电力牵引作为轨道交通牵引动力的世界性趋势正在蓬勃发展。自从1879年德国诞生第一辆电力机车 (功率10 kW) 以来已登上了牵引动力的首席, 同以煤作为动力能源的蒸汽机车牵引和以柴油作为动力能源的内燃机车牵引相比, 电力机车具有突出的优越性。

庞大的能源容量为发展大功率、重载、高速的牵引动力提供了技术基础。蒸汽机车锅炉装机容量最大为2 237 kW (3 000 HP) , 轴功率约400 kW;内燃机车柴油机装机容量最大为4 474 kW (6 000 HP) , 轴功率最大为600 kW;而电力机车的能源取自供电网, 尤其在进入工频交流制电力牵引输电以后, 可与工业电网联网, 供电网容量不受制约。因此, 电力机车设计容量可以视为不受能源装机容量的限制, 机车总功率仅取决于轴功率。我国电力机车单轴功率已达到800 kW、900 kW、1 000 kW、1 200 kW, 国外电力机车单轴功率最大已达1 600 kW^[1]。由此可知三种牵引动力的功率比将为:电力牵引∶内燃牵引∶蒸汽牵引=2∶1∶0.7

世界能源危机, 尤其是石油危机, 迫使人们开发多能源方式的运载工具。除了最常规的煤、石油被大量采用以外, 将开发使用核、太阳、水力、潮汐、风、天然气、地热、化学等新能源, 并将这些能源转化成电能方式使用。电力机车目前是唯一通过电能传输来接受多能源的牵引动力装置, 从而可以从能源危机的阴影中解救出来。

在轨道交通的三种主要运载工具中, 蒸汽机车由于煤在锅炉中的不完全燃烧, 使得蒸汽机车总效率最好时仅有8%～9%, 难以在技术上有突破;内燃机车由于提高柴油机效率在技术上存在难度, 其总效率最好水平为40%～45%;电力机车是电能的直接转化, 故其总效率一般都在82%～86%。由此可见, 采用电力牵引具有明显的节能效应和经济效益。

蒸汽机车大量的煤烟排放, 内燃机车严重的废气排放, 都会对生态环境带来破坏。又因为都是运动体, 很难进行排污处理, 排放物只有在大气中散发, 尤其是在长大隧道中, 严重到令司乘人员无法忍受的程度, 甚至造成人员伤亡。而电力机车完全没有燃烧物废气排放, 故深受世界发达国家的垂青, 成为轨道交通牵引方式的主流。

噪声低——无强大噪声动力源;无排泄物——无有害烟、气排泄;工作污染小——工作场所无柴油、煤等污染物;操纵条件——电气间接集中控制, 司机室环境良好;维护——电气维修为主, 自诊断与模块化, 维护简捷;思维与技术素质——工作人员技术素质高, 逻辑思维敏捷。

由于电力牵引采用工频25 kV输电制式, 可与强大工业电网联网, 因而铁路电力牵引输电网的建设会推动沿线农村、边缘地区的电气化建设。

电力牵引能源传输简单, 效率高, 成本低。电能输送靠输电线, 而内燃机车用柴油要靠输油管或油罐车运送;蒸汽机车用煤要靠煤专运列车运送。电力牵引功率大, 可以多拉快跑, 运输能力 (万吨公里值) 比蒸汽机车牵引高3倍以上, 比内燃机车牵引高2倍以上, 而能耗成本仅为内燃机车的一半, 或蒸汽机车的三分之一。

电力牵引系统包含电机、电器、电子、自动控制、网络技术、变流技术、变压技术、输配电技术、高压工程、绝缘工程、电线电缆、仪器仪表等多种电气工程产品, 同时也包含机械制造、结构力学、运动力学、空气动力学、传动力学、焊接技术、热工技术以及弹簧、齿轮、轴承、塑料、玻璃、金属材料、复合材料等机械工程产品。机电一体化形成了电力牵引系统多学科产品的配套。随着重载、高速、信息化的进一步要求, 从发展电力牵引入手, 可以推动轨道交通牵引动力的现代化。

