大家耳熟的高鐵,不一定能詳。先來科普下。
高鐵是用電力驅(qū)動的,與傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動方式相比,電力驅(qū)動具有無污染、載客量大、動力/重量比大等優(yōu)點。因此,世界上大多數(shù)高速列車都采用電力驅(qū)動方式,即通過鐵路沿線的架空高壓線電網(wǎng)(我國都采用工頻單相2.5千伏電壓)對列車供電方式。而安裝在列車車頂沿著高壓線滑動獲取電能的裝置叫受電弓。
中國南車四方公司副總工梁建英介紹說,CRH380A采用動力分散的電力驅(qū)動方式,全列車頂安裝了4架受電弓,車下安裝了7臺變壓器,14臺變流器,56臺電機分別安裝在2~15號車廂的28個轉(zhuǎn)向架上。
CRH380A能量傳遞有兩種方式:牽引方式和再生制動方式。牽引方式時,列車從架空電網(wǎng)獲取電能,再經(jīng)過多個車廂下安裝的變壓器、變流器等部件變換后給轉(zhuǎn)向架上安裝的電動機。變壓器能將從受電弓獲取的高電壓電能轉(zhuǎn)換成將近2千伏的中電壓電能,變流器能將工頻單相中壓電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓可變的三相電源給三相電動機驅(qū)動列車前進。
順便說下,列車時速300公里運行時,人均百公里耗電僅為3.64千瓦時,相當于客運飛機的1/12,小轎車的1/8,大型客車的1/3。
京滬高鐵全長1318公里,這樣算下來,全程人均耗電約48千瓦時。
下面是詳解部分:
一、 高鐵列車的動力來源是交流電還是直流電?
各國高鐵基本采用交流電作為高鐵列車的牽引網(wǎng)絡(luò)的電流制式。
但是,萌萌的意呆立除外。在高鐵電流制式這個問題上,全世界都摸著意呆立過河。
二、 高速列車如何獲取電能作為動力?
從電路角度來看,高鐵采取AT(自耦變壓器)供電方式。
高鐵能夠跑起來,依靠的是牽引供電系統(tǒng)給高速列車提供電力。
牽引供電為電力系統(tǒng)的一級負荷,但德國是例外,德國高鐵電網(wǎng)有獨立于德國國家電網(wǎng)。
因此,高鐵牽引供電系統(tǒng)包括架空接觸網(wǎng)、牽引變電所、回流回路。如圖所示:
電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)
電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng),一句話簡述就是:牽引變電所給架空接觸線提供電能,高速列車將架空接觸線的電能取回車內(nèi),驅(qū)動變頻電機使列車運轉(zhuǎn)。
下面分三點詳細解釋這三個分句。
2.1 牽引變電所
牽引變電所為架空接觸網(wǎng)提供電能。典型的架空接觸網(wǎng)如圖2所示。
典型的架空接觸網(wǎng)
架空接觸網(wǎng)的末端是牽引變電站,平均數(shù)十千米/座。每個變電站伸出兩個供電支,提供不同相的交流電,這就是“供電段”。
據(jù)此可認為,鐵路供電是按照“供電段”來進行劃分的。
供電段運行模式
列車經(jīng)過兩個變電站的“供電段”時,先后通過A1-B1-A2-B2四個供電支。為保證供電安全,各供電支之間并非直接連結(jié),而是存在確保電氣絕緣(隔離)的結(jié)構(gòu)或設(shè)計,因此各供電支之間不會短路。
列車從一相運行到另一相這個過程,叫做列車的過分相。電分相是線路上極短的一個區(qū)域,列車運行過程中,過分相瞬時完成。
因此,牽引變電所給架空接觸網(wǎng)供能的過程可以簡述為:
牽引變電所給各供電支提供電能,列車接受供電支的電能以維持運動,不斷完成過分相-受流的循環(huán)(供電段)的同時向前運行。
2.2 架空接觸網(wǎng)及弓網(wǎng)系統(tǒng)
受電弓與架空接觸網(wǎng)合稱受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng),簡稱弓網(wǎng)系統(tǒng)。上文多次提到的架空接觸網(wǎng),是弓網(wǎng)系統(tǒng)的一部分。
弓網(wǎng)系統(tǒng)是牽引供電系統(tǒng)中的固定/移動設(shè)備結(jié)合點。換個通俗的說法,列車運行過程中,牽引系統(tǒng)從變電站一直到接觸網(wǎng)都是靜止的,而從受電弓部分開始,整個高速列車,都是運動的。
