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电力机车

电力机车、又称电力火车,是指从供电网(接触网)或供电轨中获取电能,再通过电动机驱动车辆行驶的火车。电力机车运行所需的电能由电气化铁路的供电系统提供,而自身携带发电能源和装置的电传动内燃机车和燃气机车等则不属于电力机车范畴。

电力机车是第二次工业革命的产物,但直到第三次工业革命后才有了超大规模的发展,是现代火车的主力军。电力机车拥有很多优点,综合性能比蒸汽机车和内燃机车强得多,不仅广泛用于干线铁路的运营,而且服务于几乎所有的城市轨道交通中。现今,世界国家大多展开了电气化铁路的建设,普及了电力机车的运用,并大力发展更先进的电力机车。

电力机车、亦称电力火车,是指从外界供电系统撷取电力作为驱动能源的轨道机车,其电力来源包括架空电缆、第三轨或电池等。同样使用牵引电动机的电传动柴油机车、燃气机车等这类自带其它能源和发电装置的机车不纳入电力机车范畴。

电力机车起动加速快,爬坡能力强,工作不受严寒的影响,运行时不排废气,所以在运输繁忙的铁路干线和隧道多、坡度陡的山区线路上更能发挥优越性。此外,电力旅客列车可为客车空气调节和电热取暖提供便利条件。由于电气化铁路基本建设投资大,设备技术要求高,抗自然灾害能力差,故电力机车应用不如内燃机车广泛,也不可能完全取代内燃机车。

电力机车没有空气污染,且善于保养,牵引列车时速可达几百千米,所以高速列车基本由电力机车牵引。电力机车另一个优点就是能够在短时间内完成启动和制动,这个性能比蒸汽机车和内燃机车要优秀很多,特别适合发车密度高、车站间距短的城市轨道交通列车。因此,电力机车在全球范围内得到重视,世界各国均不断加大力度研制性能更佳的电力机车。

电力机车的牵引力和爬坡能力比内燃机车和蒸汽机车要大得多,在载重过大或坡度较大的情况下无需采用多机牵引。电力机车最大的优点就是无限行程,只要车辆不驶离电气化段,就不会“饿倒”(故障除外),无需像内燃机车和蒸汽机车那样经常补充燃料。

我国初期的电气化铁路不是很多(普通铁路),所以会选择把原本非电气化铁路进行电气化改造。电气化改造后的铁路速度将从100-120km/h提高到160-200km/h,这样不仅能缩短列车的运输时间,还能达到5000t以上的货运列车运输,提升铁路运输效率。如今,走向“高铁时代”的中国正大力发展电气化铁路,电力动车组的速度可达250-400km/h。

1835年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人就试着制以电池供电的二轴小型铁路车辆。1842年苏格兰人R.戴维 森首先造出一台用40组电池供电的重 5吨的标准轨距电力机车。由于电动机很原始,机车只能勉强工作。1879年德国人 W.von西门子驾驶一辆他设计的小型电力机车,拖着乘坐18人的三辆车,在柏林夏季展览会上表演。机车电源由外部150伏直流发电机供应,通过两轨道中间绝缘的第三轨向机车输电。这是电力机车首次成功的实验。电力机车用于营业是从地下铁道开始的。1890年英国伦敦首先用电力机车在 5.6公里长的一段地下铁道上牵引车辆。干线电力机车在1895年应用于美国的巴尔的摩铁路隧道区段,采用675伏直流电,自重97吨,功率1070千瓦。19世纪末,德国对交流电力机车进行了试验,1903年德国三相交流电力机车创造了每小时210.2公里的高速纪录。

中国于1914年在抚顺煤矿使用1500伏直流电力机车。干线铁路电力机车采用单相交流 25000伏50赫电流制。1958年制成第一台以引燃管整流的“韶 山”型电力机车。1968年改用硅整流器成功,称“韶山1”型,持续功率为3780千瓦。未来干线电力机车向大功率、高速、耐用方面发展,客运电力机车速度已从每小时160公里增加到200公里,并向250公里迈进。

各国制造的电力机车电压制较复杂,不便于国际间铁路联运过轨。未来国际上已定出几种电力机车用标准电压。直流电压为600伏、750伏、1500伏和3000伏。单相交流电压6250伏、工频50或60赫,电压15000伏、工频50或60赫,电压25000伏、工频50或60赫等几种。

