高速鐵路“四電”系統原理與概述

孔繁軍

(遼寧省交通高等專科學校 軌道交通工程系,遼寧 沈陽 110122)

0 引言

高速鐵路“四電”系統是指高速鐵路的通信、信號、電力、電氣化4 個子系統,它們是實現高速鐵路速度及能力目標值、確保離速列車安全可靠運行的核心系統[1]。本文從4 個子系統的文字定義、類型介紹、應用場景以及構造學習等方面來做具體的闡述和介紹,4 個子系統整體結構框架如圖1 所示。

圖1 “四電”系統框架

1 通信系統

1.1 定義和作用

通信指的是高鐵運輸生產和建設中,利用各種通信方式進行各種信息傳送和處理的技術與設備。在鐵路交通的整體通信系統中,通信技術除了要為閉路電視、公務電話、調度電話、通信廣播、無線調度等系統提供語音、圖像、數據,同時也為列車自動監控、防災報警、機電設備監控、電力監控、門禁、自動售檢票等系統提供了傳輸通道。

此外,鐵路通信系統的存在,也為其他系統的連接構筑了通信橋梁。通信傳輸系統能夠發送信息、解碼信息、傳遞信息等,其對于鐵路交通體系的發展十分重要。

1.2 類型介紹

鐵路通信按照傳輸方式分為有線通信和無線通信,這其中無線通信采用的是2G 網絡即GSM-R,有線通信是采用光纜進行傳輸的。當然,不管是無線還是有線,都會涉及電話。

1.3 發展趨勢

國際鐵路聯盟表示,GSM-R 不會過渡到3G 而是直接過渡到“準4G”的LTE-R。我國鐵路目前只有很少一部分線路采用4G,例如朔州到黃驊港的朔黃鐵路。目前已經開通的京張鐵路已經采用5G 網絡進行通信。隨著中國鐵路的高速發展,特別是即將實現的高鐵網八縱八橫,相信在不遠的未來,5G 網絡肯定會代替GSM-R 作為主流通信網絡。

2 信號系統

信號子系統是鐵路上信號顯示、聯鎖、閉塞設備的總稱,是為確保列車運行的安全而設立的[2]。本文主要介紹高鐵列控系統(Chinese Train Control System,CTCS)和計算機聯鎖系統。

2.1 高鐵列控系統

高鐵列控系統CTCS 主要分為5級,分別是CTCS-0,CTCS-1,CTCS-2,CTCS-3,CTCS-4。其中,高鐵主要采用CTCS-2 和CTCS-3。

在時速300～350 km/h 的高鐵客運專線上必須采用CTCS-3 級列控系統,例如2011 年開通的京滬高鐵、2019 年開通的京張高鐵以及開通不久的京沈高鐵等。在配備C3 的系統中,必須配有C2 系統作為備用系統,當C3 故障時降級到C2 模式運行,速度不得超過250 km/h。目前,我國正在研制CTCS-4 級列控系統,該系統是完全基于無線傳輸信息的列車運行控制系統。地面可取消軌道電路,由無線閉塞中心和列控車載設備共同完成列車定位和完整性檢查,實現虛擬閉塞或移動閉塞。在CTCS-3 級列控系統中,數據的傳輸都是通過鐵路通信光纜和GSM-R 無線網絡實現的。

2.2 計算機聯鎖系統

世界上最早的高速鐵路是1964 年開通的新干線,聯鎖系統是采用繼電聯鎖6502 電氣集中。隨著高速鐵路的快速發展,計算機聯鎖系統開始逐漸取代6502電氣集中。計算機聯鎖是用微型計算機對車站值班人員的操作命令與現場實際狀態的表示信息進行邏輯運算,從而實現對信號機、道岔及進路進行集中控制和聯鎖的車站聯鎖設備[3]。

目前,在國內城軌和鐵路上應用較多的計算機聯鎖廠家有鐵科院、交大微聯、通號院以及卡斯柯公司。正在使用的設備有雙機熱備、三取二以及二乘二取二,但雙機熱備和三取二已經基本被淘汰,新建線路基本都采用安全性、可靠性更好的二乘二取二的計算機聯鎖設備。這里需要說明的是,鐵路使用雙機熱備和二乘二取二,只有城軌使用三取二。

2.3 工作過程

根據行車計劃,行車指揮中心自動生成列車進路序列,計算機聯鎖根據該序列排列車站列車進路,并將進路信息通過信號安全數據網發送給無線閉塞中心和列控中心,由無線閉塞中心和列控中心運算生成行車許可后,分別通過GSM-R 無線網絡和ZPW-2000 軌道電路,即應答器發送給車載設備,根據收到的行車許可,車載設備生成目標-距離連續速度模式曲線監控列車安全運行,無線閉塞中心發送的行車許可最遠可達32 km,為列車高速安全運行提供了保障。