轨道交通一直是以铁路为主体, 世界上第一条铁路自1825年在英国诞生以来^[2], 一直被视为工业革命的象征与先驱和国民经济发展的基础之一。进入20世纪以后, 铁路、公路、水路、航空、管道五大运输方式既形成竞争态势, 同时又相互支撑, 相互衔接, 形成全方位的综合运输体系, 成为社会经济运行的大动脉。

铁路作为轨道交通的主体, 具有集中、大宗、安全、舒适、价廉、全天候的优势, 被称为大众交通。

世界铁路总里程达128×10⁴ km以上, 主要集中在欧洲与北美, 共占70 %以上, 亚洲居第三, 占12 %。超过5×10⁴ km铁路的国家有美国、俄国、加拿大、印度和中国, 我国居第5位;按国土平均, 我国居第68位;按人口平均, 我国居102位。世界电力牵引铁路诞生于1879年, 至今电气化铁路里程约占总里程的20 %, 却完成45 %的运量。电力牵引里程与运量排行前10位的国家为:

世界铁路借助电力牵引等新技术, 实现了客运高速和货运重载两大战略目标, 完成了从传统产业向现代化产业发展的历史性转变。以1964年日本第一条电气化高速铁路 (东海道新干线) 开通营业为标志, 法国、德国、意大利、西班牙、瑞典、英国相继建成电气化高速铁路, 电力牵引列车最高运营速度从210 km/h跨越300 km/h, 最高试验速度达到515 km/h^[3]。电气化高速铁路以其良好的环保性、节能、无污染、能源多样性、节省用地、安全、高效、准点、舒适、便捷等优点, 在国际上已将电力牵引高速铁路运输视为现代化的象征。韩国、俄国、美国、加拿大以及我国台湾省已相继动工修建电气化高速铁路。高速技术在发达国家已几度更新, 技术日臻成熟。全世界电气化高速铁路通车里程已有5 000 km, 其中日本新干线1 952 km、法国TGV 1 282 km、德国ICE 427 km、西班牙AVE 471 km、意大利ETR 237 km, 还有近10 000 km正在建设^[3]。21世纪将是高速铁路时代, 仅日本就要使高速铁路总里程增加到7 000 km, 形成以东京为中心的“全国一日交通圈”高速铁路网。法国高速铁路将以巴黎为中心, 覆盖70 %的法国国土。即使在航空及高速公路十分发达的美国, 也开始掀起修建高速铁路的高潮。纵观世界发展动向, 高速铁路前景令人瞩目。

重载货运始于20世纪60年代, 从北美铁路兴起, 目前已有美国、加拿大、俄国、澳大利亚、巴西、南非、中国等近10个国家的铁路开行万吨以上重载列车, 主要形式也是电力牵引。

发达国家城市化进程加快, 城市交通问题已成为严重制约城市发展的瓶颈。世界上许多大城市都建有发达的轨道交通系统, 例如, 1 000多万人口的大巴黎, 轨道交通系统有1 200 km以上;700多万人口的伦敦, 有1 000 km以上;1 300多万人口的东京, 有2 000 km以上;还有莫斯科、纽约、柏林、芝加哥等城市有几百上千千米的轨道交通系统。轨道交通系统是现代化百万以上人口大都市的干线交通。为了保护环境, 从80年代开始, 欧美一些中等城市也陆续修建“绿色”新型轨道交通系统。优先发展公共交通作为缓解城市交通的有效途径, 已成为全世界的共识, 一切以满足市民出行为最高目的。大容量、无污染、高效率、环境好的轨道交通系统, 必然成为世界大城市交通发展的首选模式。

从技术发展看, 世界各主要发达国家还利用发展电力牵引这个机遇, 调整交通部署, 广泛吸纳有关科技成果, 如高速技术、重载技术、“交直交”变频调速传动技术、微机控制网络技术、结构轻量化技术、运动力学和空气动力学技术、信息技术等, 继续挖掘轨道交通系统发展的潜力。与此同时, 发达国家在改善服务品质, 完善运输管理, 改革运营机制等举措下, 高速客运与重载货运产业发展正呈现方兴未艾之势。

