电气化轨道交通新技术

电气化轨道交通新技术考查暨调查报告

1.论述高速铁路供电系统的新技术，包括：

a)牵引供电

b)牵引变电

c)接触网

d)SCADA

e)电力变配电、贯通线

f)综合维修

2.解释高速铁路综合调度系统、信号集中CTC及列车控制系统

CTCS3。

3.说明高速铁路动车组九大关键技术。

姓名：李道明

学号：20130208230203

专业：交通信息工程及控制

一、高速铁路供电系统的新技术

1、牵引供电

电力牵引供电系统包括牵引变电、供电调度、接触网等子系统。根据高速铁路高速度、高密度、高可靠的特点，引入了高速铁路电力牵引供电系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）的理念，给出了相关的参考指标要求，指导电力牵引供电系统的设备和装置的选型，通过高质量的技术装备构成高水平的电力牵引供电网络，实现（变电所值班）无人化、（设备）免维护和少维修、（运行）高可靠；明确了高速铁路应满足可靠稳定的供电质量、受流良好的弓网关系、动车组自动过分相等要求，并通过供电调度系统的全方位监控与信息化管理，实现了电力牵引供电系统监控自动化、远动化和运行管理智能化。

1）牵引变电子系统满足可靠稳定的供电质量要求。其中，采用220kV及以上电源，有利于节能和省地铁路供电电压需要从牵引负荷大小、负荷特性、供电可靠性及电力系统供电条件和对电力系统的影响等方面综合考虑决定；采用2×25kv供电方式有利于高电能的传输；牵引变压器采用单向接线，有利于动车组高速运行；采用高质量的技术装备，提高牵引供电系统的可靠性。

2）供电调度子系统实现电力牵引供电系统的全方位监控与信息化管理。提出了“铁路供电调度系统”的新模式，即将原分别设置的牵引供电调度、电力调度两个子系统有机融合在一起，统一了技术平台。具有遥控、遥信、遥测等功能的铁路供电调度系统与变电所综合自动化系统对接触网自动检测、自动识别和自动报警，使电力牵引供电系统实现智能化和变电所（开闭所、分区所、AT所）无人值班。

3）接触网子系统满足受流良好的弓网关系要求。新技术攻克了高速列车重联运行接触网关键技术难题双受电弓与上方的接触线密切接触并顺畅滑行是接触网系统的核心技术；奠定了接触网“简统化、标准化、系列化”的坚实基础；实现了接触网与受电弓的安全运行；提高了接触网工程设计的经济合理性；同时降低接触网系统的整体造价，保证接触网与铁路系统整体的协调性。

2、牵引变电

电力牵引的专用变电所。牵引变电所把区域电力系统送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电，或者送到地下铁道等城市交通所需的供电系统，为地铁电动车辆或电车供电。电力牵引的专用变电所。牵引变电所把区域电力系统送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电，或者送到地下铁道等城市交通所需的供电系统，为地铁电动车辆或电车供电。一条电气化铁路沿线设有多个牵引变电所，相邻变电所间的距离约为40～50公

里。在长的电气化铁路中，为了把高压输电线分段以缩小故障范围,一般每隔200～250公里还设有支柱牵引变电所,它除了完成一般变电所的功能外，还把高压电网送来的电能，通过它的母线和输电线分配给其他中间变电所。

牵引变压所分为直流和交流两类。直流牵引变电所的功能是把区域电网的高压电加以降压和整流，使之成为直流1500伏、750伏或城市交通用600伏电压,再送到接触网，为直流电力机车或电动车辆供电。交流牵引变电所根据牵引变压器绕组接线不同，又分为三相、单相和三相-两相牵引变电所。

1）三相牵引变电所：变压器原边绕组通常为星形连接，副边绕组为三角形连接。三角形的一个连接点接铁路行车轨道，另两个连接点分别接牵引变电所左右两侧的供电分区接触网。由于两侧相位差60°,需要分段。这种牵引变电所的优点是变压器副边保持三相，可供变电所本身和地方的三相用电；缺点是变压器的容量未能充分利用。

2）单相牵引变电所：采用1～2台单相变压器。用一台单相变压器时，副边绕组的一端接轨道，另一端同时供给左右两侧的供电分区接触网。为了检修方便，两供电分区采用相关分段加以隔离。若用两台单相变压器时，其原边绕组分别接到高压三相母线中两对不同的母线上，使三相负载平衡；两个副边绕组按V形接线,公共点接轨道,其余两端分别向两侧的分区供电,并用相关分段。单相变电所的优点是变压器容量利用较充分。但地区负荷需专用变压器；简单的单相接线，还影响三相系统的平衡。

