信息与通信高速铁路关键技术

信息与通信高速铁路关键技术

李白在 《 蜀道难 》 一诗中这样说： “ 蜀道之难难于上青天。 ‥ ‥‥ 西当太白有鸟道，可以横绝峨嵋巅。地崩山摧壮士死，然后天梯石栈方钩连。上有六龙回日之高标，下有冲波逆折之回川。黄鹤之飞尚不得过，猿猱 ( nao ) 欲渡愁攀援。 ” 过去：古栈道 今天：飞机、高速列车、 磁悬浮 。。。 2 2021/1/13 主要内容 我国交通运输发 展的重要性 轨道交通 发展概述 主要内容 1 2 高速铁路 关键技术 4 高速铁路 发展概述 3 3 2021/1/13 一、我国交通运输发展的重要性 2 4 1 3 重要性 国家经济发展的重大需要 建立国家重新体系的需要 社会稳定的需要 加速产业发展和提高国际竞争力的需要 交通运输在国民经济、社会发展和人民生活中起着重要作用，当今中国迫切需要现代化交通： 4 2021/1/13 选择 不同的 交通工具的优缺点 轨道交通的作用在过去、现在和将来都是至关重要的。 传统 火车 汽车 轮船 轨道 交通 飞机 旅行者 受限 太昂贵 危险 太慢，服务差 安全、快捷 一、我国交通运输发展的重要性 5 2021/1/13 一、我国交通运输发展的重要性 交通方式 大气 环境 水环境 土壤、地面状况 躁声 城市生态 城市景观 隐性 污染 道路交通 有影响 有影响 有影响 有影响 有影响 有影响 有影响 水运交通 有影响 有影响 无影响 有影响 有影响 无影响 有影响 轻轨交通 无影响 无影响 有影响 有影响 有影响 无影响 无影响 航空 有影响 无影响 无影响 有影响 有影响 无影响 有影响 管道 无影响 无影响 有影响 有影响 无影响 无影响 有影响 各种交通方式对环境的影响 6 2021/1/13 不同交通方式的能耗与污染对比 一、 我国交通运输发展的重要性 单位 运输 量 （人 / 公 里） 小 汽 车 摩 托 车 公 共 汽 车 轨 道 交 通 铁 路 CO 11 10 0.28 0.01 0.13 CO2 180 100 48 61 79 NOx 2.1 0.16 0.79 0.15 0.46 VOC 2.2 6.5 0.29 0.15 0.31 7 2021/1/13 一、 我国交通运输发展的重要性 千焦 /( 人 Km) 比例 轨道交通 1020 1.5 公共汽车 680 1 铁路 1270 1.87 摩托车 1370 2.01 小汽车 2580 3.79 德国城市不同交通方式单位运输量的能耗 8 2021/1/13 干线轨道交通 城市轨道交通 新型轨道交通 高速客运 重载货运 地 铁 轻 轨 单轨电车 郊区铁路 磁悬浮 轨道交通 不断涌现出各种新的原理 真空高速管道列车 轨道交通的分类：三大类 二、轨道交通发展概述 ( 分类 ) 9 2021/1/13 二、 轨道交通发展概述 ( 构成 ) 车辆 控制系统 线路与轨道 供电系统 10 2021/1/13 因此高速铁路得到快速的发展。 高速铁路的优点： 二、 轨道交通发展概述 11 2021/1/13 发展 现状 以及 趋势 1 2 3 4 5 城际轨道交通公交化 货运重载化和快捷化 铁路客运高速化 高速磁悬浮交通的崛起 城市轨道交通蓬勃发展 二、 轨道交通发展概述 12 2021/1/13 德国 1964 年 开始，新干线总长度达 1835 公里 ，高速列车客运量为世界之最。 高速铁路 是指由新一代列车提供的时速在 200 ～ 350km 甚至更高的铁路快速运营服务。 