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世界电气化铁路的发展 冯金柱 2001年第4期

世界电气化铁路的发展

冯金柱

世界电气化铁路的发展概况、电气化铁路供电制式的演变、今后10年摘要:本文概括地介绍了电气化铁路的起源、

世界电气化铁路的发展动向及9个主要国家的电气化铁路情况对比。

关键词:电气化铁路;供电制式;电气化率

中图分类号:U22 文献标识码:C 文章编号:1007-936X(2001)04-0001-07

1 电气化铁路的起源

自从1821年英国物理学家法拉第发现电磁现象的机电性能以来,在社会生产中对这种特性的应用就已经开始了。1825年英国发明家斯蒂芬逊发明了蒸汽机车,开创了铁路运输事业。之后,许许多多的科学家对用电能作为铁路运输的牵引动力进行了大量的研究。1834年美国的托玛斯 达文波特利用电磁铁制作了往复式电动机,驱动车辆在轨道上运行,供游人参观。1842年英国的罗伯特 戴维森在爱丁堡至格拉斯哥的线路上利用玻璃槽式电池作为动力源,制作了1台5t重的电动车辆,用整流子式电动机驱动车辆运行。后来,美国的霍尔于1850年开始利用地面上的电源作动力,驱动车辆运行进行试验。不过这些方式,无论是在车辆上的,还是在地面上的,基本上都是利用电池作动力源。1861年德国的维尔纳 冯 西门子利用电磁感应原理发明了发电机,1866年他又制造成功了直流电动机,从而开创了不用电池作动力源的新路。就这样经过半个多世纪的努力,最后终于达到了实用的目的。这就是1879年5月31日在德国柏林举办的世界贸易博览会上,由西门子和哈尔斯克公司展出的世界上第一条电气化铁路。

这条电气化铁路长300m,线路呈椭圆形,轨距为1m,在上面运行的电力机车只有954kg,车上装有2 2kW的串励式二极直流电动机,由150V的外部直流电源经铺设在轨道中间的第三轨供电,以2条走行轨作为回路。它牵引3节敞开式 客车 ,每节车上可

乘坐6名乘客,最高运行时速达13km。在4个月的展览期间共运送8万多乘客。这条电气化铁路看起来比今天的儿童铁路还小,但它却是世界电气化铁路的先驱。1881年,西门子和哈尔斯克公司又在柏林近郊的利希特菲尔德车站至军事学院之间修建了一条2 45km长的电车线路。同年,在法国巴黎国际电工展览会上展出了第一条500m长的由2条架空导线供电的电车线路,这就为提高电压,采用大功率牵引电动机创造了条件。这种电车形式的电气化铁路的出现,引起了西欧、美国、日本极大的兴趣,于是纷纷开始修建电气化铁路。

1885年英国首先在伦敦修建了第一条由架空导线供电的电车线路,作为市内交通工具。1890年伦敦地铁也改为电力牵引,采用600V的直流,由第三轨供电。1893年瑞典在斯德哥尔摩以北11km长的区段内修建了一条500V的直流电气化铁路;1895年美国在巴尔的摩至俄亥俄间5 6km长的隧道区段内修建了一条675V的直流电气化铁路,同年日本在京都的下京区修建了一条6 7km长的500V的直流电气化铁路。1898年德国在什塔特至埃格里堡区段内,1902年意大利在瓦尔切里纳线上分别修建了三相交流电气化铁路。在最初,电气化铁路大都是采用低压直流和三相交流供电,而且又都是修建在市内交通线路、城市近郊线路和一些工矿线路上。到19世纪末20世纪初,这种电车形式的电气化铁路已成为城市主要交通工具。后来随着工业的发展,才逐渐发展到城市之间和运输繁忙的干线铁路上来。