弓網(wǎng)系統(tǒng)在高速列車牽引供電系統(tǒng)中的位置
弓網(wǎng)系統(tǒng)近照
可以看到弓網(wǎng)系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)。列車車頂伸上去的折疊裝置,就是受電弓;與受電弓直接接觸的那條線,就是接觸線,接觸線是架空接觸網(wǎng)的一部分。高速列車通過受電弓將架空接觸線上的電能取回車內(nèi)。
2.3 列車驅(qū)動與變頻電機
PWM變頻電機通過弓網(wǎng)系統(tǒng)獲取電能,以此驅(qū)動列車運轉(zhuǎn)。
接觸網(wǎng)上的高壓交流電,通過變壓器降壓和四象限整流器轉(zhuǎn)換成直流電,在經(jīng)過逆變器降至六點轉(zhuǎn)換成可調(diào)壓調(diào)頻的交流電,輸入三相異步/同步牽引電動機,通過傳動系統(tǒng)帶動車輪運行。
高鐵輪軌系統(tǒng)外觀
高鐵變頻電機及其傳動系統(tǒng)示意圖
高鐵轉(zhuǎn)向架外觀實物圖
三、高速列車與接觸線(軌道上面的電線)的連接部分是金屬嗎?
曾經(jīng)是。
3.1 弓網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介
弓網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
簡單介紹一下弓網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
火車通過車體頂部升起的受電弓(結(jié)構(gòu)類似于消防車的云梯)與“軌道上面的電線”,即接觸網(wǎng)相連,那根電線通常叫做接觸線。關(guān)于你問的接觸部分是否為金屬,即接觸部分的材質(zhì)問題,應(yīng)該分開看:
1)“電線”,即接觸線(contact wire),是金屬材質(zhì)的,目前最常見的是銅合金的,鋁材質(zhì)的已經(jīng)很少見;
2)受電弓是列車從接觸線獲得電能的機構(gòu)。受電弓本身是金屬的,但受電弓(pantograph)與接觸線直接接觸的部分并不是金屬,而是由受電弓頂部的受流滑板(collector strips)完成。
這個過程可以假想成一根裸導線與另一根裸導線接觸,但是金屬與金屬之間的摩擦切削會極大地加劇磨損,加潤滑劑也無法改善兩種金屬高速摩擦磨損的性能,因此,其中一根裸導線是一根長條形的碳板以改善兩者之間的接觸性能,這個碳板就是受電弓滑板。
3.2 弓網(wǎng)材質(zhì)選擇
其實我覺得題主你問到點子上了,但還差一點點就能成為極好的問題。我們衡量一個系統(tǒng)用的可靠性時,總希望找一個或者若干個標準,它們能將危險量化,在此基礎(chǔ)上將危險分類。在弓網(wǎng)匹配中,這個標準是損耗。
受電弓滑板早期也有非碳材質(zhì)的,在此不表,我只提一個決定性的需求,在了解這個需求之后,你就會明白滑板的材質(zhì)問題的由來:
這個需求叫做弓網(wǎng)配合。
當然,弓網(wǎng)配合是個很大的課題,細化到答主的問題上,就是:“受電弓接觸線和受電弓滑板的材質(zhì)選擇有什么考究”
這個其實就是我剛才提到的,損耗:
題主你設(shè)想一下,弓和網(wǎng)之間接觸,有摩擦,那必然就會有磨損,也就有損耗。(小知識:在通過電流的時候,摩擦不僅是兩個物體之間的相對運動,因為摻雜了電的作用。對于這種現(xiàn)象,有一個專門的詞概括,叫載流摩擦。具體到本題中,可以解釋為:載流摩擦比同條件下的機械摩擦帶來的損傷更大)
因為摩擦必然存在,所以損耗不可避免。
那么我們選擇被消耗的部分,肯定是我們監(jiān)測、維修過程中最容易完成的環(huán)節(jié)。
換言之,如果一個設(shè)備一定會發(fā)生故障,我們肯定希望故障發(fā)生在容易檢修的部分。任何設(shè)備都會老化、損傷。
因此,在設(shè)計包含摩擦副的設(shè)備時,我們會將容易檢修的那一部分的強度降低;對于不容易檢修的部分,則提高其強度。
這樣,設(shè)備故障時,故障更可能發(fā)生在這些強度較低、同時也是容易檢修的部分。這樣一來,檢修的成本與工作量大大降低。
這是一種將損害集中以方便處理的設(shè)計思路。
聽上去很不爽是吧?反正我第一次明白的時候整個人都不好了。。。腦洞再開大點,我們辛苦設(shè)計設(shè)備,就是為了讓它們壞得精彩么?
