大家耳熟的高鐵，不一定能詳。先來(lái)科普下。

　　高鐵是用電力驅(qū)動(dòng)的，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比，電力驅(qū)動(dòng)具有無(wú)污染、載客量大、動(dòng)力/重量比大等優(yōu)點(diǎn)。因此，世界上大多數(shù)高速列車都采用電力驅(qū)動(dòng)方式，即通過(guò)鐵路沿線的架空高壓線電網(wǎng)（我國(guó)都采用工頻單相2.5千伏電壓）對(duì)列車供電方式。而安裝在列車車頂沿著高壓線滑動(dòng)獲取電能的裝置叫受電弓。

　　中國(guó)南車四方公司副總工梁建英介紹說(shuō)，CRH380A采用動(dòng)力分散的電力驅(qū)動(dòng)方式，全列車頂安裝了4架受電弓，車下安裝了7臺(tái)變壓器，14臺(tái)變流器，56臺(tái)電機(jī)分別安裝在2～15號(hào)車廂的28個(gè)轉(zhuǎn)向架上。

　　CRH380A能量傳遞有兩種方式：牽引方式和再生制動(dòng)方式。牽引方式時(shí)，列車從架空電網(wǎng)獲取電能，再經(jīng)過(guò)多個(gè)車廂下安裝的變壓器、變流器等部件變換后給轉(zhuǎn)向架上安裝的電動(dòng)機(jī)。變壓器能將從受電弓獲取的高電壓電能轉(zhuǎn)換成將近2千伏的中電壓電能，變流器能將工頻單相中壓電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓可變的三相電源給三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)。

　　順便說(shuō)下，列車時(shí)速300公里運(yùn)行時(shí)，人均百公里耗電僅為3.64千瓦時(shí)，相當(dāng)于客運(yùn)飛機(jī)的1/12，小轎車的1/8，大型客車的1/3。

　　京滬高鐵全長(zhǎng)1318公里，這樣算下來(lái)，全程人均耗電約48千瓦時(shí)。

　　下面是詳解部分：

　　一、 高鐵列車的動(dòng)力來(lái)源是交流電還是直流電？

　　各國(guó)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。

　　但是，萌萌的意呆立除外。在高鐵電流制式這個(gè)問(wèn)題上，全世界都摸著意呆立過(guò)河。

　　二、 高速列車如何獲取電能作為動(dòng)力？

　　從電路角度來(lái)看，高鐵采取AT（自耦變壓器）供電方式。

　　高鐵能夠跑起來(lái)，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(jí)負(fù)荷，但德國(guó)是例外，德國(guó)高鐵電網(wǎng)有獨(dú)立于德國(guó)國(guó)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。如圖所示：

　　電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)

　　電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)，一句話簡(jiǎn)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(dòng)變頻電機(jī)使列車運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　下面分三點(diǎn)詳細(xì)解釋這三個(gè)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。

　　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(gè)變電站伸出兩個(gè)供電支，提供不同相的交流電，這就是“供電段”。

　　據(jù)此可認(rèn)為，鐵路供電是按照“供電段”來(lái)進(jìn)行劃分的。

　　供電段運(yùn)行模式

　　列車經(jīng)過(guò)兩個(gè)變電站的“供電段”時(shí)，先后通過(guò)A1-B1-A2-B2四個(gè)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(jì)，因此各供電支之間不會(huì)短路。

　　列車從一相運(yùn)行到另一相這個(gè)過(guò)程，叫做列車的過(guò)分相。電分相是線路上極短的一個(gè)區(qū)域，列車運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)分相瞬時(shí)完成。

　　因此，牽引變電所給架空接觸網(wǎng)供能的過(guò)程可以簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)，不斷完成過(guò)分相-受流的循環(huán)（供電段）的同時(shí)向前運(yùn)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(jiǎn)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(dòng)設(shè)備結(jié)合點(diǎn)。換個(gè)通俗的說(shuō)法，列車運(yùn)行過(guò)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(gè)高速列車，都是運(yùn)動(dòng)的。

　　弓網(wǎng)系統(tǒng)在高速列車牽引供電系統(tǒng)中的位置

　　弓網(wǎng)系統(tǒng)近照

　　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(guò)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(dòng)與變頻電機(jī)

　　PWM變頻電機(jī)通過(guò)弓網(wǎng)系統(tǒng)獲取電能，以此驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　接觸網(wǎng)上的高壓交流電，通過(guò)變壓器降壓和四象限整流器轉(zhuǎn)換成直流電，在經(jīng)過(guò)逆變器降至六點(diǎn)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(dòng)機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)車輪運(yùn)行。

　　高鐵輪軌系統(tǒng)外觀

　　高鐵變頻電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

　　高鐵轉(zhuǎn)向架外觀實(shí)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(jiǎn)介

　　弓網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　簡(jiǎn)單介紹一下弓網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

　　火車通過(guò)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(wèn)的接觸部分是否為金屬，即接觸部分的材質(zhì)問(wèn)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(jī)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(gè)過(guò)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(huì)極大地加劇磨損，加潤(rùn)滑劑也無(wú)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(zhǎng)條形的碳板以改善兩者之間的接觸性能，這個(gè)碳板就是受電弓滑板。