2 世界电气化铁路的发展

作者简介:冯金柱,中铁电气化局集团有限公司科研所,副译

审,北京100036,电话:46283(北京)。

到了20世纪50年代,一些工业发达的国家为了完成急剧增长的运输任务,以及与其他运输业竞

1

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电气化铁道 2001年第4期

争的需要,开始大规模地进行铁路运输业的现代化建设,主要是牵引动力现代化的建设。因此,电气化铁路的建设速度不断加快,修建的国家逐渐增多。电气化铁路发展最快的时期是20世纪60~70年代,平均每年修建达5000多km。其中前苏联2003km,德国486km,法国368km,意大利341km,波兰335km,日本332km,南非285km,印度272km。到20世纪70年代末,在工业发达的西欧、日本、前苏联,以及东欧等国家,运输繁忙的主要铁路干线都已经实现了电气化,而且基本上已经成网。现在,这些国家正在集中力量修建时速200km以上的高速电气化铁路。从20世纪80年代以后,一些发展中的国家,如我国、印度、南非、朝鲜、土耳其、巴西、智利、摩洛哥、刚果等国家的电气化铁路发展也很快,其中南非1997年至1998年2年就修建了电气化铁路7898km,平均每年建成近4000km,创造了世界电气化铁路建设速度的历史记录。我国的电气化铁路近年来发展也很快。1996年至2000年 九五 期间建成开通了电气化铁路5030km,平均每年建成电气化铁路1000多km。现在,我国的电气化铁路里程已跃居世界前列。

截止到2000年底,世界电气化铁路总里程已达262179 2km,占世界铁路总营业里程1208843km的21 7%,承担世界铁路总运量的50%以上(见表1)。目前,世界上共有68个国家和地区修建了电气化铁路。其中欧洲38个国家,共计170562km,约占65%;亚洲12个国家和地区,共计56168 2km,约占21 4%;非洲7个国家,共计22231km,约占8 4%(主要是南非);美洲9个国家,共计9637km,约占3 7%;大洋洲2个国家,共计3581km,约占1 4%。在这些国家中,拥有电气化铁路1万km以上的国家(见表3)有俄罗斯(40978km)、德国(20327km)、南非(19601km)、日本(16881km)、中国(14770km)、法国(14472km)、印度(13962km)、波兰(11655km)、意大利(11322km)。拥有电气化铁路5000km以上,电气化率超过40%的国家有瑞士(5092km,99%)、南非(19601km,83%)、日本(16881km,62 5%)、瑞典(7996km,61 6%)、意大利(11322km,58 4%)西班牙(7703km,52 1%)、俄罗斯(40978km,46 8%)、波兰(11655km,46 3%)、德国(20327km,44%)、法国(14472km,43 2%)。中国和印度的电气化铁路里程虽然很多,但电气化

率不高,都还不足22%,这说明这两个国家的电气化铁路今后还有很大的发展。美国和加拿大是世界上铁路最多的国家,美国拥有铁路257037km,加拿大拥有铁路84317km,分别位居世界铁路第一位和第三位,但电气化铁路却很少,仅占本国铁路营业里程的1 4%和0 26%。为什么他们不发展电气化铁

路呢?其根本原因是这两个国家的铁路都是私有制,而且运量不大,特别是客运量更少。他们还认为电气化铁路投资大,对通信、信号有干扰和影响大型双层集装箱运输。近年来,随着世界石油资源的日益短缺和高速铁路的迅速发展,也已经出现了发展电气化铁路的新动向。

现在世界已进入建设高速电气化铁路的新时期,修建高速电气化铁路的国家越来越多,列车运行的速度越来越高。特别是欧洲已经突破了国界,向路网化、国际化发展。高速电气化铁路已经成为国家社会经济发展水平和铁路现代化的主要标志之一。到目前为止,已建成高速电气化铁路的国家有日本、法国、德国、意大利、西班牙和比利时。正在修建的国家,除上述国家外,还有英国、荷兰、美国、瑞士、瑞典、奥地利、韩国、俄罗斯、澳大利亚和我国的台湾省。加拿大、捷克、巴西、印度、土耳其、埃及和我国也在积极筹建高速电气化铁路。截止到2001年底,世界上已经投入运营的时速250km及以上的高速电气化铁路里程已达5194 5km,预计到2015年世界修建高速电气化铁路的国家和地区将达到23个,高速电气化铁路里程将达到30000km(见表2)。

