一列高铁动辄以每小时三百公里的速度飞驰,每小时要消耗的电能相当可观,那么它究竟是像电动汽车一样到站后补电,还是在行驶途中不断“充电”?如果头顶的供电线路出了问题,这列庞然大物又会怎样?
答案其实比“充电”更直接:绝大多数高铁和电气化列车并不依靠车载大电池长途奔跑,而是一边运行一边从外部取电。这意味着它几乎每一秒都离不开头顶那根线,一旦线路出现故障,列车就会立刻失去动力,停在原地。
高铁采用电动车组编组,动力来自交流电,电能由整套供电系统提供。这套系统主要分为牵引变电所和接触网两部分:牵引变电所先从电网受电,经过降压等处理,再通过架设在线路上方的接触网向列车输送电能。
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车顶的受电弓始终贴着接触网滑行,把运行所需的电能源源不断地引入车内。
以CRH1型动车组为例,受电弓从接触网获得25千伏、50赫兹的高压交流电,经车底主变压器转换为900伏交流电,再由网侧变流器变成1650伏直流电,最后经牵引逆变器转换为电压和频率均可调节的三相交流电,驱动牵引电机,完成从电能到机械能的转变。
整个过程是在列车奔跑中实时完成的。
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这种取电方式的代价同样可观。按常见的估算,一列高铁每小时耗电约9600度,电费在票价中的占比可达三成左右。
电能如此关键,列车与头顶那根线之间又如此紧密,供电线路是否可靠,就直接决定了列车能不能跑、跑多快。美国东北走廊近年的遭遇,恰好提供了一个反面例子。
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2024年6月20日,美国铁路公司(Amtrak)东北走廊上一段约150英里(约241公里)的线路突然断电,持续近三个小时。这条走廊是全美客流最密集的铁路通道,停电期间整段线路上的列车全部停运。
第二天早上,一列列车在纽约宾夕法尼亚车站失去动力,走廊再次中断。
在此之前大约两个月里,Amtrak的供电系统已经故障十多次。频繁到什么程度?
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有人打趣说,只要在搜索引擎里敲下“东北走廊停电”几个字,几乎总能查到一次刚刚发生的新停电。对于一条承担大量通勤和城际客流的干线来说,这样的稳定性显然难以接受。
这类故障近几年越来越多,夏季尤其明显。2023年所有延误的列车中,约30%是热浪造成的。
照这个趋势,如果气温继续走高,东北走廊的运营状况还会进一步恶化。归根结底,美国最大、也可以说最重要的客运铁路基础设施,在很大程度上依赖一根电线,而这根电线的状况相当糟糕。
在谈这根电线之前需要说明,从某种程度上讲,热浪对世界上任何铁路都会造成麻烦。最常见的问题出在钢轨上:钢材受热膨胀,可能形成“胀轨”,也就是轨道意外发生弯曲变形。列车若以过快的速度驶过这样的路段,就可能脱轨,直接危及乘客安全。
理论上,这种情况本不该发生。铺设轨道时,钢轨都经过应力测试,确保能承受当地典型的气温条件。
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但过去几年气候发生了变化,异常炎热或持续时间过长的热浪越来越多,原先的设计标准就显得不够用了。于是,遇到这类天气,列车通常需要遵守一套额外的运行规定。
按照Amtrak的做法,钢轨温度超过华氏131度(约55摄氏度)时,为谨慎起见,列车最高时速限制为100英里(约161公里);超过华氏140度(60摄氏度)时,再降到80英里(约129公里)。
这样的降速并非美国独有,欧洲、亚洲和澳大利亚的铁路也会因高温采取类似措施,因为大家面对的是同样的物理规律。
不过,在钢轨受热这件事上,美国与其他国家的处境大体相同。真正让东北走廊在夏天频频“趴窝”的,是另一个更具地方特色的问题,它不在列车脚下,而在列车头顶。
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在东北走廊,尤其是纽约至华盛顿这一段,薄弱环节是轨道上方那一堆纵横交错的线缆,也就是接触网。前面说过,电力列车依靠受电弓从接触网上持续取电,这根线一旦断电或损坏,再先进的列车也只能停下来等待抢修。