1、电力机车具有功率大、速度快、过载能力强、自身负重低、牵引力和加速度大、整备作业时间短、维修量少、能源利用率高、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及清洁环保等优点。使用电力机车牵引车列能提高列车运行速度和承载重量,从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力,特别利于旧铁路的提速。我国的京广、京沪和京九等干线铁路进行电气化升级改造后大面积开行电力机车,有效缩短了列车旅行时间。

2、电力机车清洁环保,运行时不像蒸气机车或柴油机车那样产生废气。供电气化铁路使用的发电厂在采用化石燃料时,均会控制废气排放,除此之外也可使用低污染的风力或水力发电,还能提高热效率。在噪音方面,电力机车在运行时亦比柴油机车安静得多。因此,电力机车十分适用于在城市轨道交通线上运营。

3、在性能上,电力机车不需像蒸汽机车或柴油机车那般自携很重的引擎以及燃料,能减轻自重,因此在加减速和最高速方面均比蒸汽机车和柴油机车优胜,可进一步缩减行车时间,是高速列车动车组等的第一选择。

1、电力机车的缺点在于其本身没有动力源,电能来自外部的电缆或电轨,如遇自然灾害、战争等不可抗力状况引发断电就无法运行,导致运输瘫痪,甚至可能引起事故。2008年我国华南地区遭遇大面积强降雪,损坏了铁路沿途线上的供电设备,致使多个班次的电力火车停运,造成严重的旅客滞留。混合动力是一种折中方案,即在电力机车上额外配备有应急柴油发电机或增挂柴油发电机车厢,以应付突发的断电状况,但会增加运输成本。

2、电力机车的研制、生产和维修及其所需电气化铁路的建设、运营和维护,都要高昂的费用和高端的技术,导致整条铁路系统的施工难度和养护成本比非电气化铁路的高很多。若在经济贫困、人口稀疏、地势险峻、气候恶劣等环境下修建电气化铁路,将对国家或当地的财政压力和科技水平提出苛刻要求。

3、电力机车依赖电气化铁路,大量的电网电轨设施会存在一定的安全隐患,如果有人肆意闯入铁道或爬上车顶就会诱发触电事故。城市街区中电气化铁路的高压电网如果发生意外坍塌,也易引发触电后果。

因此,电力机车不能全面取代内燃机车。

地铁、轻轨、单轨、有轨电车、磁悬浮轨道、旅客自动捷运系统等城市轨道交通线上都运营电力列车。

只要经济条件和科技水平许可,各国一般都会尽量将旧铁路电气化升级改造,使电力机车能运作其中。

我国新建的高速铁路、快速铁路、城际铁路、市域铁路等都属于电气化铁路,并广泛运行电力动车组。

电力机车由机械部分,电气部分空气管路系统三部分组成。

包括走行部和车体。走行部是承受车辆自重和载重在钢轨上行走的部件,由2轴或3轴转向架以及安装在其上的弹簧悬挂装置、基础制动装置、轮对和轴箱、齿轮传动装置和牵引电动机悬挂装置组成。车体用来安放各种设备,同时也是乘务人员的工作场所,由底架、司机室、台架、侧墙和车顶等部分组成。司机室设在车体的两端,有走廊相通。司机室内安装控制设备,如司机控制器、制动阀、按钮开关、监测仪表和信号灯等。两司机室之间用来安装机车的全部主要设备,有时划分成小室,分别安装辅助机组、开关设备、换流装置以及牵引变压器等。部分电气设备如受电弓、主断路器和避雷器等则安装在车顶上。车钩缓冲装置安装在车体底架的两端牵引梁上。车体和设备的重量通过车体支承装置传递到转向架上,车体支承装置并起传递牵引力与制动力的作用。

机车上的各种电气设备及其连接导线。包括主电路、辅助电路、控制电路以及它们的保护系统。①主电路:电力机车的最重要组成部分。它决定机车的基本性能,由牵引电动机以及与之相连接的电气设备和导线共同组成。在主电路中流过全部的牵引负载电流,其电压为牵引电动机的工作电压,或者接触网的网压,所以主电路是电力机车上的高电压大电流的动力回路。它将接触网上的电能转变成列车牵引所需的牵引动力。②辅助电路:供电给电力机车上的各种辅助电机的电气回路。辅助电机驱动多种辅助机械设备,如冷却牵引电动机和制动电阻用的通风机,供给各种气动器械所需压缩空气的压缩机等。辅助电机可以是直流的,也可以是异步的。③控制电路:由司机控制器和控制电器的传动线圈和联锁触头等组成的低压小功率电路。控制电路的作用是使机车主电路和辅助电路中的各种电器按照一定的程序动作。这样,电力机车即可按照司机的意图运行。④保护系统:保证上述各种电路的设施。

