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高铁速度这么快,究竟是如何供电的?

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发表于 2015-4-22 10:04:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
铁路机车是个庞大的家族,高铁只是这个大家庭的一个新成员,如果要连篇累牍赘述其他车辆,恐怕这个答案是写不下的,故本文针对高速铁路进行讨论。

一、高铁列车的动力来源是交流电还是直流电?

各国高铁基本采用交流电作为高铁列车的牵引网络的电流制式。

但是,萌萌的意呆立除外。在高铁电流制式这个问题上,全世界都摸着意呆立过河。


二、高速列车如何获取电能作为动力?

从电路角度来看,高铁采取AT(自耦变压器)供电方式。

高铁能够跑起来,依靠的是牵引供电系统给高速列车提供电力。

牵引供电为电力系统的一级负荷,但德国是例外,德国高铁电网有独立于德国国家电网。

因此,高铁牵引供电系统包括架空接触网、牵引变电所、回流回路。如图所示:


▲电力系统与牵引供电系统

一句话简述就是:

牵引变电所给架空接触线提供电能,高速列车将架空接触线的电能取回车内,驱动变频电机使列车运转。

下面分三点详细解释这三个分句。

2.1牵引变电所

牵引变电所为架空接触网提供电能。典型的架空接触网如下图所示。


▲典型的架空接触网

架空接触网的末端是牵引变电站,平均数十千米/座。每个变电站伸出两个供电支,提供不同相的交流电,这就是“供电段”。

据此可认为,铁路供电是按照“供电段”来进行划分的。


▲供电段运行模式

列车经过两个变电站的“供电段”时,先后通过A1-B1-A2-B2四个供电支。为保证供电安全,各供电支之间并非直接连结,而是存在确保电气绝缘(隔离)的结构或设计,因此各供电支之间不会短路。

列车从一相运行到另一相这个过程,叫做列车的过分相。电分相是线路上极短的一个区域,列车运行过程中,过分相瞬时完成。

因此,牵引变电所给架空接触网供能的过程可以简述为:

牵引变电所给各供电支提供电能,列车接受供电支的电能以维持运动,不断完成过分相-受流的循环(供电段)的同时向前运行。

2.2架空接触网及弓网系统

受电弓与架空接触网合称受电弓-接触网系统,简称弓网系统。上文多次提到的架空接触网,是弓网系统的一部分。

弓网系统是牵引供电系统中的固定/移动设备结合点。换个通俗的说法,列车运行过程中,牵引系统从变电站一直到接触网都是静止的,而从受电弓部分开始,整个高速列车,都是运动的。


▲弓网系统在高速列车牵引供电系统中的位置


▲弓网系统近照

可以看到弓网系统的大致结构。列车车顶伸上去的折叠装置,就是受电弓;与受电弓直接接触的那条线,就是接触线,接触线是架空接触网的一部分。高速列车通过受电弓将架空接触线上的电能取回车内。

2.3列车驱动与变频电机

PWM变频电机通过弓网系统获取电能,以此驱动列车运转。

接触网上的高压交流电,通过变压器降压和四象限整流器转换成直流电,在经过逆变器降至六点转换成可调压调频的交流电,输入三相异步/同步牵引电动机,通过传动系统带动车轮运行。


▲高铁轮轨系统外观


▲高铁变频电机及其传动系统示意图


▲高铁转向架外观实物图

三、高速列车与接触线(轨道上面的电线)的连接部分是金属吗?

曾经是。

3.1弓网系统结构简介


▲弓网系统结构简图

简单介绍一下弓网系统的结构。

火车通过车体顶部升起的受电弓(结构类似于消防车的云梯)与“轨道上面的电线”,即接触网相连,那根电线通常叫做接触线。关于你问的接触部分是否为金属,即接触部分的材质问题,应该分开看:

1)“电线”,即接触线(contact wire),是金属材质的,目前最常见的是铜合金的,铝材质的已经很少见;

2)受电弓是列车从接触线获得电能的机构。受电弓本身是金属的,但受电弓(pantograph)与接触线直接接触的部分并不是金属,而是由受电弓顶部的受流滑板(collector strips)完成。

这个过程可以假想成一根裸导线与另一根裸导线接触,但是金属与金属之间的摩擦切削会极大地加剧磨损,加润滑剂也无法改善两种金属高速摩擦磨损的性能,因此,其中一根裸导线是一根长条形的碳板以改善两者之间的接触性能,这个碳板就是受电弓滑板。

3.2弓网材质选择

其实我觉得题主你问到点子上了,但还差一点点就能成为极好的问题。我们衡量一个系统用的可靠性时,总希望找一个或者若干个标准,它们能将危险量化,在此基础上将危险分类。在弓网匹配中,这个标准是损耗。

受电弓滑板早期也有非碳材质的,在此不表,我只提一个决定性的需求,在了解这个需求之后,你就会明白滑板的材质问题的由来:

这个需求叫做弓网配合。

当然,弓网配合是个很大的课题,细化到答主的问题上,就是:“受电弓接触线和受电弓滑板的材质选择有什么考究”