3 电气化铁路供电制式的演变

在整个电力牵引的发展过程中,电气化铁路的供电制式经历了由低压直流、三相交流、单相低频交流到单相工频交流的演变过程(见表4)。从1900年至1915年,在采用电力牵引的第一阶段,各国铁路主要采用500~750V的直流制。从1915年至1930Hz、3

25Hz低频单相交流制和1 2~1 5kV的直流制,有一年,各国铁路开始采用11kV、15kV的16些国家还采用了3 6kV的使用异步牵引电动机的三相交流制。从1930年至1950年,除继续采用低频单相交流制和1 5kV的直流制外,还采用了3kV的直流制。1932年匈牙利在布达佩斯 黑基也什霍洛姆铁路上第一次采用了16kV的单相工频交流制

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电力牵引。1950年法国在埃克斯 累 班 里亚罗什休尔伏龙区段试建了一条25kV的单相工频交流电气化铁路。1954年日本在仙山 松岛间试建了一段20kV的单相工频交流电气化铁路。1955年前苏联在奥热烈利耶 巴维列兹区段修建了一条20kV的单相工频交流电气化铁路。从此以后,这种电流制在俄罗斯、法国、日本、印度、南斯拉夫、保加利亚等国家得到了广泛采用。单相工频交流制,虽然出现的比较晚,但发展得很快,在仅仅半个世纪的时间内就修建了102765km,已占全部电气化铁路里程的39 22%。这种电流制式的优点是能直接从具有巨大容量的电力系统取得电能,不需要在牵引变电所内设置整流和变频设备,又能以较高的电压向电力机车供电,因而大大简化了牵引变电所的供电设备,增大了牵引变电所间的距离,缩小了接触导线的截面,减少了电能损失,降低了建设投资和运营费用。我国电气化铁路一开始就选用了这种先进的供电制式,避免了重走世界各国先直流后交流,先低压后高压的发展老路,同时也避免了交流与直流接轨的技术难题,为我国电气化铁路的发展打下了良好的技术基础。

现在各国所采用的电流制式逐渐趋向统一,电压也逐渐趋向提高。如德国、瑞士、瑞典、奥地利、挪威等北欧国家主要采用15kV的16Hz单相低频

3

交流制。意大利、波兰、南非、西班牙、巴西、捷克、斯洛伐克、比利时,智利等国家主要采用3kV直流制。俄罗斯、法国、日本、印度、英国、南斯拉夫、罗马尼亚、保加利亚、匈牙利和我国等都采用25kV的单相工频交流制。低压直流制和25Hz单相交流制在干线电气化铁路上早已不采用了。近年来由于各国铁路运量急剧增大,行车速度不断提高,逐渐向高速、重载、大密度发展,有些国家积极发展使用2 25kV的自耦变压器供电方式,如日本的东海道、山阳、东北和上越新干线、法国巴黎至里昂的东南高速线和巴黎至勒芒/图尔的大西洋高速线、独联体的维西马至布列斯特和贝阿铁路大干线、我国的京秦、大秦和郑武铁路都采用了这种供电方式。美国黑台地至波维尔湖的运煤专线和南非锡申至萨尔丹哈的铁路上还采用了50kV的工频单相交流制式。

