高速铁路“四电”系统原理与概述

孔繁军

(辽宁省交通高等专科学校 轨道交通工程系,辽宁 沈阳 110122)

0 引言

高速铁路“四电”系统是指高速铁路的通信、信号、电力、电气化4 个子系统,它们是实现高速铁路速度及能力目标值、确保离速列车安全可靠运行的核心系统[1]。本文从4 个子系统的文字定义、类型介绍、应用场景以及构造学习等方面来做具体的阐述和介绍,4 个子系统整体结构框架如图1 所示。

图1 “四电”系统框架

1 通信系统

1.1 定义和作用

通信指的是高铁运输生产和建设中,利用各种通信方式进行各种信息传送和处理的技术与设备。在铁路交通的整体通信系统中,通信技术除了要为闭路电视、公务电话、调度电话、通信广播、无线调度等系统提供语音、图像、数据,同时也为列车自动监控、防灾报警、机电设备监控、电力监控、门禁、自动售检票等系统提供了传输通道。

此外,铁路通信系统的存在,也为其他系统的连接构筑了通信桥梁。通信传输系统能够发送信息、解码信息、传递信息等,其对于铁路交通体系的发展十分重要。

1.2 类型介绍

铁路通信按照传输方式分为有线通信和无线通信,这其中无线通信采用的是2G 网络即GSM-R,有线通信是采用光缆进行传输的。当然,不管是无线还是有线,都会涉及电话。

1.3 发展趋势

国际铁路联盟表示,GSM-R 不会过渡到3G 而是直接过渡到“准4G”的LTE-R。我国铁路目前只有很少一部分线路采用4G,例如朔州到黄骅港的朔黄铁路。目前已经开通的京张铁路已经采用5G 网络进行通信。随着中国铁路的高速发展,特别是即将实现的高铁网八纵八横,相信在不远的未来,5G 网络肯定会代替GSM-R 作为主流通信网络。

2 信号系统

信号子系统是铁路上信号显示、联锁、闭塞设备的总称,是为确保列车运行的安全而设立的[2]。本文主要介绍高铁列控系统(Chinese Train Control System,CTCS)和计算机联锁系统。

2.1 高铁列控系统

高铁列控系统CTCS 主要分为5级,分别是CTCS-0,CTCS-1,CTCS-2,CTCS-3,CTCS-4。其中,高铁主要采用CTCS-2 和CTCS-3。

在时速300～350 km/h 的高铁客运专线上必须采用CTCS-3 级列控系统,例如2011 年开通的京沪高铁、2019 年开通的京张高铁以及开通不久的京沈高铁等。在配备C3 的系统中,必须配有C2 系统作为备用系统,当C3 故障时降级到C2 模式运行,速度不得超过250 km/h。目前,我国正在研制CTCS-4 级列控系统,该系统是完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。地面可取消轨道电路,由无线闭塞中心和列控车载设备共同完成列车定位和完整性检查,实现虚拟闭塞或移动闭塞。在CTCS-3 级列控系统中,数据的传输都是通过铁路通信光缆和GSM-R 无线网络实现的。

2.2 计算机联锁系统

世界上最早的高速铁路是1964 年开通的新干线,联锁系统是采用继电联锁6502 电气集中。随着高速铁路的快速发展,计算机联锁系统开始逐渐取代6502电气集中。计算机联锁是用微型计算机对车站值班人员的操作命令与现场实际状态的表示信息进行逻辑运算,从而实现对信号机、道岔及进路进行集中控制和联锁的车站联锁设备[3]。

目前,在国内城轨和铁路上应用较多的计算机联锁厂家有铁科院、交大微联、通号院以及卡斯柯公司。正在使用的设备有双机热备、三取二以及二乘二取二,但双机热备和三取二已经基本被淘汰,新建线路基本都采用安全性、可靠性更好的二乘二取二的计算机联锁设备。这里需要说明的是,铁路使用双机热备和二乘二取二,只有城轨使用三取二。

2.3 工作过程

根据行车计划,行车指挥中心自动生成列车进路序列,计算机联锁根据该序列排列车站列车进路,并将进路信息通过信号安全数据网发送给无线闭塞中心和列控中心,由无线闭塞中心和列控中心运算生成行车许可后,分别通过GSM-R 无线网络和ZPW-2000 轨道电路,即应答器发送给车载设备,根据收到的行车许可,车载设备生成目标-距离连续速度模式曲线监控列车安全运行,无线闭塞中心发送的行车许可最远可达32 km,为列车高速安全运行提供了保障。

