绪 论 一、电力牵引在铁路运输中的地位及其发展 铁路运输在国民经济中占有重要的地位，是国民经济的大动脉，是国民经济三大支柱产业之一。它担负着城乡、工矿各种物资和人员交流的主要运输任务。进入21世纪，随着国民经济继续保持持续、快速、健康增长，人民生活水平的提高，人们消费结构和消费观念的变化，要求交通运输有更大的运输能力、更高的运行速度和更优质的服务。就铁路运输而言，适应新形势的重要措施，是实施了提速战略和铁路技术创新工程，以高新技术提升传统产业的技术水平，实现技术的跨越式发展。我国铁路技术发展的总目标是实现铁路现代化，重点发展方向是旅客运输快速化、高速化，货物运输重载化、快捷化，安全装备系统化，牵引动力现代化……逐步建立一个具有中国铁路特点的技术体系。铁路主要技术政策还明确指出要：大力发展电力机车牵引技术，积极提高电力牵引承担的换算周转量的比重。在高速铁路、运煤专线、繁忙干线及长大坡道、长隧道、高海拔地区等线路上应采用电力机车牵引；积极发展交流传动技术，逐步完成直流传动向交流传动的转换。积极研制高速旅客列车。可以预见，电力牵引在我国铁路运输中所担负的任务将越来越大，铁路电气化事业将有一个飞速发展。 电力机车除了在铁路干线上应用以外，在城市交通运输（包括城郊电动车组、地下铁道电动车组、地面电车）和工矿企业内运输等方面也都起着越来越重要的作用。 电力牵引自1879年5月在柏林举办的世界博览会上，由德国西门子和哈尔斯克公司展出了世界第一条长约300m的电气化铁路以来，已有一百多年的历史了。在电力牵引发展初期，主要是采用直流电力机车，另外也有一部分三相交流制和单相低频制电力机车。由于当时科学技术水平的制约，直流制电力机车供电电压不高，三相交流制接触网设备过于复杂，单相低频制电力机车又需要单独的供电电网，因此电力牵引初期发展速度较慢。直流制电力牵引经历了一个时期的运用和发展，到二十世纪二十年代中期，接触网电压由过去的几百伏提高到了3000V，世界各国电气化铁道大部分采用的都是直流制，接触网电压为1500～3000V。为了克服直流电力牵引接触网电压低的缺点，1904年瑞士开始采用单相交流制电力牵引，用以提高接触网供电电压。但因工频电源使牵引电动机换向困难，所以采用单相低频（25赫兹、16赫兹）交流制。1932年匈牙利试验成功了单相工频交流电力机车，引起世界各国的重视，嗣后德国、法国相继进行研制，1950年法国试制了引燃管整流器式电力机车，从而使直流制电力牵引中牵引电动机的一系列优点和单相工频交流制供电电压较高的特点完善地结合起来，形成了单相工频交－直流制电力牵引，开辟了工频交流电气化的新纪元，推动了电力牵引的迅速发展。从1960年西德制成半导体整流器式电力机车以来，目前世界各国电气化铁道大部分已采用单相工频交流制电力牵引供电系统，接触网供电电压25千伏。1958年美国发明晶闸管后，60年代中期晶闸管相控机车开始问世，至今交流供电——直流牵引的直流传动技术已完全成熟。晶闸管的发明使制造大功率机车用逆变器变为现实，80年代初西德率先成功研制了交－直－交电力机车，之后英国、美国、苏联、法国、日本等国也都进行了研制。交流传动比直流传动具有极大的优越性，目前世界先进国家新造的大功率电力机车几乎都采用了三相交流传动技术，单轴功率达到1000~1600kW的大功率客货通用型GTO变频调速电力机车已广泛投入商业应用。在250~300Km/h及其以上的高速领域，交流传动的电动车组独领风骚，在140~220 Km/h的快速客货运输领域，交直型电力机车（或其它直流传动机车）也正在被三相交流传动技术所取代。 据1996年有关资料统计，全世界已有电气化铁路22.2万km，在经济发达国家, 电气化铁路占铁路营业里程的比重一般都已达到35％~60％以上,承担的铁路运量所占比重已超过60％~90％以上，所以铁道电气化为许多国家作为发展方向。电气化铁路较长的国家有俄罗斯、日本、德国、法国、波兰、意大利；有些国家几乎全部电气化，例如瑞士；电气化铁路占该国铁路总长50％以上的国家有瑞典、挪威、荷兰等国。目前电气化铁路还在持续增加，由内燃机车牵引或蒸气机车牵引转向电力机车牵引。在电气化的发展速度方面，1976～1980年间，前苏联电气化速度875km/年，同一时期日本为200km/年，西德为350km/年，我国为200km/年。仅2001年一年我国电气化里程就达到2669km。 