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淺談台鐵之電氣架電設備

台鐵西幹線中,從花蓮到蘇澳新站之北迴線、蘇澳至八堵之宜蘭線及基隆至屏東、高雄至前鎮車場,都已經實施電氣化,而架空電欖也有許多鐵道迷在探討及研究,台鐵也曾出版有關架空電纜的研究書籍。
  在電化線鐵路上,若有架空電纜(即空中供電,而非地面供電),則遠觀會看到電氣化的相關設備,如電桿、電車線、主吊線及吊線等,但實際上,一根電線桿上仍有許多元件,如:
一、電桿:提供支撐架電線之固定裝置,由水泥所構成,亦有鋼構。
二、固定臂:突出於電桿外,上有礙子,可以防止漏電,通常與軌道垂直。
三、懸臂:用斜吊線懸吊於固定臂上,一端和電車線相接,使電車線固定於電桿上。
四、主吊線:不供電之軟線,和吊線垂直,但實際上是不垂直,而是向下微彎,以防止應力過大而斷裂。
五、吊線:連接接觸線和主吊線,可將接觸線吊起。
六、扣件:吊線和接觸線及主吊線之接連零件。
七、接觸線:為有帶高壓電之電線,分交流或直流,通常電壓在25000伏特(V)或25千伏(KV),若係為交流電,則為-12500伏特及+12500伏特,其材料為硬銅線,和列車集電弓的碳刷相接觸,以供應列車電力。
八、斜吊線:懸臂和固定臂連接線。
九、接地線。
十、跨軌地線。
十一、止風線。
十二、張力裝置:以重塊及滑輪組拉緊電車線的裝置,以防電車線受到熱脹冷縮的影響,並維持接觸線的水平。
十三、回流線:直流電區間使用並聯饋電和電車線平行,由變電站輸出後,約250公尺或500公尺就匯入電車線中,若在交流電,則電車線電力就會經由列車導至地面,並由吸上線吸到回流線回到變電站,這是用以確保電流能在回流線中,以防止交流電所產生的電磁效應干擾地面信號裝置。

  電車線是懸在鋼軌上的,而且必須要和鋼軌隔一段距離,這個距離會隨著線路所在地域的不同,而有所改變,如在隧道內,電車線會降低(接觸線淨高變低),在平交道,電車線會升高(接觸線淨高變高),但是不論在何處,接觸線都得維持一個水平,才能順利讓集電弓通過,而保持水平的方式,就是以張力裝置來達到目的。張力裝置原理如下圖,以台鐵為例。

  台鐵是以水泥塊的方式,吊掛在電桿邊,以齒輪組的方式,將電車線往下拉,因重力關係,所以電車線會被拉直,達到水平狀態,但是並不是所有電車線都需要張力;如果電車線長度小於600公尺(M),則兩端只需固定在電桿即可。若電車線長度超過600公尺,小於1000公尺,則需在一端裝上張力重物;如果超過1000公尺,就兩端都要裝設。下圖為張力之照片,攝於岡山站南方。

  就電車線與集電弓的關係而言,接觸線是直接和集電弓相接觸,也是有帶高壓電的,如果注意看接觸線,會發現,它即使在路線的直線段,接觸線也不是直的,而是之字型的,控制接觸線彎曲的部分就是懸臂,懸臂會開口向右、開口向左不斷變換,而使得接觸線彎曲。之所以會彎曲,是讓接觸線能平均施力於集電弓上,若接觸線沒有呈之字型,那接觸線就會在集電弓之一處不斷摩擦,進而摩掉集電弓上的碳刷,造成缺口,並因磨擦生熱而產生火花,燒毀接觸線,下圖粗黑線條就是接觸線。

  下圖的區間是直線段,拍攝於岡山車站南方的變電站,注意懸臂的開口,是一左一右的,而且接觸線跟著左擺右擺。

  當路線有轉彎時,如果鐵路是右轉,則懸臂開口向右;如果鐵路左轉,則懸臂開口向左,使電車線呈多邊形彎曲,但是不能離開集電弓之接觸範圍,否則會斷電。

  台鐵的電化路線以西幹線來說,基隆-屏東間,就超過300公里長,如果一個地方的供電線路出現異常,可能會導致全電化鐵路都受影響,因此台鐵(高鐵亦如此)將全台之電氣化路線,區分成若干個區間,大約20公里,設一個區段。中性區間就是電化路線中最重要的區間,一般設在交流電與交流電間之變電站、交流電與直流電之隔開點及交流電本身的變電站,中間為一個絕緣段,並於路邊出現「預」、「切」、「復」三支預告牌。