我国第一条铁路始建于1881年^[2]。新中国成立50年来, 铁路建设取得了举世瞩目的成就, 铁路营业里程从2×10⁴ km增长到6.7×10⁴ km以上。以1961年我国第一条电力牵引翻越秦岭的山区铁路 (宝鸡—凤州, 长92 km, 最高限速70 km/h) 通车为起始, 电气化铁路从零已发展到1.3×10⁴ km。我国已成为继法国、德国、日本、俄罗斯等国家之后第八个拥有1×10⁴ km以上电气化铁路的国家。1997年启动的提速工程, 大区域电力牵引提速达160 km/h, 1998年出现了200 km/h运行的广深电气化铁路。“十五”期间将完成2×10⁴ km (占总里程25 %) 电气化铁路和承担总运量50%的发展目标。

我国电力牵引运载工具——电力机车, 自1958年第一台电力机车诞生, 实现了“零”的突破开始, 1985年第一台相控电力机车诞生, 从而逐步配套形成快速客运 (4轴) 、客货两用 (6轴) 、重载货运 (8轴) 多机型、多用途的系列化第三代电力机车;从第一代、第二代电力机车的单一机型转化为系列化产品, 电力机车“从少到多”;1996年我国第一台微机控制、全悬挂架承式轮对空心轴弹性传动的快速客运电力机车诞生, 创造了240 km/h中国铁路第一速;1997年我国第一台交流电传动电力机车研制成功, 标志着我国电力机车研制进入高科技领域, 实现了从普速到高速和从交直电传动到交流电传动的两个里程碑的跨越, 电力机车在技术上“从低到高”。

目前我国电力机车总拥有量达到3 300多台, 其中国产电力机车占90 %以上^[4]。

我国电力机车的技术发展分成四个阶段, 形成四代产品^[4], 同国际上技术发展路径相类似, 由直流电传动到交直电传动再到交流电传动三个技术体系。我国干线电力牵引由于一开始决策正确, 采用25 kV工频交流供电制式, 所以没有经过直流电传动体系, 而直接进入交直电传动体系。其过程也是经过了从二极管全波整流和调压开关调幅式有级调压, 调压开关粗调和晶闸管相控微调相结合的级间平滑调压, 到多段桥晶闸管相控无级调压的交直电传动系统的三代产品。第一代产品为SS1、SS2型, SS1为低压侧调压开关33级有级调压方式, 机车功率3 780 kW, 6轴客货两用, C_O-C_O轴式, 630 kW脉流牵引电机拖动, 最高速度90 km/h;SS2为高压侧调压开关32级有级调压方式, 机车功率4 620 kW, 6轴客货两用, C_O-C_O轴式, 770 kW脉流牵引电机拖动, 最高速度100 km/h。第二代产品为SS3型, 其特征是低压侧调压开关实现8级大调, 在每一级内利用晶闸管相控无级调压, 达到类似8段桥相控调压特性, 机车功率4 320 kW, 6轴客货两用, C_O-C_O轴式, 720 kW脉流牵引电机拖动, 最高速度100 km/h。第三代产品为多机型组成, 其共同的特征是采用多段桥 (3段或4段) 相控无级调压方式, 构成B_O-B_O、C_O-C_O、B_O-B_O-B_O、2 (B_O-B_O) 轴式, 货运机车单轴功率800 kW, 客运机车单轴功率900 kW。重载货运的SS4、SS4B、SS4C型8轴电力机车, 2 (B_O-B_O) 轴式, 机车功率6 400 kW, 最高速度100 km/h;客货两用的SS6、SS6B型6轴电力机车, C_O-C_O轴式和SS7、SS7B、SS7C型6轴电力机车, B_O-B_O-B_O轴式, 机车功率均为4 800 kW, 最高速度100 km/h;快速客运的SS5、SS8型4轴电力机车, B_O-B_O轴式, 机车功率3 200/3 600 kW, 最高速度140/160 km/h;SS9型6轴电力机车, C_O-C_O轴式, 机车功率5 400 kW, 最高速度160 km/h。最新研制成功的200 km/h电动旅客列车动力车DDJ₁型, B_O-B_O轴式, 机车功率4 000 kW, 单轴功率1 000 kW, 为我国交直机车之最。

