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【精品移動的回答(97票)】: （為了方便理解，部分名詞僅作做簡單說明；如有疏漏，請留言私信） 題目已經(jīng)不能修改，因此有些話寫在前面。 這是一篇針對高鐵的科普文—— 鐵路機車是個龐大的家族，高鐵只是這個大家庭的一個新成員，如果要連篇累牘贅述其他車輛，恐怕這個答案是寫不下的，故本文針對高速鐵路進行討論。 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 一、 高鐵列車的動力來源是交流電還是直流電？ 各國高鐵基本采用交流電作為高鐵列車的牽引網(wǎng)絡(luò)的電流制式。 （萌萌的意呆立除外。在高鐵電流制式這個問題上，全世界都摸著意呆立過河） ----------------------------------------------------------------------------------------------- 二、 高速列車如何獲取電能作為動力？ （從電路角度來看，高鐵采取AT（自耦變壓器）供電方式。 關(guān)于AT供電@嚴(yán)同講得很好，在此不贅述） 高鐵能夠跑起來，依靠的是牽引供電系統(tǒng)給高速列車提供電力。 牽引供電為電力系統(tǒng)的一級負荷。（德國是例外：德國高鐵電網(wǎng)有獨立于德國國家電網(wǎng)） 因此，高鐵牽引供電系統(tǒng)包括架空接觸網(wǎng)、牽引變電所、回流回路，如圖1所示： 
圖 1 電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)圖 1 電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng) 一句話簡述就是： 牽引變電所給架空接觸線提供電能，高速列車將架空接觸線的電能取回車內(nèi)，驅(qū)動變頻電機使列車運轉(zhuǎn)。下面分三點詳細解釋這三個分句。 2.1 牽引變電所 牽引變電所為架空接觸網(wǎng)提供電能。典型的架空接觸網(wǎng)如圖2所示。
圖2 典型的架空接觸網(wǎng)圖2 典型的架空接觸網(wǎng) 架空接觸網(wǎng)的末端是牽引變電站，平均數(shù)十千米/座。每個變電站伸出兩個供電支，提供不同相的交流電，這就是“供電段”。據(jù)此可認為鐵路供電是按照“供電段”來進行劃分的。圖3為典型“供電段”的運行模式：
圖3 供電段運行模式圖3 供電段運行模式 如圖3，列車經(jīng)過兩個變電站的“供電段”時，先后通過A1-B1-A2-B2四個供電支。為保證供電安全，各供電支之間并非直接連結(jié)，而是存在確保電氣絕緣（隔離）的結(jié)構(gòu)或設(shè)計，因此各供電支之間不會短路。 列車從一相運行到另一相這個過程，叫做列車的過分相（電分相是線路上極短的一個區(qū)域，列車運行過程中，過分相瞬時完成） 因此，牽引變電所給架空接觸網(wǎng)供能的過程可以簡述為： 牽引變電所給各供電支提供電能，列車接受供電支的電能以維持運動，不斷完成過分相-受流的循環(huán)（供電段）的同時向前運行。 2.2 架空接觸網(wǎng)及弓網(wǎng)系統(tǒng) 受電弓與架空接觸網(wǎng)合稱受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)，簡稱弓網(wǎng)系統(tǒng)。上文多次提到的架空接觸網(wǎng)，是弓網(wǎng)系統(tǒng)的一部分。 弓網(wǎng)系統(tǒng)是牽引供電系統(tǒng)中的固定/移動設(shè)備結(jié)合點。換個通俗的說法，列車運行過程中，牽引系統(tǒng)從變電站一直到接觸網(wǎng)都是靜止的，而從受電弓部分開始，整個高速列車，都是運動的。
