第二节　集成创新的高速铁路“四电”技术

一、牵引供电集成技术

（一）2×27.5kV大容量气体绝缘开关柜

2×27.5kV气体绝缘开关柜（GIS）因其集成度高、占地面积少、可靠性高、少维护甚至免维护等特点，在国外电气化铁路尤其是高速铁路中应用普遍。但受技术条件限制，2×27.5kV气体绝缘开关柜尤其是大容量产品主要为国外公司垄断。

2008年，通过铁道部和科技部的两部科技支撑计划，针对京沪高速铁路牵引供电的应用需求，中国技术人员进行了2×27.5kV大容量气体绝缘开关柜的元件结构、组合形式、电缆连接方式、环境适应能力、制造工艺及使用和维护共六方面的研究和开发，研制出将主变压器次边的断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管共七种高压电器组合成一体的具有高清洁度高密封性的高压配电装置，不仅具有自主知识产权，而且实现了配电装置结构紧凑、占地面积小、高安全可靠、配置灵活、维修工作量小的要求。这种装置在京沪高速铁路工程中大量应用，运行效果良好。

（二）220kV牵引变电所与电力变电所合建技术

京沪高速铁路虹桥牵引变电所与电力变电所均设置在虹桥枢纽，为实现电力资源共享，将两所合建。合建变电所共用两路220kV进线电源，设置6台变压器（其中牵引变压器4台、电力变压器2台）、牵引与电力配电装置以及其他相关设施。合建变电所的占地面积很小，要求整体布局应与枢纽内景观相适应。经过深入技术研究，提出了全户内变电所设计技术。

全户内合建变电所设置在一幢建筑物内，首次引入技术成熟的220kV户内SF6组合电器、220kV电缆及牵引变压器220kV侧电缆插拔等设备及相关技术；优化了设备布置、所内电缆布置及路径设置；设备房间内配置便于设备安装及维护的设施；配备合理的暖通、消防及故障报警装置，最大限度保障运营维护人员人身安全。全户内布置变电所外观美观，整体设备水平提高，运营维护方便，充分保证并在一定程度上提高了供电可靠性、安全性。

京沪高速铁路宁南牵引变电所与“南京枢纽大胜关长江大桥、南京南站及相关工程”中孙家洼牵引变电所（含220/10kV南京南电力变电所）同处南京枢纽地区，负责京沪高速、南京枢纽、沪汉蓉通道和宁安城际牵引负荷供电，以及南京枢纽电力负荷供电。为充分利用220kV电源，节约占地面积，节省工程建设投资，将变电所合建。合建变电所也成为全路规模最大的变电所，共设10台220kV变压器（其中牵引变压器8台、电力变压器2台）、两个工程的牵引和电力配电装置以及其他相关设施。

合建变电所除牵引变压器、电力变压器按室外低型布置外，其余配电装置及相关设施均设置在一幢建筑物内。220kV侧配电装置采用技术成熟的户内SF6组合电器、2×27.5kV侧配电装置采用户内GIS，设备间连接采用电缆方式，电缆布置及路径设置按不同电压等级及供电范围分沟设置。220kV户内采用SF6组合电器，其与牵引变压器、电力变压器间采用电缆方式连接，户内端电缆采用插拔方式、户外采用电缆终端转架空线方式，大大简化了设备布置，减少了房屋面积及场坪占地面积，便于施工安装及运营维护，设备水平也得到提高。

（三）变电所综合自动化技术

欧洲国家在综合自动化方面发展较快，其系统构成比较完整，功能较全面，采用的光缆通信抗干扰能力强，微机保护具有功能分散、通信功能强、带自检功能等特点，适用于无人值班、远程监控、远程分析。我国铁路科技工作者依托京沪高速铁路工程，开展了电气化铁路牵引变电所综合自动化的调查和研究，提出了我国电气化铁道牵引变电所综合自动化的设想。

围绕京沪高速铁路的工程设计和建设，深入分析了既有的各所之间无信息共享的继电保护在AT（auto transformer）供电方式下存在的选择性和速动性缺陷，基于当时铁路微机保护刚刚起步的现状，结合计算机和通信技术的发展趋势，提出了高速铁路综合自动化和微机保护解决方案。该方案基于现代化通信技术和微机保护技术，通过变电所与AT所、分区所之间共享信息，达到集中进行快速故障判断和快速、准确选择性切除故障的目的。该研究同时提出了完善的站控层功能需求（如当地监控、当地维护、设备诊断、事故分析、远方通信、远方维护、图像监视等功能）、所内与所间网络通信结构和介质、间隔层各保护单元的功能配置，并研制了综合自动化模拟仿真系统。基于该研究开发的铁路变电所综合自动化系统被迅速推广到全国的铁路电气化改造和新建工程中，提高了电气化铁路的安全性、可靠性和运营管理自动化水平。

二、接触网集成技术

京沪高速铁路接触网集成创新技术包括接触网悬挂张力组合技术、高强度高导电率接触导线及其配套接触网零部件的设计优化技术和腕臂支持结构、定位装置及下锚装置等的安装制造工艺优化技术。

