列車供電
列車供電系統（英語：Electric train supply，簡寫為ETS；也稱Head-end power，簡稱HEP）是旅客列車上的集中供電系統，按供電裝置的位置可分為機車直供電和電源車集中供電，輸出的電能用於列車上的照明、空氣調節及其他電氣設備，但目前仍然存在客車自帶柴油發電機供電的現象。向列車供電的最早嘗試於1881年10月由倫敦、布來頓及南岸鐵路在倫敦至布來頓的旅客列車上實施[2]，但當時只是用於客車照明，後來又衍生出對列車空氣調節系統的供電。[3]
歷史
[編輯]列車供電的手段最初因照明需要而產生，此前依靠油燈的照明手段自1842年開始在列車上應用。[4]其後的經濟發展使得蘭開郡和約克郡鐵路在1870年開始用煤氣燈代替油燈為列車照明，但一次列車上的氣缸爆炸使蘭開郡和約克郡鐵路公司停止了這一試驗。[4]同年，油氣燈開始用於列車照明，而用電燈為列車照明的手段自1881年10月起實行[2][4]，當時的照明系統使用十二個斯旺式碳絲白熾燈與由32個鉛酸蓄電池所組成的可充電池組相連，可連續照明6小時。[2]
1881年，北不列顛鐵路在一台蒸汽機車上使用一台直流發電機為客車提供照明用的電能，此舉成為機車供電的最早實踐，衍生出列車集中供電的概念（後來稱head-end power）。但由於消耗的煤、水過多，這一系統被淘汰。1883年，倫敦、布來頓及南岸鐵路的三列旅客列車開始通過車軸驅動直流發電機的方式供電，為守車內向燈泡供電的的鉛酸電池充電，此舉成功實現了列車上的電燈照明。[2]
1887年，美國的佛羅里達特快號和芝加哥號列車通過在行李車上安裝蒸汽發電機的方式[5]為列車所有車廂的電燈提供電能，從而開創了電源車集中供電的手段。[6]
當時油氣燈的亮度因大於電燈亮度而更為盛行，但1913年9月米德蘭鐵路的兩班列車在艾斯吉爾發生傷亡慘重的相撞事故，鐵路系統隨即開始逐步用電燈替代油氣燈為列車照明。[2]
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在蒸汽時代後期和內燃時代的初期，旅客列車通過機車提供的低壓飽和蒸汽供暖，用於照明和通風的電能則由通過車軸發電機或車底柴油發電機充電的電池提供。自20世紀30年代起，鐵路客車上開始配備空氣調節系統，空調由車軸上的機械動力輸出裝置，小型獨立發動機或吸附式製冷裝置驅動。
照明、取暖及獨立空調的配備增大了維修人員的工作量，後來的列車供電技術使得這些功能以及水爐之類的其他設備依靠同一供電裝置運作。20世紀後期，由於電源車軸重不能完全滿足列車提速的軸重要求，再加上電力機車的進一步發展，電力機車集中供電、分散變流的供電方式應運而生。[7]
列車採暖與列車供電
[編輯]早期由蒸汽機車牽引的旅客列車通過機車提供的蒸汽供暖。[2]柴油機車和電力機車取代蒸汽機車後，列車供暖由鍋爐進行，但可靠性較差。同時，餐車利用罐裝燃氣烹煮食物、加熱開水。[2]
後來的柴油機車和電力機車配備採暖供電裝置（ETH，是Electric Train Heating的簡寫），該裝置向車內的加熱器提供電能，加熱器最初安裝在鍋爐旁，後來的客車棄用鍋爐後，採暖供電裝置發展成列車供電裝置，用於列車的採暖、照明、通風、空調、插座及廚房設備。
發電途徑
[編輯]列車供電系統中的發電機可由機車或電源車內的獨立發電機組或是機車的原動機驅動。
獨立發電機組
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用於列車供電的發電機組通常由獨立於機車原動機之外的柴油發動機驅動，可裝在內燃機車後部的一個區域或是單獨的電源車廂內。自帶列供發電機的機車在加油時，燃油會同時供給至原動機與發電機，而空調電源車需單獨補充燃料。
