电气接触系统–火车供电外文翻译资料

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电气接触系统--火车供电

介绍IET铁路基础设施课程

Eur Ing DJHartland，MA CEng FIMechE MIET

工程总监 Brecknell，Willis，英国

摘要:本文介绍了从线路变电站向列车传输电力的主要系统。 对于顶置和第三轨系统，对接触系统进行了探讨，并介绍了一个案例研究，介绍了伦敦地铁受流靴具体要求及相关的设计工作。

引言

原则上，电力驱动的火车可以由车载电池或长的柔性电缆供电，但是对于所有实际的铁路系统来说，电力是通过电网网络从国家的发电站带到电网，然后到轨道旁沿线向本地变电站供电。为了完成与移动中的列车的连接，沿着铁路线放置裸露的导体，并且列车上安装滑动接触受流器。

整个电力牵引系统存在是为了将电力从电站送到列车，也可被认为是将列车连接到远程电站的有效方法--对环境的要求较低，任何情况都可以使用相对有效的方法统一处理。几十年来，城市污染减排一直是运输经营者的主要目标，在过去30年里，为减少整体运输系统的整体污染和排放影响，已经增加了不少投入。

固定导体的系统和课移动的受流器通常被称为电接触系统。本文旨在让读者对与接触系统有关的固定设备的基本了解，以及对列车受流器设计和相关步骤的一些背景认识。在这个过程中，它将有望回答有关当前面临的大部分常见问题。

沿着铁路或电车线的导体裸露是一个复杂的问题，同时带来许多其他技术和界面的问题--确实接触系统的选择对几乎所有其他相关学科有直接的影响。这也是一个让许多人感兴趣的主题，部分原因是它是人们生活中随处可见的。目前受流器的设备没有被隐藏起来，它从列车延伸，铁路沿线都可以看到。常常引起广大公众的兴趣。

1. 牵引系统的选择

人们常常问为什么目前的受流系统已在特定铁路推广使用。为了回答这个问题，需要回顾一下基础知识。历史对此有很大的影响，因为许多系统的选择是由于技术才刚刚出现，为了铁路使用寿命，所以今天哪怕被认为过时的许多设计仍然普遍使用。多年来，这种情况得到了进一步的国家政府使然困惑，通过技术开发研究，其结果是不同的标准和系统。在这些不同的系统相遇的地方，如果火车要经过，将会有复杂的转换过程，以至于火车必须配备几套设备来处理不同的系统。在法国，比利时和英国之间运行的欧洲之星列车的发展是不同系统相互影响的复杂性的一个典型例子。

总体牵引系统如图1所示。在发电站，需要使用尽可能高的电压来最小化损耗并形成有效的国家电网。在系统的另一端，列车上的牵引电动机传统上设置为使用750V直流作为驱动电压。（历史上，这被选为直流换向器直流电动机的合理最大电压。交流驱动器的最新发展方便通常采用750V直流作为列车上的电源）。在这两个极之间是接触系统，该系统的设计实际上是滑动触点插入电路的阶段的选择，或换句话说，变压器/整流器系统应该位于何处。在长途铁路上，每公里火车相对较少，所以理想的解决方案是将变压器和整流器放在火车上，使得沿线分布在高压下完成，最大限度地减少损耗。所使用的高压（通常为25kV）意味着导体必须安装在火车上方的高处，并且从机车车顶延伸的受电弓进行集电。

图1 - 典型的电源系统

对于郊区铁路或城市地铁，将有大量相对较短的行驶路线，通过将变压器/整流器放置在线路处，并将功率直接传输到电源控制器750或1500V，从而更好地实现系统的运行。在火车上这使得能够使用第三轨道系统，其在紧凑的布置和较低的维护和寿命周期成本方面具有更多优点。

解释了原则后，细节的应用从铁路到铁路的差别很大。新的架空线路系统倾向于使用25kV，50Hz，但是有大型系统在15kV，16 2/3周期运行，一些在50kV。对于第三轨，使用从550V到1500V的范围，然后使用例如3kV直流悬挂的中间系统。每条铁路都有它的历史，和原因的选择，和它的支持者。

1. 架空系统

架空系统是用于主线路或者轻轨系统，基本原理是一致的。接触线（通常为铜）必须在轨道中心线上方拉伸，并保持准确的位置和张力。物理学的一个基本规律，无论钢丝的张力如何，支撑点之间总会有一些下垂。凹陷意味着集电器（缩放仪）必须更加努力地保持与导线的良好接触，并保持均匀的接触力。控制下垂的唯一方法是引入额外的支撑力，架空线设计的整个科学都涉及到以最小化线系统质量的方式引入额外的支持点，同时确保下垂足够小以允许足够的在线速度下的受电弓的表现良好。

