国内外电力机车的研究现状怎样？极端环境对电力机车有何影响？

电力机车的概念

说起电力机车，大家可能会有点陌生，但通俗点来讲，就是由电动机驱动车轮的机车。它又被称为“电力火车，”是从供电网（接触网）或供电轨中获取电能，再通过电动机驱动车辆行驶的火车，同时它还是一种非自带能源的机车，比如在城市轨道方面，我们平时乘坐的地铁、高铁、轻轨、单轨、有轨电车、磁悬浮轨道、旅客自动捷运系统等都是电力机车的一部分。

电力机车特点

由于电力机车运行所需的电能由电气化铁路的供电系统提供，而自身携带发电能源和装置的电传动内燃机车和燃气机车等则不属于电力机车范畴。且电力机车具有功率大、速度快、过载能力强、自身负重低、牵引力和加速度大、整备作业时间短、维修量少、能源利用率高、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及清洁环保等优点。一般只要经济条件和科技水平许可，各国一般都会尽量将旧铁路电气化升级改造，使电力机车能运作其中。

在我国，新建的高速铁路、快速铁路、城际铁路、市域铁路等都属于电气化铁路，并广泛运行电力动车组。如今，中国铁路上运行的大部分列车都是电力机车，依靠电网供电行驶，车内的电灯、热水器、厕所冲水装置都需要电力，停电后都无法再工作。使用电力机车牵引车列能提高列车运行速度和承载重量，从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力，特别利于旧铁路的提速。我国的京广、京沪和京九等干线铁路进行电气化升级改造后大面积开行电力机车，有效缩短了列车旅行时间。

电力机车时代

电力机车可以分为两个时代，第一个就是直流车时代，第二个就是现在的交流车时代。

1.直流电力机车，或称直-直流电动机车

指电力机车从直流电气化铁路接触网受流，向直流牵引电机供给直流电，也即采用直流制供电，牵引变电所内设有整流装置，它将三相交流电变成直流电后，再送到接触网上，这是现代电力机车最为简单的一种。典型的便是法国国营铁路CC 7100型电力机车，为直—直流电传动形式。

历史进程：

20世纪50年代前，在电力牵引的领域中，直流电力机车占有主导地位。在我国，直流车承担了20世纪80、90年代北京市市公共交通运输重要任务，因没有空调被称为“闷罐车”。1971年北京地铁正式接待乘客，截至1999年交流车在1号线上使用，直流车共运送乘客约62亿人次。

直流电力机车由于受牵引电动机端电压的限制，网压不可能太高，从而限制了机车功率的进一步提高。随着现代铁路运输事业的发展，直流电力机车显然已不适应干线大功率的要求。

此后因为要求电力牵引功率不断加大和大功率电力变流器的出现，除个别地区（如苏联一些地区）外，在铁路干线上的直流电力机车已被网压高、功率大的工频交流电力机车所取代。由于应用交流笼式电动机的一系列优点，大型工矿直流电力机车，也向直流供电下的交流传动方向发展。2012年4月，北京地铁1号线直流车（闷罐车）举行退役仪式。据悉，19组114辆直流车将全部完成“交班”。自此，北京地铁从直流车进入全交流车时代。

法国国营铁路CC 7100型

法国是较早开始研究高速铁路及既有线旅客列车提速的国家之一，自1950年代起法国国营铁路多次进行高速试验以收集数据。1954年2月21日，未经任何改造的CC 7121号机车牵引三节试验车（定额111吨），在第戎—博讷铁路的最高试验速度达到243公里/小时，刷新了上一次由德国铁路齐柏林号（Schienenzeppelin）于1931年创造的铁路车辆最高速度世界纪录。

这次成功更进一步鼓励法国国营铁路于1955年初进行另外一系列高速试验，CC 7100型电力机车是法国阿尔斯通公司为法国国营铁路设计制造的一种干线电力机车，适用于供电制式为1500伏直流电的电气化铁路，在1952年至1955年共制造了58台。在1980年代，CC 7100型机车相继进行了翻新，车体外观上的改变包括：拆除了车体下部的裙板、在车头加装红灯等。

1958年至1976年间，CC 7124号、CC 7125号以及CC 7138号机车加装了受电靴，在尚贝里（Chambery）—莫达讷（Modane）的第三轨供电铁路运用。

