综述 评论世界铁路电气化发展趋势A.Kotelnikov 等 (俄罗斯)摘要 20世纪初以及上半期,世界上许多国家掀起了修建铁路的高潮,当时是采用蒸汽牵引以及一定程度的内燃牵引。

然而,客货运输使用电力牵引的可能性和极高的运营效率,在20世纪最初的25年已得以显现,使许多国家敢于选择走铁路电气化道路。

文章依据世界铁路电气化的统计数据,介绍了牵引方式的发展历程和现状,并展望电气化前景。

数据来源于UIC 、OSJD 、I RC A 年刊以及相关的国际国内刊物和其他讨论会资料。

关键词: 铁路 电气化 电流制 运量 成本 比较 21世纪初,世界铁路总里程大概为100万km (949900km),其中25%(235700km)为电气化铁路,而75%的铁路(约714000km)采用内燃牵引(图1a)。

2种牵引方式的运量相当平衡(各占50%)。

虽然电气化线路长度较少,然而全球电力牵引的列车平均货运量是内燃牵引的3倍。

世界上各大陆或地区的电气化程度差别非常大。

电气化线路在世界线路总长中占比例最高的是西、中、东欧国家(45.7%),其次是独联体(24.3%),西南和东南亚(主要是日本、中国和印度)约占20%,非洲为8%(主要是南非共和国)(图1b)。

而美洲(南北美)电气化线路占1.7%。

关于所采用的电流制式,交流制在电力牵引系统中是最主要的(占55%,其中25kV 50Hz 占40.5%,15kV 16 Hz 占14.6%),直流制占世界电气化铁路的43.0%(其中3kV 占35.2%,1.5kV 占7.8%)。

约2%的电力牵引采用其他的供电系统,包括交流50kV 50Hz 、11~13kV 25Hz 、15kV 20Hz 以及直流制0.75kV 和0.6kV(主要用于城市轨道系统)。

这种线路全世界总长4500km 。

直流制的电气化铁路比例很高,其原因是在铁路电气化最紧张的时期(从20世纪30~60年代),直流制式是当时实际适合于世界各国的唯一牵引系统。

然而德国走了自己的道路,建立了 非标准 交流制15kV 16 Hz 的牵引系统。

这一系统后来也被用于其他国家,但仅在欧洲(奥地利、瑞士、瑞典和挪威)。

从60年代、70年代起,世界电气化铁路主要使用工频25kV 50Hz,直流网扩展很少。

当讲到电气化铁路绝对长度时,俄罗斯(40300km)处于领先地位,远远超过德国(18800km)和南非共和国(16800km)。

值得注意的是,在已拥有电气化线路的69个国家中,这12个国家几乎占了电气化总线路的3/4(图2)。

图1 铁路电气化在欧洲(独联体除外),47%的铁路是电气化铁路,但运量占70%左右(图3),也就是说电气化铁路运量是内燃牵引的2倍。

欧洲电气化铁路比例高是因为欧洲的客运交通占主导地位。

事实上,正是迎合了客运交通,欧洲铁路电气化才起主导作用。

电气化能实现更高速度以及加速度,自然也解决了铁路对环境影响的问题,而这一点与人口密集的欧洲非常适应。

1变流技术与电力牵引 3/2002图2 铁路电气化最多的国家(5000km 以上)图3 欧洲铁路电气化(独联体除外)欧洲电力牵引系统的种类细分如下:(1)交流制55.6%(其中23.7%是25kV 50Hz,31.8%是15kV 16 Hz);(2)直流制41.8%(其中34.2%是3kV,7.6%是1.5kV);(3)其他制式2.6%(2800km)。

在独联体,电气化铁路占41%,运量占71.6%(是内燃牵引运量的3.7倍)。

这个比例很大程度上取决于俄罗斯铁路(RZD),RZD 拥有独联体70%的电气化线路(乌克兰占15.4%,哈萨克斯坦占6.3%,其他国家占8.5%)。

与欧洲一样,交流制牵引系统在独联体占优势,(25kV 50Hz)占全部电气化线路的53%,直流制(3kV)占47%。

值得一提的是亚美尼亚(99%)和格鲁吉亚(100%)实现了线路的完全电气化,阿塞拜疆占60%(运量占84%)。

俄罗斯铁路(RZD)占世界铁路网的9%,占世界电气化线路的17%(图4),并且堪称是线路最长的(40300km)。

目前俄罗斯的电气化线路占其总铁路网的46.8%,占全国运量的77.7%(是内燃牵引的4倍)。

其牵引系统中两种电流制的比率与全球、欧洲的比率类似(25kV 50Hz 交流制占53.3%,3kV 直流制占46.7%)。

电气化线路的运营效率主要指标(货运列车平均重量,线路区间平均速度,机车平均日产量)比非电气化线路高20%~30%。

俄罗斯电气化线路总的经济指标(运输成本)比内燃机车线路的低(50%~100%)。

电力牵引的燃料和能量消耗比内燃牵引经济得多:某一种给定燃料的计算比消耗要低50%~60%。

图4 俄罗斯铁路电气化上述统计数据表明,在工业化国家,除美洲外,电力牵引占优势,电气化铁路担负着与线路长度不成比例的高运量,这在所有国家都有体现。

这一点在图5中特别清楚,不同国家的数据用点来表示。

它们都在等效函数关系线之上:T el (%)L el (%)=1铁路电气化证明了这样一个事实:电气化铁路之所以明显地受到这些国家的青睐,缘于电气化线路运量大,而且电力牵引与内燃牵引相比,在运输成本、燃2世界铁路电气化发展趋势变流技术与电力牵引 3/2002图5 世界发达国家的电力牵引运量与铁路总运量之比T el /T,电气化铁路网与总铁路网之比及其两者之间的关系料和能耗以及环境方面有优势。