法国 日本 1983 年 开通第一条现代化高速铁路，高速列车 TGV 运行速度为 300 ～ 350km/h ， 最高试验速度为 515.3km/h 1985 年 开始研究 ICE 高速列车， 1991 年投入运营 , 有高速铁路 700 多公里 ，高速列车最高运行速度达 330km/h 三、高速铁路发展概述 13 2021/1/13 三、高速铁路发展概述 世界高速铁路的已投入运营里程 (2005 年 ) 14 2021/1/13 三、高速铁路发展概述 目前世界上铁路总长及各洲的分布 15 2021/1/13 投资力度 八纵八横 速度方面 四横 四纵 修建新线 6000 公里 复线 3000 公里 地方铁路 1000 公里 总投资 3500 亿 300 － 500 公里范围内实现“朝发夕至” 1200-1500 公里范围内 “夕发朝至” 2000 － 2500 公里内实现“一日到达” 高速列车的运行速 度达到 200 － 300 km/h ，试验速度将 达到 350 km/h 以上 北京- 上海 北京- 沈阳- 哈尔滨 北京- 武汉- 广州- 深圳 杭州- 宁波- 福州- 深圳 徐州- 郑州- 兰州 杭州- 南昌- 长沙 青岛- 石家庄- 太原 南京- 武汉- 重庆- 成都 三、高速铁路发展概述 城际客运 环渤海地区 长江三角洲地区 珠江三角洲地区 “ 十一五 ” 期间，国家将建 9800 公里高速客运专线铁路 16 2021/1/13 四、高速铁路隧道的关键技术 接触网 力学和钢轨 电磁兼容 高速铁路牵引供电系统 牵引供电自动化系统 动车组限界 ( 动态限界) 动车组供电 （弓网、自动过分相） 线路道岔 高速列车 高速铁路桥隧 路基 高速列车信号 无渣轨道 1 8 4 5 2 6 3 7 10 9 17 2021/1/13 大跨铁路隧道塌方预防 特长隧道的地质工作 隧道防排水 隧道仰拱及铺底的设计 隧道工挖技术 隧道的空气动力学 效应与隧道设计 关键技术 4.1 高速铁路隧道的关键技术 18 2021/1/13 力学效应 研究成果 缓解和消减负面影响 微压波和洞口缓冲结构 4.1.1 隧道的空气动力学效应与隧道设计 19 2021/1/13 4.1.2 隧道工挖技术 特长隧道 ： TBM 法 中长或短隧道：矿山法 特长大断面隧道： 宜采用小直径 TBM( 直径 3 ～ 4 m) 加钻爆法扩大 高速铁路特长、长隧道较多，为了工期和消防救援以及维护管理的需要 , 需要通过辅助坑道来实现长隧短打 合理确定开挖进 度指标 利用辅助坑道实现长隧短打 合理确定开挖进度指标 注重施工方法选择的多样性 20 2021/1/13 4.1.3 大跨铁路隧道塌方预防 选择合理的大跨铁路隧道支护手段 1 及时封闭断面 选择合理的大跨隧道衬砌时机 建立量测体系 2 3 4 21 2021/1/13 4.1.4 隧道的防排水 防排水设计是高速铁 路隧道的设计的基础 防水方法为 “ 以堵为主 , 限量排放 ” 防水技术 隧道的防排水 22 2021/1/13 重视和加强勘察设计阶段的地质工作 地质工作 建立分层次的施工阶段地质预报工作 4.1.5 特长隧道的地质工作 23 2021/1/13 4.1.6 高速铁路桥 的关键技术 桥梁结构 高性能混凝土 桥梁架设设备 纵横向水平刚度特殊要求 高性能混凝土应用是技术发展的必然趋势 桥梁架设设备是架设的关键 24 2021/1/13 4.1.7 桥梁结构 01. 研究 进一步丰富桥梁结构形式 02. 研究 研究简支箱梁设计和检测 03. 研究 优化设计刚构连续梁及钢混结合连续梁 桥梁结构特殊要求 桥梁结构形式研究 桥梁新的结构形式 25 2021/1/13 4.1.8 高性能混凝土与 桥梁架设设备 高性能混凝土应用于高速 铁路桥梁工程是技术发展 的必然趋势 具有优良的抗压、抗折 和抗拉等力学性能具有 很好的抗渗、抗冻、抗 碳化和抗化学侵蚀等耐 久性能 1 国外高速铁路发展较早 , 架桥设备的发展较快 , 种类亦多 2 架设设备应朝着大跨度 、大吨位和机械化的方 向发展 , 以满足架设大吨 位桥梁类型 ( 至少 32m 双线箱梁 ) 的需要。 