按用途可分为:

①供给机车和车辆制动所需压缩空气的空气制动气路系统

②供给机车电气设备所需压缩空气的控制气路系统。

③供给机车撒砂装置、风嗽叭和刮雨器等辅助装置所需压缩空气的辅助气路系统。

作用:是风压的通道,为机车受电弓上升,机车制动,机车散热提供风源

电力机车按使用场合可分为:工矿电力机车和干线电力机车两类。工矿电力机车多采用直流制,功率和速度一般比干线电力机车小,习惯上按机车的粘着重量分级,如150吨,100吨,85吨,70吨,60吨,50吨和更轻的等级。较大吨位机车用于标准轨距线路,较轻型的机车多用于各种窄轨距线路。干线电力机车按用途可分为客运电力机车,货运电力机车,客货两用电力机车和调车电力机车四种。按照电气化铁路采用的电流制来分类,干线电力机车可分为两类。按照动力分配类型可分为传统电力机车和电力动车组。

装有直流串励牵引电动机的机车,接触网电压为1500伏或3000伏直流电压。直流电力机车的起动和速度调节以往是借助于调节起动电阻和牵引电动机的串联-并联转换来完成的。但这种起动和调速方式不能作到连续平滑地调节速度,而且电能耗损大,线路转换复杂。随着直流斩波技术的发展,逐渐为新的脉冲调压方式所代替。在直流电力机车上通常采用牵引电动机磁场削弱的办法来提高机车速度,增加机车功率。磁场削弱的级数一般为二至三级。

接触网电压20千伏或25千伏,单相工频为50或60赫。在欧洲少数国家如联邦德国、瑞典、瑞士等国亦有采用单相低频交流制的,此时接触网电压为11~16千伏,单相工频为25赫。交流电力机车根据变流装置和牵引电动机类型,主要有以下三种类型。

① 整流器电力机车:又称单相-直流电力机车,是当前应用最广的一种交流电力机车。在整流器电力机车上,接触网上的单相高压交流电首先通过牵引变压器降压,然后通过由硅整流元件或晶闸管组成的整流装置将单相交流电变换为直流电,供给牵引电动机。一般采用脉流串励电动机作为牵引电动机。这种电力机车有变压器和整流装置,因此采用改变变压器副边电压或对整流装置实行相位控制的办法均可改变整流电压,从而达到调节机车速度的目的。改变变压器副边输出电压的方式有两种,即低压侧调压和高压侧调压。中国的“韶山”1型电力机车即属于低压侧调压型。为了防止动轮空转,改善机车的粘着性能,便于牵引和制动两种工况间的相互转换,整流器电力机车也可采用他励牵引电动机,如中国试制的“韶山 2”型电力机车和瑞典制造的“Rc”型电力机车即是采用他励牵引电动机。

② 单相整流子电动机电力机车:又称直接式交流电力机车,采用单相整流子牵引电动机。接触网上的高压交流电经过变压器降低电压后,就直接供电给牵引电动机。这种机车电气设备简单,但单相整流子电动机的换相条件随交流电频率的增高而恶化,因此多用于单相低频交流制的电气化铁路上。

③ 交-直-交流电力机车:有时又称为单相-三相电力机车。在这种机车上,接触网上的高压交流电首先通过牵引变压器降压、整流,使中间直流环节保持稳定的直流电压或稳定的直流电流。然后再由逆变电路将中间直流电变换为三相交流电供给三相异步牵引电动机或三相同步牵引电动机。改变逆变装置输出的三相交流电的频率和电压即可调节机车的功率和速度。联邦德国研制成的“E120”型电力机车即为此种机车。

电力机车本身不带原动机,靠接受接触网送来的电流作为能源,由牵引电动机驱动机车的车轮。电力机车具有功率大、热效率高、速度快、过载能力强和运行可靠等主要优点,而且不污染环境,特别适用于运输繁忙的铁路干线和隧道多,坡度大的山区铁路。

电力机车是从接触网上获取电能的,接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。由于电流制不同,所用的电力机车也不一样,分为直-直流电力机车、交-直流电力机车、交-直-交流电力机车三类。

直-直流电力机车采用直流制供电,牵引变电所内设有整流装置,它将三相交流电变成直流电后,再送到接触网上。因此,电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵引电动机使用,简化了机车上的设备。直流制的缺点是接触网的电压低,一般为1500V或3000 V,接触导线要求很粗,要消耗大量的有色金属,加大了建设投资。

