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关于高速列车你知多少(六)
    时间:2011-9-15     点击率:28302

 

关于高速列车你知多少(六)



        现在来谈谈高速列车的动力来源,也即受流技术问题。
        高速列车这庞然大物,以那么高的速度运行在轨道上,这需要给予它多么大的能量!以8辆编组的和谐号CRH3动车组为例,其牵引输出总功率达8800千瓦之多! 如果以家庭轿车输出功率来换算的话,05款富康小汽车(排量1.6升)输出功率为78千瓦,那么CRH3动车组的输出功率相当于112辆富康车!
        高速列车是靠电能驱动前进的(图1)。电能从哪里获取呢?是通过车顶上的受电弓与接触线的滑动接触来获取电能的。铁路上把架在铁路上方的供电线网叫“接触网”,而列车上接受电能的“辫子”叫“受电弓”,(图2、3)。受电弓从接触线获取电能的过程称作“受流”。“受流”这项技术看上去平淡无奇,实际上它却一直是困扰世界高速铁路界的一个难题。  


    图1 高速铁路供电系统示意图


    图2 铁路的接触网


    图3 受电弓受流图
 

        世界各国高速铁路接触网的供电电压和频率不尽相同,中、日、法、德4国的供电制式如下:
    ——中国,单相交流25千伏,50赫兹;
    ——日本,单相交流25千伏,50赫兹或60赫兹;
    ——法国,单相交流25千伏,50赫兹;
    ——德国,单相交流15千伏,16.7赫兹。
        都选择较高电压是因为它比低压供电在线路上的损耗小。德国用频率为工频(50赫兹)三分之一 (16.7赫兹)的供电方法,是考虑避免巨大的单相电力牵引负荷使公共的三相电网出现非正常的电压不平衡,减少对公用电网造成“电污染”。但是这样也要付出代价:电机要达到50赫兹电机相同的功率,其扭矩必须是50赫兹电机扭矩的3倍,3倍的扭矩意味着3倍的尺寸!随着技术的发展,现在世界上大多数高速铁路都直接从公共电网取电,采用单相工频交流高压供电制式。
        怎样才能有良好的受流呢?这需要从接触网和受电弓两方面下功夫。
        接触网的作用是将牵引变电所的电能输送到高速列车上,实用化的高速铁路接触网悬挂方式概括起来主要有3种,即复链形悬挂、弹性链形悬挂和简单链形悬挂(图4)。


    图4 高速铁路接触网的悬挂方式


        在接触网中,包括有接触线、承力索和辅助承力索等组件。
        接触线,它直接与列车顶部的受电弓接触,列车牵引电流从接触线流过,为了降低电能损耗,接触线一般选用铜等电阻较小的材料。同时,为了保证良好的受流和降低维护成本,还要求接触线材料结实、轻便、摩擦性能与受电弓滑板相匹配。
        承力索以一根根垂直的吊弦抓住接触线。它的作用是让接触线水平地悬挂在距离钢轨轨面一定的高度上。在复链形接触网悬挂中,多一条辅助承力索,其主要作用是进一步提高接触线的水平度,保证良好受流。
        复链形悬挂方式的接触网张力大(绷得紧),弹性均匀,抗风稳定性好。但由于结构复杂,使其造价高,维护费用也较高。同时,与下面要说的弹性链形悬挂和简单链形悬挂比起来,复链形悬挂单位长度的重量更大,这就限制了它的波动(当列车行进时,接触线随受电弓的推进而产生波动)速度的提升,从而也就限制了列车速度的提升。
        弹性链形悬挂的结构相对于复链型悬挂就简单多了,它没有辅助承力素,造价也更便宜;同时它对悬挂定位点处弹性进行改善,使得整个接触网的弹性更加均匀,受流性能更好。但弹性吊索的调整维修比较复杂,对定位器的安装坡度要求比较严格。
        简单链形悬挂与弹性链形悬挂的主要区别就在于,它没有弹性吊索。因此,简单链形悬挂是三种悬挂方式中结构最简单,造价最低,安装维修最方便,且能满足列车高速运行的一种悬挂方式。不足之处是,其定位点处的弹性与两跨柱当中的弹性不均匀,在定位点处易形成相对硬点,弓网磨耗大。
        目前,前述三种悬挂方式在世界高速铁路中都有实际应用,但没有某种悬挂方式一统天下,为什么呢?有技术发展的原因,也有国情的原因,还有线路速度等级不同的原因等。
        日本起先用复链形悬挂,1997年后开始采用简单链形。德国的高速铁路一直采用弹性链形悬挂。法国高速铁路接触网悬挂方式是从弹性链形悬挂开始的,大西洋高速铁路线以后的法国高速铁路都采用简单链形悬挂。我国的京津城际铁路和京沪高速铁路采用的也是简单链形悬挂。
        在列车运行过程中,总希望受电弓与接触线能够始终保持亲密接触。受电弓是靠一定的抬升力让滑板与接触线保持接触的。列车高速运行时受电弓的滑板就像一个小小的飞机机翼似的,受气流的作用也会产生一个动态的抬升力,抬升力随列车运行速度升高而增大。在列车运行时,接触线在受电弓抬升力的作用下发生上下振动,振动波向前传播,这就给受电弓和接触线保持良好的接触带来了困难。受电弓前进的速度和接触线波动的传播速度越接近,受电弓和接触线就越容易失去接触。受电弓与接触线脱离失去接触的现象称作“离线”。离线是绝对不受欢迎的。由于高速列车的受电弓从接触线获取的电流值很大,离线时产生的电弧(就像我们在家中拔出电线插头时会产生电火花一样)会加快受电弓滑板和接触线的磨耗,引起电磁干扰,同时还伴随着噪声污染。离线发生的次数越多,时间越长,表明受流质量越差。所以,一般用“离线率”来评价列车受流质量的好坏。离线率用离线时间占列车区间运行时间的百分比来表示。例如,京津城际铁路要求离线率低于0.14%,离线时间小于100毫秒。
         如何才能降低离线率呢?在接触悬挂方式已定的情况下,要从接触线和受电弓两方面进行努力。
        接触线的波动传播速度和列车速度越接近就越容易发生离线。因此,我们可以提高接触线的波动传播速度,尽量让它远远地“躲开”列车速度,就可以大幅度降低离线率了。波动传播速度要“躲”得多远才好呢?经验表明,列车速度与波动传播速度的比值在0.6~0.7之间,就可以保证良好的受流质量。例如,京津城际铁路的列车时速为350公里时,接触线波动传播速度为569公里/小时,两者的比值为0.62,满足受流质量的要求。在保障良好受流的前提下要提高列车速度,采取提高波动传播速度是一种有力手段,其措施有两个:一是增大接触线的张力;二是降低单位长度的接触线质量,也就是接触线最好采用轻质材料。
        增大受电弓的抬升力和减轻受电弓质量也可以提高受流质量。但增大受电弓抬升力有一定的限度,增大抬升力虽然可以让受电弓更好地密贴接触线,但同时也加快受电弓滑板和接触线的磨耗,容易增加接触线金属疲劳,缩短其寿命。因此,受电弓抬升力需要综合考虑,合理选取,才能得到最佳效果。


    (文驹根据杨中平的《漫谈高速列车》一书摘编)