高性能混凝土与桥梁架设设备 26 2021/1/13 4.2 钢轨关键技术 钢轨的重要性 1 高速铁路对钢轨的要求 钢轨技术发展 钢轨的技术标准 2 3 4 选轨标准 5 钢轨的力学问题 轮轨滚动接触疲劳 轮轨噪声 6 7 8 轨道力学 9 27 2021/1/13 4.2.1 钢轨的重要性 钢轨是轮轨式高速铁路的重要组成部分，在极其复杂的受力条件下工作 钢轨状态的好坏直接影响行车安全，因此对钢轨质量有极其苛刻的要求 钢轨有些性能之间是矛盾的，要综合比较才能达到合理选择钢轨的目的 28 2021/1/13 4.2.2 高速铁路对钢轨的要求 高的纯净度 材质高洁净有利于提高其抗疲劳性能，保证运行安全性 严格的外形尺寸 可以减少表面接触疲劳伤损，延长钢轨的使用寿命 高度的平顺性 保证高速列车运行的平稳性和旅客的舒适性的重要保证 29 2021/1/13 4.2.3 钢轨技术发展 加强关键性能 开发新型优质钢材 超长无缝钢轨 30 2021/1/13 4.2.4 钢轨的技术标准 我国钢轨目前执行的标准比较复杂 国标 —— 20 世纪 60 年代和 80 年代两次发布 铁标 —— 铁道部在 20 世纪 90 年代发布 新铁标 —— 铁道路在 2003 年发布 铁标国标共存 —— 近期将维持国标和铁路行业标准并存的局面 新国标 —— 整合现有钢轨标准，形成一部完整的国家强制性标准 31 2021/1/13 4.2.5 选轨标准 铁道部重新划分对钢轨的技术要求 时速在 200km/h 以下的客货混运铁路钢轨 使用 43 ～ 75kg/m 热轧钢轨 时速在 200--300km/h 的客运专线 使用 250km/h60kg/m 钢轨 时速在 300km/h 以上的客运专线顶级钢轨 使用 350km/h60kg/m 钢轨 32 2021/1/13 4.2.6 钢轨的力学问题 轮轨滚动接触疲劳 脱轨机理的研究 轨道力学问题 钢轨的 力学问题 我国从现在到 2020 年，将是高速重载铁路和城市轨道交通发展的高峰时期。虽然它们的优越性不可否认，但有许多关键技术问题有待进一步解决，其中与轮轨相关的力学问题主要有： 33 2021/1/13 4.2.7 轮轨滚动接触疲劳 轮轨磨损破坏现象主要为轮轨接触表面剥离、压溃、龟裂、波浪形磨损、轮缘磨损和钢轨侧磨及断裂等，这些破坏现象和很多因素有关，有些破坏现象的机理至今尚未搞清楚，对有些问题的破坏机理认识不统一 轮轨滚动接触疲劳是铁路运输的老问题，主要发生在 曲线段、接头处、道岔 处。 人们采取各种方法和措施来 阻止和减少 它，如发展新材料、优化轨型面匹配来减少轮轨之间的疲劳 铁路客货量增大和速度提高， 轮轨磨擦 变得越来越严重。 我国现在每年因更换和维修破坏轮轨，大约花费 80 多亿人民币。它不仅大大 增加了铁路的运营成本，而且直接危害行车的安全。 34 2021/1/13 4.2.8 轮轨噪声 高速铁路在列车行驶速度低于 300km/h 时，轮轨噪音占主要部分。轮轨噪音辐射出的轮轨噪声可以归纳为如下三类 ： 冲击噪声 滚动噪声 高频尖叫声 35 2021/1/13 4.2.9 轨道力学 轨道支撑并约束车辆的运行，决定着车辆安全、舒适性。 列车过道岔时，轮对和轨道之间发生强烈的冲击，导致车轮和道岔段上钢轨磨损 高速铁路道岔部位严重地限制了列车的行车速度 在桥梁和隧道端点刚度不均匀，会导致强烈振动，甚至脱轨。 36 2021/1/13 4.3 道岔 道岔是铁路轨道连接的重要设备，直接关系到铁路运输的效率和行车安全。 道岔的性能直接影响铁路运输能力及旅客列车在该路段的行车速度及旅客乘坐舒适度。 37 2021/1/13 4.3 高速道岔主要性能指标 直向 侧向 速度 A 安全性 C 旅客的 舒适性 B 38 2021/1/13 4.3 高速铁路道岔关键技术 可动部件 转换设备的适应性和可靠性 动力学性能 几何设计 39 2021/1/13 4.3 国外高速铁路道岔概况 日本 不设区间渡线（车站的渡线无高速列车侧向通过的要求） 法国 车站少、区间渡线多，高速线间或高速与既有线的连接采用 tg0.0154 道岔。 德国 铁路客货混运。 40 2021/1/13 4.3 我国秦沈铁路道岔 我国秦沈客运专线设计速度为 200 km/h ，部分基础设施预留提速至 250 km/h 。 根据速度和运输组织要求,决定采用18号和38号 可动心轨辙叉单开道岔 。 