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高鐵車輛發展趨勢

96/09/05 瀏覽次數 22381
現代的高鐵列車不停地推陳出新,朝向速度更快、能源使用更經濟、運用更具彈性等多重目標邁進。到2006年為止,可以歸納出全球高鐵科技的「發展趨勢」共有8項重點。

車體輕量化

為了讓高鐵列車的加速性與爬坡力更好,車體輕量化是趨勢之一。早年日本新幹線用鋼製車體,讓高鐵列車堅固如坦克車,但這樣的觀念已經過時,先進的號誌與控制系統比厚重的鋼板更能保障行車安全。而鋁合金車體可以符合新的要求,例如日本700系新幹線的車體,車殼採用雙面鋁擠型中空面板結構,具有與飛機同等級的隔音裝置,以維持旅客車廂的靜音,提供舒適的車廂環境。現代的高鐵生產製程愈來愈像飛機,造價也愈趨昂貴。

日本新幹線在1994年之後完全不再生產鋼製車體,同等級的舊型鋼製列車,也陸續以鋁合金車汰換。法國高鐵自1996年的TGV-D開始全面採用鋁合金車體,德國高鐵在1991年第1代ICE1推出時,就是採用鋁合金車體。臺灣高鐵700T列車車殼採用鋁擠型中空面板結構,也符合這個科技趨勢。

更佳的能源效率

高速鐵路早年發展時,因為直流馬達扭矩大,加速力佳,大部分都採用大功率的直流馬達。然而,隨著現代電子科技的進步,現代高鐵都使用VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制的交流感應馬達,取代能源損失高、維修成本高的直流馬達。不但列車功率提升,對於電子變速機的切換、爬坡路段高扭力低轉速、水平路段低扭力高轉速等,也都有更佳的能源效率。

例如法國高鐵在1989年的TGV-A採用這樣新的動力系統,以最高時速300公里稱霸全球,也創下1990年515.3公里/時的世界紀錄。德國高鐵在1991年第1代ICE1推出時,也用一樣的交流動力系統。1991年日本新幹線300系誕生時,開始全面採用VVVF控制的交流馬達。臺灣高鐵700T型在動力系統方面比照500系規格採用285 KW交流馬達,功率比700系275 KW交流馬達還高,合乎這項科技趨勢。包含2007年4月3日,法國TGV-V150動力技術提升也不例外。

提高列車舒適性

當火車速度增快時,因為流體力學的頻率性震動,車體蛇行晃動與噪音也相對大增,尤其標準軌列車時速在高達200公里以上時,問題更為明顯。

先進的高鐵列車為適應高速行駛的環境,車體採用半自動式橫向減震系統、車身間止晃減震器、以及無枕梁式轉向架等裝置,可以抑制車身高速搖晃。而T型低噪音集電弓和集電弓整流罩,可以減低行駛時的噪音及阻力。臺灣高鐵700T型、日本新幹線700系與800系都採用以上裝置,可以提高旅客乘坐的舒適性,並能有效降低車內噪音。

併結運行提升營運彈性

早年日本新幹線採固定16輛編組,用於東海道新幹線,這在東京大阪之間起訖兩端運量都很大時並無問題。然而隨著路網不停地擴充,當同一路線上運量分布不均時,併結功能更可以發揮營運彈性。例如東北新幹線,東京到仙臺運量很大,以E4 + E4雙組16節併結運行,提供最多座位數。但是仙臺到盛岡運量減少,則只留下一組E4單組8節運行,以提高座位利用率。這樣的分割運行稱為「彈性運量編組」,相同的情形也運用在上越新幹線,東京至高崎E4 + E4,在高崎拆解編組,以單組運行至越後湯澤。

法國TGV從第1代列車TGV-PSE開始迄今,全系列都有併結雙組運行的功能。也就是兩組車行駛至某車站後,會拆開各自開往不同目的地。例如巴黎至布魯塞爾的TGV Thalys列車,在布魯塞爾停站後分成兩列,一列向西開往奧斯坦德,一列向北到阿姆斯特丹。這對於不規則的路網營運很重要,相當於兩班車在前段合併成一班車,以提高運行效率。