在1940年代以前，由于当时电力机车速度一般仅达到100～120公里/小时，牵引电动机通常采用轴承式半悬挂，即牵引电机的一端通过抱轴轴承刚性地支承在车轴上，另一端弹性地悬挂在转向架构架上，并通过刚性或弹性齿轮传动，但在列车运行时轮对所产生的冲击振动会直接传给牵引电动机，不利于进一步提高速度。至1940年代末，架承式全悬挂方式面世，牵引电动机固定悬挂在转向架构架上，在牵引电动机轴端和小、大齿轮之间加入各种弹性连接元件，以减小冲击振动的影响；这种方式由于簧下质量较小，轮轨垂向动荷载较小，有利于机车高速运行。法国在电力动车组上率先进行了轴承式和架承式的对比试验，证明了架承式的许多优点。

1949年，阿尔斯通公司向法国国营铁路交付了两台CC 7000型电力机车（CC 7001～7002），为法国第一种采用阿尔斯通架承式结构的电力机车，持续功率为4000马力（2980千瓦）。这两台机车在巴黎—波尔多铁路投入运行试验，最高运营速度140～160公里/小时，最高试验速度达180公里/小时。

随着巴黎—里昂铁路于1952年完成电气化，鉴于CC 7000型机车运行表现良好，法国国营铁路向阿尔斯通公司、法乎集团以及法国机电公司订购了43台电力机车并于1952年到1954年间交付，随后又在1954年至1955年间增购了15台，定型为CC 7100型（7101～7158）。

与实验性的CC 7000型机车相比，投入批量生产的CC 7100型机车在结构上基本与前者相同，但持续功率提高到4740马力（3540千瓦），机车总重由96吨增加到107吨，机车单位功率重量由31千瓦/吨提高到33千瓦/吨。CC 7100型机车的出现令巴黎与里昂之间的直达特快列车运行时间缩短到4小时10分，全程平均速度达123公里/小时。

CC 7100型电力机车适用于1435毫米的标准轨距铁路，轮径为1250毫米，轴重为17.8吨，整备重量在107吨至112吨不等，全长18922毫米，最高运行速度为150公里/小时或160公里/小时。

CC 7100型电力机车采用直—直流电传动，通过2台G型菱形受电弓从接触网获得1500伏直流电，输送到6台牵引电动机。第一批43台CC 7100型电力机车采用TA 621 B型直流牵引电动机，牵引功率为3490千瓦；第二批43台CC 7100型电力机车采用TA 621 C型直流牵引电动机，牵引功率为3240千瓦。

在投入服务近50年后，CC 7100型机车在1985年至2001年间陆续报废。最后一台CC 7100型机车于2001年12月28日退役。

西班牙国家铁路276型

西班牙国铁于1956年从法国引进了阿尔斯通公司的电力机车，定型为7600型，至1970年代改称276型。这批机车是CC 7100型电力机车的衍生出口车型之一，首20台机车由法国直接整车进口，其余均由阿尔斯通公司提供生产技术，授权西班牙铁路建设和辅助器材有限公司[3]及金属制造有限公司[4]负责在国内制造及组装。276型机车在CC 7100型机车基础上作出了一些改动，以适应西班牙铁路的1668毫米宽轨轨距和3000伏直流供电制式。投入服务近40年后，276型机车于1990年代陆续报废。

摩洛哥国铁E800型

摩洛哥国家铁路局于1959年至1963年从法国共进口7台电力机车，定型为E800型（E801～E807），是摩洛哥第一种电力机车，其结构基本与CC 7100型机车相同，但采用3000伏直流供电制式。

阿尔及利亚国铁6.BE型

阿尔及利亚铁路国家铁路公司于1958年引进6台CC 7100型机车，定型为6.BE型（6.BE.1～6.BE.6），与出口摩洛哥的产品相同。

苏联铁道部F型

苏联铁道部于1959年至1960年间向阿尔斯通公司订购了50台电力机车，定型为F型。F型电力机车在车体和转向架等机械部分参考了法国国营铁路CC 7100型电力机车，而电气传动部分则借鉴了BB 12000、BB 16000型等法国第一代交流电力机车的牵引控制系统。同时按苏联的要求将电流制式改为25千伏工频单相交流电，采用引燃管整流并改进了通风系统，以及采用1520毫米宽轨轨距。

至1970年代初期，F型电力机车由于设备自然损耗随运行里程增加而日益加剧，引燃管整流器严重老化，因此开始被VL60型、VL60P型⑥机车取代，并陆续被封存。

中国铁路6Y2型

1960年代初，由于中国国产第一代干线电力机车——6Y1型机车质量不过关，未能批量生产，为了应付电力机车短缺的情况，中国铁道部进口了一批由阿尔斯通公司生产的电力机车作为过渡，定型为6Y2型，共计25台，其结构与苏联铁路F型机车基本相同，均为交—直流电传动，采用引燃管整流。

