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高铁技术详解_0

2019-06-08 14:04编辑:admin人气:


  高铁是用电力驱动的,与传统内燃机驱动方式相比,电力驱动具有无污染、载客量大、动力/重量比大等优点。因此,世界上大多数高速列车都采用电力驱动方式,即通过铁路沿线的架空高压线电网(我国都采用工频单相2.5千伏电压)对列车供电方式。而安装在列车车顶沿着高压线滑动获取电能的装置叫受电弓。

  中国南车四方公司副总工梁建英介绍说,CRH380A采用动力分散的电力驱动方式,全列车顶安装了4架受电弓,车下安装了7台变压器,14台变流器,56台电机分别安装在2~15号车厢的28个转向架上。

  CRH380A能量传递有两种方式:牵引方式和再生制动方式。牵引方式时,列车从架空电网获取电能,再经过多个车厢下安装的变压器、变流器等部件变换后给转向架上安装的电动机。变压器能将从受电弓获取的高电压电能转换成将近2千伏的中电压电能,变流器能将工频单相中压电转换成频率、电压可变的三相电源给三相电动机驱动列车前进。

  顺便说下,列车时速300公里运行时,人均百公里耗电仅为3.64千瓦时,相当于客运飞机的1/12,小轿车的1/8,大型客车的1/3。

  京沪高铁全长1318公里,这样算下来,全程人均耗电约48千瓦时。

  下面是详解部分:

  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,萌萌的意大利除外。在高铁电流制式这个问题上,全世界都摸着意大利过河。

  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

  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?

  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。

(来源:未知)

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