3）三相-两相牵引变电所：变压器原边绕组接成T形，与三相高压母线连接；副边为两相连接，共用端接轨道，另两端分别接供电分区,由于两者相位差90°，两分区也需隔开。这种形式的牵引变电所一定程度上克服了三相和单相牵引变电所的缺点。中国早期的牵引变电所大多采用三相牵引变电所，从80年代起出现采用三相－两相牵引变电所。

此外，欧美一些国家由于历史上的原因，还有频率为16卭或25赫的单相牵引变电所，但现在发展的主流是单相工频交流牵引制及相应的变电所。历史上还出现过三相电力牵引及其变电所,但因三相接触网结构复杂,现在一般不用。中国干线电力牵引采用单相工频25千伏交流电,牵引变电所把输入的110千伏三相交流电转变为25千伏单相交流电送入接触网，从而完成电力牵引的供电任务。

我国电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制，额定电压25kV。牵引动力为电能，牵引供电设备将国家电力系统输送的电能变换为适合电力机车使用的形式，电力机车则完成牵引任务，因此牵引供电设备和电力机车是电气化铁路的两大主要装备，铁路其他装备和基础设施应与之相适应。

3、接触网

接触网是在电气化铁道中，沿钢轨上空“之”字形架设的，供受电弓取流的高

压输电线。接触网是铁路电气化工程的主构架，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。接触网主要包含以下几项内容：1.基础构件，如水泥支柱、钢柱及支撑这些结构物的基础；2.基础安装结构件，这项内容的作用主要是连接接触网导线和基础构件；3.接触网导线，这部分作用就是传输电流给电力机车；4.其他辅助构件，包括回流线、附加悬挂等。接触网、钢轨与大地、回流线统称为牵引网。

接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。由于接触网是露天设置，没有备用，线路上的负荷又是随着电力机车的运行而沿接触线移动和变化的，对接触网提出以下要求：

1）在高速运行和恶劣的气候条件下，能保证电力机车正常取流，要求接触网在机械结构上具有稳定性和足够的弹性。

2）接触网设备及零件要有互换性，应具有足够的耐磨性和抗腐蚀能力并尽量延长设备的使用年限。

3）要求接触网对地绝缘好，安全可靠。

4）设备结构尽量简单，便于施工，有利于运营及维修。在事故情况下，便于抢修和迅速恢复送电。

5）尽可能地降低成本，特别要注意节约有色金属及钢材。

总的来说，要求接触网无论在任何条件下，都能保证良好地供给电力机车电能，保证电力机车在线路上安全，高速运行，并在符合上述要求的情况下，尽可能地节省投资、结构合理、维修简便、便于新技术的应用。

4、SCADA

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。当今，随着电力系统以及铁道电气化系统对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：1）SCADA/EMS系统与其它系统的广泛集成。SCADA系统是电力系统自动化的实时数据源，为EMS系统提供大量的实时数据。同时在模拟培训系统，MIS系统等系统中都需要用到电网实时数据，而没有这个电网实时数据信息，所有其它系统都成为“无源之水”。所以SCADA系统如何与其它非实时系统的连接成为SCADA研究的重要课题；现有的SCADA系统已经成功地实现与DTS（调

度员模拟培训系统）、企业MIS系统的连接。SCADA系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为SCADA系统的一个发展方向。

2）变电所综合自动化。以RTU、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。变电所的综合自动化已经成为有关方面的研究课题，我国东方电子等公司已经推出相应的产品，但在铁道电气化上还处于研究阶段。

3）专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用

5、电力变配电、贯通线

铁路上的贯通线是指电力贯通线，是用来直接为铁路各车站电气集中设备及区间自闭信号点提供可靠、不间断电源的线路，用于铁路信号、通信及其他铁路综合用电的电力系统线路，一般距离铁路100米以内，它引于公共电网或公共电网以外的发电厂、变电站及输配电线路，它是铁路沿线连通两相邻变、配电所的主要对沿线铁路用电负荷供电的10KV或35KV电力线路。

6、综合维修

中国铁路正处于持续大规模建设时期，铁路建设和改造的任务十分艰巨。我国又是发展中国家，百业待兴，资金不足的问题非常突出；同时土地资源减少和环境污染已很严重。因此，在铁路发展方向的高速铁路建设中，做好体制策划和设计是一件非常有现实意义的工作。其中就包括关于维修体制的讨论。高速铁路的维修养护对我国是一个新课题，由于客车速度的提高。如何保持控制系统、牵引供电系统和线路、桥梁状态的高质量、高标准，是保证高速列车安全运行，提高旅客舒适度的主要技术关键。