3 電力系統

電力系統指的是集生產、輸送、分配消費電能的發電機、變壓器、電力線路、各種用電設備聯系在一起組成的統一體。電力工程是國民經濟發展中最重要的基礎能源產業,現代社會的生產活動幾乎都離不開電能的幫助。因此,電力工程對促進國民經濟的發展和社會進步起到了重要作用。在我國,無論是高鐵還是普速鐵路幾乎都是采用牽引供電方式來為火車提供動能,而牽引供電離不開電力系統的電力輸出。電力系統中的基礎知識點主要包括高壓輸電線路、變電所和配電所等。

3.1 高壓輸電線路

發電廠發出的電,一般要送到較遠的地方供人們使用。根據歐姆定律,電能在傳送過程中會產生較大的損耗,為了降低損耗,通常采用高壓輸電線的方式來傳送電能。一般稱220 kV 以下的輸電電壓叫作高壓輸電,330 kV～765 kV 的輸電電壓叫作超高壓輸電,1 000 kV 以上的輸電電壓叫作特高壓輸電。當電輸送到用電的地方后,通過變電所、配電所將電壓降低下來再進行各種生產活動。

高壓輸電線路分為架空輸電線路、電纜輸電線路。架空輸電線路:采用輸電桿塔將導線和地線懸掛在空中,使導線和導線之間、導線和地線之間、導線和桿塔之間、導線和地面障礙物之間保持一定的安全距離,完成輸電任務。電纜輸電線路:將電纜埋設在地下,不占空間,但施工和維護不方便,多用在城市和跨江河線路中。

3.2 變電所

變電所就是改變電壓的場所,是電力系統中對電能的電壓和電流進行變換、集中和分配的場所。在一定意義上,變電站和變電所是一個概念。在發電廠內的變電站是升壓變電站,其作用是將發電機發出的電能升壓后饋送到高壓電網中。

3.3 配電所

配電所就是對電能進行接收、分配、控制與保護。地方配電所不具備變壓的功能,但鐵路的配電所具有變壓的功能,變壓比為10∶0.4。

4 電氣化系統

電氣化系統也叫牽引供電系統。拖動車輛運輸所需電能的供電方式。作用是將地方電力系統的電源220 kV(110 kV)引入鐵路牽引供電系統的牽引變電所,通過牽引變壓器變壓為適合鐵路電力機車運行的27.5 kV 電壓,向電力機車提供連續電能。牽引供電系統主要由牽引變電所、饋電線、接觸網、軌道和回流線組成。

在鐵路系統中,牽引變電所是指將發電廠經電力傳輸線送來的電能變換成適合機車車輛所需的電壓,并分送到接觸網的場所。功能是將三相的110 kV(或220 kV)高壓交流電變換為兩個單相的27.5 kV 的交流電,然后向鐵路上、下行兩個方向的接觸網(額定電壓為25 kV)供電。

4.1 牽引變電所的分類

按高壓輸電線的引入方式分類,主要有“T”接線(又稱分支接線)和“橋”接線。按牽引變壓器的聯結形式分類,有單相聯結(又稱簡單單相聯結,或純單相聯結)、單相Vv 聯結、三相Vv 聯結、三相YNd11 聯結和三相不等容量YNd11 聯結、三相YNd11d1 十字交叉聯結、斯科特聯結等。按承擔供電臂的供電任務分類,有集中供電方式和分散供電方式。

4.2 接觸網

接觸網是在電氣化鐵道中,沿鋼軌上空“之”字形架設的,供受電弓取流的高壓輸電線。接觸網是鐵路電氣化工程的主構架,是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路。其由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎幾部分組成。

接觸網大多以接觸懸掛的類型來區分。本文中的接觸懸掛的分類指的是對接觸網的每個錨段而言的。接觸懸掛的種類較多,一般根據其結構的不同分成簡單接觸懸掛和鏈形接觸懸掛兩大類。

4.3 供電方式

在高速鐵路上,采用自耦變壓器供電方式(Auto-Transformer,AT),如圖2 所示;在普速鐵路上采用帶回流線的直接供電方式(DN),如圖3 所示。

圖2 自耦變壓器供電方式(AT 供電方式)

圖3 帶回流線的直接供電方式

4.4 工作過程

發電廠生產出的電能往往在一兩千伏左右,為了降低運輸過程中的電能損耗,采用高壓運輸的方法。首先,電廠產生的電能在附近的變電站進行升壓,然后通過高壓輸電線路送到牽引變電所(此時電壓為220 kV 或者110 kV),為了提高安全性和可靠性,送給牽引變電所的是兩路電,每路都是A,B,C 三相組成。牽引變電所只提取其中的AB 或者AC 相并進行降壓處理,變成27.5 kV 的電壓通過饋電線送到接觸網上。機車上的受電弓接收到該電壓后使機車運行,流經機車后的電流走到鋼軌上后,絕大部分通過吸上線走到回流線,最終回到牽引變電所。小部分通過大地回到牽引變電所。

5 結語

高速鐵路的“四電”系統是一個復雜、集成的系統,對“四電”的掌握和理解應在充分熟悉4 部分基礎內容的基礎上,再進一步深入挖掘相互之間的聯系和工作原理。高鐵作為我國新時代的四大發明之一,正在一步一步走向國際舞臺,從設計、施工到最后的維護階段,4 個子系統的工作原理對每一位參與者都是應知應會的基礎知識點。