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自动化技术加速中国迈向电气化铁路强国

点击数:9912010-12-28 来源:本站

  乘刺激经济之势铁路建设实现跨越式发展
  
  2009年,我国铁路实现了跨越式发展:大规模铁路建设高效推进,一批重点项目相继建成投产,技术创新取得一批新的重大成果,高速铁路建设及国际合作取得重要进展,客货运输再创新高。
  
  这是我国铁路历史上投资规模最大、建成投产最多的一年。全年完成基本建设投资6000亿元,比上一年增加2650亿元,增长79%,超过“九五”和“十五”铁路建设投资总和,为拉动内需、促进经济增长发挥了重要作用。
  
  2009年,全国铁路共完成新线铺轨5461公里、复线铺轨4063公里;投产新线5557公里,其中客运专线2319公里;投产复线4129公里、电气化铁路8448公里。去年底,铁路营业里程达到8.6万公里,跃居世界第二。
  
  “目前,在建新线规模达到3.3万公里,投资规模达到2.1万亿元。上海-杭州、南京-杭州、杭州-宁波、南京-安庆、西安-宝鸡等客运专线,兰新铁路第二双线、山西中南部铁路通道等区际干线,以及贵阳市域快速铁路网,武汉城市圈、中原城市群城际铁路等相继开工建设。”铁道部部长刘志军说。
  
  一批重点项目建成投产,宁波-台州-温州、温州-福州、福州-厦门等客运专线相继建成通车,特别是世界上里程最长、时速350公里的武广高速铁路开通运营,成为中国高速铁路建设的又一里程碑。武汉、长沙南等104座新客站投入使用,铁路现代化枢纽建设取得新成果。
  
  按照目前的施工建设速度,到2012年,中国铁路营业里程将达到11万公里,电气化率、复线率将达到50%,以“四纵四横”高速铁路为骨架的高速铁路里程达到1.3万公里。
  
  “高速铁路将覆盖全国90%以上人口,连接所有省会及50万人口以上的大城市。”铁道部新闻发言人王勇平说。
  
  我国电气化铁路突破3万公里迈进世界强国
  
  2009年12月26日,京九铁路北京西至江西乐化段电气化改造工程全部建成开通,使我国电气化铁路总里程已达3.2万公里,位居世界第二。
  
  从工程的总承包方中国中铁电气化局了解到,此次京九线电气化改造工程北起北京西站,南至江西乐化站,纵贯北京、河北、山东等地,全长1422.2公里,总投资76亿多元,是我国铁路既有线路电气化改造中一次性投资建设规模最大的项目。
  
  这个项目的建成开通,使我国中、东部地区的电气化铁路联网成片,对于进一步提高我国既有铁路骨干线路的路网质量、促进铁路运输的环保节能、有效缓解京九铁路运力紧张等方面都具有重要意义。

  1958年,中国电气化铁路从零起步,经过50年的不懈努力,走过了世界电气化铁路发达国家百余年的发展历程,实现了从无到有、从常速到高速、从低吨位到重载的不断跨越。目前,中国铁路电气化率达到32.7%,承担了全部客货运量的50%,经济效益和社会效益十分显著。根据《综合交通网中长期发展规划》,到2020年,中国铁路营业里程将达到12万公里以上,其中电气化铁路比重将达到60%。从1879年世界上有了第一条电气化铁路,全世界已有电气化铁路承担了铁路总运量的80%以上,电气化铁路已成为一个国家现代化的重要标志。
  
  电气化铁路因节能环保、动力性能强,被世界各国列为重点发展的绿色交通方式。时速达350公里的京津城际高速铁路,全程旅客人均耗电仅8度,能效优势明显;年运量已突破3亿吨的大秦单元重载电气化铁路,可开行2万吨级重载列车,大大优于其他牵引方式;运输最繁忙的京广、京沪等铁路干线,电气化改造后成为运能利用率最高的铁路。中国电气化铁路不仅实现了发展数量的不断攀升,而且实现了技术发展上的不断创新。
  