我国电气化铁路自1958年开始筹建，一开始便决定采用先进的单相工频交流供电制，接触网电压为25千伏。1958年试制成功韶山1型引燃管整流器式电力机车，1961年8月15日宝鸡——凤州段91km电气化铁路通车，到1998年底，我国电气化铁路合计12984km，占全国铁路营业里程的22.5％。2001年8月哈大电气化铁路沈阳至哈尔滨段544.6km正式开通，结束了东北三省无电气化铁路的历史。同年9月京广线武昌至广州段电气化改造完成并开通，标志着全长2300 km的京广铁路全线实现了电气化。至此我国电气化铁路营运里程达到1.69万km，占全国铁路营业里程7万公里的24.14%。 我国电力机车的研究，与铁道电气化同步。第一台干线交直型电力机车由湘潭电机厂（负责电气及总装）、株洲田心机车车辆工厂（负责机械部分）共同研制。该车参照苏联Ｈ60型电力机车设计，1958年12月底完成。韶山1型机车，到1988年停止生产，共生产了826台。1969年株洲电力机车工厂与株洲电力机车研究所试制了一台韶山2型电力机车，嗣后上述两单位在1978年研制成功韶山3型电力机车，1982年12月通过鉴定，1984年开始批量生产。1985年试制韶山4型电力机车，1990年试制韶山5 型、韶山6型电力机车，1994年研制出韶山8型准高速电力机车，1996年开始生产。目前，我国已形成了4、6、8轴的韶山型系列的电力机车型谱，仅株州电力机车厂一家生产总台量到2001年底已达2893台。近几年内，我国还向国外引进了大量电力机车。目前我国研制的韶山系列电力机车简表如表1-1所示。 国产韶山系列电力机车简表 表1-1 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 数量 (台)  SS1 SS3 SS3B SS6 SS6B SS7 SS4 SS4G SS4B、C SS5 SS8 SS9 C0C0 C0C0 C0C0 C0C0 C0C0 B0B0B0 B0B0+B0B0 B0B0+B0B0 B0B0+B0B0 B0B0 B0B0 C0C0 3900 4800 (小时制) 4800 4800 4800 4800 6400 6400 6400 3200 3600 4800 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 2段桥 3段桥 3段顺控桥 1500 1500 1500 1500 1020 925 1020 1020 1020 950 950 1020 1961 1978 1990 1990 1994 1992 1985 1993 1995 1990 1994 1998 851 685 224 53 132 158 496 34+2 2 245 16   交流传动是近代铁路牵引技术的重大突破。自1971年在原联邦德国问世以来，已取得了很大的发展。进入20世纪90年代，国外交流传动的发展已经进入了成熟期，交流传动已占据了电力机车主导地位，尤其是在铁路高速和重载牵引方面显示了很大的优越性。我国从1991年开始研制AC4000型交直交传动原型机车，95年已完成组装，进入整机试验阶段。2001年9月我国自行研制成功200Km/h“奥星”交流传动电力机车。电动车组也在90年代中期得到迅速发展。早期应用在广深线的X2000“新时速”电动车组是以租用方式从瑞士进口的，在取得成功经验后，研制了国产“蓝箭”电动车组。1999年4月“春城”号电动车组于99’昆明世博会投入运行（采用传统的交直传动技术，动力分散型），同年10月200Km/h“蓝箭”号在广深线投入使用。2001年我国又研制成功采用交流传动技术的200Km/h“先锋”及160Km/h“中原之星”动力分散型电动车组，它们的研制成功，为实现我国交流传动技术的产业化，完成铁路牵引由交直传动向交流传动的转换奠定了坚实的基础。交流电机简单可靠，具有良好的防空转性能、牵引特性和制动特性。这些均预示着机车性能的深刻变革，因而成为我国今后电力牵引的发展方向。 二、电力牵引的特点及优越性 在各种牵引动力中，电力机车与蒸汽机车、内燃机车的根本不同点在于它牵引列车时所需的能量不是由机车本身产生的，而是通过接触网（或其他供电装置）供给的，这种机车称为非自给式机车。而蒸汽机车、内燃机车在牵引列车时所需要的能量，则是由机车本身装载的燃料（如煤、柴油等）燃烧而产生的，这种机车称为自给式机车。