如何解决高铁与高压线持续摩擦?
出品:科普中国
制作:寒木钓萌
监制:中国科学院计算机网络信息中心

   

  无论是过去还是现在,甚至是将来,只要您乘坐火车,那么有个问题你迟早会注意到,换句话说,只要您哪怕还有一丝好奇心,则注定无法越过它: 

  为了供电,高铁必须与上方的高压线持续接触,可时速300公里,这会带来剧烈地摩擦,铁路部门到底是用什么妙方法解决的? 

   

  对于此问题,懂行的业内人士自然呵呵一声。然而纳闷的永远是大多数。今天,咱们就来好好说说。 

  好似一张弓 

   

  将火车与高压线连接起来的那个装置名叫“受电弓”,因其像一把张开的弓,故而得名。 

  我们的问题是,高铁每天行驶上千公里,受电弓与上方的高压线(学名叫架空接触网,为便于理解统称为高压线)高速摩擦,长此以往,那高压线和受电弓岂不是会被磨断?高铁是怎么解决此问题的? 

  先来说说那高压线,其实,您只要仔细想想,就不用太担心高压线的磨损问题。比如说,中国最长的高铁线路京广高铁,全长2298公里。 

   

  对于这2298公里长的高压线来说,它不是时时刻刻被磨损的,比如上图“高压线上的A点”,只有高铁通过一次,它才会被摩擦一次。假设京广线每天通行100辆高铁,那么高压线上的某点只会被摩擦100次,这种频率的摩擦当然会有磨损,但只要高压线选用耐磨的材料,是可以使用很多很多年的。 

  想象一下,一块1厘米厚的耐磨钢板,你每天回家后摩擦它100次,那么要多少年后才能将其磨穿?显然,需要很多年。 

  摩擦会生热,这当然是个问题,但对于高压线来说也不用太担心,跟上面的原因一样,摩擦的过程极其短暂,几乎是瞬间,而摩擦后却是长时间的冷却。 

  综上所述,高压线与受电弓的磨损问题,我们最该担心的不是高压线,而是受电弓! 

  不难理解,只要高铁在跑,那么受电弓就会持续受到磨损,这种磨损实在是太可怕了,而解决方法如下: 

  一、从高压线入手 

  很多人都以为,高压线跟下方的铁轨是一直平行的,也就是尽量走直路。然而并不是,它是弯的,铁轨上空的高压线为“之”字形架设。 

   

   

  不难理解,高压线这种“之”字形架设,目的是为了避免受电弓特定的某处持续与高压线摩擦。轮流摩擦可让受电弓有“空闲时间”散热,磨损也会变得均匀,寿命也更长。 

  说起铁轨上方的高压线,不少人还有另一个疑问,在此一并说说。 

   

  铁轨上方的线有两根,顶部那根起到悬挂的作用,而下方的那根线才是与受电弓接触的线。 

    

图片来自Mcg410

  显然,悬挂的地方会有一个“结”,人们的纳闷是,受电弓岂不是要与那个“结”频繁碰撞?

  导致这个疑问的原因是:人们很少有机会近距离看到细节。 

   

  而细节是这样的。 

    

下方与受电弓接触的地方并没有一个结。 

  二、从受电弓入手 

  小时候,男生们做过不少恶作剧,其中一个是在水泥地面的教室里,用铅笔芯涂上黑黑的一片,然后期望走过这片区域的女同学或女老师滑倒,再冲上去扶她。 

  这就是说,石墨是一种非常好的润滑剂,最重要的是,它还导电! 

    

 箭头所指的地方为受电弓的“滑板”。  

    

而滑板通常由石墨制成,当然,它也可以是由其他有类似作用的材料制成。 

  石墨磨损较快,但这有什么关系呢?频繁更换铁轨上方的高压线会让铁路部门破产,但如果只是定期更换碳滑板,则方便易行,成本低廉。这也并不是说,行驶一趟就得更换一次,实际上,碳滑板的更换周期一般在两周左右,质量好的,可每月更换一次。 

  受电弓说起来简单,但其设计要求却是非常高的。因为…… 

  火车跑着跑着,受电弓就丢了,这样的事也不是没发生过。 

  坐在时速100公里的小车里,此时你若将头伸出窗外,则鼻子都会被吹歪。而高铁时速300公里,受电弓的风阻是非常大的,因此设计时很是有讲究,既要让其坚实可靠,还要让其尽量轻。 

  你若将受电弓设计成5吨重,大风是吹不走了,但升弓和降弓就会变得异常吃力。 

  会因为接触不良而产生电弧吗 

  这是肯定的,就像放烟花一样,可壮观了。 

  国外的一个视频展示了国外某辆火车施放“烟花”的过程。 

   

  国人乘坐高铁时,很少看到路过的高铁会放出电弧。这并不是说咱们的受电弓就不会与高压线产生电弧,而是由于技术的进步,产生电弧的概率比以前少得多而已。 

  要尽量避免电弧的产生,因为其会损害受电弓以及高压线。 

  相对于普通火车,高铁受电弓的设计要求要高得多,运行时,要努力让受电弓与高压线之间的压力恒定。 

  如果压力值偏小,就会造成离线,而离线瞬间会产生电弧,电弧会让滑板和高压线的表面变得不光滑,从而加剧磨损。 

  但如果压力值偏大,相应地,磨损也会随之增大,从而缩短高压线和滑板的寿命。另外,它还会带来更大的噪音,因为: 

   

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