  切入电气化铁路市场首要研究牵引供电系统
  
  我国电气化铁路采用工频单相交流电力机车使用的形式,电力电力牵引制,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。
  
  将电能从电力装置的总称叫电气化铁路的供电系统,又称牵引供电系统,主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电所将电力电力系统传送给电力机车的系统输电线路电压从110kV(或220kV)降到27.5kV,经馈电线将电能送至接触网;接触网沿铁路上空架设,电力机车升弓后便可从其取得电能,用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置,两相邻牵引变电所之间设有分区亭,接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分区亭之间的接触网(含馈电线)称供电臂。
  
  牵引供电回路是由牵引变电所—馈电线—接触网—电力机车—钢轨—回流联接—(牵引变电所)接地网组成的闭合回路,其中流通的电流称牵引电流,闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧,处理不当会造成严重的后果。通常将接触网、钢轨回路(包括大地)、馈电线和回流线统称为牵引网。
  
  牵引供电设备的检修运行由供电段负责,牵引供电系统的运行调度则由供电调度负责。供电调度通常设在分局和铁路局调度所。
  
  牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低,同时以单相方式馈出。降低电压是由牵引变压器来实现的,将三相变为单相是通过变电所的电气接线来达到的。
  
  牵引变压器相同。牵引变压器电力,应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求,是牵引变电所的“心脏”。牵引变压器变压器变压器(主变)是工频单相交流电力机车上用于改变电源电压的装置,是一种特殊电压等级的的作用原理和普通中有:同高压接触网相接的绕组,称为原边绕组或高压绕组;向硅整流器或大功率晶闸管和牵引电动机供电的副边绕组,称为牵引绕组;向机车上各辅助电机供电或有其他特殊用途的绕组,称为辅助绕组。我国牵引变压器采用三相、三相—二相和单相三种类型,因而牵引变电所也分为三相、三相—二相和单相三类。

  牵引变压器调压可以调节机车运行速度。调压方式有高压侧调压和低压侧调压。近年来通常用晶闸管调压来代替牵引变压器变压器的工作条件特殊,如在运行中受到振动;空间尺寸和重量受到限制;当副边绕组发生短路故障时各绕组承受相当大的短路作用力。为了适应这些条件,牵引变压器要能承受较高的电磁负荷,要用油强迫循环冷却,它的零部件和支撑件要有足够的强度。利用牵引调压。
  
  以自主创新紧抓牵引变压器发展机遇
  
  2009年10月21日下午,由特变电工新疆变压器厂自主研发生产的世界首批330kV铁路牵引变压器在郑西客运专线姚家寨牵引变电所正式投电,产品一次投电成功,运行一切正常,标志着中国铁路首批330kV铁路牵引变成功投运,这是目前世界上第一批330kV电压等级的AT供电方式牵引变压器。
  
  在国家“拉动内需,重点建设一批客运专线、煤运通道项目和西部干线铁路”政策的指引下,铁路牵引变压器生产制造领域迎来了新的机遇。
  
  特变电工从1999年开始铁路牵引变压器的研制工作,2000年研制成功第一台平衡牵引变压器,目前产品稳定运行于成都铁路局。
  
  2004年,国家铁路首条220kV电气化铁路胶济线项目开始实施,国家铁道部致函特变电工,指定特变电工作为参与研发制造220kV单相牵引变的厂家之一。特变电工依托国家级企业技术中心,加快自主创新和科技攻关。产品当年研制成功并顺利通过抗突发短路试验,在胶济线安全可靠运行,开创了220kV单相牵引变压器由国内变压器企业制造的先河。同年,铁道部及设计院联合对特变电工进行考察,结合各铁路运行路段反馈,特变电工铁路牵引变产品过负荷能力高、抗短路能力强、维护方便,可靠性优于国外同类产品。
  
  2005年,根据国家铁路建设的更高需求,特变电工再次被国家铁道部指定为220kV级V/V接线牵引变产品的研制厂家之一。特变电工集中优势技术资源,全力推进技术攻关,再次实现当年产品研制成功并顺利通过抗突发短路试验,同时在产品上使用光纤测温技术,是国内第一家利用光纤测温技术通过牵引变三倍过负荷温升试验的制造厂家。产品在浙—赣线安全可靠运行,受到用户高度好评。
  