（一）接触悬挂张力体系

为满足京沪高速铁路最高运营速度及试验速度的要求，在先导段下行设置了承力索张力为20kN、接触线张力分别为31.5kN、33kN、36kN和40kN等四种额定工作张力的试验体系。在采用带主动控制的新型受电弓条件下，这四种接触网张力体系均满足京沪高速铁路动车组列车速度380km/h双弓、持续、稳定受流运行的要求，平均接触力、最大接触力、抬升量、燃弧率等指标均在预期范围之内。相比之下，（20kN+36kN）张力性能最为优越，（20kN+33kN）张力次之，（20kN+31.5kN）张力可用。

（二）张力体系配套线材

京沪高速铁路采用的抗拉强度大于等于560MPa的高强高导铜合金接触线采用三元合金（铜铬锆）结构、析出强化型工艺制造，技术性能达到国际领先水平。

接触线抗拉强度高于国外最先进产品的指标，超过日本同类产品PHC型（precipitation-hardened copper alloy trolley，析出强化铜合金型）导线指标（540MPa），达到560～610MPa；延伸率与铜镁、铜锡合金接触线的最好指标一致，大大高于日本同类产品PHC型导线的2.0％水平，达到4.6％～6.2％水平；导电率达到75％IACS～82％IACS（internation alannealing copper standard，国际退火铜标准）范围，与日本同类产品PHC型导线相当，大大高于铜镁、铜锡合金接触线62％～65％IACS的指标；抗软化能力具有耐受400℃保温2小时软化后抗拉强度下降幅度不超过10％的性能，明显超过铜镁、铜锡合金接触线300℃的软化温度指标；析出强化型工艺制造的高强高导铜合金接触线的磨耗明显低于铜镁、铜锡合金接触线。

（三）张力体系配套的接触网零部件

为了使张力体系能够顺利地在工程项目中得到实际应用，必须具有与其相配套的系列接触网零部件。

定位器采用在定位管水平安装条件下可自由调节限位间隙的弯折型限位定位器，可最大限度地满足列车在350km/h及以上时速运行时受电弓最大动态范围及抬升限位的要求。

为适应接触线张力的增加，提高了棘轮下锚补偿装置的最大工作张力（40kN）。棘轮下锚补偿装置大、小轮的缠绕补偿绳处均采用沟槽设计，并加大轮径，以防止补偿绳间的相互磨损并提高下锚补偿绳的抗疲劳性能；接触线下锚补偿绳采用直径为11.0mm的浸沥青复合钢丝绳，综合拉断力大于等于95.0kN，抗疲劳性能得到提高；接触线用棘轮下锚补偿装置的断线制动棘齿采用伞齿结构设计，提高了大张力条件下断线制动的可靠性。

承力索终端锚固线夹采用“锥套+顶丝压块夹紧型”结构。该结构为具有后备保护措施的双级夹紧结构，具有较高的抗滑脱安全裕度；增大锚固线夹本体（包括套筒、锥套及终端双耳）的强度，具有较高的强度安全裕度；销钉材质由不锈钢改为Q345B低合金高强度结构钢，热浸镀锌防腐；直径由19mm改为22mm；制造工艺由铸造改为金属模锻造，提高了零件本体内部金相组织的质量，并且便于控制产品制造质量。

为了满足高张力的使用要求，在部分区段采用了带二级保护的终端锚固线夹、弯折型定位器、无定位线夹型接触线锚支定位卡子、40kN棘轮补偿装置、20kN腕臂用绝缘子、200kN下锚用合成绝缘子以及高强高导承力索等。

（四）接触网安装结构优化设计

腕臂定位装置采用平腕臂水平安装、平/斜腕臂外径均为70mm的腕臂支持结构。正、反定位的定位管采用水平安装结构，并均采用定位管支撑固定。定位装置具有在定位管水平安装状态下，接触线定位点处抬升量为240mm时限制定位器继续抬升、定位器不打弓、定位器不与定位管相碰的限位功能。定位器采用可自由调节限位间隙的弯折型限位定位器。各种铝合金型材（平/斜腕臂管、腕臂/定位支撑管、定位器管等）的综合机械性能标准均高于目前国内外同类产品标准，表面均增加了阳极氧化处理的防腐措施。

为防止高速运行中振动对承力索固定点处产生的疲劳影响，新设计了一种防疲劳型预绞式承力索护线条，安装在承力索座两侧的承力索表面处。该产品能够有效地克服由于振动对承力索座两侧的承力索产生的疲劳影响，从而能够有效地防止该处承力索的疲劳断股。

承力索用棘轮下锚补偿装置采用反制动安装形式，接触线用棘轮下锚补偿装置采用正制动安装形式，最大限度地减小了棘轮下锚补偿装置安装底座的悬臂长度，从而有效地减小了由于坠砣重量对支柱产生的弯矩。