接触线不能连续安装，因为必须允许膨胀，而是将其布置为一系列长度为1.5km的张力长度。在张力长度的每一端，附接件被制成相当大的张力锚，并且由于膨胀运动引起的长度变化被一组重物和滑轮吸收，或者由气液压张紧装置吸收。在电线到达张紧装置之前，必须将其从运行位置引导离开并列出列车的方式。在这些引导点上，受电弓和悬挂之间的相互作用对于运行良好至关重要，并且取决于受电弓喇叭的细节布局和电线的局部轮廓。这是另一个例子，即集电弓和架空线必须设计成一个单一的系统才能取得成功。

线路机械结构产生了大量的成本和视觉效果，因此新设计的第一个要求是将它们尽可能地分开。如有轨电车为较低的速度，所述支撑件可以典型地为40--50米隔开放置，允许速度高达约79公里/小时。对于更高的速度，可以通过使用接触线上方的第二根线（悬挂线或信号线）来引入中间支撑，通过形成中间支撑的短导线将两者连接起来。这就是所谓的简单链型悬挂设计。关于这方面的一个改进是引入两者之间的第三线，形成一个弹性链型悬挂布置。这可以更好地控制下垂，但是以更大的质量为代价。

对于在街道上操作的轻轨系统，通常使用架空电线，在600-750V直流电压下通电。典型的系统如图2所示。

图2-位于西米德兰兹地铁三星的轻轨系统。

这些系统涉及街道运行，并且通常的系统是将导体架空安装为以750V供电的导线，这是这种应用的最高感应电压。接触系统的设计难点是处理受电弓相对较高的电流以及沿线的电压降。通常可以使用第二接触线，或者平行馈电电缆铺设以帮助最小化回路电阻。受电弓必须具有较低的质量以有效地跟随架空网，特别是在与路口等复杂区域，必须具有稳健性和可靠性，以防止在顶部不够完美的地方受到影响。街道运行的架空系统对于城市居民的影响也是非常明显的，必须在外观上可以让人们接受，系统才能取得成功。一个漂亮的架空系统的规定本身就是一项复杂和感情化的课题--读者可以参考关于这个问题的其他文件。（参考文献1）。

英国最近的项目增加了公众对轻轨道路运行系统的认识。伯明翰，谢菲尔德，克罗伊登，诺丁汉，当然曼彻斯特都有相当大的系统，还有进一步的计划。

1. 电杆和架空的接口

电杆和架空之间保持适当的接口是一个使其磨损最小化的必要因素。最重要和最明显的一个方面是电弓头在架空电线上摩擦。必须选择的材料用于减少磨损，必须选择尽量减少磨损的接触力，并且必须安装电线，以使其从一侧到另一侧交错，从而扫过导电弓头以产生均匀的磨损。头部上的磨损主要来自电蚀，而不是机械摩擦，这就解释了为什么使用与传统摩擦学矛盾的材料组合--例如在铜架空导线上运行的钢接触条，仍然在一些旧系统上使用。

大多数现代系统使用铜架空线和碳或碳/铜混合物作为受电弓条。为了应对与低压直流系统相关的高电流，需要宽碳带，在某些情况下需要三个或四个独立的弹簧带。对于以750V运行的系统，当前的抽头将为几百安培的数量级，并且该电流的合适接触力为120牛顿。一旦选择了这些参数，最重要的是随着车辆的移动，使它们保持恒定。

车辆沿着线路的通过会产生振动，来自运行轨道的冲击，随着空气流动通过车辆的空气动力学输入，以及从塔顶本身引起的冲击和力。受电弓的最佳性能将以连杆的最小质量和最小摩擦力加上最小的空气阻力来获得。典型的受电弓如图3所示。

图3-典型单臂受电弓

• 1. 受电弓构造

所示的单元具有线路电压的所有运动部件，并安装在列车车顶上的绝缘体上。这些绝缘子的额定电压为全线电压。电流从头部向下流动，使用局部铜编织分流旁路轴承，然后通过母线和馈通衬套进入车辆。主要轴承均为密封辊单元，以尽量减少维护。主要结构是钢，它在重量和刚度之间保持良好的平衡，但通常包括一个铝上臂组件，以帮助电流流动。

通常由弹簧提供升高单元并产生与线路接触的力。为了提升或降低集电弓，弹簧可以通过使用气动马达，气缸，电动机或通过车辆内的机械手动曲柄进入或离开张力。在所示的单元中，使用电动机。