然而，西安铁路局宝鸡电力机务段在运用6Y2型机车中发现再生制动的缺点十分明显——在机车使用再生制动时，电气系统需要将直流电逆变成交流电，大大增加了引燃管和牵引电动机的工作负荷，令引燃管、牵引电动机的平均使用寿命分别缩短20%和200万公里以上；同时，再生制动也减少了牵引变电所的平均功率因数并增加电网负荷，也增加了谐波电流和对通信线路的干扰。

1969年9月，由于部分机车引燃管老化，宝鸡电力机务段工程技术人员为6Y2型机车研制了半导体硅整流器，替代了引燃管整流，从而摆脱了依赖进口引燃管的局面并节约大量外汇资金，并将再生制动改为电阻制动；至1971年，所有6Y2型电力机车均完成了改造。

2.交流电力机车

就是以单相交流电能作为动力的电力机车。按牵引电动机的性质又可分为直流传动电力机车和交流传动电力机车两大类。前者采用直流牵引电动机，后者采用交流牵引电动机。采用直流串励牵引电动机的工频单相交流电力机车是世界各国所用电力机车的基本型式。中国的“韶山”型电力机车属于这种类型。

交—直流电传动，指电力机车从交流电气化铁路接触网受流，经过变压—整流后，向直流牵引电机供给直流电。法国国营铁路BB 12000型以及BB 16000型电力机车均为交—直流电传动形式。

发展进程

交流电力机车是随着鼠笼式感应电动机的发明而产生的,略晚于直流电力机车,始于19世纪末期。

由于三相交流接触网供电系统过于复杂，交流电力机车最初无法与直流电力机车竞争。直到20世纪40年代，随着水银整流器、引燃管等整流器件的应用，基本上解决了交流变直流的整流问题，交流电力机车中的直流传动机车才得以发展。

60年代，随着电力半导体的应用，这种机车获得了更大的发展。70年代后期，由于电力半导体已能提供大功率变频装置，使得性能优越的鼠笼电动机电力机车和电动车辆在一些欧洲国家率先获得应用。80年代，大功率可关断电力半导体的出现，以及微机技术的应用，交流电力机车的性能变得更完善、更优越。

2022年1月消息，由中车大同公司研制的大功率永磁直驱客运电力机车正线试验全部完成。这标志着我国轨道交通技术取得重大突破，新一代高效、环保、节能机车已具备进行线路运行考核的条件。

现今，世界上大部分国家都展开电气化铁路建设，普及了电力机车的运用，并大力发展更先进的电力机车。从城轨的竞争格局来看，国外企业仍占据全球城市轨道市场份额的主要地位，中国企业正在逐步缩小同欧美企业的差距。全球TOP4企业中前三名全部被外国企业占据，其余1家为中国企业。2021年中国铁路机车市场现状与研发情况分析，电力机车为行业主流、铁路机车行业主要上市企业：庞巴迪公司(BBDb)、阿尔斯通(ALSO)、西门子公司(SIEGn)、中国中车(601766)。

我国目前生产电力机车主要有三家公司：南车株洲机车、北车大同机车以及北车大连机车。中国中车子公司株洲南车时代电气凭借引进西门子技术，占据了我国城市轨交牵引系统75%市场份额。2020年中心城市城轨交通客运量占公共交通客运总量出行比率38.7%，比上年提升4.1%。2020年全年共完成建设投资6286亿元，同比增长5.5%，在建项目的可研批复投资累计45289.3亿元，在建线路总长6797.5公里，在建线路规模与上年接近，年度完成建设投资创历史新高。

近年来，城市轨道交通的蓬勃发展带来了巨大的社会效益，投融资方式也逐渐多元化，有政府投资、专项债发行、社会资本参与等多种形式。据中研普华产业研究院报告统计分析显示：

我国轨道交通装备制造业是创新驱动和绿色发展的典型代表，是我国高端装备制造领域自主创新程度最高、国际创新竞争力最强、产业带动效应最明显的行业之一，是我国高端装备制造领域在全球轨道交通装备市场中的核心竞争优势，是推动我国新兴产业快速发展的重要原动力。

现在我国的高铁线路非常发达，高铁使用的是特殊钢材铺设轨道，而且使用的是无砟轨道，这种钢轨属于无缝钢轨，在车间里特殊焊接后，在铁路上进行组装，两条钢轨之间的缝隙一般不会超过1.5毫米，所以肉眼几乎都看不出来有缝隙，因此叫做无缝钢轨。