经过研究、设计、试制、试铺、试验五个阶段的工作,特别是直向以250 km/h 三次综合试验,证明其能够满足旅客列车 , 侧向38号道岔(渡线) 以140 km/h 通过时,满足安全性和舒适性的要求。 41 2021/1/13 4.4 高速列车信号关键技术 调度指挥系统 列车运行控制 信号基础设备 车站联锁系统 自动闭塞 42 2021/1/13 信号基础器件由 电磁式 向 电子、微处理器 元器件发展，广泛采用 检测 及 故障诊断 技术，提高信号装置的运行 可靠性 。 道岔控制方式由 直流 向 交流 控制转变，发展 外锁闭 道岔，减少道岔维护的工作量。 我国研制的 ZD9 （ J ） 、 ZYJ7 型等转辙机与交流转辙机 S700K、EBISWITCH 等国外道岔转换设备仍有一定的差距。 4.4.1 信号基础设备 43 2021/1/13 4.4.2 调度指挥系统 以铁路 调度管理信息系统 ( DMIS) 为平台 以 调度集中 ( CTC) 为核心 ( 重点讲述 ) 以 行车指挥自动化 为目标 构建我国铁路现代化的运输调度指挥管理系统。 44 2021/1/13 站间广域网 中 心 通信前置 服务器 中心局域网 表示墙 控制器 车务终端 联锁 EtherNET 车站自律机 联锁系统 联锁 EtherNET 车站自律机 联锁系统 车务终端 路由器 路由器 路由器 路由器 路由器 路由器 V.35/G.703 V.35/G.703 V.35/G.703 值班主任 工作站 数据服务器 调度员 工作站 综合维修 工作站 防火 墙 通信前置 服务器 磁盘阵列 应用服务器 打印机 绘图仪 控制工作站 鼠标 助理调度员 工作站 鼠标 鼠标 计划员 工作站 系统维护 工作站 网管工作站 电务维护终端 综合维修终端 （无人站） 综合维修终端 （无人站） 电务维护终端 4.4.3CTC 系统总体构成图 45 2021/1/13 在已建 DMIS 的区段，以 DMIS 为基础建设 CTC ；在未建 DMIS 的区段，新建 CTC 同时具备 DMIS 的全部功能 考虑装备 CTC 的新建、改建铁路，车站联锁设备应全部采用计算机联锁；并具有区间信息采集功能 对于半自动闭塞区段，应同步装备区间检查设备，实现自动站间闭塞。 调度员与司机的语音、数据通信系统是实现 CTC 的重要基础。在主要干线建设 CTC 的区段，应同步规划建设 GSM-R 铁路移动通信系统；在其它条件艰苦、运量较小的区段，可采用目前无线列调系统补强方案 4.4.3CTC 规划原则 46 2021/1/13 全路 2004 ～ 2020 年总体规划建设 CTC 共 51,495 公里 规划范围包括： 近期规划共计 13,163 公里， 1385 个车站 中长期规划中客运专线约 12,000 公里 完善路网布局及西部开发性新线约 16,000 公里 其它主要干线及条件艰苦、运输需要的线路约 10,332 公里 4.4.3CTC 规划目标 47 2021/1/13 D B C A CTC COMTRAC SMIS 运输计划 4.4.3 日本高速铁路综合调度 COSMOS 系统 F E 维修作业管理 车辆基地作业管理 48 2021/1/13 设备 运输计划 车辆管理 维护业务管理 电力系统控制 站内 运行管理 　 集中信息 运输计划 · 设备管理计算机 车辆管理计算机 维护业务服务器 电力系统控制计算机 运行管理计算机 　　 集中信息管理 高速数字线路 高速数字线路 运转区所服务器 运转报告终端 分公司终端 车辆管理服务器 维护区终端 原有远程控 制装置分局 站内作业终端 　 基地 ＰＲＣ 车站 PRC 装置 旅客指南装置 运行信息终端 原有地区调度计算机 设备管理终端 运输计划终端 车辆管理终端 维护业务 电力系统 运行管理终端 集中信息 COSMOS 系统构成图 管理终端 管理终端 中央网络 4.4.3 COSMOS 系统的整体概要 49 2021/1/13 4.4.3 COSMOS 运行管理系统的特征 提供最适于高速 · 高密度运行具有实践经验的运行管理技术 实现了运行计划 , 维护计划 , 