高鐵技術(shù)詳解

1、高鐵技術(shù)詳解高鐵是用電力驅(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215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

2、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(dāng)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

3、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

4、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

5、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

6、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)?；疖囃ㄟ^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，

7、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(dǎo)線與另一根裸導(dǎo)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(dǎo)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。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)。

8、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(dǎo)線與另一根裸導(dǎo)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

9、屬高速摩擦磨損的性能，因此，其中一根裸導(dǎo)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。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

10、（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(dǎo)線與另一根裸導(dǎo)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(dǎo)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。、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(fù)雜的機構(gòu)，接觸線不可能憑空出現(xiàn)在半空，而是在接

11、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(fù)雜的力學(xué)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(yán)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，

12、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(dǎo)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(yán)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。（滑板材質(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