进入“十四五”时期，我国城市轨道交通发展战略也将发生转变，建运绿色化将是城轨交通发展的方向与必然趋势。当前广州、北京、南京、武汉等地的地铁轨道交通融资已展开了绿色融资实践，通过发行绿色票据或绿色证券等方式为城轨交通的持续快速发展带来新的助力，以支持国家节能减排和绿色发展目标实现。

中国电气化铁路电力机车运行时速是根据列车等级决定的，普通旅客列车（无字头列车）最高运行速度120km/h；快速旅客列车（K字头列车）最高运行速度120km/h；特快旅客列车(T字头列车）根据车体构造速度不同分两种，采用25G车体的列车最高运行速度140km/h，采用25T车体的列车最高运行速度160km/h；直通旅客列车（Z字头列车）最高运行速度160km/h。

目前中国主流电力机车采用韶山9型电力机车、韶山9型干线客运电力机车，代号SS9。以成熟的韶山型系列电力机车技术为基础，采用了许多国际客运机车先进技术，是我国干线铁路牵引旅客列车功率最大的机车，最高运行速度170km/h。

通常，电力机车应该能够承受风、沙、雨、雪以及湿度大且含有盐分及腐蚀性物质空气的侵袭，能防虫害、防霉、防灰尘和防火。

那么，遇到极端环境，对电力机车是否有影响？

高海拔环境对电力机车的影响

一般情况下， 随着海拔的增加，空气会越来越稀薄，在海拔5400米左右，气压只有平原地区的一半，也就是含氧量只有一半，但是因为电动机不同于内燃机，不需要燃烧汽油把热能转化成机械能，故而不需要氧气的存在，缺不缺氧对电动机来说也就无所谓了。对于内燃机过低的空燃比会导致动力的下降，所以高海拔+上坡+超车对于汽油车简直是噩梦一般。

我国幅员辽阔，东南西北海拔相差较大，特别是西北地区，海拔明显高于其他地区。我国电力机车过去较少用于高海拔，通用海拔高度在1200m以下，所以，制造电力机车对海报影响考虑较少。但是近些年，随着西部铁路建设发展，电力机车陆续进入高海拔地区，现在设计机车必须考虑海拔因素。

高原铁路在世界范围内有较多运用。我国的青藏铁路便是典型的高海拔，海拔4000米以上的地段占全线85％左右，最高海拔5072米，是世界上海拔最高、距离最长、地理条件最复杂、运行条件最恶劣的高原铁路。

随着海拔的升高，气压逐渐降低，空气中电离过程增强，进而导致电力机车高压部件外绝缘强度降低，因此对于运行在高海拔地区的电力机车高压系统绝缘性能要求更为严格。

目前我国高海拔地区运行的机车主要是内燃机车，电力机车的应用极少，电力机车仅在海拔4000米以下具有运用经验。高原运用的电力机车技术平台和对应标准体系仍处于探索阶段。根据国家铁路对西北高原铁路的发展规划，随着青藏铁路电气化改造、建设的加快脚步，研制适用高原环境的的高原交流传动电力机车显得极为迫切。高压系统作为针对高原环境改变最大的系统、对其进行系统深入的研究和试验验证显得尤为重要。

高海拔地貌复杂多变，影响电力机车线路的运行环境，研发高海拔的电力机车，首先就要适应高海拔地区的恶劣环境。

电力机车在下列使用环境条件下，应能按额定功率正常工作：

1.海拔不超过1200m；

注：当机车使用于海拔1200m至2500m的地区时，由该地区的周围空气温度和海拔对牵引电动机温升的影响来决定其功率修正值。

2 周围空气温度（遮阴处）在－25℃到+40℃之间；

3 最湿月月平均最大相对湿度不大于90%（该月月平均最低温度为+25℃）；

极端大风天气对电力机车的影响

地铁部门也屡发公告，提示部分地上线路限速或停运，那么大风天气对电力机车的运行有影响吗？

实时监测：“限速运行”来保护

高铁列车行驶在线路上时，在侧向风作用下，列车的动力学参数部分参数均显著增大，从而可能对列车的安全运行造成影响。

针对大风天气，铁路部门制定了详细的细则来保障列车运行的安全。当动车组列车运行中遇到大风天气时，风速监测系统会提示大风警报信息，列车调度员根据提示向列车发布限速运行的调度命令，具体限速规定如下：

