这涉及到高铁的:接触网,受电弓,以及高铁牵引电网的供电方式。
这个图非常适合说明这相互间的关系。
最上面是接触网,也就是送电的线路,也是我们这里讨论的主要内容。后面细细说。
弯曲的叫电线是承力网,也就是吊着低下的看着水平的接触网的电线。
火车,地铁和电网的关系是通过受电弓接触的。
先来回答问题:不会摩擦生热熔断高压线,但是会有离线引起电火花的情况,也就是起弧的情况。
对于出现可见火花的放电现象,一般会要求在多少米一次,这种有一个经验性的标准。例如
因为受电弓底部都有传感器,可以实时测试出接触力的标准偏差与平均接触压力的比值,一般情况下应小于0.3。一旦有问题受电弓就会立刻进行调整。
下面我们来细节的聊一下,高铁的牵引供电方式:
一、国内高铁的牵引电网,是27.5KV供电,
从电气化高铁发展的历史能够看到,供电方式其实是有直流,和交流两大类。交流中各个国家又分为不同的供电电压。
例如直流供电:DC600V,DC750V,DC1500V,DC3000V,直流供电在高铁中采用较少,一般情况在轻轨,或者是地铁等160km/h以下的轨道交通上面使用。
因为电流较大,一般化都会采用比交流供电更粗的铜绞线。
单相低频供电:AV15KV,16.7HZ,单相工频供电:AC25KV,50HZ。
用一个不是很严谨的角度来说,I=P/V。直流电压接触网,要输出大功率就需要大电流。
我们都知道大电流是产生能量损耗,例如产生热的核心。(交流电不能直接采用I=P/V)
这几种不同的供电方式,各有各的好处。
目前多数都采用单向工频供电,可以直接从国家电网中取电,以较高电压向电力机车供电,从而实现大功率供电;不用整流,不用变频,只需要变压就可以。投资小,运营费用低。
有人问,高铁怎么形成电流的回路?
最开始不少电气铁路考虑采用的是这种,直接供电方式。牵引电流通过电力机车后直接从钢轨或大地返回牵引变电所。
这种情况容易产生电火花,并且在高速电路上面使用对接触网伤害大。后来就有了BT,AT供电的模式。
BT(吸流变压器)供电方式这种方式,在接触网和回流线中串接吸流变压器,让牵引电流通过电力机车后从回流线返回牵引变电所。但是这种形式牵引网阻抗大,受电弓容易起弧(有点火花)。
这种是相对直接供电方式,就是加一条回流线。通过回流线直接回变电所。仍有一部分点从钢轨返回。这里说一下,钢轨是有部分电流的。只是比较小而已。同时直接回归大地,人相对来说比较安全,但是我们经常能够听到说地铁有报道说:有异物入侵,多数就是存在对轨道信号传输有影响的物体。
牵引电流通过电力机车后从正馈线返回。
AT(自耦变压器)供电方式供电电压提高,更能适应大功率负荷的供电,功率输送能力强,供电距离远,可减少牵引变电所数量,减少电分相数目,机车通过分相中性段短时失电产生的速度和功率损失得到降低;有效降低对通讯线路的干扰;接触网------电气工程系短时失电产生的速度和功率损失得到降低;有效降低对通讯线路的干扰;AT供电方式接触网结构复杂,供变电设施较多,运营维护难度较大。
所以,高铁从350KM/h向更高速度突破的时候,需要攻克的技术不单单是机车的动力,风阻设计,更重要其实就是受电网的设计。
说完这么多电网供电的方式,核心就在于解释,高低压低电流的供应方式,以及回流线不同设计,降低放电情况。(但是还没解释完,咱们慢慢接下来说)
有人问,高铁电流能有多大?