圖2(a) 弓網(wǎng)系統(tǒng)在高速列車牽引供電系統(tǒng)中的位置圖2(a) 弓網(wǎng)系統(tǒng)在高速列車牽引供電系統(tǒng)中的位置
圖2(b) 弓網(wǎng)系統(tǒng)近照圖2(b) 弓網(wǎng)系統(tǒng)近照 結(jié)合圖2可以看到弓網(wǎng)系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)。列車車頂伸上去的折疊裝置，就是受電弓；與受電弓直接接觸的那條線，就是接觸線，接觸線是架空接觸網(wǎng)的一部分。高速列車通過受電弓將架空接觸線上的電能取回車內(nèi)。 2.3 列車驅(qū)動與變頻電機 PWM變頻電機通過弓網(wǎng)系統(tǒng)獲取電能，以此驅(qū)動列車運轉(zhuǎn)。 接觸網(wǎng)上的高壓交流電，通過變壓器降壓和四象限整流器轉(zhuǎn)換成直流電，在經(jīng)過逆變器降至六點轉(zhuǎn)換成可調(diào)壓調(diào)頻的交流電，輸入三相異步/同步牽引電動機，通過傳動系統(tǒng)帶動車輪運行。
圖3(a) 高鐵輪軌系統(tǒng)外觀
圖3(b) 高鐵變頻電機及其傳動系統(tǒng)示意圖
圖3(c) 高鐵轉(zhuǎn)向架外觀實物圖圖3(c) 高鐵轉(zhuǎn)向架外觀實物圖 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 三、高速列車與接觸線（軌道上面的電線）的連接部分是金屬嗎？ 曾經(jīng)是。 3.1 弓網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介
圖4 弓網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖圖4 弓網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 結(jié)合圖4，簡單介紹一下弓網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 火車通過車體頂部升起的受電弓（結(jié)構(gòu)類似于消防車的云梯）與“軌道上面的電線”，即接觸網(wǎng)相連，那根電線通常叫做接觸線。關(guān)于你問的接觸部分是否為金屬，即接觸部分的材質(zhì)問題，應(yīng)該分開看： 1）“電線”，即接觸線（contact wire），是金屬材質(zhì)的，目前最常見的是銅合金的，鋁材質(zhì)的已經(jīng)很少見； 2）受電弓是列車從接觸線獲得電能的機構(gòu)。受電弓本身是金屬的，但受電弓（pantograph）與接觸線直接接觸的部分并不是金屬，而是由受電弓頂部的受流滑板（collector strips）完成。這個過程可以假想成一根裸導(dǎo)線與另一根裸導(dǎo)線接觸，但是金屬與金屬之間的摩擦切削會極大地加劇磨損，加潤滑劑也無法改善兩種金屬高速摩擦磨損的性能，因此，其中一根裸導(dǎo)線是一根長條形的碳板以改善兩者之間的接觸性能，這個碳板就是受電弓滑板。 3.2 弓網(wǎng)材質(zhì)選擇 其實我覺得題主你問到點子上了，但還差一點點就能成為極好的問題。我們衡量一個系統(tǒng)用的可靠性時，總希望找一個或者若干個標(biāo)準(zhǔn)，它們能將危險量化，在此基礎(chǔ)上將危險分類。在弓網(wǎng)匹配中，這個標(biāo)準(zhǔn)是損耗。 