第一至第三代产品为交直传动方式, 仅以调压调速方式和单轴功率级来区分, 而第四代电力机车的基本特征则以电传动方式来确定^[4]。交流电传动方式定为第四代产品标志, 采用VVVF变频调速方式, 目前我国已完成轴式B_O-B_O、单轴功率1 000 kW、机车总功率4 000 kW、最高速度120 km/h的交流电传动原型机车的研制与试验工作。2000年6月首批供商业运行的单轴功率1 200 kW、机车总功率4 800 kW、最高速度220 km/h的DJ新型电力机车诞生, 它集成采用十多项高新技术, 为我国单轴功率最大、技术最先进、达到国际先进水平的交流传动高速客运电力机车。第四代电力机车将是我国21世纪轨道交通的主型电力牵引动力, 它的先进性在于异步牵引电机拖动、变流器变频调速、微机控制和总线通讯、电机架悬式、轮对空心轴六连杆弹性传动、轮盘制动、低位斜牵引杆、人字橡胶簧柔性转向架、准流线型车体、顶盖夹层风道独立通风、辅助变流器供电等各项集成技术, 都达到与国际先进水平接轨, 体现了我国第四代电力机车的技术水平将在高起点上进步。

根据模块化、标准化设计原则, 继DJ型交流传动高速客运电力机车之后, 2000年9月我国完成了动力集中型交流传动高速电动旅客列车组的研制, 列车基本编组为M+5T+T_C, 最高速度230 km/h。其中动力车采用可适应300 km/h速度的流线型鼓形断面轻量化车体和可适应280 km/h速度的电机半体悬挂, 轮对两级空心轴六连杆弹性传动, 空心轴盘制动等结构的高速动力转向架。其他主要部件与DJ型机车实现了模块化与标准化, 为我国交流传动高速客运电动旅客列车组向更高速度、更高技术的发展奠定了技术基础。

轨道交通的发展要以“速度”来拖动, “高速”是轨道交通现代化的象征, 是轨道交通科技的龙头。高速交通是国家交通基础建设的主干, 是推动区域经济发展的动力。轨道交通“高速”技术非电力牵引莫属, 而高速电力牵引又要以交流电传动、微机控制、高速转向架、车体气动外形的研究为突破点。

目前我国SS8客运电力机车在郑州至武昌铁路区间创造了240 km/h的试验速度, 随后在1999年又完成了200 km/h级动力集中型交直传动的电动旅客列车组的开发, 并在广深铁路投入高速客运。我国已成为世界上第九个有能力自行建造高速铁路机车车辆的国家^[2]。我国SS4型重载货运电力机车在大同至秦皇岛铁路牵引150辆C63专用煤车开行万吨重载列车正式投入运营多年。我国已成为世界上第七个开行万吨级重载列车的国家^[2]。我国1997年自行研制完成第一台交流电传动电力机车原型车, 2000年6月完成供商业运营的新型交流电传动高速电力机车, 标志着在高新技术领域又迈上了一个新台阶。包括中国在内, 世界上已有七个国家能自行设计制造交流电传动电力机车^[2]。我国电力牵引技术正在积极追赶国际先进水平。

我国轨道交通“高速”可参照日本高速铁路的经验, 先以210 km/h级为起步, 配套完成210 km/h级机车、客车、电动车组 (动力集中、动力分散型) 开发, 并取得运营经验, 在21世纪初完成250 km/h级及以上速度级电动旅客列车组 (包括动力集中型与动力分散型) 的研制, 实现试验速度突破300 km/h新的第一速。按“十年工程”的目标, 完成电力机车从交直电传动向交流电传动的转换, 实现单轴功率1 200 kW交流电传动动力集中型动力车和单轴功率300 kW动力分散型动力车的模块化设计, 并达到产业化水平。