在线信息等统一管理的综合系统 系统化范围向车站 · 车辆基地 · 维护区的大幅度扩大 信息服务的提高 · 以区域广范围大的自律分散思想为基础的车站 分散控制系统 　 （高应答性自动控制系统 ) · 采用实时列车行走模拟的预测控制型运转整理 支援机能 · 确实传递时刻表的变更（指令传递机能 ) · 维护管理系统 　　 · 运输计划系统 · 沿线监视系统 　　 · 运行管理系统 　 · 电力管理系统 · 设备管理系统 · 维护计划支援系统 · 维护作业系统 · 站内进路控制系统 · 车载传递系统 · 提供事故信息 · 向顾客提供细致入微的指南服务 50 2021/1/13 4.4.4 新一代自动闭塞技术特征 新一代自动闭塞技术特征 无绝缘 多信息 四显示 双方向 数字化 带超防 实现有形化到无形化的转变，确保列车运行安全 和 列车追踪间隔时间 的计算，列车运行安全的验证和列车追踪间隔时间的计算工作量将更加繁重，就目前的设计工具而言，尚无法满足计算要求。 51 2021/1/13 4.5 接触网关键技术 3 4 2 1 接触线 受电弓配套技术 无交叉线岔 电分相 运行管理 52 2021/1/13 高速铁路的特点 列车速度非常快，密度与负荷特别大 受电弓的上下振动与左右晃动剧烈 接触线抬升量比常速铁路高 高速铁路对接触网的要求 机械结构具有稳定性和足够的弹性 , 在高速运行时保证电力机车正常取流 设备及零件应具有很强的耐磨性和抗腐蚀能力 尽量延长设备的使用年限 设备结构尽量简单 便于施工，有利于运营和维修 对地绝缘好，安全可靠 4.5 高速铁路 的特点及对接触网的要求 53 2021/1/13 4.5.1 接触线 接触线的相关情况 在高速运行时，如果离线，则会产生电火花、拉弧、事故大电流，从而使接触导线的温度急剧升高，磨耗工作面处于局部过热状态而发生软化，造成强度和表面硬度下降，使磨耗加快、使用寿命缩短；高温强度低而发生断线弓网事故 对接触线的要求 高导电率 良好的受流性 耐热性好 抗软化温度高 耐磨性好 抗拉强度高 抗大气腐蚀性能好 线膨胀系数小 54 2021/1/13 4.5.1 接触线材料 接触线材料 接触线 复合 铜合金 铝合金 纯铜 55 2021/1/13 4.5.1 一些高速电气化铁路接触线的性能 接触线材料 速度 km/h 国别 抗拉强度 MPa 导电率 %IACS 铜 240 日本 340 97.0 铜 300 法国 358 97.0 铜银 250 德国 395 96.5 铜银 140 中国 365 96.6 铜银锡 180 中国 367.5 96.0 铜锡 350 法国 537.5 77.6 铜镁 330 德国 503 68.1 铜钢 300 日本 655 60.2 铜钢 300 日本 493 81.1 铝钢 370 日本 350 46.5 56 2021/1/13 采用侧线接触线与正线接触线无交叉式的平面布置结构，即在铁路线路道岔上方的侧线接触线，始终保持与在正线线路上运行的机车受电弓不接触 对于反位运行有严格限制，在反位方向只能以不高于 45km/h 的速度通过；反位运行时可能发生弓网故障，需要对受电弓进行适当改造 4.5.2 无交叉线岔受电弓配套技术 57 2021/1/13 4.5.3 电分相 器件式电分相对电力机车受电弓产生很大冲击 目前大多采用锚段关节式电分相来消除此问题，这种关节式电分相一般由两个绝缘锚段关节和一段接触网中性区组成 但要求多个受电弓之间满足严格的限制条件否则很有可能产生相间短路。目前只有要求机车乘务员频繁进行一系列操作来避免事故发生；这样大大增加乘务员的工作强度，实际运行中该故障已多次发生 58 2021/1/13 对于客运专线，列车速度较高，分相环节成为制约列车运行速度的主要障碍。因此自动过分相技术成为解决这一问题的重要途径。应该对研究和运行了几十年的自动过分相技术进行总结和提高，使之在高速铁路得到应用。 一相供电无需电分相环节，不会影响列车速度，因此借助电力电子技术的同相供电研究十分必要。 