德國高鐵1991年第1代ICE1沒有這項功能,但在1997年第2代ICE2便加入併結運行的設計,後期包含ICET、ICE3都採用5~8輛的短編組,黃金路線雙組併結運行,次級路線單組運行。臺灣高鐵目前是單一路線,暫時用不到這項功能。

減低風阻

高鐵為了減低風阻與通過隧道時的「活塞效應」產生的阻力,車頭形狀更具流線型,甚至在設計階段經過風洞試驗,讓現代的高鐵車體設計愈來愈像飛機。例如日本新幹線500系鋁合金的輕量化車體,車體渾圓像飛機機艙,打破歷來車輛結構的四角概念。為有效降低風阻,車頭前端與駕駛室座艙罩仿F-16戰機,創造出500系長達15公尺的尖銳車鼻,贏得路上戰鬥機的稱號。而700系的鴨嘴狀車頭,也是相同的道理。德國高鐵2000年ICE3流線型的美感,更是藝術的傑作。

由於高鐵通過隧道時氣壓驟變,會造成旅客耳朵疼痛,因此全車氣密結構是必須的,也就是須有類似飛機的恆壓艙。從1991年之後生產的高鐵都有這項設計,包含臺灣高鐵在內。不過,臺灣高鐵的隧道已設洞口環構造,有助於列車進入時排出空氣,因此700T的車鼻略短呈尖銳狀,比日本700系短1公尺。

多重電力與號誌

高鐵列車可以行駛各國不同的電壓,甚至不同的號誌系統。這一項在歐洲是最常見的,以實現歐盟鐵道國際互通性。

例如歐洲國際列車TGV Thalys PBKA的營運路網,包含巴黎、布魯塞爾、阿姆斯特丹、以及德國科隆4個城市,因此必須具備4種電力系統,即法國SNCF AC 25 KV 50 Hz、荷蘭NS DC 1500 V、比利時SNCB DC 3000 V、與德國DB及瑞士SBB的電力系統AC 15 KV 16又2/3 Hz,如此Thalys PBKA可行駛包含法比荷德瑞5國。德國高鐵ICE3M因為定位在國際線列車,因此也具備同樣的電力系統。Thalys PBKA與ICE3M可稱為實現國際互通性的空前傑作!

類似的情形在日本也有,因為東京地區使用電壓頻率與長野不同,列車必須可以切換電壓頻率,所以E2系在行進間可切換50Hz和60Hz電壓頻率。這項功能比較特殊,只有E2系堪稱是代表之作。而臺灣高鐵700T目前是單一電壓AC 25 KV 60 Hz,用不到這項功能。

此外,駕駛座設於中間,可適應左行與右行號誌系統,與彈性雙向號誌系統,例如歐洲之星Eurostar、Thalys PBKA、德國高鐵ICE3M都是駕駛座設於中間。臺灣高鐵700T雖然不是國際列車,由於原始設計是雙向號誌系統,必要時可切換至對向軌道,增加營運彈性,因此也追隨這一國際趨勢,把駕駛座設於中間。

數位ATC系統保障行車安全

ATC(Automatic Train Control System)號誌系統於1964年已經在日本誕生,成效良好,創造日本新幹線長達40年零肇事的紀錄。隨著電子科技進步,ATC號誌系統從傳統類比電流,進步到數位編碼,可進一步縮短列車間距,保障行車安全。先進的數位ATC系統,應用在九州新幹線800系,臺灣高鐵700T型也採用這一先進系統。

而且ATC系統可結合GPS衛星定位與GIS電子地理資訊系統,在現有軌道電路之外複製另一套列車偵測系統,CTC行控中心掌控列車更加一覽無遺,讓安全更有保障。歐盟主要國家已把這個裝置介面列入歐洲國際高鐵的技術協定中。

傾斜裝置高速過彎

所謂的傾斜列車是指列車行經彎道時,利用車身向內側的傾斜來提高列車的速度,以求得整體營運速度的提升。這種列車最大的好處,在於不需要立即興建高速新線,可以就現有路線提高營運速度,等時機成熟經費足夠,再逐步改善舊線或興建高速新線,以達到漸進完成「傳統鐵路高速化」的目的。

傾斜列車可分成被動式與主動式兩大類。被動式是指利用離心力讓列車過彎時自然傾斜,傾斜角大約在3.5~5度左右,約可提高行車速度15~20%。例如日本的381系電車,利用車體下方裝有滾輪等滑動結構,與西班牙的Talgo Pendular利用車體間框架上的兩顆空氣彈簧,類似不倒翁原理般把車體往外甩,都是著名實例。