交直流电力机车

在交流制中,世界上大多数国家都采用工频(50Hz)交流制,或25Hz低频交流制。在这种供电制下,牵引变电所将三相交流电改变成25 kV工业频率单相交流串励电动机,把交流电变成直流电的任务因机车上完成。由于接触网电压比直流制时提高了很多,接触导线的直径可以相对减小,减少了有色金属的消耗和建设投资。因此,工频交流制得到了广泛采用,世界上绝大多数电力机车也是交直流电力机车。

交直交电力机车

采用直流串励电动机的最大优点是调速简单,只要改变电动机的端电压,就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。但是这种电机由于带有整流子,使制造和维修很复杂,体积也较大。而交流无0整流子牵引电动机(即三相异步电动机)在制造、性能、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。它之所以迟迟不能在电力机车上应用,主要原因是调速比较困难。改变端电压不能使这种电机在较大范围内改变速度,而只有改变电流的频率才能达到目的。因此,只有当电子技术和大功率晶闸管变流装置得到迅速发展的今天,才能生产出采用三相交流电机的先进电力机车。交直交电力机车从接触网上引入的仍然是单相交流电,它首先把单相交流电整流成直流电,然后再把直流电逆变成可以使频率变化的三相交流电供三相异步电动机使用。这种机车具有优良的牵引能力,很有发展前途。德国制造的“E120”型电力机车就是这种机车。1866年,德国工程师西门子与技师哈卢施卡联营创立电机公司,发明强力发电机,制成世界上第一列电力机车。第二年在巴黎博览会上展出,震惊了许多人。1879年,在柏林的工商业博览会上,这辆世界最早的电力火车公开试运行。列车用电动机牵引,由带电铁轨输送电流,功率为3马力,一次可运旅客18人,时速7公里。两年之后1881年,柏林郊外铺设了规模虽小,但为世界最初营业用的电车路线。同时德国又试验成功驾空接触导线供电系统,使电力机车的供电线路由地面转向空中,机车的电压和功率都大大提高。

1895年,在美国的巴尔的摩一俄亥铁路线上首次出现了长途电力机车。机车重96吨,1080马力,采用550V直流供电。

1901年,西门子、哈卢施卡电机公司制造的电力机车在柏林附近创造了时速160公里的记录。

1880年,美国爱迪生也进行了电车的实验。

1958年中国第一台电力机车诞生于湖南株洲,命名为“韶山”,为中国铁路步入电气化立下了汗马功劳。

电力机车由于速度快、爬坡能力强、牵引力大、不污染空气,因此发展很快,地下铁路也随着电车的出现而得以问世。

韶山:SS3/B SS4/B/C/G SS6 SS6B SS7/B/C/D/E SS8 SS9(G)

和谐:(HXD)1/2/3/3B DJ1/2 6K 8K 8G 6Y

国产韶山系列电力机车简表

型 号

轴 式

功率

kw

速度

km/h

调压方式

电机电压

(v)

首台出

厂日期

出厂数量(台)

截止到2001年

SS1

SS3

SS3b

SS6

SS6b

SS7

SS4

SS4G

SS4b

SS4c

SS5

SS8

SS9

C0-C0

C0-C0

C0-C0

C0-C0

C0-C0

B0-B0-B0

B0-B0+B0-B0

B0-B0+B0-B0

B0-B0+B0-B0

同SS4b

B0-B0

B0-B0

C0-C0

3900

4800

4800

4800

4800

4800

6400

6400

6400

6400

3200

3600

4800

100

100

100

100

100

100

100

100

100

100

140

170

170

33 级有级调压

8级加级间调压

3段顺控桥

2段桥

3段顺控桥

2段桥

3段顺控桥

3段顺控桥

3段顺控桥

3段顺控桥

2段桥

3段桥

3段顺控桥

1500

1500

1500

1500

1020

925

1020

1020

1020

1020

1030

1030

1020

1961

1978

1990

1990

1994

1992

1985

1993

1995

1995

1990

1994

1998

826(几乎全报废)

685(平原货用)

224

53

132

--

158

496(大坡道货用)

34

2

2

245(平原客用)

16

和谐号

CRH1(A/B/E)

CRH2(A/B/C/E/G)

CRH3(A/C)

CRH380(A/B/C/D)

CRH5(A/E/G/J)

CRH6(A/F/S)

复兴号

CR400(AF/BF)

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