当然这些参数在不同国家里是有差异的,因为这很大程度上取决于运输成本中各实际价格要素。

然而事实是世界上发达的工业国家在20世纪的不同时期都走上了电气化的道路,并不同程度地表明了积极的姿态,而且在一些国家里,电力牵引呈现出明显的拓展趋势。

无论如何,铁路电气化需要建立一个坚固的基础设施:牵引供电系统(外部电源,铁路变电站,接触网,维修与保养电源装置的路边单元)。

基于这些项目的总额,2000年上半年1km 双线铁路的电气化花费15万美元~20万美元。

任何一个考虑向电力牵引转换的国家在对这个问题做出决定之前需要确定其 临界 运量T kr 。

高于这个值,电力牵引的运输成本就比内燃牵引低(见图6)。

当然,各国的费用是不同的,首先主要取决于相应的电和柴油的价格、基础设施的价值(以折旧的形式计入运输成本)、服务于运输的所有经济单元的运营成本。

换句话说,T kr 可以落在一个很宽的领域(图6的斜纹框)内;T kr 的左边,可以看到那里的运量小,基础设施价值就过高,而在右边(运量大),因大量使用电力牵引技术操作而减少了基础设施值。

根据文献,近来有铁路的国家避免明确地确定T kr 。

他们宁愿以组成运输成本各要素的实际数据为基础,单独对每条线路进行计算。

这样,把计算建立在客观、可观测的稳定趋势的基础之上是可取的,这在实践中产生并已经在铁路运营中得到证实。

当考虑牵引方式时,必须在能源方面考虑铁路供电的远景。

主管能源研究机构对世界可利用能源的预测如下:石油可用40~50年,天然气50~70年,煤200~400年,铀40~50年。

俄罗斯拥有世界上13%的石油,40%的天然气,30%的煤储量。

开采的60%的石油以及35%的天然气出口国外。

若已知国家的能源预测,而且事实上发电不只限于一种能源,则铁路进一步电气化以达到国家分析所认定的电气化线路长度与运量的最佳比,这对俄罗斯铁路至关重要(图5)。

在不久的将来(2001~2002年),当8000km 的线路完成电气化转换时,52%的俄罗斯铁路网将电气化,82%~85%的铁路运量将由电气化线路完成。

内燃牵引假如还具有军事战略重要性,而且对缺乏充分能源系统的不发达地区仍具有社会意义,那么铁路网中保留内燃线路也可视为最佳选择。

不应该忘记:内燃牵引的任务之一是在于电力系统遭受损害和其他情况下代替电力系统。

例如,法国有一次就发现异常情况,由于接触网严重结冰,导致所有的TGV 列车都取消。

图6 从内燃牵引到电力牵引可经济转换的临界运量(T kr )的确定让我们来看看世界上一些国家在牵引方式之间选择时考虑权衡的具体方面。

美洲地区位置很特殊。

虽然美国和加拿大经济发达、领土辽阔,货物的运量要大于欧洲,却自始至终采用内燃牵引。

在这两个国家里,内燃牵引占优势,其原因有很多。

美国专家的观点是:电气化的优点很多:(1)机车的最大功率:电力机车4475~7350kW (6000~10000hp),内燃机车2940~4475kW(4000~6000hp);(2)10%~40%的短时超载能力;(3)维修和服务费低;(4)受磨损的部件消耗较小;3变流技术与电力牵引 3/2002 世界铁路电气化发展趋势(5)噪声小以及环境污染少;(6)铁路对液态碳氢化合物燃料和润滑油的依赖性少;(7)由于运能大,所需机车少;相应要维修的设备量也少;人员也减少。

电气化的缺点也不少:(1)基础设施投资大;(2)基础设施的维护费用大;(3)需要从根本上改变信号系统,以保证与电力牵引相兼容;(4)改造隧道和桥梁以符合所要求轨距可能需要相当大的费用;(5)需要重新培训人员;(6)不可能使用双层集装箱。

还有其他原因如:机车有关主电路传动组的标准化(降低机车价格);大型车辆的产权;对燃料实行保护主义和低价政策等。

20世纪50年代,美国电气化铁路5000km,占世界40000km的12.5%,而在80年代为2000km,占世界165000km的1.2%。

如今只有一条电气化铁路,在 东北走廊 上(华盛顿-纽约-波斯顿,3kV直流,电气化始于1925年)。

这条走廊的电气化正在从波斯顿延伸至Ne w Haven (251km,25kV60Hz)。

自1915年以来,一条短线区段一直用交流12.5kV25Hz运行。

除 东海岸走廊 以外,电力牵引预定用于大城市周围市郊客运。

计划要提高内燃机车和燃气轮机车牵引的客运列车速度。

一台燃气轮机要比同等马力的柴油机轻,为17t。

预计美国所有的铁路运输中长期只有2%采用电力牵引。

美国几乎还没开始利用其液态有机能源,所以选择牵引方式时,不能象俄罗斯那样转换,美国能源是国家经济和政府预算的组成部分,并且证明其不足。

南非共和国(RSA)的铁路经历也值得注意。

其电气化线路就绝对长度而言,是世界上第三大国。

RSA 最初开始铁路线路电气化可追溯到1926年,其原因是有大量的煤和矿石要运输,如今电气化运输达到顶点:铁路网的84%实现电气化(总运量的92.7%)。

RSA 是几个拥有3种电力牵引系统的国家之一:25kV/50 Hz交流(39000km),3kV直流(12000km),50kV/50 Hz(995km)。

上述的最后一种电流制是至今为止世界上绝无仅有的,在从产煤区到沿海的闭路上运煤。

这是为货运任务繁重的 走廊 开创超强电气化线路的非常实际的选择。