这段线路的供电系统颇为特殊。它是上世纪20年代由当时的私营铁路公司自行建设的,采用25赫兹的孤立供电系统,与CRH1等现代列车普遍使用的50赫兹工频供电不同,也无法简单接入公共电网。
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历史上各家私营铁路各自为政,Amtrak接手后又长期缺乏资金,这套系统因此既难维护,也难升级。
接触线本身的状况更让人担忧。这根线约80年没有被彻底更换,在评估中可靠性只得到1分。对于一条每天承载大量列车的繁忙走廊来说,用这样一根老化严重的线支撑全部运营,出问题几乎是迟早的事,而炎热的夏天会让这些隐患集中暴露。
更麻烦的是,这根线即便在全新的时候也算不上好。从物理角度看,这套有百年历史的线缆在安装时根本没有考虑过高速列车,1920年代的人很难想象日本新干线那样的列车。
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所以,就算这根线没有老化,它也会限制列车速度,夏天尤其如此,原因可以概括为“下垂问题”。
现代高速铁路的接触网都经过精心张紧,具体做法是在线缆末端挂上一组配重,持续把线拉紧。高铁之所以能在高速运行中稳定取电,很大程度上就依赖这种恒定张力。如果没有它,线缆在高温下会热胀伸长并向下垂,由此带来几个严重问题。
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第一个问题与波的传播速度有关。受电弓高速滑过时,会在接触线中激起波动,这些波必须比线下的列车跑得更快,否则线中可能形成驻波,导致接触线断裂。线缆没有张紧时,波速会变慢,速度足够高的列车就可能把线扯断。
这正是没有恒定张力的老式接触线天然限制车速的原因。天气越热,线越松,波速越慢,列车能安全通过的速度上限也就越低。换句话说,东北走廊的列车在夏天被迫放慢脚步,不只是为了照顾受热的钢轨,也是为了照顾头顶那根越来越松的线。
第二,下垂的线缆容易缠上列车本身,一次事故就可能同时毁掉接触线和列车。第三,下垂的线缆也很难看。
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当然,最后这一条更多是调侃,前两条才是真正影响安全和运营的原因。对一条依靠实时取电的线路来说,线一旦出事,整条走廊都会跟着停摆。
Amtrak至少在五十年前就已经知道这个问题。迄今为止最实质的一次进展,是2011年获得的一笔拨款,原计划为23英里(约37公里)接触线加装张紧装置。但这个范围很快被缩减到14英里,最终实际只完成了7英里(约11公里),其余部分被搁置。
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按照每五十年改造7英里的速度推算,要把整个问题解决,大约需要一千五百多年。放在美国公共交通的大背景下,这甚至还算得上一种“完美结局”:问题理论上终究会被解决,只是要等上十几个世纪。
高铁并不是到站后集中充电,而是在运行中通过受电弓从接触网实时取电,经过变压、整流、逆变等多道转换驱动电机。每小时近万度的耗电量,全部要靠头顶那根线一刻不停地输送,这也决定了供电系统的可靠性就是列车运行的生命线。
东北走廊夏季频繁停电和延误,因此并不只是天气太热造成的。
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高温会让全世界的钢轨膨胀,也迫使各国列车降速,但纽约至华盛顿段多了一层独有的脆弱性:一套上世纪20年代自建的25赫兹孤立供电系统,一根约80年未彻底更换、可靠性仅评为1分的接触线,以及一种没有张紧装置、遇热就会下垂的老式结构。
历史上私营铁路各自为政,Amtrak接手后又长期缺乏资金,使这套系统既难维护,也难升级。只要这根线没有被真正替换,热浪带来的停电和限速就很可能继续反复出现。
对于所有依靠边跑边取电的列车来说,头顶那根线看似不起眼,却决定着整条线路能否正常运转。
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