列车车顶系统必须可靠地传输高压电力。

趋势

严苛环境下仍然可靠

列车车顶系统必须可靠地传输高压电力,以确保列车高速安全行驶。作者:Elizabeth Da Silva Domingues 博士,高压铁路工程经理

列车车顶系统必须能够在各种恶劣条件下正常工作。 在恶劣条件下,系统的一些重要元件尤其容易损坏,如开关装置、绝缘子、车间电缆、浪涌放电器、衬套和下引线。这些元件由于置于列车顶部并与变压器相连,因此必须能在恶劣条件下以 25 kV(或 15 kV)的电压可靠地输送电力,确保乘客安全及列车稳定运行。通过知晓对车顶系统防护不利的风险,并了解优化这些系统的性能和设计的各种选择,列车制造商能够延长列车的生命周期并避免不必要的服务中断。

恶劣条件

列车车顶系统必须能够在以下任何条件下正常运行:

  • 机械冲击和振动
  • 潮湿、污染、盐雾空气、高速气流
  • 高海拔和温度骤变
  • 高电应力 – 电场集中、开关瞬变、谐波和闪电过压

车顶系统出现故障的原因通常是闪络(电弧)。 以下两种情况下可能发生闪络:一种情况是三个点(金属、固体绝缘物、空气)处的电场变强,超出了外部绝缘物抵御应力的能力(击穿间隙距离);另外一种情况是绝缘表面发生导电(击穿漏电距离)。在这两种情况下,空气均会以电弧形式带电。带电元件与接地点或与列车车体间因而发生短路,结果直接导致断电。当下列两个环境条件中的一个存在时,发生闪络的可能性会增加:当某个电场集中时,或当外部绝缘的介电强度变弱时。第一种情况源于车顶系统元件设计不合理或保护不当;第二种情况源于压力或湿度/污染等多种因素的共同影响。 

通过合理使用并正确安装高质量的绝缘材料,列车制造商能够避免车顶系统故障。

随着电气化铁路(如高速铁路)系统在全球的快速发展,对车顶元件的保护变得更加复杂。 例如,跨越不同气候环境的线路(例如一条横贯欧洲、亚洲和中东的线路)必须能够耐受剧烈的大气变化:极端温度、高湿度、高海拔、高污染水平,或者这些因素的综合影响。当绝缘子或端接表面暴露在既潮湿又有污染的环境中时,这两种因素会共同导致电流泄漏,从而增加发生闪络的可能性。这两种因素共存时还会使高压系统更容易发生内部击穿。在高海拔、低气压环境中,系统周围的空气分子间隙较大。电子因此能够产生更多动能。根据帕邢定律,这会降低在特定间隙内生成闪络的电压条件,导致车顶系统更容易发生故障。

当暴露于极端气候条件下时,车顶系统需要采用高性能绝缘材料应对大气突变。
当暴露于极端气候条件下时,车顶系统需要采用高性能绝缘材料应对大气突变。

大量可变因素让保护车顶系统成为一个复杂的难题。 由于每条铁路线都是独一无二的,“一刀切”的方法既不可行,也不经济,因此列车制造商必须根据各条线路的工作环境来建立可靠的电力系统。电力系统直接影响到元件在生命周期中的性能。比如,绝缘套管在高速气流的冲击下可能弯曲变形,从而影响性能。再如,车厢的相对运动会导致三轴机械弯曲,影响跨列车车厢间隙输送电力的高压跳接电缆的性能。若不加以重视,这种冲击和振动可能中断电力传输。这些循环发生的机械负载必然导致电缆以及与电缆相连的设备(例如绝缘子支架或高压电缆端子)发生磨损。这进而会影响系统可靠、有效地传输电流以及提供高压耐受性的能力。为避免这种情况,必须慎重考虑整个系统各电气和机械元件间的连接。

车顶系统所用材料的质量在恶劣条件下会对性能产生重大影响。 某些连接器(例如螺母、螺栓、支架和编织连接器)常常只选最便宜的使用。但请务必记住,这些低成本连接器所采用的材料容易发生腐蚀,而腐蚀会在绝缘子表面快速蔓延,进而导致贵重的铜质连接器受损。一旦发生这种情况,整个系统的电气和机械性能都会受到影响和削弱。这种错误的一个例子是在铜质连接器上使用低等级的螺母,并且不在二者之间插入合适的隔离元件。这种错误对连接造成了无谓的损害。通过合理使用并正确安装高质量的绝缘材料,列车制造商能够避免车顶系统故障。此类故障包括性能降低,以及因所用材料不适用于极端条件下的高压用途而导致的过早退化。

最大程度提升铁路性能(英文版本)

从可以感知应力和极端条件的智能材料到确保铁路系统保持最佳性能运行的材料科学进步,TE 的绝缘和保护产品组经理 Brian McGowan 向我们讲述了 TE 如何打造可最大程度提升铁路性能的新解决方案。

列车制造商面临着严峻的挑战。 列车需要为乘客提供舒适的乘坐空间,在降低电耗、提高速度的同时高效行驶,并始终保持可靠运行。为了优化车顶系统的性能,列车制造商可通过实施下列某种方法最大程度降低停电的风险。

1

有限元分析

借助此方法,列车制造商可以预知元件在系统生命周期的整个过程中将遇到的电气和机械应力,从而识别和弥补系统中的弱点。

2

单一子系统采购

此方法可让列车制造商将风险外包 — 利用高压系统专家的知识应对风险。为了降低成本,列车制造商往往从众多第三方供应商采购次要元件,然后在内部进行组合。这种做法忽视了“元件无论主次同样重要”的事实。例如,如果没有将简单的连接器和结构指定为工程元件,那么危及的将是整个高压系统。从一家供应商采购所有元件可实现全面周到的系统设计,使系统作为一个整体运行,并适应特定铁路线路的独特运行条件。虽然许多列车制造商拥有设计自有系统的专业知识,但与专业供应商合作有助于确保价值较低的车顶元件的规格准确无误,例如铜编织线或铜棒、紧固件(螺母、螺栓和垫圈)。

3

削弱电场

可通过三种合理的设计方式降低电场强度。第一种方式是加大带电元件与列车结构的间距(这不一定意味着增加高度),此间距称为间隙和漏电距离。采用此方法时必须正确、有效地遵守所有技术规范。第二种方式是使用圆形及平滑形状的元件,因为尖的表面会聚集带电粒子,导致电场强度提高。第三种方式是在暴风雨条件下快速排水,因为水流会严重降低耐电性(缩短间隙距离或漏电长度)。

总结

铁路运营商、列车制造商和铁路供应商通过合作,在列车特定路线的环境条件下保护车顶系统,可以确保列车在任何条件下均按预期运行,并且,倚仗列车正常运行的人员将能够即时获得所需的服务而不会中断工作。