要表现在铁路基础设施投资连年持续增长,在工业发达的国家投入巨额资金,大力发展高速铁路网和城市轨道交通。在发展中国家也投入巨额资金,积极修建铁路,扩大铁路网。法国、德国、西班牙、意大利、英国、比利时、丹麦、荷兰等西欧国家将建成20000多km的高速铁路。捷克、波兰、匈牙利等东欧国家也积极改造既有铁路,提高列车运行速度,建设高速铁路。美国也开始加快高速铁路和城市轨道交通的建设,计划修建13条总长达13364km的高速铁路和大约有20个城市扩建和新建城市轨道交通。亚洲的韩国、我国台湾、印度、土耳其和非洲的埃及等国家正在修建和计划修建高速铁路。俄罗斯已是电气化铁路很发达的国家,在今后10年内还将修建8000多km的电气化铁路。到2010年俄罗斯的电气化铁路总里程将达到49115km。印度也将修建6000~7000km电气化铁路,到2010年,印度的电气化铁路总里程将达到21000km,其建设速度都超过了20世纪90年代。在此期间,我国将修建12000km电气化铁路,到2010年,我国的电气化铁路总里程将达到26000km,到那时,我国的电气化铁路里程将仅次于俄罗斯,跃居世界第二位。

2000年,在南非共和国召开的世界铁路会议上,许多国际知名专家认为:在客货运量比较大,基础设施比较好的国家,象俄罗斯、中国这样的国家应大力发展电气化铁路,其所占比重(即电气化率)应在50%~60%以上,它所承担的铁路运量比重应在80%~90%以上。这些专家还预测:世界能源储量,石油只能够用40~50年,天然气只能够用50~60年,煤炭只能够用200~400年。各国运营实践还证明:电力牵引与内燃牵引相比,其优越性越来越大,如电力牵引耗用的标准燃料比内燃牵引低15%,电力机车的生产率比内燃机车高54%,电力牵引的运输成本比内燃牵引低60%。因此,这些专家建议:象俄罗斯、中国这样的国家,在双线铁路货物周转量达到2000~2500万t km时(原规定标准为3300~3500万t km),就应进行电气化,而象德国、法国、日本、波兰这样的国家,在双线铁路货物周转量达到1000~1600万t km时(原规定标准为1500~2000万t km),就应进行电气化。根据专家们的意见和建议,特别是考虑到近年来世界各国对环境保护的呼声日益强烈,预计今后10年世界电气化铁路(包括城市轨道交通)必将会有一个更大更快的发展。

34 今后10年的发展动向

目前,世界铁路正处于一个良好的发展时期,主

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电气化铁道 2001年第4期

表1 世界电气化铁路发展概况(2000年底统计数字)

序号123456789101112131415

欧 洲

1617181920212223242526272829303132333435363738

国家和地区俄罗斯德国法国波兰意大利乌克兰瑞典西班牙英国瑞士

罗马尼亚奥地利捷克保加利亚比利时挪威匈牙利芬兰荷兰克罗地亚斯洛伐克格鲁吉亚南斯拉夫阿塞拜疆白俄罗斯亚美尼亚葡萄牙丹麦

斯洛文尼亚乌兹别克拉托维亚卢森堡马其顿爱沙尼亚立陶宛爱尔兰列支敦士登摩纳哥小计

全国铁路营业里程/km87560 046205 033492 025184 019378 023366 012983 014791 019225 05147 011385 06242 09440 04294 03874 04239 07854 05889 02939 02699 03690 01583 04030 02118 05543 0806 03325 02885 01201 03656 02439 0281 0699 0855 01807 03238 019 0

2 0384363 0

电气化铁路

里程/km40978 020327 014472 011655 011322 08548 07996 07703 05314 05092 03943 03733 02859 02712 02524 02441 02392 02197 01991 01784 01473 01433 01377 01310 0889 0806 0624 0602 0499 0489 0271 0261 0233 0132 0122 037 019 02 0170562 0

电气化铁路

占全国铁路营业里程的%

46 844 043 246 358 436 661 652 127 699 034 660 230 363 265 157 530 437 367 767 039 993 734 261 916 0100 018 720 941 513 411 193 233 315 46 81 1100 0100 0

