電氣化鐵路，亦稱電化鐵路，是由電力機(jī)車或動車組這兩種鐵路列車（即通稱的火車）為主，所行走的鐵路。電氣化鐵路的牽引動力是電力機(jī)車，機(jī)車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統(tǒng)提供。牽引供電系統(tǒng)主要是指牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分。變電所設(shè)在鐵道附近，它將從發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線送來的電流，送到鐵路上空的接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車直接輸送電能的設(shè)備。


簡介

電氣化鐵路的牽引動力是電力機(jī)車，機(jī)車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統(tǒng)提供。電氣化鐵路，亦稱電化鐵路，是由電力機(jī)車或動車組這兩種鐵路列車（即通稱的火車）為主，所行走的鐵路。


組成

牽引供電系統(tǒng)主要是指牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分。

變電所設(shè)在鐵道附近，它將從發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線送來的電流，送到鐵路上空的接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車直接輸送電能的設(shè)備。沿著鐵路線的兩旁，架設(shè)著一排支柱，上面懸掛著金屬線，即為接觸網(wǎng)，它也可以被看作是電氣化鐵路的動脈。電力機(jī)車?yán)密図數(shù)氖茈姽瓘慕佑|網(wǎng)獲得電能，牽引列車運行。牽引供電制式按接觸網(wǎng)的電流制有直流制和交流制兩種。直流制是將高壓、三相電力在牽引變電所降壓和整流后，向接觸網(wǎng)供直流電，這是發(fā)展zui早的一種電流制，到20世紀(jì)50年代以后已較少使用。交流制是將高壓、三相電力在變電所降壓和變成單相后，向接觸網(wǎng)供交流電。交流制供電電壓較高，發(fā)展很快。我國電氣化鐵路的牽引供電制式從一開始就采用單相工頻（50赫）25千伏交流制，這一選擇有利于今后電氣化鐵路的發(fā)展。

和傳統(tǒng)的蒸汽機(jī)車或柴油機(jī)車牽引列車運行的鐵路不同，電氣化鐵路是指從外部電源和牽引供電系統(tǒng)獲得電能，通過電力機(jī)車牽引列車運行的鐵路。它包括電力機(jī)車、機(jī)務(wù)設(shè)施、牽引供電系統(tǒng)、各種電力裝置以及相應(yīng)的鐵路通信、信號等設(shè)備。電氣化鐵路具有運輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運營成本低、工作條件好等優(yōu)點，對運量大的干線鐵路和具有陡坡、長大隧道的山區(qū)干線鐵路實現(xiàn)電氣化，在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上均有明顯的*性。


分類

可以用以下方法來對電氣化鐵路進(jìn)行分類：

供電導(dǎo)線類型：第三軌、高架電纜

供電類型：直流供電、交流供電

軌道供電

采用軌道供電的電氣化鐵路通常鋪設(shè)有額外的供電軌道，用來連接電網(wǎng)和機(jī)車，為機(jī)車提供電力供應(yīng)，亦被稱為第三軌供電，這條軌道被稱為第三軌。

高架電纜供電

高架電纜連接在電氣化鐵路的供電電網(wǎng)上，分為柔性和剛性兩類，電力機(jī)車或動車組通過架式集電弓連接接觸網(wǎng)，從其中取電。

架空電纜和高架電纜是香港和中國臺灣的說法，在中國大陸通常被稱為接觸網(wǎng)供電。在中國大陸，架空電纜和高架電纜一般是指高壓輸電線路。

兩種導(dǎo)線類型，zui終都通過列車正常的運行軌道接地形成回路。也有少數(shù)鐵路使用第四軌（例如倫敦地鐵）作為電流回路。

高架電纜有個好處，就是同時能當(dāng)高壓輸電道，如日本京急線。

直流供電

早期的電氣化鐵路采用電壓相對低的直流供電。機(jī)車或動車組的電動機(jī)直接連接在電網(wǎng)主線上，通過并聯(lián)或串聯(lián)在電動機(jī)上的電阻和繼電器來進(jìn)行控制。

通常有軌電車和地鐵的電壓是600伏和750伏，鐵路使用1500伏和3000伏。過去車輛使用旋轉(zhuǎn)變流器來將交流電轉(zhuǎn)換為直流電?，F(xiàn)在一般使用半導(dǎo)體整流器完成這個工作。

采用直流供電的系統(tǒng)比較簡單，但是它需要較粗的導(dǎo)線，車站之間距離也較短，并且直流線路有顯著的電阻損失。

荷蘭、日本、澳大利亞、印尼、馬來西亞的一些地區(qū)、法國的少數(shù)地區(qū)使用1500V的直流電，其中，荷蘭實際使用的電壓大 約有1600V到1700V。