此外，一些客車在車底裝有小型發電機組，如中國鐵路的RW25B型軟臥車及25K型國際聯運客車。
機車原動機
[編輯]機車的發動機有時也會同時提供動力和列車所用電能。在內燃機車上，發電機若由原動機直接驅動，則需按恆定速度運轉，以保證50或60赫茲的交流電頻率。後期的機車開始使用牽引電機驅動的靜式變流器，使原動機的轉速範圍更大。
由原動機驅動發電機的機車在為列車供電時會減小牽引力，如標定功率分別為3,200 hp（2.4 MW）和4,000 hp（3.0 MW）的奇異P32和P40型機車在為列車供電時分別需將功率降至2,900、3,650 hp（2.16、2.72 MW）。
電力機車在向列車供電時，主變壓器的供電線圈將集電弓接受的25千伏特單相高壓交流電降壓，降壓後的交流電經真空接觸器與快速熔斷器到單相整流橋，再通過濾波電抗器和濾波電容器輸出600伏特的直流電壓。[8]輸出到客車車廂的600V直流電通過各車廂底部的變流器逆變為380伏特、220伏特、110伏特交流電，向空調、電開水爐、照明、控制等負載供電，並向蓄電池充電。[1]
在中國鐵路客票上，自供電空調列車被標示為「空調」（硬座/硬臥/軟臥，但主要是帶獨立發電機組的RW25B），電源車或機車集中供電的空調列車則標示為「新空調」。
用電量
[編輯]列車供電系統提供的電能主要用於照明、暖通空調、餐車廚房及蓄電池充電[1]等用途。一輛客車的用電量低至20 kW（一般客車），高至150 kW以上（帶廚房和餐室的觀光車），如在阿拉斯加運轉的超級穹頂號客車。[9]
電壓
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列車供電的電壓在不同國家和地區也不盡相同。
中國大陸
[編輯]中國鐵路客車的供電模式分380伏特三相交流電和600伏特直流電兩種。採用交流供電模式的客車一般需加掛空調電源車，或是由供電模式為AC380V的機車（如DF4DF、小號DF11G以及配屬瀋陽鐵路局的指定十輛SS9）牽引，而採用直流供電模式的客車一般不需要加掛空調電源車，而是由帶DC600V供電系統的機車在牽引時將集電弓接受的高壓電經降壓、整流、濾波後變為600伏特直流電，分兩路向客車輸出，並通過各車廂底部的變流器逆變為AC380V、AC220V、AC110V交流電供客車使用。[1]但在青藏鐵路上運轉的25T型高原客車因NJ2沒有提供DC600V供電而需加掛大功率DC600V電源車。
香港
[編輯]香港目前只有九廣通一款幹線鐵路客車，該型客車支援25,000V交流供電，並經變流器逆變為AC380V三相電；而負責牽引之Re465機車，亦具有相關輸出裝置。
台灣
[編輯]台灣鐵路管理局的空調客車，如莒光號、復興號，使用三相440V 60Hz電源提供車廂內冷氣、照明電源，使用E200、E400等具有馬達交流發電機（MA-Set）的電力機車牽引時，可直接供電。在非電氣化區間行駛時，需加掛電源車才可供電。
至於推拉式自強號客車，則是考慮由前後兩輛E1000型電力機車同步供電，使用1500V直流供電，再由各客車車廂下的變流器轉換為車廂內所需的三相440V 60Hz電源後，再供應空調、照明等電氣設備使用[10]。由於推拉式自強號客車的供電規格與以往的空調客車不同，因此無法透過E200、E400型電力機車或電源行李車供電。
早期無空調的平快車與普通車，車下具有輪軸帶動的發電機及蓄電池，以供應車廂內電風扇與照明，但蓄電池老化供電不足時，停站過久車內電源會中斷。
北美