其實,從設(shè)備運轉(zhuǎn)效率方面考慮,這種設(shè)計是很合理的,鐵路的弓網(wǎng)系統(tǒng)就是一個很典型的例子。
比較一下列車接受電流的設(shè)備,也就是列車弓網(wǎng)的兩部分,接觸網(wǎng)接觸線和受電弓滑板:
接觸網(wǎng)的接觸線:
1)接觸網(wǎng)是一個復雜的機構(gòu),接觸線不可能憑空出現(xiàn)在半空,而是在接觸網(wǎng)下半部分,作為接觸網(wǎng)的一小部分,而接觸網(wǎng)本身是一個復雜的力學系統(tǒng)。
2)同時,一條接觸線往往很長,檢驗上km長的接觸線上具體哪一小段受損,是非常困難、而且吃力不討好的事情。
3)如果接觸線上只有很小的一段磨損極為嚴重,更換的時候,若將整線拆除,花費甚鉅。
如果剪下某一段,那么如何將這段接觸線接回去也是不小的問題。因為接觸線是一個很敏感的系統(tǒng),如果現(xiàn)場維修,簡單的焊接會留下焊點,在一般的電路或許無關(guān)大局,但是,以300km/h時速運行的列車,接觸線和弓網(wǎng)是高鐵是它唯一的供電裝置。受電弓和接觸網(wǎng)之間的接觸壓力,在100N左右。相對速度80m/s 的、精巧相互貼合的受電弓和接觸網(wǎng)之間,一個幾毫米的瘤子,必然會極大地影響列車供電甚至行車安全,這是不可能被容忍的。
受電弓滑板:
1)高鐵受電弓長度一般不超過2000mm,受電弓滑板的導電部分在1000mm左右,出現(xiàn)任何故障,排查都十分簡單、方便。
2)如果滑板損傷嚴重,直接更換即可。
3)受電弓滑板隨車運動,而不像接觸線隨鐵路翻山越嶺,考慮到深山老林中接觸網(wǎng)維修環(huán)境,也毋須贅述。
對于接觸線和受電弓滑板和列車弓網(wǎng)系統(tǒng),容易檢修更換的,肯定是滑板。
工程中采用的設(shè)計思路是:保證滑板材料不如接觸線材料耐磨,再具體一點,就是合金接觸線+碳材料滑板的組合。
?。ɑ宀馁|(zhì)變遷我就不講了,總之,就是這一攻一受的組合:鐵打的接觸線,流水的滑板)
最后提一下,接觸線更換周期很長,年是基本單位,狀況好的運維個十年二十年;
相對的,高鐵受電弓滑板更換周期差不多是兩周甚至更短,狀態(tài)好的也有幾個月的。
3.3 危害
如果是,高鐵300km的時速,兩個金屬相摩擦,肯定會產(chǎn)生火花,這不是很危險嗎?
你能看到的電火花,其實很可能發(fā)展成弓網(wǎng)電弧了。
按照空氣放電的激烈程度排序,電暈-火花-電弧。
因此,在列車的弓與網(wǎng)接觸中斷(即弓網(wǎng)離線)條件下,應(yīng)該是電火花-》電弧這樣的發(fā)展順序。此外,車速越大,越容易發(fā)生弓網(wǎng)離線,弓網(wǎng)離線次數(shù)(弓網(wǎng)離線率)與離線程度(弓網(wǎng)大/中/小離線)加劇,弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象會愈發(fā)明顯。
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