中国高铁快准狠,电控人从专业角度分析一下背后的技术实力

中国高铁快准狠,电控人从专业角度分析一下背后的技术实力

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。

讲专业知识之前先普及一下中国高铁概况:

国产动车组,确切的说是:引进消化吸收的基础上,结合中国铁路窄轨的实际加以改进和创新,集成了国外多种技术的一个综合体。

不过100%是Made in China。

中国的铁路市场很大,但是铁路行业老大就只有一个:中国铁道部

当年中国进行铁路电气化改造的时候,要引进外国的机车,当时参与投标的外国企业有:德国西门子集团、法国阿尔斯通集团、加拿大庞巴迪集团、日本日立、川崎重机集团

铁道部的要求是:中标者价格合理,而且必须转让80%技术,并对核心技术进行说明,同时采购的机车20%在国外制造,剩下80%必须在国内制造,完成组装。

当时西门子很拽呀,以为自己技术一流,而且价格高,又不同意转让技术,在开标第一轮把德国西门子淘汰了。一下子让外国铁路企业看到了铁道部是玩真的,不是说说而已。 第一次招标中最后中标的是加拿大庞巴迪集团,并和长春机车轨道公司成立了合资公司。

接下来几年,中国铁道部还是保持一贯的强势,靠市场换技术的思路,国外巨头虽然有非常先进的技术,但是限于集团业绩压力,而且对中国市场都是非常垂涎的,所以后来的招标中,铁道部采购联合体,都是把采购订单分成若干个系统,如引进日本的牵引系统,法国的电控系统,德国的行车控制系统,加拿大的轨道技术等等

这样一来,把国外各个模块最先进的东西转让进来后,分别给中国的南车集团和中国北车集团分别去消化吸收,并进行本地化创新。

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第一批国产动CRH1车组属于万国牌的,10%左右的核心元件还是在国外供应商控制的。

至于目前的CRH2、CRH3基本上是实现国产了。

目前中国北车集团、中国南车集团两大铁路央企一共有5万多人从事先进技术的消化吸收、研发创新工作,这个绝对是世界上铁路系统最大的研发团队。

说到CRH3动车组,确实蛮有意思的,当时立项研发后,因为一个技术一直无法突破,而这个技术在日本川崎重机集团拥有的,当时铁道部出面去找川崎谈,希望转让技术,迫于日本日立集团等国内行业大佬的强烈反对,就搁置了一段时间,后来川崎也是需要提升业绩,盯着国内巨大的压力,同意卖给中国5套元件。

拿到相关元件后,两大铁路央企攻关一个月,通过逆向研究便轻松把技术搞定了,同时还进行了升级。

这个元件的完成,也保证了武广高铁CRH3型动车组的顺利下线。

目前中国除了在国内建设大量的高铁线路,还在参与沙特、委内瑞拉、巴西、阿根廷、美国、俄罗斯、巴基斯坦、伊朗、缅甸等国的高铁投标

其中。美国、俄罗斯已经与中国铁道部签署了建设高铁的合作备忘录,正在进行前期立项工作。

以上这些信息是一个电视访谈节目采访铁道部总工程师的时候了解到的。

最新消息是:阿根廷已经确认要花16亿美金左右,引进中国高铁技术。

据说7月16号,阿根廷总统访华时候,估计会宣布此项合作协议。

中国高铁用市场换技术,换来了自主创新,形成一整套自主知识产权,并开始走向国际市场,值得表扬。

而同样以市场换技术的中国产业还很多,到现在还在艰难前行中。

比如:中国汽车行业、中国航空工业是最典型的,确实要好好反思下。换的结果,自己啥也没学到,结果白花花的银子就这样流失到海外资本家的腰包了。

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下面是技术详解部分:

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,萌萌的意大利除外。在高铁电流制式这个问题上,全世界都摸着意大利过河。

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。

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

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。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。

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。

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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。

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?

3.1 弓网系统结构简介

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。

3.2 弓网材质选择

受电弓滑板早期也有非碳材质的,在此不表,我只提一个决定性的需求,在了解这个需求之后,你就会明白滑板的材质问题的由来:

这个需求叫做弓网配合。当然,弓网配合是个很大的课题,细化到答主的问题上,就是:“受电弓接触线和受电弓滑板的材质选择有什么考究”

这个其实就是我刚才提到的,损耗:

题主你设想一下,弓和网之间接触,有摩擦,那必然就会有磨损,也就有损耗。(小知识:在通过电流的时候,摩擦不仅是两个物体之间的相对运动,因为掺杂了电的作用。对于这种现象,有一个专门的词概括,叫载流摩擦。具体到本题中,可以解释为:载流摩擦比同条件下的机械摩擦带来的损伤更大)

因为摩擦必然存在,所以损耗不可避免。

那么我们选择被消耗的部分,肯定是我们监测、维修过程中最容易完成的环节。

换言之,如果一个设备一定会发生故障,我们肯定希望故障发生在容易检修的部分。任何设备都会老化、损伤。

因此,在设计包含摩擦副的设备时,我们会将容易检修的那一部分的强度降低;对于不容易检修的部分,则提高其强度。

这样,设备故障时,故障更可能发生在这些强度较低、同时也是容易检修的部分。这样一来,检修的成本与工作量大大降低。

这是一种将损害集中以方便处理的设计思路。

听上去很不爽是吧?反正我第一次明白的时候整个人都不好了...脑洞再开大点,我们辛苦设计设备,就是为了让它们坏得精彩么?

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。


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