4.5.3 同相供电与自动过分相技术研究 59 2021/1/13 （Ａ） 电源 （Ｂ） 电源 架线 中间断电区 轮轨 在线检测电路 开关断路器 （Ａ） 「 断开 」 开关断路器 （Ｂ） 「 闭合 」 ※ 无列车状态 4.5.3 自动过分相技术研究 60 2021/1/13 （Ａ） 电源 （Ｂ） 电源 架线 中间断电区 轮轨 在线检测电路 开关断路器 （Ａ） 「 断开 」 开关断路器 （Ｂ） 「 闭合 」 ※ 列车靠近 4.5.3 自动过分相技术研究 61 2021/1/13 （Ａ） 电源 （Ｂ） 电源 架线 中间断电区 轮轨 ※ 　 在线检测 开关断路器 （Ａ） 「 断开 」 开关断路器 （Ｂ） 「 闭合 」 ※ 进入中间断电区、在线检测 4.5.3 自动过分相技术研究 62 2021/1/13 （Ａ） 电源 （Ｂ） 电源 架线 中间断电区 轮轨 开关断路器 （Ａ） 「 断开 」 开关断路器 （Ｂ） 「 断开 」 在线 ※ 开关断路器 （Ｂ）「 断开 」 4.5.3 自动过分相技术研究 63 2021/1/13 （Ａ） 电源 （Ｂ） 电源 架线 中间断电区 轮轨 在线 开关断路器 （Ａ） 「 闭合 」 开关断路器 （Ｂ） 「 断开 」 ※ 开关断路器 （Ａ）「 闭合 」 4.5.3 自动过分相技术研究 64 2021/1/13 （Ａ） 电源 （Ｂ） 电源 架线 中间断电区 轮轨 无列车 开关断路器 （Ａ） 「 断开 」 开关断路器 （Ｂ） 「 断开 」 ※ 开关断路器 （Ａ）「 断开 」 4.5.3 自动过分相技术研究 65 2021/1/13 4.5.4 运行管理 西欧典型的供电段 全员劳动生产率约 8.5 条 · km/ 人 每接触网工负责约 15 条 · km 的检修任务 我国某供电段 全员劳动生产率仅为 0.97 条 · km/ 人 每接触网工负责检修约 2.0 条 · km 某铁路局全局 供电部门全员劳动生产率约为 0.98 条 km/ 人 每接触网工平均负责检修 1.9 条 · km 66 2021/1/13 4.6 路基设计的关键技术 严格控制路基的工后沉降 严格控制路基的不均匀沉降 控制路基刚度及其纵向变化连续均匀性 包括路基本体沉降和地基沉降 67 2021/1/13 4.6.1 严格控制路基的工后沉降 工后沉降是指路堤建成后铺轨时的路基剩余沉降，主要包括 路基本体沉降 和 地基沉降 。 　　　　路基的工后沉降量应越小越好，经综合技术经济比选确定,京沪客运通道路基工后沉降限值为 5 cm 国外高速铁路的建设经验证明，路基本体沉降约为路基填土高度的 0.11%~0.12% ，且能在建成1 年内完成。秦沈客运专线的建设也证明了以上结论。 68 2021/1/13 4.6.2 严格控制路基的不均匀沉降 在 100 m 范围内的路基不均匀沉降，将直接造成幅值较大的轨道长波高低不平顺。 更短范围内的路基不均匀沉降，将直接造成路基的稳固和安全。 　　　　 我国 “ 高速铁路设计暂行规定 ” 规定路基工后总沉降量为 5 cm ， 沉降速率小于 2 cm/ 年 ，桥台台尾过渡段路基工后沉降不大于 3 cm ， 69 2021/1/13 4.6.3 控制路基刚度及纵向变化连续均匀性 路基刚度与列车的安全、平稳、舒适运行及轨道的维修工作量密切相关。 纵向刚度均匀性变化是高速铁路路基设计和施工的关键，更是高速列车舒适运营的关键，直接危及行车安全和乘车舒适性。对轨道基础竖向刚度出现突变的分界处，由于各结构物刚度的不同，列车会产生剧烈的跳动，必须设置过渡段，以提高路基刚度的连续性。 