由于电力机车与其他机车这种根本的区别，客观上决定了它取用能量的万能性。对于自给式机车来说，只有机车上储存的燃料，才能作为它能量的来源，这就表现了它取用能量的单一性。但对于电力机车来说，它所需要的电能却可以由一切形式的能量转换而来。如可以由热力、水力、天燃气甚至于地热、原子能、太阳能等转换而来。只要有相应的发电站，便可以利用相应的能量。由于这种取用能量的非自给性，使得电力机车具有一系列的特点。 1．功率大 现代铁路运输的发展，要求机车具有强大的功率。由于电力机车是非自给式机车，没有燃料储备，因而在同样的机车重量下，其功率要比自给式机车大。机车按单位重量所具有的功率称为比功率，这是衡量机车技术水平的一个标志。目前，电力机车的比功率一般达到40～60kW／t，而较好的内燃机车，其功率也只有25～30 kW／t。按每轴功率来说，电力机车已超过750 kW，最高已达到1350 kW（瑞士生产的Ｒe型机车），较好的内燃机车的每轴功率为440～580 kW。从整台机车来说，电力机车的轮周功率最高已达7500kW以上，内燃机车最高功率为4800kW（柴油机功率，若折算到机车轮周，则还要降低20％～30％）。 2．速度高 提高机车运行速度是铁路运输的另一重要方面。由于电力机车功率大，因而可以获得较高的速度。目前，客运电力机车运行速度已可达到250km/h，货运电力机车也可达到120km/h，随着新型电力机车的不断出现，机车运行速度将进一步提高。法国的电力机车在试验线路上已达到331km/h的速度，TGV电动车组试验速度为515km/h。1995年代表我国机车工业赶超世界先进水平的SS8型准高速电力机车落成，在环行道上创造了每小时212.6km的最高时速，1998年6月又在京广线郑武段上创造了240 km/h的新的试验速度。为铁路实施提速战略提供了有力的保证。 3．效率高 机车效率的高低直接影响到铁路运输的经济指标。对于自给式机车来说，每台机车的平均热效率实际上是基本固定的，例如蒸汽机车的平均热效率为8～10％，内燃机车的平均效率为25％左右。电力机车本身的效率是很高的，但考虑到整个电力牵引系统，其平均效率则不是固定的，它与供电系统的电能来源有关，在由水力发电站供电的情况下，电力牵引的效率可达到60.70％，在由高参数火力发电站供电时，其效率为25％左右，由低参数火力发电站供电时，其效率为16～18％。由此可见，在电力牵引的电能来源平均来自各种电站的情况下，其效率要高于内燃机车和蒸汽机车，而我国是水利资源丰富的国家，电力牵引的效率显然更高。 4．过载能力强 机车在起动、牵引重载列车和通过困难区段时，具有一定的过载能力是十分重要的。自给式机车的过载能力要受两方面的限制，一方面受机车发动机（如蒸汽机、内燃机车的牵引发电机或液力变扭器）过载能力的限制，另一方面又受机车所带的能量装置（如锅炉、柴油机）过载能力的限制。对于非自给式电力机车，其能量是来自较强大的供电系统，因而机车的过载能力是较高的。 由于电力机车具有上述一系列的特点，故在铁路运输中显示出很大的优越性和良好的营运效果。根据电力机车的运行经验，其优越性表现在下述几个方面： 1．运输能力强 电力机车功率大、速度高，最符合铁路运输多拉快跑的要求，这样就可以提高牵引定数，缩短区间运行时间，因而使线路通过能力大大提高，其完成铁路运量的效果更为显著。法国、西德、日本等国电气化铁路里程占全国总运量的30％～40％，但完成铁路运量却达到全国总运量的52％～83％。我国宝成铁路电气化后，完成的货运量为蒸汽机车牵引的三倍。1980年开通的宝天电气化铁路，牵引定数由双机2600t提高到3250t，年运输能力由570万t提高到1400万t。有资料表明，1条电气化铁路的运输能力，相当于1.5条内燃机车或3条蒸汽机车牵引铁路的运输能力。此外，电力牵引还不受外界条件的限制，在山区和高寒地区较之蒸汽机车和内燃机车更为优越。 2．经济效果显著 使用电力牵引容易实现多机重联牵引，因而使得运输中各项经济技术指标大为提高。同时，由于电力机车的检修周期长，检修工作量少，从而减少了维修费用和人力，使机务成本大大降低。据宝鸡电力机务段统计，电力牵引的成本仅为蒸汽牵引成本的56％。仅石家庄电力机务段的48台机车，一个月即可节约43.8万元。有资料表明，电力机车牵引万吨公里能耗仅为内燃机车牵引的2/3，为蒸汽机车牵引的1/3。