　　3.2 弓網(wǎng)材質(zhì)選擇

　　其實(shí)我覺(jué)得題主你問(wèn)到點(diǎn)子上了，但還差一點(diǎn)點(diǎn)就能成為極好的問(wèn)題。我們衡量一個(gè)系統(tǒng)用的可靠性時(shí)，總希望找一個(gè)或者若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它們能將危險(xiǎn)量化，在此基礎(chǔ)上將危險(xiǎn)分類。在弓網(wǎng)匹配中，這個(gè)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(gè)決定性的需求，在了解這個(gè)需求之后，你就會(huì)明白滑板的材質(zhì)問(wèn)題的由來(lái)：

　　這個(gè)需求叫做弓網(wǎng)配合。

　　當(dāng)然，弓網(wǎng)配合是個(gè)很大的課題，細(xì)化到答主的問(wèn)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(gè)其實(shí)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(huì)有磨損，也就有損耗。（小知識(shí)：在通過(guò)電流的時(shí)候，摩擦不僅是兩個(gè)物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閾诫s了電的作用。對(duì)于這種現(xiàn)象，有一個(gè)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(jī)械摩擦帶來(lái)的損傷更大）

　　因?yàn)槟Σ帘厝淮嬖?，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(cè)、維修過(guò)程中最容易完成的環(huán)節(jié)。

　　換言之，如果一個(gè)設(shè)備一定會(huì)發(fā)生故障，我們肯定希望故障發(fā)生在容易檢修的部分。任何設(shè)備都會(huì)老化、損傷。

　　因此，在設(shè)計(jì)包含摩擦副的設(shè)備時(shí)，我們會(huì)將容易檢修的那一部分的強(qiáng)度降低；對(duì)于不容易檢修的部分，則提高其強(qiáng)度。

　　這樣，設(shè)備故障時(shí)，故障更可能發(fā)生在這些強(qiáng)度較低、同時(shí)也是容易檢修的部分。這樣一來(lái)，檢修的成本與工作量大大降低。

　　這是一種將損害集中以方便處理的設(shè)計(jì)思路。

　　聽上去很不爽是吧？反正我第一次明白的時(shí)候整個(gè)人都不好了。。。腦洞再開大點(diǎn)，我們辛苦設(shè)計(jì)設(shè)備，就是為了讓它們壞得精彩么？

　　其實(shí)，從設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率方面考慮，這種設(shè)計(jì)是很合理的，鐵路的弓網(wǎng)系統(tǒng)就是一個(gè)很典型的例子。

　　比較一下列車接受電流的設(shè)備，也就是列車弓網(wǎng)的兩部分，接觸網(wǎng)接觸線和受電弓滑板：

　　接觸網(wǎng)的接觸線：

　　1）接觸網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，接觸線不可能憑空出現(xiàn)在半空，而是在接觸網(wǎng)下半部分，作為接觸網(wǎng)的一小部分，而接觸網(wǎng)本身是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)。

　　2）同時(shí)，一條接觸線往往很長(zhǎng)，檢驗(yàn)上km長(zhǎng)的接觸線上具體哪一小段受損，是非常困難、而且吃力不討好的事情。

　　3）如果接觸線上只有很小的一段磨損極為嚴(yán)重，更換的時(shí)候，若將整線拆除，花費(fèi)甚鉅。

　　如果剪下某一段，那么如何將這段接觸線接回去也是不小的問(wèn)題。因?yàn)榻佑|線是一個(gè)很敏感的系統(tǒng)，如果現(xiàn)場(chǎng)維修，簡(jiǎn)單的焊接會(huì)留下焊點(diǎn)，在一般的電路或許無(wú)關(guān)大局，但是，以300km/h時(shí)速運(yùn)行的列車，接觸線和弓網(wǎng)是高鐵是它唯一的供電裝置。受電弓和接觸網(wǎng)之間的接觸壓力，在100N左右。相對(duì)速度80m/s 的、精巧相互貼合的受電弓和接觸網(wǎng)之間，一個(gè)幾毫米的瘤子，必然會(huì)極大地影響列車供電甚至行車安全，這是不可能被容忍的。

　　受電弓滑板：

　　1）高鐵受電弓長(zhǎng)度一般不超過(guò)2000mm，受電弓滑板的導(dǎo)電部分在1000mm左右，出現(xiàn)任何故障，排查都十分簡(jiǎn)單、方便。

　　2）如果滑板損傷嚴(yán)重，直接更換即可。

　　3）受電弓滑板隨車運(yùn)動(dòng)，而不像接觸線隨鐵路翻山越嶺，考慮到深山老林中接觸網(wǎng)維修環(huán)境，也毋須贅述。

　　對(duì)于接觸線和受電弓滑板和列車弓網(wǎng)系統(tǒng)，容易檢修更換的，肯定是滑板。

　　工程中采用的設(shè)計(jì)思路是：保證滑板材料不如接觸線材料耐磨，再具體一點(diǎn)，就是合金接觸線+碳材料滑板的組合。

　?。ɑ宀馁|(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(zhǎng)，年是基本單位，狀況好的運(yùn)維個(gè)十年二十年；

　　相對(duì)的，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(gè)月的。

　　3.3 危害

　　如果是，高鐵300km的時(shí)速，兩個(gè)金屬相摩擦，肯定會(huì)產(chǎn)生火花，這不是很危險(xiǎn)嗎？

　　你能看到的電火花，其實(shí)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(huì)愈發(fā)明顯。