70 2021/1/13 4.7 无碴轨道关键技术 结构及特点 需要解决的问题 概况 关键技术 71 2021/1/13 4.7.1 无碴轨道关键技术概况 无碴轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道碴道床而组成的轨道结构型式 无碴轨道成为世界各国高速铁路轨道结构的首选 良好的轨道稳定性、平顺性和耐久性 减小桥梁二期恒载和降低隧道净空 道床整洁美观，消除列车运行时道碴飞溅和粉化 初期相对较大的建设投资也能在运营中得到回报 72 2021/1/13 4.7.2 三种无碴轨道结构及特点 弹性支撑块式 板式轨道 长枕埋入式 73 2021/1/13 4.7.3 无碴轨道的关键技术 关键技术 过渡段 无碴轨道的下部基础 无碴轨道结构设计 74 2021/1/13 4.7.4 需要解决的问题 制定与国际接轨的技术标准 无碴轨道技术要求很高，必须借鉴 EN（ 欧洲工业标准）等国际标准拟定我国铁路无碴轨道的技术标准 采用先进工装和工艺 我国混凝土轨枕生产厂家与无碴轨道的要求相差甚远 要通过无碴轨道的推广，组织对传统产业的改造，实现企业升级 75 2021/1/13 4.8 高速列车关键技术 高速列车 所处的动 态环境 高速列车 关键技术 高速列车的关键技术 76 2021/1/13 4.8 高速列车 的关键技术 牵引动力的要求猛增 1 制作功率要求更大 横向动力作用加剧 2 3 垂向轮轨动力作用加剧 高速受流问题复杂化 4 5 6 空气动力作用加剧 高速列车区别于普通列车根本点，在于其所处的特殊动态环境。随着列车速度的提高，动态环境急剧恶化 77 2021/1/13 4.8 高速列车的关键技术 研制能在上述如此严峻动态环境下运行的列车，需要运用多种高新技术，解决一系列高速列车特有的问题。 关键技术 高速列车空气动力学工程 高性能低自重高速客车的研制 高速大功率动力车的研制 78 2021/1/13 4.8.1 高速大功率动力车的研制 为减少维修和改善乘坐环境 ， 应尽可能使用较少动轴。 采用交 - 直 - 交传动 ， 动力集中制式单轴功率可达 1250kW ， 动力分散制式一般用到 600kW 。 驱动系统必须精心设计 ， 减少簧下质量和克服驱动系统的再生振动是关键。 电阻制动和再生制动应有足够的功率。全列车的制动控制是一个新课题。列车信息及控制系统必须彻底更新。 动力车或控制头车的流线型外形设计。 79 2021/1/13 4.8.2 高性能低自重高速客车的研制 车辆是一个高维强非线性系统 ， 应采取措施保证其运动稳定性。 空气弹簧、盘形制动等则是最低要求。 为了解决运动稳定性和运行平稳性之间的矛盾 ， 要应用多体系统动力学及控制这一新兴学科的最新成就 ， 并采用整车模拟试验等高新技术 ， 进行设计优化。 为了最大限度降低自重并提高服务水平 ， 客车车体及设备的轻量化非常重要。 80 2021/1/13 4.8.3 高速列车空气动力学工程 列车贴地运行引起强烈的地面效应。以大细长比和复杂地面效应为特征的高速列车空气动力学 ， 是一个相对独立的学科分支。 列车头型的选择 , 车体密封的要求 ， 气动压力的作用和空气阻力、气动噪声的降低等 ， 都是与高速列车空气动力学密切相关的 ， 可以统称为高速列车空气动力学工程。 高速列车在隧道中运行时 ， 其气动效应较明线强烈得多 ， 它是典型的非恒定、非等熵、可压缩和有限域的流动问题 . 81 2021/1/13 4.9 高速铁路牵引供电系统关键技术 高速铁路牵引供电系统的特点 国外的高速铁路牵引供电系统 国内的高速铁路牵引供电系统 电能质量问题 82 2021/1/13 4.9.1 高速铁路牵引供电系统的 特点 牵引供电 系统的 特点 列车速度高，列车通过供电臂时间短 供电臂中负荷电流波动大 机车牵引电流大，牵引供电系统供电功率大 牵引供电系统应适应高速列车采用再生制动工况 83 2021/1/13 高速铁路要求接触网受流质量高，分段和分相点数量少。目前各国大多采用自耦变压器（ AT ）供电方式和带回线的直接（ RT ）供电方式。 AT 供电 方式： 日本，法国 RT 供电方式： 德国，意大利，西班牙 4.9.2 国外高速铁路牵引供电方式 84 2021/1/13 牵引变压器接线型式对牵引供电系统和工程投资起决定性的影响，不同类型的牵引变压器对电力系统产生不同的不平衡影响。 日本 : 斯科特接线和变形伍德桥接线三相变压器 法国、德国、意大利和西班牙 : 单相变压器 4.9.2 国外高速铁路 牵引变压器接线型式 85 2021/1/13 秦沈客运专线是我国目前高速电气化铁路技术层次最高，创新内容最多的标志性工程。 