此外，由于电力机车整备作业少，宜于长交路行驶，这样就可以减少机务段的数目，如我国宝成铁路使用蒸汽机车牵引时，全线共有四个机务段，电气化后仅设有两个机务段，而且乘务人员和使用的机车台数也相应减少，使劳动生产率大大提高。 3．能源利用合理 电力牵引的能源可以来自多方面，因而实行电力牵引可以合理的利用能源，特别是可以利用丰富而廉价的水力资源和天然气资源，即使由火力发电站供电，发电站也可以使用质量较差的煤作燃料，蒸汽机车则要消耗优质煤。 使用电力牵引时，燃料的消耗也较蒸汽机车和内燃机车低得多。我国宝成铁路使用电力牵引代替蒸汽牵引后，每年可节省优质煤十余万吨。在第二次世界大战后，由于石油价格低廉，使得一些国家采用了以内燃牵引为主的方针，但随着工业及国防对石油需求的日益增加，特别是本世纪70年代以来，世界性石油危机使石油价格暴涨，因而这些国家也趋向于向电气化方面发展。我国水力资源居于世界前列，为发展电力牵引创造了有利条件。 4．劳动条件好 蒸汽机车和内燃机车工作时，均要排出大量的煤烟和有害气体造成空气污染。使用电力牵引时则排除了这种情况，增强了环境保护。特别是在机车运行中，当机车进入市区和人口稠密地区时，电力机车的噪声干扰也大大低于蒸汽牵引和内燃牵引，因而改善了乘务人员的劳动条件和铁路沿线居民的生活环境。 5．加强了行车安全 宝成铁路电气化后，列车正点率大幅度提高，1962～1964年正点率为98.2％，以后一直保持着较高的水平。电力牵引装有电气制动，提高了长大坡道上的运行速度，保证了行车安全，解决了由蒸汽牵引而带来的大量车辆、轮、轴等事故，并且大大减少了因使用空气制动而产生的闸瓦熔化。引起的火灾事故，因此电力牵引使行车更安全。 6．有利于实现城乡电气化 发展电力牵引是整个国民经济电气化的一个组成部分，对城乡及其它部门的电气化，也有一定的推动作用。特别是在一些发展中国家，农村电气化程度较低，使用电力牵引后，就使沿线农村可以方便地修建电网，促进了城乡的电气化。 三、电力机车的分类 目前，世界上使用的电力机车种类繁多，这里所说的电力机车是指电力机车和电动车组的总称，实际上包括牵引列车用的电力机车和担任客运的城郊电动车组与地下铁道电动车组。我们这里主要讨论牵引列车的电力机车。对于电力机车分类可按机车的不同技术特征和用途进行分类。 1．按用途可分为 ●客运电力机车：用来牵引旅客列车。其特点是牵引力不大，运行速度高。 ●货运电力机车：用来牵引重载货物列车。其特点是牵引力大，速度不高。 ●客货两用电力机车：用来牵引旅客或货物列车。其牵引力和速度介于客、货电力机车之间。 ●调车电力机车：用来在站场上编组列车。机车的功率不大，速度和牵引力均较低。 2．按传动形式不同可分为 ●具有个别传动的电力机车：电力机车每一轮对由单独的牵引电动机驱动。这些轮轴称为动轮或动轴。 ●具有组合传动的电力机车：电力机车上某几个轮对（通常为同一转向架上的几个轮对）互相连接成组，然后由一台牵引电动机来驱动。 3．按机车动轴数不同可分为 四轴、六轴、八轴等电力机车。一般动轴数较多的电力机车用作货运机车，动轴数较少的电力机车用作客运机车。 4．按供电电流制——传动型式不同可分为 ●直流供电——直流牵引电动机的直直型电力机车。接触网供电电压为直流1500V～3000V，机车牵引电动机为直流串励牵引电动机。 ●交流供电——直（脉）流牵引电动机的交直型电力机车，又称单相交直型整流器电力机车。牵引电动机为脉流串励或复励牵引电动机。该型式的电力机车目前是世界上各个国家普遍采用的一种机车型式。我国生产的韶山系列电力机车即属于此种型式，其中SS系列为复励牵引电动机，其它均为串励牵引电动机。 ●交流供电——变流器环节——三相交流异步电动机的交直交型电力机车。 ●交流供电——变频环节——三相交流同步电动机的交交型电力机车。 交流供电按接触网供电频率的不同可分为单相低频制和单相工频制。单相低频是指供电频率为25赫兹或16赫兹交流电网供电，单相工频是指供电频率为50赫兹的交流电网供电。目前，世界上绝大多数国家（包括我国）都采用供电频率为50赫兹的交流电网供电。 除了以上各种电力机车外，还有少量的多电流制电力机车，这是由于某些国家存在着不同的电力牵引供电系统，为了在两种或多种供电系统衔接区段的连续运输或其它特定需要而少量生产的，这种机车主要为交直流两用电力机车。