高铁技术详解

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

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。

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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。