电气化铁路承担铁路运量的%

77 789 686 584 692 864 088 084 056 099 858 687 048 084 086 571 365 052 487 080 065 095 066 078 025 0100 028 032 056 020 016 095 038 020 010 02 0100 0100 0

附注

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续表

序号12

国家和地区日本中国台湾省香港印度哈萨克斯坦朝鲜土耳其韩国巴基斯坦马来西亚伊朗

印度尼西亚小计12

非 洲

34567

南非摩洛哥刚果津巴布韦阿尔及利亚突尼斯埃及小计123

美 洲

456789

美国巴西智利墨西哥哥斯达黎加加拿大阿根廷古巴玻利维亚小计

大洋洲

12

澳大利亚新西兰小计

合计

1208843 0

全国铁路营业里程/km27113 068649 62548 034 063768 014159 08533 010386 03151 08775 01808 05433 06458 0220815 623611 01907 05138 02759 04820 02113 05024 045372 0257037 030986 08942 015939 0950 084317 038320 04881 03711 0445083 033685 04014 037699 0262179 2

电气化铁路

里程/km16881 014770 0498 034 013962 03611 03500 01524 0661 0293 0160 0149 0125 056168 219601 01003 0858 0313 0304 0110 042 022231 03771 02798 01980 0246 0243 0224 0210 0152 013 09637 03086 0495 03581 021 7%

50%以上

9 212 3

15 018 0

1 47 222 11 525 60 260 53 10 4

3 013 030 02 030 01 01 05 01 0

83 052 616 711 36 35 20 8

92 070 020 015 08 06 51 0

电气化铁路

占全国铁路营业里程的%

62 521 519 5

100 021 825 541 014 721 23 38 92 71 9

电气化铁路承担铁路运量的%

86 035 526 0100 048 540 062 020 030 06 510 06 03 5

附注

其中含民铁4822

3

亚 洲

4567891011

5

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电气化铁道 2001年第4期

表2 世界高速电气化铁路发展概况(截至2001年底)

序国别线路名称号1日 本东海道新干线2(1952 5km)山阳新干线3456已建成投入运营的高速电气化铁路

法 国

东北新干线上越新干线北陆新干线东南高速线

起迄地点东京 新大阪新大阪 博多东京 盛冈大宫 新泻高崎 长野段巴黎 里昂巴黎 勒芒/图尔巴黎 里尔 加来巴黎东南

建设里程/km515 4553 7496 5269 5117 4417 0282 0333 0102 038 050 083 0295 0327 0107 0170 0262 0222 0471 083 05194 5282 0476 6249 0140 0175 0430107010204101711018010781412514691065110654104261034510951027010

建设工期1959 04 1964 101967 03 1975 031971 11 1982 061971 11 1982 111989 1997 101976 1983 091985 19901989 1993 051989 1994 051992 1994 051992-1994 051992 1994 101996 2001 051983 1991 061986-1991 061991 19981970 19871989 20011986 1992 041993 1998

最高时速/km270300275275260270300300300300300300300280280330250300250300

建设费用3800亿日元9420亿日元16800亿日元6400亿日元128亿法郎97 5亿法郎130亿法郎45亿法郎14亿法郎28亿法郎35亿法郎110亿法郎114 45亿马克39 9亿马克60亿马克87亿里拉51 7亿里拉35亿美元18亿美元

7(1600 0km)大西洋高速线8北方欧洲高速线91011121314

德 国

汉诺威 柏林线地区联络线里昂外环线英吉利海峡隧道线东南延伸线地中海高速线

里昂 瓦朗斯瓦朗斯 马赛/尼姆汉诺威 维尔茨堡曼海姆 斯图加特汉诺威 马格德堡段罗马 佛罗伦萨罗马 那不勒斯马德里 塞维利亚里尔 布鲁塞尔

15(604 0km)1617181920

意大利(484km)西班牙(471 0km)比利时(83 0km)