比利時、意大利、波蘭、捷克北部、斯洛伐克、前南斯拉夫、前蘇聯(lián)使用3000V直流電。

低頻交流電

一些歐洲國家使用低頻交流電來給電力機(jī)車供電。德國、奧地利、瑞士、挪威和瑞典使用15千伏16.67赫茲（電網(wǎng)頻率50Hz的三分之一）的交流電。美國使用11千伏或12.5千伏25赫茲的交流電。機(jī)車的電機(jī)通過可調(diào)變壓器來控制。

工頻交流電

匈牙利曾經(jīng)在二十世紀(jì)三十年代在電氣化鐵路上使用50赫茲的交流電。然而直到五十年代以后才被廣泛使用。

目前，一些電氣化機(jī)車使用變壓器和整流器來提供低壓脈動直流電給電動機(jī)使用，通過調(diào)節(jié)變壓器來控制電動機(jī)速度。另一些則使用可控硅或場效應(yīng)管來產(chǎn)生突變交流或變頻交流電來供應(yīng)給機(jī)車的交流電機(jī)。

這樣的供電形式比較經(jīng)濟(jì)，但是也存在缺點：外部電力系統(tǒng)的相位負(fù)荷不等，而且還會產(chǎn)生顯著的電磁干擾。

中國、法國、英國、芬蘭、丹麥、前蘇聯(lián)、前南斯拉夫、西班牙（標(biāo)準(zhǔn)軌高鐵路段）、日本（東北、上越、北海道新干線及北陸新干線輕井澤以東）、使用單相25千伏50赫茲電力供應(yīng)，中國臺灣高速鐵路、中國臺灣鐵路管理局、韓國、日本（東海道、山陽、九州新干線及北陸新干線輕井澤以西）使用單相25千伏60赫茲電力供應(yīng)，而美國通常使用單相12.5千伏和25千伏60赫茲的交流電。另外日本東北、北海道地區(qū)使用20千伏50赫茲交流電，北陸地區(qū)、九州地區(qū)使用20千伏60赫茲交流電。

多種系統(tǒng)供電

因為有這么多的供電方式，有時候甚至一個國家內(nèi)采用不同的方式（如日本關(guān)東以南是60Hz，但東北及北陸以北是50Hz），所以列車經(jīng)常必須從一種供電方式轉(zhuǎn)向為另一種供電方式。其中一種方法是在換乘站更換機(jī)車，當(dāng)然，這樣很不方便。 另一種方法是使用支持多種供電系統(tǒng)的機(jī)車。在歐洲，通常是支持四種供電系統(tǒng)（直流1.5千伏、直流3千伏、交流15千伏16.67赫茲、交流25千伏50赫茲）的機(jī)車，這樣，它在從一個供電系統(tǒng)到另一個的時候就可以不用停留。

而日本國鐵在上世紀(jì)60年代初已有交直流對應(yīng)的列車機(jī)車、但當(dāng)時只能對應(yīng)其中50/60一個赫茲，俗稱“單交直流型 ”。直至60年代尾才成功研發(fā)可在全日本電化區(qū)間的行走用的多種供電系統(tǒng)（直流1.5千伏、交流25千伏50/60赫茲），俗稱“雙交直流型”，并開始引進(jìn)當(dāng)時量產(chǎn)中的列車機(jī)車系列上，但在1987年由JR分社經(jīng)營后，由于預(yù)期旅客電車不需再作全國性的調(diào)動或行走，加上雙交直流型電車成本較高，故除了至國鐵末年仍量產(chǎn)中的415系1500番臺及之后的JR東日本的E653系及是雙交直流型電車外，單交直流型的旅客電車從新被各JR旅客會社采用。


發(fā)展簡介

直流供電時期

1879年5月柏林貿(mào)易展覽會上展示了*條電氣化鐵道。這是一條長約300m的橢圓形鐵路，軌距1m，由150V的外部直流電源經(jīng)第三軌供電,以兩條軌作為軌道回路;電力機(jī)車只有945kg,這條電氣化鐵路雖然很短,卻奠定了電氣化鐵道的基礎(chǔ). 1881年在德國西門子公司的利希特非爾德——軍事學(xué)院修建了一條2.45km的電氣化鐵路，同年，在法國倫敦出現(xiàn)*條架空導(dǎo)線供電的500m長的有軌電車線路,并于1885年正式投入商業(yè)運行中。

交流供電時期

1903年，匈牙利出現(xiàn)了由架空的三根導(dǎo)線供電的三相交流電力機(jī)車，但很快就停止了，主要是維修太困難了。

1932年，匈牙利首先成功地在電氣化鐵道上采有16kV工頻單相交流電。

1950年，法國通過研究論證，修建了25KV單相工頻實驗線，并于1953年把單相交流電25KV80Hz電流制用于東南線，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