  郑西线12台330AT牵引变产品被特变电工新疆变压器厂列入2009年最重要的新产品研制项目之一,这也是工厂目前电压等级最高、生产台数最多的牵引变产品。该项目的研发得到了铁道部客专部、科技司、鉴定中心、郑西客运公司、中铁第一勘察设计院等单位的大力支持,铁道部科技司还给予特变电工新疆变压器厂在郑西线330kV牵引变专项研发资金支持。在330kV牵引变研发过程中,铁道部客专部、科技司、鉴定中心、设计院和特变电工新变厂共同起草了该产品的技术条件。
  
  郑西线12台330kV等级牵引变产品的特点与难点在于牵引负荷大、负载波动剧烈、频繁发生短路(要求有足够的抗短路强度和耐冲击能力)、百分电抗匹配性要求高、绝缘电气性能高,并且330kV全绝缘电力和牵引变压器变压器电力变压器在国内尚未生产过。特变电工新疆变压器厂在没有任何经验可参考的条件下,借鉴330kV的绝缘电气强度、牵引变抗短路、抗冲击和高可靠性研究成果,不断优化设计,打破常规设计思路,推出陈新,开发出产品的具体设计方案,并与之相配套地制定了详尽的工艺保证措施和试验研究方案,并结合专业分析和仿真软件进行了技术可行性验证,从而开发拓展出这个新的技术领域。为了保证产品的设计质量和便于生产,设计人员对各个部件进行审核时从不放过任何细节,经过项目负责人审核、专家审定、领导批复等各环节的把关,技术部门在最短的时间内将图纸下发到车间组织生产,并且总工、专家值班、设计人员全程跟班的跟踪服务机制,为生产提供全方位的技术服务,随时解决生产中出现的各种技术难题,确保了生产的顺利推进。

  2009年4月17日,由特变电工新疆变压器质量监督检验中心突发短路试验和三倍过负荷光纤测温试验,标志着世界第一台330kV等级AT供电方式高端牵引变产品在特变电工新疆变压器变压器厂自主研发的330kV AT供电牵引变压器,一次性通过国家厂研制成功,为我国铁路牵引变压器生产制造向高电压等级牵引变的发展翻开了崭新一页。
  
  该项目的成功研发,填补了国内330kV AT供电方式牵引变压器的空白,也填补了我国330kV级牵引变压器突发短路试验的空白,同时也为中国铁路建设的快速发展提供了坚实的电力设备保障。
  
  2009年10月21日下午,首批4台330kV铁路牵引变压器在姚家寨牵引变电所正式投电,运行一切正常,一次试验成功,标志着中国铁路首批330kV牵引变正式成功投运,这也是目前世界上投运的首批330kV AT供电方式铁路牵引变产品。
  
  自耦变压器将是铁路牵引变压器的发展方向
  
  如前所述,电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制,单相交流负荷在接触网周围空间产生交变电磁场,从而对附近通信设施和无线电装置产生一定的电磁干扰。我国早期电气化铁路(如宝成线、阳安线)建设时,处于山区,地方通信技术不发达,铁路通信采用高屏蔽性能的同轴电缆,接触网产生的电磁干扰影响极小,不用采取特殊防护措施,因此上述单边供电方式亦称为直接供电方式(简称TR供电方式)。随着电气化铁路向平原和大城市发展,电磁干扰矛盾日显突出,于是在接触网供电方式上采取不同的防护措施,便产生不同的供电方式。目前有所谓的BT、AT和DN供电方式。从以下的介绍中可以看出这些供电方式有一个共同特点,即在接触网支柱田野侧,与接触悬挂同等高度处都挂有一条附加导线。电力牵引时,附加导线中通过的电流与接触网中通过的牵引电流,理论上讲(或理想中)大小相等、方向相反,从而两者产生的电磁干扰相互抵消。但实际上是做不到的,所以不同的供电方式有不同的防护效果。
  
