱形交叉、交叉渡线和交分等多种形式，单开道岔是最常用的一类道岔，其结构如图1-4-5所示。

图1-4-5 单开道岔的平面布置图

道岔型号是用道岔号来表示的，道岔号是辙叉角的余切值，道岔号越大，其侧向通过速度越高，道岔长度越长。中国定型生产的单开道岔有9、12、18、30、38、41号道岔等，允许侧向过岔速度分别为：30 、

45 、80 和140km/h 。18号和38号道岔的基本参数如表1-4-4和表1-4-5所示［8］。

表1-4-4 18号60kg/m 可动心轨高速单开道岔（图号：专线4245A ）参数表 单位（m ）

铁路限界是指为确保机车车辆运行安全，防止机车车辆撞击邻近线路的建筑物和设备所规定的机车车辆及接近线路建筑物或设备不允许超越的轮廓尺寸线。它有机车车辆限界和建筑接近限界两类。

表1-4-5 38号60kg/m轨可动心轨高速单开道岔（图号：专线4272）参数表单位（m）

机车车辆限界是机车车辆及其运载货物横断面的最大极限尺寸，它规定了机车车辆不同部位的宽度和高度的最大尺寸以及底部零件至轨面的最小距离。

建筑接近限界包括直线建筑接近限界，桥隧建筑限界及桥梁建筑限界，建筑接近限界是一个和线路中心相垂直的横截面，它规定了保证机车车辆安全通行所必需的横截面最小轮廓尺寸。

货物任何部分的高度和宽度超过机车车辆限界时，称为超限货物，超限货物按货物超限的程度分为一级、二级和三级。

接触网的所有建筑物和设备设施都应满足建筑接近限界要求，电气化铁路建筑接近限界附录一。

(2) 接触网与电务系统的接口

在电气化铁路中，牵引供电、电力、通信、信号合称为“四电”系统。由于电务系统与牵引供电系统共用轨道作为信号通路和牵引回流通路，相互之间存在密切关系，牵引供电专业应向通讯和信号专业提供接触网电分相和接地的详细设计资料,由信号专业予以确认；车载断电自动过分相装置所需的地面感应器的预埋设计、施工及维护由电务系统的信号专业进行；信号专业向牵引供电专业提供轨道电路闭塞分区的详细设计,牵引供电专业确认扼流变压器或空心线圈的位置，进行上下行横连线、吸上线、CPW 线、综合接地等电位连接线的设计, 并由信号专业予以确认［11］。

接触网的接地方式与线路的闭塞方式和轨道电路形式有关，所谓闭塞是指为确保同一时间同一线路的某一特定区段内只能有一辆列车运行而采取的防护措施。

电气化铁路全部为自动闭塞，它是利用安设在区间的若干轨道电路和运行中的列车自动完成闭塞作用的。轨道电路将区间线路划分为若干个闭塞分区，通过列车轮对短接（或断开）轨道电路实现占用或出清闭塞分区，并给设在每个闭塞分区入口处的信号机以相应信号指示。

轨道电路是实现自动闭塞和信号控制的基础设施，其作用是监督列车对轨道的占用情况、传递行车信息等。工作原理如图1-4-6所示［9］，当闭塞分区内无列车时，送电端送出的电流信号经钢轨达到受电端，轨道继电器受电处于闭合状态，给出相应指示信号，表明闭塞分区空闲；当闭塞分区内有列车时，轮对将两轨短接，送电端送出的电流信号无法达到受电端，轨道继电器失电，处于开断状态，给出相应指示信号，表明闭塞分区被占用。

轨道电路有机械绝缘轨道电路和电气绝缘轨道电路两类，对于短轨线路，各闭塞分区之间的轨道是相互绝缘的，信号电流到此没有通路，而牵引回流则通过扼流变压器线圈流向下一个闭塞分区，如图1-4-7所示。

图1-4-6轨道电路工作原理示意图图1-4-7 扼流变压器工作原理图

扼流变压器对低频的牵引回流阻抗很小，对调制后的高频信号电流阻抗很大，沿两轨流通的牵引电流在轨道绝缘处通过扼流变压器的上下部线圈和中心抽头流向另一扼流变压器的中心抽头和上下部线圈，然后再流向相邻的钢轨中。由于牵引轨中的牵引电流大小相等，扼流变压器的上下部线圈匝数相同，牵引电流在上下部线圈中产生的磁通量大小相等、方向相反，总磁通为零，对信号设备无影响。但当两轨牵引电

流不平衡时，牵引电流在线圈中产生的总磁通不为零，由此会对信号设备带来影响，必须采取防护措施，主要措施有：调节双轨阻抗、加大钢轨接续线载流面积、采用等阻抗引接线等。

高速铁路采用的是无缝轨道，钢轨没有机械断点，其闭塞分区只能采用基于电路谐振原理的数字移频式轨道电路。

电气绝缘轨道电路由两个谐振单元(BA)构成，如图1-4-8所示。

图1-4-8 电气绝缘节原理示意图图1-4-9 UM2000电气绝缘节示意图

BA1由L1和C1构成，BA2由L2，C2，C0构成。适当选择两BA的参数，使本区段的调谐单元对相邻区段的频率呈串联谐振，移频信号被短路；而对本区段的频率呈容抗，与26m钢轨和SVA的电感配合发生并联谐振，移频信号被接收。SVA用于平衡两轨间的不平衡电流，还参加调谐区工作，保障维修安全；补偿电容消除钢轨感性，保证轨道电路的传输距离。

目前，中国电气化铁路广泛使用的是ZPW-2000系列电气绝缘轨道电路，它是在吸收法国UM71轨道电路优点基础上自行研发的。UM71无绝缘移频轨道电路的载频信号为1700,2000,2300,2600Hz，频偏 11Hz；低频信号为10.3~29Hz,间隔1.1Hz，可载18位信号；UM2000是数字编码电气绝缘轨道电路，有27位数字编码，前6位为循环冗余校验码(CRC)，中间18位为实际使用码，其中线路坡度信息4位(16个等级)、目标距离信息6位(按5m精度划分)、速度信息8位，最后3位预留。UM2000的电气隔离原理和载频与UM71相同，但增加了补偿调谐单元DB，如图1-4-9所示。DB平时对轨道起补偿作用，当通用调谐单元BU故障时起备用作用，增加了系统的安全性和可靠性。

[思考与练习]

1 工频单相交流牵引供电有何特点？它对三相电力系统有哪些影响？

2 什么叫牵引网？牵引网有哪几种供电方式？请简述它们的工作原理和各自特点。

3 什么叫接触网？广义而言，接触网有哪几种形式？

4 什么叫受电弓动态包络线？该概念有何工程意义？

5 请简述机械绝缘轨道电路和电气绝缘轨道电路的基本工作原理。

6 简述牵引供电系统的基本组成及各部分功能。

7 接触网有哪些基本特性？认识接触网的基本特性有何意义？

8 牵引供电对接触网有哪些基本要求？

9 请简述接触网理论及其体系结构的内涵。

10 请简述线路参数对接触网的影响。