受電弓滑板早期也有非碳材質(zhì)的，在此不表，我只提一個決定性的需求，在了解這個需求之后，你就會明白滑板的材質(zhì)問題的由來： 這個需求叫做弓網(wǎng)配合 當(dāng)然，弓網(wǎng)配合是個很大的課題，細化到答主的問題上，就是：“受電弓接觸線和受電弓滑板的材質(zhì)選擇有什么考究” 這個其實就是我剛才提到的，損耗： 題主你設(shè)想一下，弓和網(wǎng)之間接觸，有摩擦，那必然就會有磨損，也就有損耗。（小知識：在通過電流的時候，摩擦不僅是兩個物體之間的相對運動，因為摻雜了電的作用。對于這種現(xiàn)象，有一個專門的詞概括，叫載流摩擦。具體到本題中，可以解釋為：載流摩擦比同條件下的機械摩擦帶來的損傷更大） 因為摩擦必然存在，所以損耗不可避免。那么我們選擇被消耗的部分，肯定是我們監(jiān)測、維修過程中最容易完成的環(huán)節(jié)。 我們肯定選擇容易檢修的部分。這個選擇的另一層意思就是：是個設(shè)備就會老化或損傷，那么在設(shè)計設(shè)備的時候，我們會故意將容易檢修的部分設(shè)計成薄弱點，這樣設(shè)備損壞時會有更大概率發(fā)生在這些薄弱點，方便我們檢修，或者說，這是一種將損害集中以方便處理的設(shè)計思路。 聽上去很不爽是吧？反正我第一次明白的時候整個人都不好了...腦洞一開，就成了設(shè)計設(shè)備就是為了讓它壞得精彩么= =但是從效率方面考慮，這種設(shè)計是很合理的，鐵路的弓網(wǎng)系統(tǒng)就是一個很典型的例子： 然后我們比較一下列車接受電流的這兩個部分： 一個是接觸網(wǎng)上的接觸線：這是一個復(fù)雜的機構(gòu)，涉及到接觸網(wǎng)懸掛部分（“電線”不可能懸空吧。。），并不是三言兩語能夠說清的，而且這個線那么長，檢驗?zāi)囊欢问軗p也不方便。而且，如果很長的一段導(dǎo)線，中間有很小的一段損壞極為嚴(yán)重，更換的時候需要將整線拆除？還是把某一段剪下來？如果是后者，那么如何將這段接回去？別跟我說一般的焊什么的，接觸線是一個很平滑很順溜的電線，有一個焊點可能在一般的電路中無所謂，但是你設(shè)想一下一個300km/h運行，也就是相對速度80m/s的、相互貼合的兩者間突然出現(xiàn)一個幾個mm的瘤子，這是什么情況耶？我只能說：“么么噠”.... 另一個就是受電弓上的那塊和接觸線直接接觸的滑板了。首先，這個東西長度不到兩米，損傷的厲害了，換唄；其次，這個東西不在線路上，對比下接觸網(wǎng)可能在深山老林中的作業(yè)環(huán)境,hmmmm.... 所以接觸線和受電弓滑板二者要擇一的話，肯定選滑板。方法就是：讓滑板材料不如接觸線材料耐磨，再具體一點，就是銅合金接觸線+碳材料滑板的組合。 （再細節(jié)的滑板材質(zhì)變遷我就不講了，總之，就是這一攻一受的組合：鐵打的接觸線，流水的滑板） 最后提一下，接觸線更換周期很長，年是基本單位，狀況好的運維個十年二十年； 高鐵受電弓滑板更換周期差不多是兩周甚至更短，狀態(tài)好的也有幾個月的。（不提供列車線路、運行區(qū)段、列車型號、弓網(wǎng)參數(shù)的我一定不是在耍流氓，哼） 3.3 危害 如果是，高鐵 300km的時速，兩個金屬相摩擦，肯定會產(chǎn)生火花，這不是很危險嗎？
你能看到的電火花，其實很可能發(fā)展成弓網(wǎng)電弧了。 按照空氣放電的激烈程度排序，電暈-火花-電弧。 因此，在列車的弓與網(wǎng)接觸中斷（即弓網(wǎng)離線）條件下，應(yīng)該是電火花->電弧這樣的發(fā)展順序。此外，車速越大，越容易發(fā)生弓網(wǎng)離線，弓網(wǎng)離線次數(shù)（弓網(wǎng)離線率）與離線程度（弓網(wǎng)大/中/小離線）加劇，弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象會愈發(fā)明顯。 偷個懶，貼一段： 受電弓/接觸網(wǎng)（以下簡稱弓網(wǎng)）關(guān)系是高速電氣化鐵路安全運行的三大核心關(guān)系之一，弓網(wǎng)系統(tǒng)良好的服役性能是保障高速列車可靠、安全運行的基本條件。http://www.tudou.com/programs/view/swhQUWNQyzI/