  这种供电方式,在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器(变比为1:1),其原边串入接触网,次边串入回流线(简称NF线,架在接触网支柱田野侧,与接触悬挂等高),每两台吸流变压器之间有一根吸上线,将回流线与钢轨连接,其作用是将钢轨中的回流“吸上”去,经回流线返回牵引变电所,起到防干扰效果。
       
  由于大地回流及所谓的“半段效应”,BT供电方式的防护效果并不理想,加之“吸—回”装置造成接触网结构复杂,机车受流条件恶化,近年来已很少采用。
       
  采用AT供电方式时,牵引变电所主变输出电压为55kV,经AT(自耦变压器,变比2:1)向接触网供电,一端接接触网,另一端接正馈线(简称AF线,亦架在田野侧,与接触悬挂等高),其中点抽头则与钢轨相连。AF线的作用同BT供电方式中的NF线一样,起到防干扰功能,但效果较前者为好。此外,在AF线下方还架有一条保护(PW)线,当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用,同时亦兼有防干扰及防雷效果。

  显然,AT供电方式接触网结构也比较复杂,田野侧挂有两组附加导线,AF线电压与接触网电压相等,PW线也有一定电位(约几百伏),增加故障几率。当接触网发生故障,尤其是断杆事故时,更是麻烦,抢修恢复困难,对运输干扰极大。但由于牵引变电所馈出电压高,所间距可增加一倍,并可适当提高末端网压,在电力系统网络比较薄弱的地区有其优越性。
       
  这种供电方式实际上就是带回流线的直接供电方式,NF线每隔一定距离与钢轨相连,既起到防干扰作用,又兼有PW线特性。由于没有吸流变压器,改善了网压,接触网结构简单可靠。近年来得到广泛应用。
       
  综上所述,早期电气化铁路均采用直接供电方式,为避免和减少对外部环境的电磁干扰,研发了BT、AT和DN供电方式,就防护效果来看,AT方式优于BT和DN方式,就接触网的结构性能来讲,DN方式最为简单可靠。随着通信技术的快速发展,光缆的普遍应用,通信设施及无线电装置自身的防干扰性能大为增强,考虑到接触网的运行可靠性对电气化铁路的安全运行至关重要,所以通常认为,一般情况下DN供电方式为首选,在电力系统比较薄弱的地区,经过经济技术比较,可采用AT供电方式,BT供电方式则尽量少采用或不采用。
       
  调度监控系统于电气化铁路不容忽视
       
  随着技术水平的提高,我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统,牵引变电所将逐步实现无人值班,直接由供电调度实行遥控运行。
       
  此次京九线铁路电气化改造工程调度通信系统采用的是佳讯MDS3400调度指挥系统。作为京九铁路电气化改造的工程重要的一部分,京九线调度通信系统工程起着不容忽视的关键性作用。佳讯飞鸿MDS3400调度指挥系统成功保障了京九铁路电气化改造工程的顺利实施。

  京九线是我国第五条南北铁路干线,它北起首都北京西客站,南至香港九龙,途经九个省市,全长2536公里。京九铁路全线实现电气化改造后,我国中、东部地区的电气化铁路联网成片,将进一步提升我国既有骨干铁路的路网质量,促进铁路运输的环保节能,有效缓解京九大通道运力紧张局面,使我国南北铁路通道的运输能力大大提高。北京段辖区内正是祖国首都北京的所在地,其政治、经济、文化地位决定了对铁路调度通信系统提出了更高的要求。
        
  MDS3400调度指挥通信系统是由北京佳讯飞鸿电气股份有限公司自主研发的具有国内领先水平的调度通信系统。此系统采用大容量数字调度交换网,提高了大话务量的处理能力,呼损小于十万分之一。采用电路/IP双网络架构,系统由单化音业务提供向多媒体指挥调度通信演进,并提供不同网络条件下的安全备份机制。特有的双中心数字环组网方式,各个调度台均支持双接口,分别与两个专用电话主系统连接。当控制中心主用专用电话主系统出现故障时,车辆段的备用专用电话主系统会自动切换为主用,确保铁路专用电话系统的正常运营。出于必要的安全考虑,此系统具有三级防雷防强电保护,机箱机柜的工艺、电路板的布线等都采用防护设计,使系统具备较强的防电磁干扰能力,更好的适应了复杂多变的通信环境,从而保障了铁路通信的安全畅通。
  