優(yōu)點

電氣化鐵路是一種現(xiàn)代化的鐵路運輸工具，和目前使用的內(nèi)燃、蒸汽機(jī)車牽引的鐵路相比，具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的*性。

能大幅度提高運輸能力

由于電力機(jī)車以外部電能作動力，它不需要自帶動力裝置，可降低機(jī)車自重，這樣，在每根軸的荷重相同的條件下，其軸功率較大，目前國內(nèi)的電力機(jī)車zui大為900千瓦，內(nèi)燃機(jī)車為500千瓦，在相同的牽引重量時，其速度較高。而在相同速度下，其牽引力較大?？瓦\用的SS8型電力機(jī)車持續(xù)速度為100公里/時，而DFll型內(nèi)燃機(jī)車只有65.5公里/時。從貨運機(jī)車的功率來比較，SS4型電力機(jī)車為6400千瓦，DFl0型內(nèi)燃機(jī)車為3245千瓦，而前進(jìn)型蒸汽機(jī)車僅為2200千瓦。由上述數(shù)字可以看出，因為電力機(jī)車的功率大，所以它的牽引力大和持續(xù)速度較高，從而大大提高了運輸能力。

節(jié)約能源，降低運輸成本

鐵路運輸是國家能源消耗的一個大戶。因此，牽引動力類型的選擇對于合理使用能源具有重要意義。

電力牽引的動力是電能，從我國能源生產(chǎn)的發(fā)展來看，“八五”期間發(fā)電量增長32%，原煤增長13%，原油增長5.1%;1995年電力牽引用電量僅占全國發(fā)電量的0.64%;再以宏觀的能源結(jié)構(gòu)看，原油儲量遠(yuǎn)少于煤炭、水力，而一些無法直接使用電能的水上、陸地和空中運輸工具及移動機(jī)械卻需要大量的液體燃料，因此，電力牽引是zui合理的牽引動力。電力牽引每萬噸公里的能耗比其它牽引約低1/3，根據(jù)1990年全路運輸業(yè)務(wù)決算報告，以每萬噸公里機(jī)務(wù)成本計算，電力機(jī)車為100%，則內(nèi)燃機(jī)車為136.9%，蒸汽機(jī)車為135.1%。

有利于保護(hù)環(huán)境，并能增加安全可靠程度

電力機(jī)車無廢氣、煙塵，對空氣無污染，另外噪音較小，特別在通過長大隧道時，其優(yōu)點更為顯著，這不僅改善了司機(jī)的工作條件和旅客的舒適度，而且對鐵路沿線城市、郊區(qū)的污染也減到zui小程度。電力機(jī)車裝有大功率的電氣制動裝置，可用于長大下坡的速度調(diào)整，從而可以大大提高列車運行的安全度。

動力

電氣化鐵路使用電力機(jī)車作為牽引動力，機(jī)車上不安裝原動機(jī)，所需電能由電氣化鐵路電力牽引供電系統(tǒng)提供。沿著鐵路線的兩旁，架設(shè)著一排支柱，上面懸掛著金屬線，即為接觸網(wǎng)，它也可以被看作是電氣化鐵路的動脈。電力機(jī)車?yán)密図數(shù)氖茈姽瓘慕佑|網(wǎng)獲得電能，牽引列車運行。牽引供電制式按接觸網(wǎng)的電流制有直流制和交流制兩種。直流制是將高壓、三相電力在牽引變電所降壓和整流后，向接觸網(wǎng)供直流電，這是發(fā)展zui早的一種電流制，到20世紀(jì)50年代以后已較少使用。交流制是將高壓、三相電力在變電所降壓和變成單相后，向接觸網(wǎng)供交流電。交流制供電電壓較高，發(fā)展很快。中國電氣化鐵路的牽引供電制式從一開始就采用單相工頻（50赫）25千伏交流制，這一選擇有利于今后電氣化鐵路的發(fā)展。

模擬

電氣化鐵路動態(tài)物理模擬（physics simulation of transient system of electric railway）反映供電系統(tǒng)和電力牽引全過程及相互關(guān)系的動態(tài)物理模擬系統(tǒng)，用以獲取和優(yōu)化電氣化鐵路運行的各主要技術(shù)參數(shù)。區(qū)分為直流和交流電氣化鐵路動態(tài)物理模擬兩種類型。

