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台灣鐵路架空電車線系統

前台鐵正逐步推動環島鐵路電氣化,除了在十大建設時期即已興建完工的西部鐵路電氣化外,宜蘭線(八堵-蘇澳)、北迴線(蘇澳新站-花蓮)、台東線(花蓮-台東)及屏東線(高雄-潮州)等皆已完成電氣化。尚無電氣化之區間為屏東線及南迴線之潮州至知本,也將納入未來改善的範圍。環島鐵路電氣化完工後,全台灣將僅剩支線鐵路,如:平溪線(三貂嶺-菁桐)、內灣線(竹中-內灣)、集集線(二水-車埕)及深澳線(瑞芳-八斗子)為非電氣化路段。

電氣化鐵路
  如果要納入台灣鐵路局以外的軌道設施,則台灣高速鐵路、台北捷運、機場捷運、台中捷運及高雄捷運、高雄輕軌都可以算是電氣化路線,只是供電的方式不太相同罷了。
  以高雄捷運來說,使用的是不太會影響隧道斷面及淨空的第三軌供電,也就不需要安裝集電弓及構築架空電車線。
 
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  比較特別的是高雄輕軌,使用超級電容蓄電並於車站內充電,走行時列車不需要架電設備,靠蓄電池的電力運行至下一站。
 
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  台灣高速鐵路之700T型列車在主線上行駛速度容許在每小時200公里以上,為了防止集電弓離線,因此主線之架空電車線採用複合式。
 
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  台灣高鐵之側線、養護基地及電工基地等線路,因列車行駛速度不快,所以架空電車線採用簡單式。
 
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  這兩種架空電車線的施工及架設方式是不相同的,當然也會影響到興建及維護的成本。不論是簡單式或複合式,其電車線高度約為五公尺(自軌面起算),隧道、跨線橋及飛航管制區另有相關之高度規定。
 
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  台灣目前的電車線系統可以分為鏈式垂懸式、剛性垂懸式及地面第三軌供電,其中鏈式垂懸式還可分為簡單式及複合式,台灣高鐵這兩種皆有使用。
 
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  至於台灣鐵路局所轄鐵路,因為時速最高為130公里,故以簡單式架空電車線為主,本篇文章亦是以此種架空電車線為探討。

架空電力設備
基本概念  
  其實台鐵的電力設備,簡單地被規範於《鐵路修建養護規則》第二章第十節《電力》及第三章第二節《電力設備之養護》。
  電力設備,指下列各種設備及其附屬裝置(§79):
一、發電設備。
二、輸電設備。
三、變電設備。
四、電車線設備。
  就台鐵而言,電力由台灣電力公司供應,經由輸電設備輸送至各地之變電站,再由變電站轉換成25000伏特之交流高壓電,送至電車線設備。亦可以說,台灣鐵路局本身不具有發電設備及輸電設備,但變電設備及電車線設備則有設置。
 
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  台鐵的架電設備大致如下圖所示,若在常見的雙線區間,其懸臂總成一邊為推式,一邊為拉式。之前TEMU1000(太魯閣自強號)造成三角架損壞,此三角架即是由頂管及斜管組合而成。
 
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  跨軌地線會和電桿垂直地線接在電桿底座的螺栓上,之後再分歧而出,下圖即為跨軌地線與電桿地線之接合點。
 
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  屏東線鐵路高架化後所使用之300電桿,為白色的圓柱形鋼管,與早期灰色的混凝土桿有很大的不同。
 
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  此外門型架因為必須承載較重之結構,因此使用400之電桿,同樣採用白色之圓柱型鋼管施作而成。
 
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  主吊線,也可以稱為吊架線,由七條連續鎘銅之絞線所撚成,其截面積為49.5mm2。主吊線必須連續抽出,不得接續(銜接)。
 
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  台鐵曾調查其主吊線脫落造成的故障,佔整體電車線故障之五成以上(2006年~2008年,故障率51%),故主吊線強化是其主要課題。強化方式主要是將主吊線抽換成截面積95mm2之硬抽銅絞線(Hard-drawn Copper)。由於主吊線有熱脹冷縮特性,因此截面積取95mm2 ±3。
 
wire-temp2.png
  在主吊線與接觸線之間,呈垂直方向排列之數根吊線稱為副吊線(Dropper),亦有稱為副吊架線者。其材質由細鐵絲所構成,下方有夾頭以夾住接觸線。
 
 
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  在電車線結構最下方,幾乎與主吊線平行的銅線為接觸線(Contact Wire),它會直接與集電弓之碳刷接觸,將高壓電送至車內變壓後供應列車之動力及各機電系統。
 
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  接觸線材質為硬抽銅,根據台灣鐵路局之規格,其外徑為12.24mm±0.16mm,截面積為107mm2±3%。為了使夾頭可以固定住接觸線,其左右兩側偏上方處各有一溝槽,使正面看去並非圓形。
 
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  吊橋的吊索並不是直線的,而是呈現「抛物線」之模樣:愈接近橋塔,高度愈高;反之,愈接近橋中心,高度愈低。電車線設備之主吊線亦是如此,如果主吊線為完全的直線,將會與副吊線呈90交角,依三角函數之定義則tan90為無意義,其力量可以主吊線拉斷。
 