  作为国内领先的调度通信系统厂商,佳讯飞鸿一直专注于调度通信系统的研发与生产并坚持将自主创新和行业应用相结合的原则。迄今为止,佳讯飞鸿调度通信系统和应急通信系统已经装备了中国铁路6000多个车站中的4000多个车站和18个铁路局中的15个铁路局的调度指挥中心,成功应用在雪域高原第一铁路——青藏线、中国第一条调度数字化电气化铁路——哈大线项目、中国第一条数字化快速客运示范专线——秦沈高速客运专线等多个具有代表示范性意义的铁路线上。

  自动化技术将使电气化铁路不断发展和深入
       
  传统的铁路行车指挥系统采用的是以人为主、以设备为辅的集中统一调度方式,随着运量的加大,行车速度的提高,人为因素在行车指挥中所产生的不协调和联络中的失误,对行车的调度与调整将产生严重的影响。尤其是在高速铁路出现后,这种方式已不能很好地适应高速铁路行车指挥的需要。为改变这种状况,许多国家逐步开发出了行车指挥自动化系统。行车指挥自动化是指以铁路现代化技术设备为基础,利用信息采集装置收集列车运行的实时信息,由计算机自动进行列车运行追踪和管理,并根据未来运输变化的需要,自动制定列车运行计划,合理配备牵引动力、车辆及乘务员,传达列车运行调整信息,自动完成调度监督,提供列车进路控制手段,自动进行列车运行实迹的统计和分析。行车指挥自动化系统的采用可以显著提高行车安全和正点率、充分发挥车站和线路的通过能力、提高调度水平、提高计划和统计工作质量,进而可以获得较好的经济效益和社会效益。完整的行车指挥自动化系统包括列车运行计划的编制、列车运行管理、运能资源的合理配置和利用以及列车运行实迹的统计分析等几个方面,其中列车运行的管理是行车指挥自动化的关键核心。
       
  在实现行车指挥自动化系统的各种功能时,列车跟踪和进路控制、列车运行调整及列车运行图的计算机编制是行车指挥自动化系统的技术关键和核心所在。随着通信技术、计算机技术和自动控制的不断发展,不同于传统的列车运行控制理论的移动自动闭塞理论和实践也得到了发展,移动自动闭塞的实现将为铁路行车指挥自动化提供更为有利的条件。
       
  随着变电所调度自动化技术应用的不断发展和深入,以及计算机技术、通讯技术等领域的发展,新建牵引变电所的自动功能和远动功能都在不断地发展和完善,计算机远动与自动系统已在新建牵引变电所中得到普遍的应用,电气化铁道供电系统的可靠性和现代化程度有了显著的提高。
       
  铁路车站联锁设备对设置在车站上的信号机、道岔和轨道铁路等信号设备进行相互关联的控制,为在车站行驶的列车建立一条安全的行驶线路。传统的车站联锁设备采用继电器电路实现,称为继电器联锁。计算机联锁采用计算机技术实现铁路车站信号设备联锁关系的运算和控制,是新一代车站联锁设备。车站联锁设备是直接关系到列车行驶安全和运输效率的重要装置。GE Fanuc公司的DS6-20型车站计算机联锁系统,成功的应用于中国铁路车站,它的应用是计算机连锁的成功典例。
       
  DS6-20系统从1995年开始研究开发,1997年完成,并在中国铁路车站正式应用。1999年通过中国铁道部的技术鉴定,批准推广应用。目前已建成:苏州西站、定西站、呼和浩特站、福州站、邵武站和开封运转场站,共六个车站,取得良好的效果。
       