在秦沈客运专线的建设中采用了不少新技术 : 采用单工频交流制，直供带回流线供电方式 采用我国自行研制的牵引变电所安全监控及综合自动化系统，实现了牵引变电所的无人值守、远动控制和自检自诊断功能，提高了牵引供电的安全性、抗干扰性和可靠性。 4.9.3 国内的高速铁路牵引供电系统 86 2021/1/13 4.9.4 电能质量问题 无功补偿 1. 并联电容器补偿装置 2. 静止型无功补偿装置 3. 静止无功功率发生器 改善电能质量 的措施 谐波抑制 1. 无源滤波 2. 有源滤波 87 2021/1/13 4.10 牵引供电自动化系统关键技术 变电所综合自动化远动系统 远动 系统 牵引供电 自动化系统 88 2021/1/13 电气化铁道远动系统在牵引供电设备监控、故障判断处理和运行状态分析等各个方面都发挥着越来越重要的作用，并为牵引供电系统调度管理提供了全新的技术手段。 电气化铁道远动系统是一种计算机控制系统，其功能是进行电力调度与所管辖的牵引变电所、闭所、分区亭及 V 停设备等供电装置之间的远距离实时监测和控制。 4.10.1 远动系统 89 2021/1/13 远动系统通道 优化远动系统通道结构，提高通信线路的可靠性。 通信网络及接口的标准化 采用标准规约及接口方式,实现不同厂家的设备间的信息交换。 通讯模式 以以太网为代表的局域网技术中，以客户/服务( Client/Server) 方式为基础的网络技术在远动系统中得到了广泛的应用，如何过渡到实时性更好的发布/订购( Publish/Subscribe) 模式需进一步研究。 4.10.1 远动系统关键技术 90 2021/1/13 哈尔滨 — 大连电气化铁道所引进德国的 S.P.I.D.E.R. 远动系统用于对供电系统的控制、监督、采集和分析数据，并提供一个建立网络控制应用的操作平台。 S.P.I.D.E.R. 系统的所有主服务器和工作站都建在一个局域网上，并采用冗余的设计方式。其中一个非常重要的部分是远程通信服务器即 RCS。 通过它们从远程终端中采集、管理、维护和控制数据，使 SCADA 系统和远程数据之间获得有效的连接，并不断地更新数据库。 4.10.1 哈大线电气化铁道远动系统 91 2021/1/13 4.10.1 哈大线电气化铁道远动系统软件 1. 由硬件和操作系统组成的基础部分 2. S.P.I.D.E.R. 的应用程序 3. 应用服务层 4. 专用于不同类型的操作 92 2021/1/13 变电所自动化是指集监控与中央信号、保护、通讯、管理等多种功能的自动化系统，它采用分层控制原则，由多微机分布式结构组成。 秦沈客运专线采用的 TA21 型牵引变电所安全监控与综合自动化系统。系统由集中式牵引变电所综合自动化装置和远方视频监控及防灾报警系统构成，同时还设置了自动灭火系统。牵引变电所运行维护采取无人值班、有人值守式。 4.10.2 变电所自动化系统 93 2021/1/13 4.10.2 安全监控及综合自动化系统组成结构 系统采用分层分布式结构形式 变电站层为系统监控机 网络层采用双层网结构，通信处理单元接在第一层环形现场测控网上，当地监控系统挂接在第二层以太网上，两层网通过通信处理单元实现现场总线与以太网的连接，变电站内各个保护测控单元为间隔层。 94 2021/1/13 4.10.2 秦沈专线综合自动化系统的特点 网络型 分层分布式 模块相互独立 秦沈客运专线综合自动化系统的特点 95 2021/1/13 4.10.3 高速铁路电气化发展 牵引变电 220kV 等级将会成为一个标准引入铁路牵引供电系统中来，其中集中供电将会在高速电气化铁路建设中运用。 将会引入更多高可靠、自动化程度高、少维护的产品。牵引变电所、开闭所等将采取无人值班、有人值守的管理方式 秦沈客运专线是我国高速电气化铁路的一个重要试验基地，为京沪等高速铁路作着技术铺垫 高速铁路关键技术概论 Thanks! 2006 年 11 月