所谓综合维修，是指把路基、轨道、桥梁、隧道、电力、牵引供电、通信信号、房屋建筑和给排水设施的施工维修作业内容统一管起来，实行一元化领导。铁路是一个高效运转系统。铁道部最主要的任务是安全完成运输任务并取得良好的经济效益和社会效应。铁路的一切设备、组织机构都是为这一目的服务。维护和维修是高速铁路保证安全的最基本要素之一，自然不会例外。如果将铁路作为一个整体，其固定设施主要由路基、轨道、桥梁、隧道、电力、牵引供电、通信信号、房屋建筑和给排水设施等组成。在高速铁路中，路基、轨道、桥梁、隧道、电力、牵引供电、通信信号和机车车辆关系密切，其相互影响程度远远大于普通铁路。这一特点直接影响到铁路的维护和维修工作。正因如此，高速铁路在发展中逐渐形成了五个综合系统：即调度、安全监控、动车、检测和维修。我们探讨的综合维修的意义也逐渐凸显。

二、释高速铁路综合调度系统、信号集中CTC及列车控制系统CTCS3。

1、高速铁路综合调度系统

随着列车运行速度的不断提高，运输调度指挥技术已经不能很好地适应当前铁路运输的需要，主要表现在调度员工作繁重，劳动强度大，还处于手工时代；而计算机、数据库、网络和通信、多媒体、人工智能等现代高科技尚未得到很好应用，技术水平和工作效率低下。我国铁路科研人员在高速铁路运行模拟、综合调度指挥管理系统的研究方面虽已作了大量工作，进行了小范围试验，但还没有达到实用的目标。我国铁路技术政策中已经明确提出在沿海经济发达、客流集中的东部走廊，发展时速250km及其以上的高速客车专线。随着铁路运营速度的不断提高和一些高速客运专线的建设，为了实现生产管理和生产过程控制的综合化，提高铁路运输效率，高铁综合调度系统显得尤为重要。

调度中心的基本任务包括：根据客运需要，编制行车计划、车辆运用计划、乘务计划，并形成运营计划；对运营信息搜集整理，调整运营计划，生成临时运行图：对列车运行状况进行监控，对车站进路集中控制；在收集统计车站旅客信息基础上，分析调整行车计划，并向旅客提供信息服务。根据调度中心的基本任务和中国铁路运输的特点，可以确定对综合调度系统的需求：高速铁路综合调度系统应满足全线实时控制和各业务部门综合管理的要求；适应高速铁路行车组织和行车方式的特点；具有与其它系统交换信息的能力，如客票、电力远动、设备监测、旅客向导等，综合调度系统包括：运输管理、列车运行调度与控制、机车车辆调度、牵引供电调度与控制、工务电务调度、客运调度、旅客服务( 包括列车上的服务) 、事故分析与救援、设备集中管理与维护、统计分析与资料管理、施工调度、安全监控、模拟培训等。高速铁路综合调度系统应具有较高的自动化水平，满足各级调度和管理人员对办公自动化环境的要求；以服务质量为中心，提高全线各环节的协调与服务水平；尽力减少高、中速混运对高速列车的影响；具有足够的容量和较高的处理速度，留有扩充系统的功能；具有监视自然灾害的功能，减轻灾害对运输生产带来的影响；合调度系统要有极高的安全性、可靠性、可用性、可扩展性和灵活性；保证高速铁路高速、安全、正点、舒适运行。

2、信号集中CTC

CTC 是Central Traffic Control三个英文字母的缩写，意为“铁路调度集中”，简称调度集中。

调度集中是调度所对某一区段内的车站信号设备进行远程集中监督、控制，对列车运行进行铁路行车工作直接组织、统一指挥、集中管理的技术设备。

CTC是以现代通信技术和分散自律控制为基础的分布式远程控制系统。其

中：信号设备：当前系指车站信号设备；控制：含调度监督、设备操作等；铁路行车工作：含列车运行和无行车人员车站的调车作业；管理：列车运行图管理、行车计划管理、行车设备维修及维护管理等。

关于调度集中的概念，除此之外历年来还有几种不同的定义说法：

1）调度集中是调度所（调度员）对某一区段内的信号设备进行集中控制、对列车运行直接指挥、管理的技术装备。

2）调度集中是铁路运输上应用的一种远程控制设备。利用调度集中，列车调度员可以在调度所内的操纵台上，监督、控制与操纵管辖区段内各车站上的信号机和道岔，直接组织和指挥列车运行和某些固定的调车作业。

3）调度集中设备是由列车调度员直接指挥列车运行的一种遥控遥信设备。

4）调度集中，又称列车集中控制。铁路行车调度的遥控、遥信系统，是集中控制列车运行的设备。

3、列车控制系统CTCS3

我国通过引进、消化、吸收国外列控系统技术，研发出具有自主知识产权的无绝缘执道电路、主体机车信号、列车运行记录监控装置和超速防护设备（LSK），为适应提速发展我国列控系统莫定了基础，并正在形成中国列车控制系统（CTCS）的各级模式。CTCS0在既有线已经普及并在防“两冒一超”中发挥了重要的作用；CTCS1将填补我国既有线160km/h以下列控系统的空白；CTCS2已应用在200km/h客货混跑线路上；正在建设的客运专线将采用ETCS2＋CTCS2双模式，形成具有中国特色的CTCS3系统应是值得探索的方案。