3 电力系统

电力系统指的是集生产、输送、分配消费电能的发电机、变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一体。电力工程是国民经济发展中最重要的基础能源产业,现代社会的生产活动几乎都离不开电能的帮助。因此,电力工程对促进国民经济的发展和社会进步起到了重要作用。在我国,无论是高铁还是普速铁路几乎都是采用牵引供电方式来为火车提供动能,而牵引供电离不开电力系统的电力输出。电力系统中的基础知识点主要包括高压输电线路、变电所和配电所等。

3.1 高压输电线路

发电厂发出的电,一般要送到较远的地方供人们使用。根据欧姆定律,电能在传送过程中会产生较大的损耗,为了降低损耗,通常采用高压输电线的方式来传送电能。一般称220 kV 以下的输电电压叫作高压输电,330 kV～765 kV 的输电电压叫作超高压输电,1 000 kV 以上的输电电压叫作特高压输电。当电输送到用电的地方后,通过变电所、配电所将电压降低下来再进行各种生产活动。

高压输电线路分为架空输电线路、电缆输电线路。架空输电线路:采用输电杆塔将导线和地线悬挂在空中,使导线和导线之间、导线和地线之间、导线和杆塔之间、导线和地面障碍物之间保持一定的安全距离,完成输电任务。电缆输电线路:将电缆埋设在地下,不占空间,但施工和维护不方便,多用在城市和跨江河线路中。

3.2 变电所

变电所就是改变电压的场所,是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。在一定意义上,变电站和变电所是一个概念。在发电厂内的变电站是升压变电站,其作用是将发电机发出的电能升压后馈送到高压电网中。

3.3 配电所

配电所就是对电能进行接收、分配、控制与保护。地方配电所不具备变压的功能,但铁路的配电所具有变压的功能,变压比为10∶0.4。

4 电气化系统

电气化系统也叫牵引供电系统。拖动车辆运输所需电能的供电方式。作用是将地方电力系统的电源220 kV(110 kV)引入铁路牵引供电系统的牵引变电所,通过牵引变压器变压为适合铁路电力机车运行的27.5 kV 电压,向电力机车提供连续电能。牵引供电系统主要由牵引变电所、馈电线、接触网、轨道和回流线组成。

在铁路系统中,牵引变电所是指将发电厂经电力传输线送来的电能变换成适合机车车辆所需的电压,并分送到接触网的场所。功能是将三相的110 kV(或220 kV)高压交流电变换为两个单相的27.5 kV 的交流电,然后向铁路上、下行两个方向的接触网(额定电压为25 kV)供电。

4.1 牵引变电所的分类

按高压输电线的引入方式分类,主要有“T”接线(又称分支接线)和“桥”接线。按牵引变压器的联结形式分类,有单相联结(又称简单单相联结,或纯单相联结)、单相Vv 联结、三相Vv 联结、三相YNd11 联结和三相不等容量YNd11 联结、三相YNd11d1 十字交叉联结、斯科特联结等。按承担供电臂的供电任务分类,有集中供电方式和分散供电方式。

4.2 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。

接触网大多以接触悬挂的类型来区分。本文中的接触悬挂的分类指的是对接触网的每个锚段而言的。接触悬挂的种类较多,一般根据其结构的不同分成简单接触悬挂和链形接触悬挂两大类。

4.3 供电方式

在高速铁路上,采用自耦变压器供电方式(Auto-Transformer,AT),如图2 所示;在普速铁路上采用带回流线的直接供电方式(DN),如图3 所示。

图2 自耦变压器供电方式(AT 供电方式)

图3 带回流线的直接供电方式

4.4 工作过程

发电厂生产出的电能往往在一两千伏左右,为了降低运输过程中的电能损耗,采用高压运输的方法。首先,电厂产生的电能在附近的变电站进行升压,然后通过高压输电线路送到牵引变电所(此时电压为220 kV 或者110 kV),为了提高安全性和可靠性,送给牵引变电所的是两路电,每路都是A,B,C 三相组成。牵引变电所只提取其中的AB 或者AC 相并进行降压处理,变成27.5 kV 的电压通过馈电线送到接触网上。机车上的受电弓接收到该电压后使机车运行,流经机车后的电流走到钢轨上后,绝大部分通过吸上线走到回流线,最终回到牵引变电所。小部分通过大地回到牵引变电所。

5 结语

高速铁路的“四电”系统是一个复杂、集成的系统,对“四电”的掌握和理解应在充分熟悉4 部分基础内容的基础上,再进一步深入挖掘相互之间的联系和工作原理。高铁作为我国新时代的四大发明之一,正在一步一步走向国际舞台,从设计、施工到最后的维护阶段,4 个子系统的工作原理对每一位参与者都是应知应会的基础知识点。