  铁路的综合监控系统十分复杂,包括环境监控系统,DCC数据监控系统、公安信号、视频、安防监控设备、消防系统等等。另一方面,铁路监控点分散、难以管理,现场环境复杂等原因成为监控的难点。贝加莱公司的2005系列PCC搭建的基于CAN总线的铁路监控系统可以完美的解决以上矛盾。
       
  铁路隧道大多地处偏僻,条件艰苦,因此有必要提高其自动化水平,实现少人职守或无人职守。PLC不仅能实现复杂的逻辑运算,而且能实现各种顺序以及PLD调节功能,同时由于其硬件具有可靠性高、编程简单、使用方便;接线容易、通用性好,便于维护,且可连接为控制网络系统等特点,广泛应用于各个领域。西门子公司的S7300系列PLC除了具有以上特点,可满足各种自动控制需要外,还有良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令功能。

  铁路和轨道交通的路轨是在工程现场完成接轨焊接的,最终使一般长50米短钢轨条经焊接成为长距无缝铁轨。现场完成接轨焊接使用的气压焊技术和设备,过去二十几年一直延用手工操作类型的气压焊设备,工艺和工序进程完全凭施工人员经验和眼力判定,顶锻与推凸工步不连贯,顶锻完成后必须将压力泻释方能开始推凸,其弊端是此刻钢轨焊缝处温度仍在1200℃左右,焊缝处金属原子正处于互相扩散而进行再结晶的塑性状态,泻压推凸势必严重影响再结晶效果,降底焊接质量,稍有延迟焊缝处温度快速下降,尤其冬季里施工更为明显,甚至无法推凸或焊缝被拉开,人为因素多并且难以保正焊接参数一致性。台达自动化技术很好的解决了以上问题。
       
  随着铁路运输系统的快速发展和人们生活水平的不断提高,无论是工作人员还是旅客,对交通、出行、工作、休息、安全等环境的要求越来越高,对实现铁路的自动化监控程度越来越高,为了满足人们的这些需求, 为了提高铁路企业的安全生产水平,及现代化管理水平,实现节能降耗的目标,铁路大量采用先进的计算机技术、控制技术和通信技术等对它们进行自动监视、控制管理,实现车站行车指挥自动化,最大限度的节省能源、节省人力。
       
  工业以太网在为铁路实现车站行车指挥自动化甚至无人化奠定了基础,为铁路机车车辆实现自动化监控提供设备的主要企业有,西门子、研华以及国内的正维等企业。
       
  车号自动识别系统对提高铁路机车、车辆、集装箱的使用率利用率,提高铁路使用效率及运输管理水平有极其重要的作用。系统结构简单,维护方便,便于功能扩展,是实现铁路运输管理和火车车辆管理现代化的重要基础。
       
  自动识别系统采用国际先进的微波反射调制技术、变型FSK编码技术,与国际标准接轨,将记轴、计辆、测速、测距等技术与车号自动识别技术相结合,实现标签定位。该系统主要由标签、地面识别设备、复示终端设备、中央管理设备、标签编程器等部分组成。

  近两年,自金融危机爆发以来,政府出台的扩大内需十项措施,铁路投资被认为是应对金融危机的有效手段。大力建设集高科技于一体的高速铁路将进一步带动铁路自动化科技产业的兴起,促进自动化技术在高铁建设中的应用。
       
  铁路运输电气化,是以信息技术为核心的现代科技与传统铁路运输业交融创新而成的一项系统工程,它承载着世界以及中国铁路的未来。信号控制、电力监控、站控系统、线路设备监控、隧道监控、机车车辆和铺装/养路机械设备等相关铁路建设和运营自动化系统的设计应用也必然获得持续的发展空间。
  
  随着当代铁路的发展,铁路通信信号技术实行了车站、区间和列车控制的一体化,铁路通信信号技术的相互融合,以及行车调度指挥自动化等技术,冲破了功能单一、控制分散、通信信号相对独立的传统技术理念,将继续推动了铁路技术向数字化、智能化、网络化和一体化的方向发展。