正在建设中的高速电气化铁路

12345678910111213141516171819

合计20条线

日 本北海道新干线(1317 6km)北陆新干线

九州新干线九州新干线东北新干线

法 国东部干线(52010km)南方高速线德 国(37510km)意大利(38318km)英国(6910km)西班牙(65110km)俄罗斯(65410km)韩 国(42610km)中国台湾(34510km)荷 兰(9510km)澳大利亚(27010km)

英吉利海峡联络线

青森 札幌长野 新大阪段博多 鹿儿岛博多 长崎盛冈 青森

巴黎)斯特拉斯堡尼姆)蒙彼利埃法兰克福)科隆纽伦堡)慕尼黑米兰)博洛尼亚

佛罗伦萨)博洛尼亚都灵)米兰一期

马德里)巴塞罗那莫斯科)圣彼得堡汉城)釜山台北)高雄

安特卫普)阿姆斯特丹

1996 1997 1996 1996 1998 2000)2000)1998)1997)1998)1998)2000)1998)2004200320022002200420032003200520032005200520052003260260260260260300300280280300300300300300300300300300300

11000亿日元22900亿日元8700亿日元5300亿日元6400亿日元250亿法郎5216亿法郎54亿马克45亿马克51亿里拉22亿里拉35亿里拉

1998)20041997)20031992)20031997)20032000)20052000)2005

6219亿美元70亿卢布163亿美元

4266亿新台币

(170亿美元)80亿荷兰盾4818亿美元

悉尼)堪培拉

合计19条线509114

注:表内所列高速铁路线只包括新建高速线,不包括既有线改造成的高速线

)

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表3 9个主要国家的电气化铁路情况对比

电气化铁路完

2010年计划达到的电气化铁

/%

路里程/km

铁路建成年度

年度

流电压制

路里程/km

国家

全国铁路营电气化铁路

电气化率%

业里程/km

里程/km

重/%

成铁路运量比

电气化复线率高速电气化铁第一条电气化建成1万公里的采用的主要电

俄罗斯875601040978461877177514正在建设中1929

1960

(10254)

25kV单相工频交流制和3kV直流制

15kV16

23Hz

4911510

德国46205102032710441089167819604101895

1975

(10002)1994(10920)

单相交流制

3kV直流制和25kV、50kV单相工频交流制

2400010

南非23611101960110831092108214019262100010

日本271131016881106215861065141952151906

25kV单相

1982工频交流制(1000616)和115kV

直流制

2000010

中国6864916147701221153515441001961

1996(10082)1980(10035)

25kV单相工频交流制

25kV单相工频交流制和115kV直流制

2600010

法国3349210144721043128615821016001019002000010

印度6376810139621021184815781301925

1993(10158)1991(10108)

25kV单相工频交流制3kV直流制

2100010

波兰25184101165510461384166812019261400010

意大利19378101132210581492188510484101902

1985(10021)3kV直流制

1500010

表4 几种电流电压制的电气化铁路里程、其所占比重及采用的国家

序

号

电流电压制式

里程(km)10276510

所占比重(%)3912200

采用的国家

俄罗斯、中国、日本、印度、英国、南斯拉夫、罗马尼亚、保加利亚、匈牙利、芬兰、乌克兰、土耳其、澳大利亚、葡萄牙、巴基斯坦、南非、刚果俄罗斯、意大利、波兰、南非、巴西、西班牙、比利时、捷克、斯洛伐克、乌克兰、格鲁吉亚、朝鲜、智利德国、瑞典、瑞士、挪威、奥地利、哥斯达黎加日本、法国、西班牙、澳大利亚、荷兰、印度英国、日本、瑞士、德国南非、美国美国瑞士、法国

日本、印度、南非、法国

收稿日期:2001-08-02

125kV工频单相交流制

23kV直流制311kV、15kV164115kV直流制5115kV以下直流制

650kV工频单相交流制711kV、15kV25Hz单相交流制8三相交流制9其它制式

2

Hz单相交流制3

8862341587122103010480310176610146910151012110

33180001519000810000118000016700015600010057010460

)