这里没有中国高铁的数据,我们拿日本新干线的数据给你做一个参考。
1964年东海道新干线开通时,BT供电方式,变电所间距20km,最大电流1000A
接触网的电线:用日本新干线作为例子说明一下,没有国内高铁资料。
这种重型复联悬吊架线,两个柱子之间距离50M。
这种是CS简单悬链式架线,两个柱子之间也是50M距离。
来看看新干线的接触网参数。
基本上接触网也就是跟受电弓接触的电线,都是铜绞线。并且都比较粗。
实际结构是:
这里有一个槽口,可以直接卡住,上面用吊索连接承力索。
我国采用的铜接触线多为TCG-110和TCG-85两种型号,其字母T表示铜材,C表示电车线,G表示带沟槽形式,后面的数字表示该型铜接触线的截面积。
在接触网运营中,为了保证接触线在一定张力的情况下不断线,要求每年至少要进行一次接触线磨耗测量,当接触网接触线磨耗到一定程度时应当补强或更换。若发现全锚段接触线平均磨耗超过该型接触线截面积的25%时,应当全部更换。平均磨耗没达到25%,局部磨耗超过30%时可局部补强,当局部磨耗达到40%时应切换。
因此,正常来说,接触网的磨损一直都是在关注中的,同时在受电弓和接触网的运行中,常规都是以出现故障后,快速收弓保护接触网。
最后来说说受电弓受电弓是指使得电流从接触网传输到机车车辆电气系统的装置。
受电弓分为三大类:
(1)地铁、轻轨受电弓
行驶速度不同:干线一般会达到120km/h以上,而地铁和轻轨一般在120km/h以下;适用电压不同:干线一般为25kV,地铁和轻轨差不多,有3kV、1.5kV或者750V等几种;地铁和轻轨由于电压低,其电流很大,所以其滑板要浸金属滑板或者直接使用铜粉末冶金滑板。
(2)干线受电弓
干线受电弓一般为气囊升弓,地铁和轻轨则有气囊式,弹簧式和气缸式等形式;干线铁路其电流相对要小,而且高速下考虑弓头减重,一般采用碳滑板。干线受电弓一般强制要求拥有自动降弓(ADD)系统,而地铁和轻轨根据客户要求;干线受电弓,特别是高速线路,必须考虑高速运行时气流对受电弓动态性能的影响,这就需要在弓头处加装导流板和翼片,而地铁和轻轨受电弓不需要考虑。
(3)特殊受电弓
例如针对超高速高铁研发的受电弓。
受电弓的样式和类型
受电弓的核心技术在于:有良好的弓网跟随特性及可靠性。
在接触网接触不好的时候,会出现电弧情况。
对于受电弓的其他内容,这里暂且不做细致讨论。我们来说说受电弓的碳滑板多久更换一次?碳滑板是易耗件,其使用公里数大约为十几万公里。并且碳滑板并不算过分昂贵的产品。
对于京沪线上面,北京——上海的高铁来说。一天来回4000KM,每天都会检查,按照磨损情况一般话1-2周可能就要更换一次碳滑板。
受电弓同接触网的接触压力70-80N,碳滑板,归算质量90Ns/m。
出现火花的频率高吗?根据综合各个国家的高铁情况,有一些经验的内容:
法国东南高速线(运行速度270km/h)1981年开通时采用弹性链形悬挂,但在3个月内连续两次刮弓事故。深刻的教训得到如下结论:
(1)可见电弧应控制在1次/160m
(2)接触力的标准偏差与平均接触压力的比值应小于0.33。
后续设计的受电弓测试中,有要求受电弓离线(离开受电网)的时间小于100MS,100MS左右会出现电弧现象。
从实际情况来说,出现电弧情况并不是好事情,不单单对接触网有影响,同时还会带来干扰影响通讯的稳定性,因此各个国家都在尽量避免电弧的产生。
最后来说说能不能采用滚动滑动的方式来解决摩擦滑动,减少摩擦对电线损耗的问题。也就是用滚柱或者滚轮来受电。
确实去查询了相关文献,确实有这方面研究,但是并没有这方面的实际操作。
总结来说,摩擦起热的情况,在高铁运行中并不是最要的危害,反而是离线起弧的问题,才是对机车和电网损害的主要因素。
目前来说,一般情况是磨不断的。高铁上方的高压线俗称接触网.电压25千伏,采用高强度耐磨材料制作而成,在接触网铺设过程中使用“之”字型排列,所以就形成了高铁上方受电弓的运动轨迹是受电弓左右往复运动,而接触网不动!受电弓上的摩擦作用消耗受电弓涂层,类似于碳刷!