高鐵跑那么快 是怎么供電的呢？
2015-04-21 08:36:36 知乎日?qǐng)?bào)鐵路機(jī)車是個(gè)龐大的家族，高鐵只是這個(gè)大家庭的一個(gè)新成員，如果要連篇累牘贅述其他車輛，恐怕這個(gè)答案是寫不下的，故本文針對(duì)高速鐵路進(jìn)行討論。
一、 高鐵列車的動(dòng)力來(lái)源是交流電還是直流電？
各國(guó)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(gè)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(dòng)力？
從電路角度來(lái)看，高鐵采取AT（自耦變壓器）供電方式。
高鐵能夠跑起來(lái)，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(jí)負(fù)荷，但德國(guó)是例外，德國(guó)高鐵電網(wǎng)有獨(dú)立于德國(guó)國(guó)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)
一句話簡(jiǎn)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(dòng)變頻電機(jī)使列車運(yùn)轉(zhuǎn)。
下面分三點(diǎn)詳細(xì)解釋這三個(gè)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(gè)變電站伸出兩個(gè)供電支，提供不同相的交流電，這就是“供電段”。
據(jù)此可認(rèn)為，鐵路供電是按照“供電段”來(lái)進(jìn)行劃分的。
供電段運(yùn)行模式
列車經(jīng)過兩個(gè)變電站的“供電段”時(shí)，先后通過A1-B1-A2-B2四個(gè)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(jì)，因此各供電支之間不會(huì)短路。
列車從一相運(yùn)行到另一相這個(gè)過程，叫做列車的過分相。電分相是線路上極短的一個(gè)區(qū)域，列車運(yùn)行過程中，過分相瞬時(shí)完成。
因此，牽引變電所給架空接觸網(wǎng)供能的過程可以簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)，不斷完成過分相-受流的循環(huán)（供電段）的同時(shí)向前運(yùn)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(jiǎn)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(dòng)設(shè)備結(jié)合點(diǎn)。換個(gè)通俗的說(shuō)法，列車運(yùn)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(gè)高速列車，都是運(yùn)動(dòng)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(dòng)與變頻電機(jī)
PWM變頻電機(jī)通過弓網(wǎng)系統(tǒng)獲取電能，以此驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)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(diǎn)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(dòng)機(jī)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)車輪運(yùn)行。
高鐵輪軌系統(tǒng)外觀
高鐵變頻電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
高鐵轉(zhuǎn)向架外觀實(shí)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(jiǎn)介
弓網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
簡(jiǎn)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(jī)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(gè)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(huì)極大地加劇磨損，加潤(rùn)滑劑也無(wú)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(zhǎng)條形的碳板以改善兩者之間的接觸性能，這個(gè)碳板就是受電弓滑板。
3.2 弓網(wǎng)材質(zhì)選擇
其實(shí)我覺得題主你問到點(diǎn)子上了，但還差一點(diǎn)點(diǎn)就能成為極好的問題。我們衡量一個(gè)系統(tǒng)用的可靠性時(shí)，總希望找一個(gè)或者若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它們能將危險(xiǎn)量化，在此基礎(chǔ)上將危險(xiǎn)分類。在弓網(wǎng)匹配中，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)決定性的需求，在了解這個(gè)需求之后，你就會(huì)明白滑板的材質(zhì)問題的由來(lái)：
這個(gè)需求叫做弓網(wǎng)配合。
當(dāng)然，弓網(wǎng)配合是個(gè)很大的課題，細(xì)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(gè)其實(shí)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(huì)有磨損，也就有損耗。（小知識(shí)：在通過電流的時(shí)候，摩擦不僅是兩個(gè)物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閾诫s了電的作用。對(duì)于這種現(xiàn)象，有一個(gè)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(jī)械摩擦帶來(lái)的損傷更大）