三、通信信号集成技术

（一）通信传输及GSM-R数字移动通信网络组网设计

京沪高速铁路通信传输首次采用链型MSP1+1站间组网方式，双光缆、双节点的网络结构设计克服了传统传输单节点设备的弊端，有效地避免了因传输节点故障导致的全线通信通道中断，提高了通信子系统的整体可靠性。其中，车站第二节点所采用的利用既有汇聚节点的措施，有效地提高了资源利用率，节约了建设投资。京沪高速铁路通信传输网链型MSP1+1站间组网方案也成为后续高速铁路、客运专线的传输标准方案。

京沪高速铁路GSM-R组网方案中首次提出了“在并线区段的分岔点配置两个基站作为主备用，采用多副定向天线对各条线路方向分别进行覆盖”的设计方案，较好地满足了京沪高速铁路与沪宁城际、沪杭客专、合蚌客专等CTCS-3级列控线路在并线区段对于GSM-R信号冗余覆盖、系统容量、频率规划、服务质量（QoS）、可靠性等方面的需求，有效地解决了GSM-R组网中系统容量与频率规划的矛盾，为后续高速铁路、客运专线并线区段的GSM-R组网提供了应用经验。

（二）兼容CTCS-2级的CTCS-3级列控技术

CTCS-3级列控技术地面按照兼容CTCS-2级列控统一设计，共用轨道电路、应答器、临时限速服务器等设备，CTCS-3级列控车载设备中设置了CTCS-2级专用控制单元，一套设备可以满足两种等级应用需求；在无线通信故障等特定条件下，CTCS-3级自动降到CTCS-2级运行，在特定等级转换点可以实现不停车CTCS-2级自动转换成CTCS-3级的功能。

为了实现列控车载设备控车曲线与动车组制动参数的优良匹配，通过对列控制动模型的理论研究、实验室仿真测试和现场试验，进一步优化了列控高速制动模型，提高了列控技术在高速运行条件下的适应性和可靠性。

通过GSM-R数字移动通信网络，实现了车地之间列控信息的实时可靠双向传输。CTCS-3列控车载设备能实时接收列车运行前方的行车许可、临时限速、线路数据等信息；地面通过RBC设备与CTC设备的接口，调度员能实时掌握CTCS-3等级列车的运行速度、运行位置和运行状态等信息，为列车运行安全提供了有力的保障。

建立了统一的CTCS标准体系，满足不同等级、不同制式列控之间的互联互通需求。京沪高速铁路连接北京、天津和上海三大直辖市，全线包括北京南、天津西、南京南和上海虹桥等多个大枢纽，枢纽信号系统的设计必须满足相邻线路互联互通和跨线运输需求。京沪高速铁路综合考虑了各个枢纽的跨线运输需求和线路特点，通过统筹设计，包括应答器布置、等级转换点设置、相邻RBC\TCC\TSRS\CBI（computer based interlocking，计算机联锁）软件的修改，实现了京沪高速铁路与其他相邻线路的互联互通，满足了跨线运输的需求。

实现了相邻RBC之间的直接通信。相邻RBC之间具备直接通信的能力，可以实现更多信息的交互；通过RBC记录的CTCS-3级列车位置信息，连续跟踪记录列车运行位置，可以保证CTCS-3级列车的追踪间隔，增强了列车追踪运行时的安全性。

（三）列控更高速适应性技术

为了掌握在300～350km/h运行速度条件下列控的综合性能，探索在更高速度条件下系统的适应性，在京沪高速铁路先导段综合试验中，对列控车地信息传输性能（GSM-R无线传输、应答器信息传输、机车信号信息接收）、车载设备电磁兼容特性以及制动特性、列控功能适应性等进行了现场试验。首次在列车实际运行400km/h以上速度条件下，建立了平原高架桥区段GSM-R电波传播模型，提出了高速条件下GPRS（general packet radio service，通用无线分组业务）数据传输特性，探明了高速运行条件下GSM-R短消息传送特性；掌握了应答器在不同速度、不同安装方式下报文信息可靠传输特性规律，优化了CTCS-3列控车载控车模型，为列控技术的进一步发展提供了支持。

四、信息化创新技术

（一）以智能控制技术为基础的旅客服务集中管控技术

首次采用区域集中的旅客服务信息体系结构，通过局部级的模块单元智能控制实现终端设备的管控一体化，通过协同作业引擎实现广播、导向、检票、查询等作业的高度协同和联动，通过信息交互机制在大型综合交通枢纽中实现铁路、民航交通信息的共享，对客运业务的统一协调指挥，对突发事件的迅速响应以及对综合交通枢纽的信息共享等要求。

（二）防灾安全监测组网及设置优化技术

防灾安全监控网是保证高速铁路列车安全、高速运行的重要基础装备之一。防灾安全监控数据处理设备之间首次采用星型及环形相结合的组网方案，实现了监控数据处理设备之间高效、实时的数据交互，提高了网络的冗余备份能力及安全可靠性。对于公路上跨高速铁路地段的公路桥，首次采用公路桥单侧部分区段专门设置防灾安全监测网的形式，对国内其他在建、待建异物侵限监测网具有指导意义。