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  電車線系統高度,係指電桿支持物等處主吊線與接觸線之高度,目前台鐵對於電車線系統高度,定為120公分。然而在跨站式車站下方、隧道或跨鐵路陸橋下方因淨空不足,其電車線系統高度也會縮小至60公分,甚至以剛性懸掛取代。
 
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  不同的淨空需求,所使用之懸臂組也會不同,以應付隧道、地下化區間或跨站式站房的淨空較不足之處所。
 
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  在國外,如歐陸之德國、法國及俄國,部分車站路段因股道較多,使用軟式的接觸線門架,台灣鐵路局及台灣高鐵目前仍以剛性為主。
 
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  台鐵目前亦有實施剛性懸掛的路段,如南港-汐科車站間新闢之第三軌地下隧道內及北迴鐵路部分隧道內。
使用剛性懸掛之優點:
一、供電效率高、集電弓不易發生離線。
二、不需要施作主吊線及副吊線。
三、不需要施作自動張力裝置,可縮小隧道斷面。
使用剛性懸掛之缺點:
一、施作成本較為高昂。
二、重量較重,支架使用量較多,不適合在地面路段使用。
三、彎道半徑太小則不適用。
四、對集電弓之碳刷磨耗較大。
  台灣鐵路局目前所使用的導電軌為「π」形,外框架為鋁合金所製作,硬抽銅材質之接觸線被框架夾於下方。
 
cable-wire.png
  日本東京的地下鐵,部分隧道因淨空不足,也採用剛性懸掛的方式架電車線,如東京地下鐵日比谷線。
 
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  由於剛性懸掛下方之接觸線長度有限(長度限制1600公尺以下),因此導電軌必須採用漸變之方式(重疊區間),將集電弓以不離線的方式轉換到下一導電軌。兩導電軌之間以跨接電纜相連接,使下一段導電軌可以接續供電。
 
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  電車線依行車速度及次數分類如下(§81):
一、行車速度每小時在一百公里以上及行車次數每天在一百次以上者為第一類。
二、行車速度每小時不及一百公里及行車次數每天不及一百次者為第二類。
  就普遍而言,實施電氣化之幹線屬第一類電車線,不論是東正線或西正線。側線、支線甚至是副正線,因時速較慢,大多被歸類為第二類。典型有道岔之車站就如下圖,包含了正線、副正線及橫渡線。
 
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  電化鐵路變電站之輸入及輸出電壓以電業機構之供電能量及電車線之標稱電壓為原則(§53)。
  目前台鐵電氣化鐵路及台灣高速鐵路所使用之電壓為25000伏特之兩相位交流電,對於施工及列車而言較為單純;至於日本則交流電、直流電皆有使用。常見的單相交流電,其正弦波如下圖所示。
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  架空電車線之高度,自容許變動之兩軌面中心點算起,其高度依下列規定(§55):
一、站內:五公尺。
二、站外:四七公尺。
三、平交道:五四公尺。
前項高度對既設之隧道、橋樑及跨越鐵路之陸橋、天橋,得減至四四二或四五八公尺。架設在平交道之電車線,如因特殊狀況不能保持其規定之淨空高度者,應於平交道兩側設置限高門及警告標誌。
  容許變動之兩軌面中心點算起,指的就是內軌與外軌之間的中心點,軌面則是指鋼軌的踏面,也可稱之為軌道面。
 
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  電化鐵路平交道在特殊情形下所設置的限高門,為鋼材組裝而成,上方會標示著限制高及列車行駛方向LED看板。下圖之平交道限高為四二公尺,較規定之五四公尺低很多。
 
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  電氣化鐵路中,台鐵變電站將電力輸送至電車線系統,並由列車集電弓將電流傳送至車內變壓器供列車動力。電流透過車輪傳送至軌道(迴流軌),再經由連接線接至回流線回到變電站,構成一個完整的迴路。
  迴流線會架設在整個電力系統的外方,包括車站常見的雙柱甚至多柱門型架。如果因地形因素僅能設置單柱門型架,另一側之迴流線會另設鋼架架設在門架外方。
 
 
 
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  以宜蘭線鐵路侯硐至三貂嶺路段為例,由於此段貼近基隆河岸,路幅較窄無法在兩側安裝電桿,只能設置單柱門型架。
 
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  架空電車線對軌道之坡度,在列車容許速度超過每小時一百公里之區間,不得超過千分之四,超過千分之二坡度者,應在坡度區段之兩端設置遞減坡度桿距,其桿距間之遞減坡度以不超過千分之二為準。
  列車速度不超過每小時一百公里之區間,其電車線坡度及遞減坡度桿距間之坡度,以不超過千分之五或千分之二點五為準(§57)。
  由於電車線高度在站內、隧道內、跨鐵路橋或平交道之高度都不相同,因此就會有相對於軌道面之坡度。列車速度快則集電弓在電車線坡度變化過大時易發生離線現象,因此才會有相對坡度不得超過千分之四之規定。遞減坡度桿距係指透過增加電桿的數量,來減緩電車線的坡度變化量。
 
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電車線偏倚量  
  架空電車線與軌道垂直之中心線之左右偏位以零點二公尺為準(§56)
 
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  由於集電弓必須與電車線之接觸線直接接觸,若接觸線長時間在集電弓碳刷上固定點摩擦,就
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