欧洲是世界轨道交通最为发达的地区，各国既有列车运行控制系统种类多达15种，而且互不兼容，有一列国际列车上曾最多装备了七套列控设备。为保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行，需要建立统一的列车运行控制系统，即欧洲列车控制系统(ETCS）。欧洲多个国家共同参与制定ETCS技术规范，该规范从功能需求出发提出系统需求，并以分级方式实现列车在不同配置的线路上安全运行。欧洲铁路运输管理系统（ERTMS）/ETCS技术规范将ETCS分为三级，并对每级控制系统制定统一的技术标准及接口协议。

2002年12月，在我国召开的国际铁路联盟（UIC）大会上，铁道部向世界宣布发展中国列车运行控制系统（CTCS)的规划。即：

CTCS0－机车信号＋监控装置（目前全路机车既有装备现状）；

CTCS1－主体机车信号＋安全型监控装置＋点式应答器；

CTCS2－超速防护设备；

CTCS3－基于GSM-R传输的超速防护系统设备；

CTCS4－依靠列车自身实现列车完整性检查，采用应答器或卫星定位系统（GPS），无线传输列车移动命令的列控系统。

在300km/h线路上运行的动车组采用ETCS2＋CTCS2的双模式配置，形成具有中国特色的双模式列控系统即CTCS3。这样既有一个完整、成熟系统保证工程可靠实施，同时也解决了既有线动车组上高速线行驶的问题，增加了动车组运行的灵活性。如果CTCS2在300 km/h列控试验取得成功，也可作为基于无线传输的ETCS2的冗余系统，使我国300 km/h的客运专线的运行安全保障系统更加安全可靠。我国在建的客运专线是铁路快速客运通道，也是整个铁路网的重要干线组成部分，能否解决好与既有信号系统的兼容，是CTCS3能否成功的关键。特别要根据我国的需求引进ETCS2关键技术，同时要处理好与CTCS2的结合及地面设备共用问题。相信根据我国铁路的需求，以采用“先进、成熟、经济、适应、可靠”技术为原则，通过系统集成创新，一定能为我国客运专线的列车运行控制提供一个安全、可靠的技术保障方案。

三、说明高速铁路动车组九大关键技术。

图3-1 动车组关键技术

高速动车组总共有9大技术，包括总成、转向架、车体、牵引传动系统（通常再细分为牵引电机、牵引变压器、牵引变流器、牵引控制）、网络控制系统、制动系统。

中国南车在技术上的突破是全面的，比如车体包括头型方面，CRH380A型动车组头型是以长征火箭为原型进行设计的，创下了时速486.1公里的世界铁路运营试验最高速度。其他技术方面，新一代高速动车组在系统总结轮轨关系、流固耦合关系、弓网关系的基础上，在气密强度、振动模态、转向架、减振降噪、牵引系统、弓网受流、制动系统、旅客界面、智能化列车等10大方面进行了系统创新。

据介绍，在振动模态方面，如何在轻量化设计目标下，避免车辆产生共振，是高速车体设计面临的主要挑战之一。中国南车通过运用动力学与车体模态分析方法，依据京津、武广高铁典型无砟轨道实测轨道谱和车辆振动响应特征，通过对车体的刚度质量分布进行优化，以及车体局部振动参数进行匹配，并采用新型的隔声材料结构，使车体、转向架及部件与轨道振动匹配良好，同时降低了振动噪声。在系统分析京津、武广高铁跟踪试验结果的基础上，中国南车提出了多种车体设计方案。通过多次分析论证，实车线路试验表明达到了世界先进水平。

在高速转向架方面，转向架也被称为走行部，承担着导向、承载、减振、牵

引和制动等功能，是决定高速列车运行安全和运行品质的核心。速度越高，来自轨道的激扰越大，如何保证在高速运行条件下转向架具有足够的临界速度和结构安全性，优良的减振性能和低轮轨磨耗，是高速列车研发面临的艰巨挑战。

采用精确的高速列车系统动力学模型，分析了高速运行条件下轨道不平顺、气动激扰和轮轨型面匹配特性以及车辆间的耦合关系对列车动力学性能影响规律，对影响综合性能的关键参数进行多方案优选，临界速度显著提高，乘坐舒适性明显改善。而且在保持低轮轨作用力优势的同时，采用降低簧下重量和控制轮轨黏着的措施，有效降低了轮轨磨耗速度。