看過這個，你可以有個直觀的印象。 參考文獻： [1] 吳積欽．受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng) [M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2010 [2] 吳廣寧．變頻電機絕緣老化機理及表征 [M]．北京：科學(xué)出版社，2009 [3] 吳積欽，錢清泉．受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性[J]．中國鐵道科學(xué),2008,03:106-109. 【嚴(yán)同的回答(13票)】: 不是鐵道電氣專業(yè)的，但參與過一個電鐵電能質(zhì)量專題，就知道的高鐵說幾句。 1）高鐵采取“交-直-交”供電（PWM變流，將單向高壓交流電整流成直流電，再將直流電逆變成交流電），以往的 交-直電車已經(jīng)逐步淘汰，主要是因為交流電機較直流電機功率、扭矩等方面好些，然后就是交-直電車采用半控橋式整流，控制晶閘管導(dǎo)通角控制出力（交-直-交是GTO或IGBT，四象限工作），帶來的劣勢就是諧波較大，功率因素不高。下圖為牽引供電示意圖。
2）電力向火車提供動力的為牽引供電系統(tǒng)。通過上圖也可看出，原理比較簡單。其中有些關(guān)于接線方式和供電方式的分類，就不展開了，也不是特別懂。高鐵采取AT(自耦變壓器)供電方式，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。
3）首先受電弓上裝了石墨，其實是石墨與接觸網(wǎng)產(chǎn)生摩擦。其次你說的火花估計是因為，電壓超過500v時，相對滑動的接觸體之間容易產(chǎn)生電火花，是因為在滑動中兩個通電的接觸體會短時脫開，此時3）首先受電弓上裝了石墨，其實是石墨與接觸網(wǎng)產(chǎn)生摩擦。其次你說的火花估計是因為，電壓超過500v時，相對滑動的接觸體之間容易產(chǎn)生電火花，是因為在滑動中兩個通電的接觸體會短時脫開，此時電壓降擊穿兩個接觸體之間的空氣隙，從而產(chǎn)生電火花。但高鐵的受電弓是有很大彈性的，這個彈性使得受電弓能夠比較牢固地與電線保持接觸。但是還是有兩個受電體脫開的時候，所以還是有出現(xiàn)電火花的時候。 【木辰的回答(1票)】: 首先自我介紹下：答主國內(nèi)某不知名高校 鐵道電氣化 專業(yè)在讀研究生 在知乎上從來都是只看不發(fā)言，因為都不會，好不容易一個和我專業(yè)如此相關(guān)的問題，小弟嘗試著看看能不能回答好。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 由于個人專業(yè)方向是牽引供電方向，故只對題主提出的問題 1、2作回答，問題2可以深入回答，問題3屬于弓網(wǎng)關(guān)系研究，因只是略懂，且 @Anordinance汭 回答的已經(jīng)很詳細了。 問題1:火車的動力來源交流電還是直流電？ （補充： 在一般我們的牽引供電研究領(lǐng)域，牽引供電分為兩大方向大鐵路 和地鐵） 題主所說的火車，肯定是屬于大鐵路范疇（包括普速和高鐵），采用交流電給機車 （也就是火車）供電。 而在地鐵中，一般采用直流電給機車供電，（國內(nèi)也有特列，溫州地鐵采用大鐵路供電方式，27.5KV交流供電：溫州軌道交通_百度百科） 問題2:電力是如何給火車提供動力的？ 題主問電力如何給火車提供動力，其實扯淡點和 電力如何給你家提供電力 途徑是一樣的，都繞不開輸配電。 