  其中的「預」代表是預備切電的意思,在傳統的電化區間,電車必須降弓,然而台鐵的中性區間有一帶狀絕緣帶可以供集電弓接觸,所以現在過中性區間已經不用降弓了。「切」及「復」是兩面的告示牌,「切」的後面是「復」,「復」的後面是「切」,而「預」只有單面。當列車來到切電段,駕駛必須關閉列車之電門,慣性通過中性區間後,於「復」之後開放電門。而切電時,車箱中最直接的感受就是冷氣突然間關閉,燈光變暗等,直至通過中性區後才恢復,台鐵之中性區長度約五公尺左右。
  在比較新型的電車,則在通過中性區間時,以電磁感應方式,和路上之磁電開關相感應,而關閉車上之電門,通過中性區間時,再以磁電開關開啟,而不用手動方式關閉,唯台鐵之駕駛因擔心裝置發生異常而致不關閉,仍用手動關閉;而台灣高鐵則使用自動關閉/開啟之方式通過。

  磁電開關如上圖,可以看到路線兩邊都有一個黃色盒子,其中性區間之起點及終點各有一組,即單向就有兩組,可以自動關閉或開啟列車之電門。
  當火車過中性區,集電弓仍保持與接觸線接觸,即便來到絕緣段,集電弓仍是舉起的,然中性區本身是不帶電之路段,因此通常不設在車站附近,以防止火車速度不夠快,無法產生慣性而集電弓落在中性區間。如果不幸列車停住的區域正好在中性區間,只好自別站調用救援機車頭拖救了。中性區間之電車線會如下圖所示(攝於高雄南)。

  高雄車站南方的為兩個電力區間之隔開點,無供電設備,所以構造較為簡單,僅只一根電線桿、架上中性區間,並於旁邊設立一吸上線,饋電線、斷電匣柄等,斷電匣柄是用來區分兩供電區間的,如果中性區間發生異常,則將匣柄接上,讓前後兩端的電力得以相接,下圖電桿頂端高舉之棒物即為斷電匣柄,可看出為斷電狀態,而和吊線相接之電線為饋電線(回流線)。

  中性區間之兩端可有相位差之區別,若在變電站之前後,集電弓通過之區段,電壓可能從-12500伏特轉成+12500伏特,這麼大的轉換,會使列車的供電系統燒燬,甚至引起巨大火花,因此才須以中性區間相隔離。若係屬變電站,則中性區間就較複雜,如岡山車站南方,即為變電站。列車由帶電區間通過無電區間後,因切電關係,會有火花出現,而在復電段,也會有火花,並會產生「卡」聲響。

  下圖為電力機車頭通過中性區間的瞬間,當時也是有產生火花的,可惜時機沒有抓到,追焦時,集電弓已經進中性區間了,攝於岡山車站南方,近ATS標600公尺處。

  下圖為中性區間的基本原理,可以看到吸上線會將地面電力導回回流線,而接觸線在中性區間後,就有絕緣裝置將之斷電,其斷電方式就是用絕緣材料來區隔兩端的電力區間,為了讓集電弓能順利滑行,不用礙子,而用兩條平行之管狀材料取代。


  高雄縣市合計有三個中性區間,最北方是岡山車站南方,第二個在高雄車站南方(臨港線與屏東線分歧點),第三個在九曲堂車站北方(以路線之相對位置,而非緯度),而九曲堂車站和岡山車站南方之中性區間一樣,係屬於變電站,唯中性區間和變電站之位置並不同處,而相隔二百公尺,故中間以回流線相連接,其回流線的起點設於中性區間,終點設於變電站,下圖攝於九曲堂北方,可以看到電桿最外側之回流線。

  九曲堂北方的中性區間如下圖所示,可以看到,固定臂上是有礙子的,如果是變電站本身就是中性區間,則固定臂上面就不用裝上礙子了。

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