針對被動式傾斜列車的效果有限,而且有過彎之後的反應延遲、S型連續彎道產生誤動作等問題,便發展出主動式傾斜列車。主動式傾斜列車利用飛機陀螺儀的原理,行經彎道時偵測出列車彎道超高傾斜的向量,連同行車速度一併經由微處理機運算,計算出最佳的增加傾斜角度、角速度與行車速度。以高速通過彎道,傾斜角大約在8~10度左右,約可提高行車速度35%。除了日本的窄軌系統之外,德國ICE-T、義大利的ETR與瑞典X2000,可說是全球標準軌主動式傾斜列車的佼佼者。

其實,傾斜列車也有一些缺點,就是在高速過彎時,會令車上旅客產生暈眩等不適。因此儘管實驗上傾斜列車的效率可以更高,但主動式的傾斜角限制在8度左右,並加入全車氣密結構,讓旅客的可能不適降低。臺灣自2007年5月8日起也開啟太魯閣號「傾斜列車」的營運之門,最高時速130公里,由於彎道速度提升,臺北至花蓮只需1小時59分鐘,讓北花航線飽受壓力。

雖然傾斜列車是現在許多歐洲國家發展高鐵時的另一種技術選擇,但也可能出現在現有的高鐵線上。例如日本東海道新幹線,由於年代久遠,許多彎道限制了車輛的性能,不能以全速行駛。因此下一代的日本N 700新幹線,會加入傾斜裝置,讓最高時速的行駛區間,從現有的三分之一增加至三分之二,縮短旅行時間15%以上,讓東海道新幹線的營運效率進一步提升。

挑戰速度極限

除了以上8項之外,提高火車過彎的速度,可以再打破原有的速度極限。2007年4月3日,法國高鐵TGV-V150試驗車刷新世界紀錄,創下時速574.8公里/時,直逼磁浮列車MLX901所保持的581公里/時,6月10日起東歐線通車,TGV-POS也將修正營運時速為320公里。因此人類在2010年之後,下一階段高速鐵路的目標時速,將提升至350公里。目前全球高鐵普遍的營運時速是300公里,包含1989年法國TGVA、1997年日本新幹線500系、臺灣高鐵,與2000年德國高鐵ICE3所創造的紀錄,又將成為一頁歷史。

高品質的運輸服務

其實以全球高鐵發展趨勢來看,臺灣高鐵700T列車無疑地是一款相當傑出的列車,8項趨勢中除第4、6、8項暫時用不到而無配備之外,該有的先驅指標都已具備。而減少這3項,也可減少營運初期車輛維修的複雜度。因此就硬體而言,臺灣高鐵700T列車的品質是無庸置疑的。

然而,高鐵的服務對象是民眾,高品質的運輸服務,除了有高品質的「硬體」做後盾,更應有優良的「軟體」去發揮,才能產生效果。這好比買了一款傑出亮麗的轎車,還需要有駕駛人嫻熟的開車技術,遵守交通規則的道德修養,定期用心與細心的保養,才能讓每個搭車的旅客感受賓至如歸的喜悅,也才可以使這部車的使用年限更久,路走得更長更遠。企業體的永續經營,何其不然!

臺灣高速鐵路的速度歷史紀錄

民國93年1月,臺灣高鐵700T型列車在日本出廠正式亮相,5月25日700T型列車運抵臺灣高雄港,送往高雄燕巢總機廠進行組裝。民國94年1月於高雄大社至臺南六甲,長約60公里的試車線開始運行,1月27日在臺南站舉辦試車典禮,南部民眾開始可以看到700T型高鐵列車在高架橋上奔馳。

民國94年3月31日700T試車,時速達到120公里。民國94年8月30日14:25列車時速首度達到200公里,達到高速鐵路的基礎門檻。民國94年10月29日12:42達到營運時速目標300公里,寫下臺灣鐵道史上的歷史新頁。民國94年10月30日12:03,700T型列車更超越營運時速,達到315公里。民國96年1月5日,臺灣高鐵正式營運,以時速300公里行駛,臺北至左營直達車,中途只停板橋和臺中,最快只需96分鐘。
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