这个其实就是我刚才提到的,损耗:

题主你设想一下,弓和网之间接触,有摩擦,那必然就会有磨损,也就有损耗。(小知识:在通过电流的时候,摩擦不仅是两个物体之间的相对运动,因为掺杂了电的作用。对于这种现象,有一个专门的词概括,叫载流摩擦。具体到本题中,可以解释为:载流摩擦比同条件下的机械摩擦带来的损伤更大)

因为摩擦必然存在,所以损耗不可避免。

那么我们选择被消耗的部分,肯定是我们监测、维修过程中最容易完成的环节。

换言之,如果一个设备一定会发生故障,我们肯定希望故障发生在容易检修的部分。

任何设备都会老化、损伤。

因此,在设计包含摩擦副的设备时,我们会将容易检修的那一部分的强度降低;对于不容易检修的部分,则提高其强度。

这样,设备故障时,故障更可能发生在这些强度较低、同时也是容易检修的部分。这样一来,检修的成本与工作量大大降低。

这是一种将损害集中以方便处理的设计思路。

听上去很不爽是吧?反正我第一次明白的时候整个人都不好了...脑洞再开大点,我们辛苦设计设备,就是为了让它们坏得精彩么?

其实,从设备运转效率方面考虑,这种设计是很合理的,铁路的弓网系统就是一个很典型的例子。

比较一下列车接受电流的设备,也就是列车弓网的两部分,接触网接触线和受电弓滑板:

接触网的接触线:

1)接触网是一个复杂的机构,接触线不可能凭空出现在半空,而是在接触网下半部分,作为接触网的一小部分,而接触网本身是一个复杂的力学系统。

2)同时,一条接触线往往很长,检验上km长的接触线上具体哪一小段受损,是非常困难、而且吃力不讨好的事情。

3)如果接触线上只有很小的一段磨损极为严重,更换的时候,若将整线拆除,花费甚钜。

如果剪下某一段,那么如何将这段接触线接回去也是不小的问题。因为接触线是一个很敏感的系统,如果现场维修,简单的焊接会留下焊点,在一般的电路或许无关大局,但是,以300km/h时速运行的列车,接触线和弓网是高铁是它唯一的供电装置。受电弓和接触网之间的接触压力,在100N左右。相对速度80m/s的、精巧相互贴合的受电弓和接触网之间,一个几毫米的瘤子,必然会极大地影响列车供电甚至行车安全,这是不可能被容忍的。

受电弓滑板:

1)高铁受电弓长度一般不超过2000mm,受电弓滑板的导电部分在1000mm左右,出现任何故障,排查都十分简单、方便。

2)如果滑板损伤严重,直接更换即可。

3)受电弓滑板随车运动,而不像接触线随铁路翻山越岭,考虑到深山老林中接触网维修环境,也毋须赘述。

对于接触线和受电弓滑板和列车弓网系统,容易检修更换的,肯定是滑板。

工程中采用的设计思路是:保证滑板材料不如接触线材料耐磨,再具体一点,就是合金接触线+碳材料滑板的组合。

(滑板材质变迁我就不讲了,总之,就是这一攻一受的组合:铁打的接触线,流水的滑板)

最后提一下,接触线更换周期很长,年是基本单位,状况好的运维个十年二十年;

相对的,高铁受电弓滑板更换周期差不多是两周甚至更短,状态好的也有几个月的。

3.3危害

如果是,高铁300km的时速,两个金属相摩擦,肯定会产生火花,这不是很危险吗?

你能看到的电火花,其实很可能发展成弓网电弧了。

按照空气放电的激烈程度排序,电晕-火花-电弧。

因此,在列车的弓与网接触中断(即弓网离线)条件下,应该是电火花->电弧这样的发展顺序。此外,车速越大,越容易发生弓网离线,弓网离线次数(弓网离线率)与离线程度(弓网大/中/小离线)加剧,弓网电弧现象会愈发明显。

偷个懒,贴一段:

受电弓/接触网(以下简称弓网)关系是高速电气化铁路安全运行的三大核心关系之一,弓网系统良好的服役性能是保障高速列车可靠、安全运行的基本条件。

弓网系统是一个集机械、电气、材料等多种因素于一体的复杂耦合系统。普速电气化铁路运营速度低,机械冲击、摩擦磨损、牵引电流相对较小,多因素耦合作用下的损伤较小。

高速铁路开通运行以来,由于弓网系统故障导致的事故时有发生。

传统的研究主要基于单方面因素开展,随着列车运行速度的大幅度提高和双弓系统在我国高速铁路中的普遍应用,弓网系统机械、电气、材料耦合性更加复杂,多因素耦合作用下的损伤已成为弓网服役性能演化的决定性因素,如法国V150试验列车在长大下坡冲击574.8km/h的最高试验速度时,弓网系统完全处于非正常接触的拉弧受流状态,试验后受电弓基本烧毁。

武广高铁受电弓滑板在一次往复运行中磨耗量高达4-5mm,是普速铁路的7-10倍。
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