直流電氣化鐵路動態(tài)模擬計算臺 直流電氣化鐵路動態(tài)模擬計算臺由前蘇聯(lián)莫斯科鐵道學(xué)院于1950年開始研制。

模擬計算臺各環(huán)節(jié)簡介

利用相似標(biāo)準(zhǔn)，按與實際相符的一定比例模擬變電所電壓、內(nèi)阻，接觸網(wǎng)和鋼軌的電阻、的電阻、電流，機(jī)車的F1，I1，研制了包括5個變電所，125km長的接觸網(wǎng)、鋼軌和線路及電力機(jī)車組成的模擬臺，其原理結(jié)構(gòu)圖見圖2。①供電系統(tǒng)：牽引變電所由交流供電經(jīng)橋式整流及內(nèi)阻后向4條饋線供電;接觸網(wǎng)和鋼軌用10個步進(jìn)選擇器組成，其中每層有25條支路，共計250條，每條代表0.5km，其*層每條支路的電阻模擬10mm2～738mm2的等值銅導(dǎo)線截面，第二層模擬P45和P60型鋼軌。②線路縱斷面：利用一系列的串、并聯(lián)電阻形成—電位器，其上不同的正、負(fù)電壓相似地模擬不同的上、下坡道阻力，使每個0.5km具有不同的坡道。③電力機(jī)車牽引列車：機(jī)車的主回路由圖2中機(jī)車電阻和電流來模擬，取電壓UkM，形成電流為（M代表模擬值）。

導(dǎo)線

軌道供電

采用軌道供電的電氣化鐵路通常鋪設(shè)有額外的供電軌道，用來連接電網(wǎng)和機(jī)車，為機(jī)車提供電力供應(yīng)，亦被稱為第三軌供電，這條軌道被稱為第三軌。

高架電纜供電

高架電纜連接在電氣化鐵路的供電電網(wǎng)上，分為柔性和剛性兩類，電力機(jī)車或動車組通過架式集電弓連接接觸網(wǎng)，從其中取電。

架空電纜和高架電纜是香港和中國臺灣的說法，在中國大陸通常被稱為接觸網(wǎng)供電。在中國大陸，架空電纜和高架電纜一般是指高壓輸電線路。

兩種導(dǎo)線類型

zui終都通過列車正常的運行軌道接地形成回路。也有少數(shù)鐵路使用第四軌（例如倫敦地鐵）作為電流回路。

高架電纜有個好處，就是同時能當(dāng)高壓輸電道，如日本京急線。


意義

電力機(jī)車動車本身不帶原動機(jī)和燃料，比功率（單位重量功率）大，與內(nèi)燃機(jī)車和內(nèi)燃動車相比，在相同或相近的持續(xù)牽引力（以單軸計）下持續(xù)速度高一倍以上，牽引相同重量的列車可以實現(xiàn)更高的額定zui高速度（或稱zui高運營速度），而且恒功速度范圍寬，電制動功率也大，所以起、制動和加、減速性能也均較*。電力牽引這種快跑、多拉的特性能更充分地滿足鐵路運輸對提高行車速度、增加列車重量和加大行車密度的綜合要求，從而更加有利于：大幅度提高旅客運輸?shù)穆眯兴俣群透吒郊又瞪唐愤\輸?shù)乃瓦_(dá)速度;組織煤炭、建材、糧食等大宗貨物的、快捷的重載直達(dá)運輸;發(fā)揮速度優(yōu)勢，不斷推出運輸新產(chǎn)品，拓廣鐵路運輸?shù)臓I銷范圍，增強(qiáng)其在運輸市場上的競爭實力。特別軌道交通與高速公路、航空運輸協(xié)調(diào)發(fā)展的“運輸走廊”，吸引大中城市間和市郊運輸?shù)拇罅靠土鬓D(zhuǎn)乘高速和快速電氣列車，可以明顯改善人們的旅行條件、緩解交通堵塞、減少大氣污染、節(jié)省石油及土地等有限資源。這種超越上述企業(yè)效益的重大國民經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在喚醒發(fā)達(dá)國家的政府和社會對鐵路公益性的再認(rèn)識，為鐵路發(fā)展獲取資金和支持方面，起了重要的作用。

電氣化鐵路雖然一次投資較大，但是電氣化后完成的運量大，運輸收入多，運輸成本低，所需投資能在短期內(nèi)得到償還清（視運量大小，一般為5年～10年，有的只需2年～3年）。運輸成本的降低，主要是電力機(jī)車動車直接利用外部電源、構(gòu)造簡單、摩擦件少、購置費低、使用壽命長，因而包括能源費、維修費、折舊費的機(jī)務(wù)成本低;機(jī)車車輛周轉(zhuǎn)快，設(shè)備利用率高;客運電力機(jī)車動軸少、軸重輕，由提速而增加的工務(wù)成本也較少;空調(diào)客車、冷藏車日起觸網(wǎng)供電，較加掛發(fā)電車節(jié)省費用和運力。