只不過家庭用電，輸配電都是國家電網(wǎng)給干了。個人理解，鐵路供電系統(tǒng)中，供電部門（鐵路局的供電段和地鐵的機電中心）負責(zé)了配電部分。 牽引供電系統(tǒng)即代表配電部分，給火車提供動力源。 牽引供電系統(tǒng)兩主要組成部分：牽引變電所 和牽引網(wǎng) 要想給火車提供電力，首先要完成從電網(wǎng)電壓到適合火車運行的電壓的一個轉(zhuǎn)換，這個就是由牽引變電所完成，一般電網(wǎng)給鐵路輸入的電壓是110KV或者220KV，牽引變電所將電壓轉(zhuǎn)換了29KV或者58KV（比額定電壓高10%），采用兩路進線，一備一用?；疖囘\行額定電壓27.5KV,(無論是高鐵還是普速列車，雖然高鐵在供電方式上是AT供電，變壓后是55KV，但是軌-接觸網(wǎng)之間的電壓還是27.5KV，后續(xù)有講。）
牽引變電所完成降壓后，給整個鐵路供電系統(tǒng)提供了電力電源，但是初中物理老濕就告訴過你，一個電路光有電源是不行滴，還得有一個回路。這個時候就得有牽引網(wǎng)了。一個最簡單的牽引供電模型就是：
當(dāng)然，不可能這么簡單就可以了，牽引網(wǎng)包括接觸網(wǎng)，承力索、回流線等等，AT工地那供電更復(fù)雜，先寫到這里，我要吃飯去了，食堂沒飯了。 【本杰明的回答(0票)】: 1.是22到30kv的交流電。 2.電從發(fā)電廠經(jīng)過變電站來的。從列車頭頂?shù)碾娋€傳來，從軌道傳回。（軌道接地，所以電壓為0，不會電到人）。而且因為電線有電阻有壓降，所以每隔一段區(qū)間就要設(shè)一個變電站，由當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠提供電力。列車經(jīng)過這兩區(qū)間就叫“過分相”。不能把這兩個地方的電力連起來，不然要短路的。 3.你說得對，這也是當(dāng)前高鐵研發(fā)的難點?，F(xiàn)在火車高鐵都用的是集電弓頂著接觸網(wǎng)，弓頂部是碳刷，鋪了一層碳的所以很滑（想象一下鉛筆滑了很次之后）。一般碳刷能傳600安培的電力，是消耗品，要經(jīng)常換的。接觸網(wǎng)由于長期有碳刷刷了一層碳也變得很滑，前進的時候呈Z形排布，就可以使碳刷可以均勻消耗。 【里面的回答(0票)】: 通過軌道上空的那些電線，包括旁邊的桿子，桿子上的線(統(tǒng)稱接觸網(wǎng))。和機車上那個 弓(受電弓)。 【林雙的回答(0票)】: 高鐵 300km的時速，兩個金屬相摩擦，肯定會產(chǎn)生火花，這不是很危險嗎？ 【李小的回答(0票)】: 快速瀏覽版，詳細理論請看其他答案or就讀本專業(yè)。 1.火車的動力來源是交流電還是直流電？ 交(接觸網(wǎng))-直(電機) 交(接觸網(wǎng))-直(存在于機車內(nèi)部)-交(電機) 類型 動力來自機車電機（交），電機用的電來自接觸網(wǎng)（交），接觸網(wǎng)的電來自大電網(wǎng)（交）。 2.電力是如何給火車提供動力的？ 通過軌道上空的那些電線，包括旁邊的桿子，桿子上的線(統(tǒng)稱接觸網(wǎng))。和機車上那個 弓(受電弓)。 3.火車與軌道上面的電線相連的是金屬嗎？如果是，高鐵 300km的時速，兩個金屬相摩擦，肯定會產(chǎn)生火花，這不是很危險嗎？ 是金屬(合金)，不是金屬就不能傳遞電能了。 放電-拉弧-電火花。 如果受電弓與接觸線脫離(即脫弓)，就有可能拉弧，產(chǎn)生電火花，就有可能造成事故。 一大票人在研究如何防止脫弓，降低故障率。 (請放心乘坐，有磚家但更多的是專家) 原文地址:知乎 |
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