我国经济正处在起飞期, 城市化必然加快, 百万以上人口大城市建设轨道交通系统, 以促进城市发展, 既符合国际潮流, 又符合中国国情。目前已有北京、天津、上海、广州四个城市运营地铁里程计122 km。之后有深圳、南京、武汉、重庆、青岛、大连、沈阳、长春、哈尔滨、成都、西安、昆明、鞍山等诸多城市兴建城市轨道交通系统, 实现具有自主知识产权的城市轨道交通技术体系迫在眉捷。当今轨道交通技术发展潮流是注重机电一体化, 轨道交通的现代化发展已经使技术含量的比重从早期以“机”为重, 向以“电”为重的方向转移。例如VVVF变流技术、微机自动控制技术、总线网络技术、异步电机驱动技术、信息化技术等大量现代电力电子、电气工程技术的应用, 已成为推动城市轨道交通体系的技术主流。

综上所述, “十五”期间轨道交通运输业的战略目标, 可以作如下的技术展望1。

特大城市间开始实现客运专线高速化, 客运列车最高速度210 km/h以上, 建成京沈高速客运通道, 开工建设京沪高速铁路, 研制成功210～300 km/h电动车组, 逐步形成以京沈、京沪、京广为主体的高速干线;

主要干线实现提速, 形成网络化, 干线网络客运列车最高速度达160 km/h, 一般线路达120 km/h, 在主要城市间, 客运列车实现500 km左右范围内朝发夕归, 1 500 km左右范围内夕发朝至, 2 000 km左右范围内一日到达, 形成1×10⁴km覆盖面的快速客运网;

主要繁忙干线的大宗货物运输采用长列和大轴重, 实现重载化, 积极发展25 t轴重大功率货运机车和低动力作用的4轴25 t轴重大型货车, 实现主要干线单机牵引5 000 t;

高附加值货物运输采用特种专列, 实现快捷化, 在三大干线地区建成快捷货物运输网络, 使快捷货运列车最高速度达120 km/h, 一般货运列车最高速度90 km/h;

运载装备按运输功能配置, 实现系列化、型谱化, 主要繁忙干线、高速专线、运煤专线、长大坡道和长大隧道线路以及城郊和城市轨道交通线路普遍采用电力牵引, 完成单轴功率1 200 kW交流电传动系统的研制, 并使之产业化;

安全保障技术装备按网络体系配套, 实现系统化, 实现对机车车辆与动车组运行品质和状态检测、轨道状态检测、轮轨作用力检测、通讯信号检测、弓网状态检测等装备的综合化;

客、货运组织和运营管理采用新技术, 实现信息化, 完成铁路信息结构体系;

路网建设及其相关技术装备实现现代化, 建设“八纵八横” (京沪、京广、京哈、京九、大湛、包柳、兰昆、东部沿海;大陆桥、沪昆、煤运中、煤运南、京兰、沿长江、南部沿海、西南出海) 路网骨架, 扩大电气化铁路建设, 实现大型筑路、养路机械化。

完成城市轨道交通运载装备国产化, 实现交流电传动技术、车辆轻量化技术、模拟制动技术、减振降噪技术、列车安全检测及故障诊断技术的应用;

完成包括列车自动防护 (ATP) 、列车自动监控 (ATS) 和列车自动驾驶 (ATO) 子系统在内的列车自动控制系统 (ATC) 技术, 高平顺、少维护无缝线路轨道技术, 自动售票技术, 运营管理信息技术, 接触网供电自动控制技术等基础技术装备国产化;

城市轨道交通路网建在百万以上人口主要大城市, 预计2005年可建成地铁、轻轨铁路总里程达到400 km。

在我国加入WTO以后, 发达国家在轨道交通系统具有雄厚实力的各大公司将加入竞争, 它们主要在核心技术——电气工程技术领域对我国进行控制。我国必然要在重视掌握城轨交通车辆机械工程技术的基础上, 不遗余力地提高电气工程技术国产化率与占有率, 以尽早形成具有全面自主知识产权的城市轨道交通产业。

电力牵引将在城际高速轨道交通、区域重载轨道交通、城市快捷轨道交通等各个方面推动我国轨道交通技术的现代化。再通过旅客流和信息流的有机结合, 货物流和信息流的有机结合, 形成现代客运业和现代物流业两大支柱产业, 最终形成我国综合交通运输体系。这是21世纪初我国交通运输领域高新技术应用的主要目标。