[編輯]受列車運轉區段長度及電力要求影響，北美洲鐵路的列車供電模式為480伏特（美加標準），575伏特或600伏特的三相交流電，每節車廂都設有變壓器。[9]
英國
[編輯]英國的列車供電模式為800-1000V交直流雙極（400或600A），交流1500V雙極（800A）或三相415伏特（用於城際列車125）。
俄羅斯
[編輯]俄羅斯鐵路客車的採暖系統供電模式為直流3千伏特或交流3千伏特，而較新的西方製客車採用與RIC車輛相近的供電模式。
歐洲大陸（RIC客車）
[編輯]國際客車和行李車聯盟規定的客車供電模式分16+2⁄3赫茲1000伏特交流電，50赫茲1500伏特交流電，1500伏特直流電和3000伏特直流電。第一種供電模式用於奧地利、德國、挪威、瑞典和瑞士等使用15千伏特低頻交流電車線的國家，第二種規格（AC1.5kV）用於使用25千伏特電源頻率交流電車線的國家，如丹麥、芬蘭、匈牙利、英國，以及法國、義大利、俄羅斯的部分鐵路，這兩種情況下，用於列車的電能來自機車主變壓器或柴油機車的交流發電機。在使用直流電為列車供電的國家（其中比利時、波蘭、西班牙以及俄、意部分鐵路使用3千伏特模式，荷蘭及法國部分鐵路使用1.5千伏特模式），集電弓接受的電力直接供給至車輛。
老式的歐洲客車用高壓電或來自機車的蒸汽供暖（有的也掛有暖氣車或在每節車廂內單獨設鍋爐），電燈、風扇及低電流用電器（如洗手間內的剃鬚刀插座）則通過車軸發電機供電。後來隨著晶閘管與IGBT的產生，多數客車可將RIC規定下的高壓電（直流1.0–3.0千伏特或交流16+2⁄3/50赫茲）逆變為低壓電，逆變後的電壓一般可分為：
- 直流12 V—48 V，用於列車上的電子設備（在供電系統故障時通過化學電池輸出）
- 直流24 V—110 V，用於照明燈的安定器和通氣扇（在供電系統故障時通過化學電池輸出）
- 單相交流230 V，用於客用插座、電冰箱等（有時也可通過電池供給）
- 三相交流400 V，用於空調壓縮機、採暖及通氣扇（空調不通過化學電池供電）
RIC規格的列車供暖系統則有六個可隨電壓變化的電阻，而乘客只能操縱自動調溫器。
其他供電方式
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在歐洲大陸，部分餐車帶有集電弓，可直接從電車線取電，如德國的WRmz 135型（1969年）、WRbumz 139型（1975年）和ARmz 211（1971年）。芬蘭鐵路餐車帶有柴油發電機組，且在機車供電的情況下仍然運作。
一些空調旅客列車會由不帶機供裝置或是供電模式不符的機車牽引，這些列車會加掛電源車[11]，例如中國鐵路的T1/2次列車（目前已改用25T型客車，與機車供電格式相符），以往其本務機車為具備直流600伏特供電裝置的HXD3D型，但車底為交流380伏特供電模式的25K型。紐西蘭鐵路在觀光列車上加掛AG型行李電源車。
台灣方面，與台鐵主流相反的是，1982年阿里山鐵路為了因應空調客車上線，配合引進的柴油機車因而有了為列車空調供電的機能，逐漸成了該路線柴油機車的標準配備；而後於2003年更出現了可載客的電源客車供DL38為止的機關車牽引空調客車[12][13]，乃全台鐵路運輸體系甚至全世界米軌以下窄軌的異數。
參考資料
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[永久失效連結] - ^ 蘇昭旭. 世紀風華. 阿里山森林鐵路百年車輛史 (台北市: 行政院農業委員會林務局). 2012: 頁161. ISBN 9789860316261.
- ^ Blair's 鐵道攝影 阿里山號SPC20. [2020-10-04更新]. （原始內容存檔於2021-02-09）.