因?yàn)槟Σ帘厝淮嬖冢該p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(cè)、維修過程中最容易完成的環(huán)節(jié)。
換言之，如果一個(gè)設(shè)備一定會(huì)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(huì)老化、損傷。
因此，在設(shè)計(jì)包含摩擦副的設(shè)備時(shí)，我們會(huì)將容易檢修的那一部分的強(qiáng)度降低；對(duì)于不容易檢修的部分，則提高其強(qiáng)度。
這樣，設(shè)備故障時(shí)，故障更可能發(fā)生在這些強(qiáng)度較低、同時(shí)也是容易檢修的部分。這樣一來(lái)，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(jì)思路。
聽上去很不爽是吧？反正我第一次明白的時(shí)候整個(gè)人都不好了...腦洞再開大點(diǎn)，我們辛苦設(shè)計(jì)設(shè)備，就是為了讓它們壞得精彩么？
其實(shí)，從設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率方面考慮，這種設(shè)計(jì)是很合理的，鐵路的弓網(wǎng)系統(tǒng)就是一個(gè)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(gè)復(fù)雜的機(jī)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(gè)復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)。
2）同時(shí)，一條接觸線往往很長(zhǎng)，檢驗(yàn)上km長(zhǎng)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(shí)候，若將整線拆除，花費(fèi)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?yàn)榻佑|線是一個(gè)很敏感的系統(tǒng)，如果現(xiàn)場(chǎng)維修，簡(jiǎn)單的焊接會(huì)留下焊點(diǎn)，在一般的電路或 許無(wú)關(guān)大局，但是，以300km/h時(shí)速運(yùn)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(duì)速度 80m/s的、精巧相互貼合的受電弓和接觸網(wǎng)之間，一個(gè)幾毫米的瘤子，必然會(huì)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(zhǎng)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)，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(duì)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(jì)思路是：保證滑板材料不如接觸線材料耐磨，再具體一點(diǎn)，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(zhǎng)，年是基本單位，狀況好的運(yùn)維個(gè)十年二十年；
相對(duì)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(gè)月的。
3.3 危害
如果是，高鐵300km的時(shí)速，兩個(gè)金屬相摩擦，肯定會(huì)產(chǎn)生火花，這不是很危險(xiǎn)嗎？
你能看到的電火花，其實(shí)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(huì)愈發(fā)明顯。
偷個(gè)懶，貼一段：
受電弓/接觸網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱弓網(wǎng)）關(guān)系是高速電氣化鐵路安全運(yùn)行的三大核心關(guān)系之一，弓網(wǎng)系統(tǒng)良好的服役性能是保障高速列車可靠、安全運(yùn)行的基本條件。
弓網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)械、電氣、材料等多種因素于一體的復(fù)雜耦合系統(tǒng)。普速電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)速度低，機(jī)械沖擊、摩擦磨損、牽引電流相對(duì)較小，多因素耦合作用下的損傷較小。
高速鐵路開通運(yùn)行以來(lái)，由于弓網(wǎng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生。
傳統(tǒng)的研究主要基于單方面因素開展，隨著列車運(yùn)行速度的大幅度提高和雙弓系統(tǒng)在我國(guó)高速鐵路中的普遍應(yīng)用，弓網(wǎng)系統(tǒng)機(jī)械、電氣、材料耦合性更加復(fù) 雜，多因素耦合作用下的損傷已成為弓網(wǎng)服役性能演化的決定性因素，如法國(guó)V150試驗(yàn)列車在長(zhǎng)大下坡沖擊574.8km/h的最高試驗(yàn)速度時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)完 全處于非正常接觸的拉弧受流狀態(tài)，試驗(yàn)后受電弓基本燒毀。
武廣高鐵受電弓滑板在一次往復(fù)運(yùn)行中磨耗量高達(dá)4-5mm，是普速鐵路的7-10倍。
視頻：
http://www.tudou.com/programs/view/swhQUWNQyzI/
看過這個(gè)，你可以有個(gè)直觀的印象。
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