一旦受电弓与电线接触，电线和受电弓的质量容易发生共振，这种共振将导致所涉及的受电弓的接触失去，也将导致随后的任何单位，并且是潜在的损害来源。通常，将有一个阻尼器安装在缩放仪框架上以限制这种共振。

不可避免地，通过最佳的接口设计，由于离散的特征或由于线上的碎屑而导致冲击负载。一定程度的影响是可以容忍的，但在一定水平以上，必须严格控制。在严重撞击造成损害的情况下，最重要的是受电弓顶部的损坏。因为将火车返回仓库，对受流装置进行维修是比修理数百米的架空线系统更方便。在所示的受电弓上，肘链设计允许有一个薄弱点。当这个薄弱点由于过载而剪切时，受电弓将平坦地折叠在火车的屋顶上，从而最大限度地减少对架空网的伤害。

主线悬挂设计的主题在本课程的其他部分涵盖，并以相当全面的欧洲标准（参考文献2）进行了论述。

• 1. 几何分析

受电弓头必须随时与线接触，如果接触片与架空线失去接触，或者即使接触力显着降低，也会有电弧。如果它向侧面滑动，那么会产生一个暴露（我们的北美朋友称这是一个连接，这是一个描述性但温和的表达，考虑到这种事件的通常结果）。

尽管车辆的运动以及架空的运动，接触必须稳定。头部宽度受到可用运动学量规的限制，通常由沿线的桥梁和结构决定。头部本身是在每个端部的区域中四角上，设置其以允许传入和传出的接触导线的卷绕，并且不适合长时间的运行。转角内部是正常接触的区域，这必须足以应付所有正常的运动。这些总结如下：

从车辆：

悬挂侧向间隙

车轮/轨道间隙。

车轮。

轨道变化。

从架空系统：

电线交错

风向。

对于典型的轻轨系统，平头头宽度为1500mm，有碳部分宽约为1000mm，正常交错将达300mm。

• 1. 动态效果

受电弓和架空线的相互作用的动力是可以由计算机软件预测的。图4是一个典型的模拟输出，显示了当导电弓相对于导线的悬挂点沿着线路通过的接触力的变化。输出的接受将被定义为给定速度和架空线设计的最小接触力。

图4-典型的受电弓/架空线模拟

这种模拟可以提供关于常规普通线路支持上的接口的非常有用的信息，但是仍然存在离散事件的问题，例如当受电弓遇到部分绝缘体或系统上的硬点时。这些并不是可预测，而往往有针对性的测试与仪表的受电弓运行，则可能是量化性能的唯一方法。

电线位置还有其他限制。为了避免受电弓接触片上的局部磨损严重，导线布置成从地层的一侧到另一侧错开，并且线缆高度将要求在桥下通过并跨越平整的交叉点。必须小心布置这些特征与电平线之间的过渡，并且电线必须始终正确定位，从而减小风和其他环境影响。对于更高速度的系统，这些功能必须以额外的精度进行控制以获得可接受的性能

• 1. “无线电车”

自十九世纪末开始架空线路系统以来，已经尝试运行没有架空电线的电车轨道。已经设计了许多低电流电流收集系统，一些采用连续电流拾取，其他系统通过在停止点处接收，然后使用储能装置来允许电车行进到下一站。目前推行的基本制度有三种。

在法国，波尔多拥有第三个铁路系统，随着电车的经过，这个铁路系统已经开始转型，而且已经取得了一些成功，并将在迪拜修建的电车轨道上采用。波尔多系统如图5所示。

图5-法国波尔多的无线电车

在德国，这个想法是使用一个感应系统，当前通过安装在道路上的线圈将其传输到电车。这是在测试轨道上使用，并且在今年计划进行初始安装。

在意大利，正在开发一种有趣的系统，该系统使用集电器来驱动电车下的分段导体。这个Tramwave系统有一个明显的优点，即道路级别导体进行正面和负面的用品，除去用于运行轨返回，并避免了轨道上的杂散电流保护的昂贵和复杂的要求的需要。轨迹如图6所示。

图6-那不勒斯电车使用的Tramwave系统

1. 导轨系统

对于郊区铁路或地铁系统，架空线的替代方案是使用地面导轨系统。这种受流系统为部分区域的大量列车提供了一种可靠的分配电力的方法，并且效果良好。在隧道中，导轨允许的直径小于顶置的情况，这样可以大大节省铁路整体成本。由于这个原因，最近的城市地铁系统基本都已经开发使用第三轨受流。

由于施工简单，第三轨系统比架空线路提供更高的可靠性和更低的

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