高铁技术详解

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高铁技术详解

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,萌萌的意呆立除外。在高铁电流制式这个问题上,全世界都摸着意呆立过河。

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2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?曾经是。

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。

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?

曾经是。

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。

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?

曾经是。

3.1 弓网系统结构简介

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