环境风速

进入风区

同时，列车调度员也会根据气象部门预报的最大风力等级向相关列车发布限速调度命令：

最大风速级别

大风监测系统实时采集计算、分析风速变化情况，风速达到报警门限10s报警，风速低于报警门限10min解除报警。在实际运用中结合高速铁路各线的大风特征，合理调整报警时限、解除报警时限及报警方法。

加强防范：尽力减少外物侵入影响

大风天气里除了显而易见的大风会对高铁列车运行带来影响，还存在着一些隐性危险因素——大风引起的轻飘物侵入。这些轻飘物包括工地防尘网、农村塑料大棚、菜市场的塑料包装袋，当然也包括断了线的风筝等等。

高铁接触网是动车组动力来源，一旦这些“轻飘异物”挂网，就会瞬间造成受电弓故障，致使列车临停或晚点。

那么铁路人是如何处理这些轻飘异物的呢？

异物监测人防机防双管齐下。中国铁路郑州局集团有限公司郑州高铁基础设施段合理利用异物侵限监测系统，做好大风恶劣天气防范工作。一旦发生异物侵入等突发情况，监测系统就会第一时间报警，为有效处置险情赢得时间。同时，铁路部门还会定期安排人员进行沿线巡视，一旦发现异物，利用高科技“激光炮”及时进行清理。

根据交通运输部等七部门联合印发的《高速铁路安全防护管理办法》，在高速铁路线路两侧各500米范围内，不得升放风筝、气球、孔明灯等飘浮物体，不得使用弓弩、弹弓、气枪等攻击性器械从事可能危害高速铁路安全的行为。

同时，在这个500米范围内，线路两侧的塑料大棚、彩钢棚、广告牌、防尘网等轻质建筑物、构筑物，其所有权人或者实际控制人应当采取加固防护措施，并对塑料薄膜、锡箔纸、彩钢瓦、铁皮等建造、构造材料及时清理，防止大风天气条件下危害高速铁路安全。

筑起“堤坝”：特殊路段采取特殊措施

除了日常的大风监测预警手段，铁路部门在部分特殊铁路线路路段，还会建设一些外部防风设备以阻挡特殊地区的大风侵袭。

例如，素有海上“魔鬼风区”之称的平潭海峡公铁两用大桥，所处地带以“风大、浪高、水深、涌急”著称，每年7级以上大风天气超过200天。因此，铁路部门为大桥全桥设置了风屏障。

又比如，南疆铁路的“百里风区”全长128公里，八级以上大风天气一年中有320天。为了降低大风对铁路运输的影响，铁路部门在风区的铁道线两侧，修建了百公里挡风墙。

极端暴雨天气对电力机车的影响

暴雨对电力机车运行安全是有影响的，由于天气原因导致动车、高铁限速或停运的消息，并不罕见。列车停运与境内遭遇的暴雨天气有关；而雷电、大风等天气过程，也时常会给列车的正常运行带来考验。下雨是不会导致动车组停运的，只有遇到雷雨，强风这些有可能造成铁路设施设备损坏的恶劣天气时，动车组列车才会停运。

比起航空、水路、公路交通，铁路交通受天气影响的程度的确是最小，但要确保高速运行的高铁、动车行车安全，天气因素仍不可忽视。

正常的下雨天不会影响电力机车出行，但当遇到雷雨强风等恶劣天气时，为避免造成铁路设施设备损坏，则有可能有影响电力机车的出行。若雨不够大则不影响电力机车，电力机车有避雷设施，轨道有一定的抗积水的条件，道床和高架，可以抵御一定量级的冲击。但雨下得较大，超过某种限度，高铁也会停止运行。

大风、雷电、暴雨洪水、冰雹、积雪、大雾等灾害性天气以及极端高温、低温，都可能对高铁、动车运行及其路基、桥梁、电网等设施产生影响。纵然电力机车铁轨、隧道有一套排水装置，但在短时雨强过大时，暴雨也有可能冲毁路基；雷暴活动可能导致列车及铁路通信、信号故障，为电力机车的出行埋下极大隐患；夏季高温情况下，铁轨纵向压力增大，如果没有及时采取措施，高速列车通过时可能发生胀轨跑道翻车事故。

灾害性天气过程引发的地质灾害、路桥塌陷、铁路两旁设施损毁倒塌，都可能影响铁路交通。在铁路运输安全不可控的情况下，封闭铁道线路，拦停旅客列车，是保障广大旅客生命安全最有效方式。

综上因素，电力机车运行前，都要进行一系列试验，来检测电力机车对极端环境的适应性。机车高、低压试验是机车全面检查的一个重要部分，它不仅是对机车检修后及运用前的技术安全检查，而且也是保证机车运用质量的必要手段。