高鐵跑那么快，怎么快的？——高鐵技術詳解

發布時間：2015-8-13 15:49 發布者：看門狗

關鍵詞：高鐵

作者: 曉蘭老師

大家耳熟的高鐵，不一定能詳。先來科普下。

高鐵是用電力驅動的，與傳統內燃機驅動方式相比，電力驅動具有無污染、載客量大、動力/重量比大等優點。因此，世界上大多數高速列車都采用電力驅動方式，即通過鐵路沿線的架空高壓線電網（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，列車從架空電網獲取電能，再經過多個車廂下安裝的變壓器、變流器等部件變換后給轉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換成頻率、電壓可變的三相電源給三相電動機驅動列車前進。

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絡的電流制式。

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給高速列車提供電力。

牽引供電為電力系統的一級負荷，但德國是例外，德國高鐵電網有獨立于德國國家電網。

因此，高鐵牽引供電系統包括架空接觸網、牽引變電所、回流回路。如圖所示：

電力系統與牽引供電系統

電力系統與牽引供電系統，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，驅動變頻電機使列車運轉。

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提供電能。典型的架空接觸網如圖2所示。

典型的架空接觸網

架空接觸網的末端是牽引變電站，平均數十千米/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，而是存在確保電氣絕緣（隔離）的結構或設計，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（供電段）的同時向前運行。

2.2 架空接觸網及弓網系統

受電弓與架空接觸網合稱受電弓-接觸網系統，簡稱弓網系統。上文多次提到的架空接觸網，是弓網系統的一部分。

弓網系統是牽引供電系統中的固定/移動設備結合點。換個通俗的說法，列車運行過程中，牽引系統從變電站一直到接觸網都是靜止的，而從受電弓部分開始，整個高速列車，都是運動的。

弓網系統在高速列車牽引供電系統中的位置

弓網系統近照

可以看到弓網系統的大致結構。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。

2.3 列車驅動與變頻電機

PWM變頻電機通過弓網系統獲取電能，以此驅動列車運轉。

接觸網上的高壓交流電，通過變壓器降壓和四象限整流器轉換成直流電，在經過逆變器降至六點轉換成可調壓調頻的交流電，輸入三相異步/同步牽引電動機，通過傳動系統帶動車輪運行。

高鐵輪軌系統外觀

高鐵變頻電機及其傳動系統示意圖

高鐵轉向架外觀實物圖

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？

曾經是。

3.1 弓網系統結構簡介

弓網系統結構簡圖

簡單介紹一下弓網系統的結構。

火車通過車體頂部升起的受電弓（結構類似于消防車的云梯）與“軌道上面的電線”，即接觸網相連，那根電線通常叫做接觸線。關于你問的接觸部分是否為金屬，即接觸部分的材質問題，應該分開看：

1）“電線”，即接觸線（contact wire），是金屬材質的，目前最常見的是銅合金的，鋁材質的已經很少見；

2）受電弓是列車從接觸線獲得電能的機構。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 弓網材質選擇

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，在此基礎上將危險分類。在弓網匹配中，這個標準是損耗。

受電弓滑板早期也有非碳材質的，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問題的由來：

這個需求叫做弓網配合。

當然，弓網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：

題主你設想一下，弓和網之間接觸，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，肯定是我們監測、維修過程中最容易完成的環節。

換言之，如果一個設備一定會發生故障，我們肯定希望故障發生在容易檢修的部分。任何設備都會老化、損傷。

因此，在設計包含摩擦副的設備時，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，設備故障時，故障更可能發生在這些強度較低、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，我們辛苦設計設備，就是為了讓它們壞得精彩么？

其實，從設備運轉效率方面考慮，這種設計是很合理的，鐵路的弓網系統就是一個很典型的例子。

比較一下列車接受電流的設備，也就是列車弓網的兩部分，接觸網接觸線和受電弓滑板：

接觸網的接觸線：

1）接觸網是一個復雜的機構，接觸線不可能憑空出現在半空，而是在接觸網下半部分，作為接觸網的一小部分，而接觸網本身是一個復雜的力學系統。

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，如果現場維修，簡單的焊接會留下焊點，在一般的電路或許無關大局，但是，以300km/h時速運行的列車，接觸線和弓網是高鐵是它唯一的供電裝置。受電弓和接觸網之間的接觸壓力，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維修環境，也毋須贅述。

對于接觸線和受電弓滑板和列車弓網系統，容易檢修更換的，肯定是滑板。

工程中采用的設計思路是：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，肯定會產生火花，這不是很危險嗎？

你能看到的電火花，其實很可能發展成弓網電弧了。

按照空氣放電的激烈程度排序，電暈-火花-電弧。

因此，在列車的弓與網接觸中斷（即弓網離線）條件下，應該是電火花->電弧這樣的發展順序。此外，車速越大，越容易發生弓網離線，弓網離線次數（弓網離線率）與離線程度（弓網大/中/小離線）加劇，弓網電弧現象會愈發明顯。

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