高速动车组供电技术研究

湖北省教育厅科学研究计划指导性项目“基于YOLOv3改进的目标检测算法研究”（B2022390）

胡  静  江  晗

湖北铁道运输职业学院

摘  要：

随着铁路运输的快速发展，高速动车组得到了长足发展，接触网供电系统作为高速动车组的动力来源，其性能和工作方式直接影响着动车组的性能和运营效率。通过分析和对比电气化铁道上常见的几种供电方式——直接供电方式（Direct Feeding System，TR）、带回流线的直接供电方式（Direct Feeding System with Return Wire，TRNF）、吸流变压器供电方式（Booster Transformer Feeding System，BT）、自耦变压器供电方式（Autotransformer Feeding System，AT）和同轴电力电缆供电方式（Coaxial Cable Feeding System，CC）等的工作原理、技术参数、优缺点和应用范围，结合当下高速动车组的技术发展趋势，针对高速动车组供电方式的发展方向给出建议。

关键词：

高速动车组；接触网；供电方式

随着铁路运输的快速发展，动车组以其高速、高效、安全等优势成为现代交通运输的重要组成部分。自《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》文件发布和实施以来，我国铁路电气化覆盖率已达到75.2%，标志着中国在推进绿色低碳交通方式方面取得了显著成就。我国的电气化铁路均采用25 kV/50 Hz的单相交流电提供电能，其电力牵引供电回路为：牵引变电所→馈电线→接触网→动车组→钢轨→回流线→牵引变电所^[1]。因此，接触网供电系统作为高速动车组的动力来源，其性能直接影响着动车组的性能和运营效率。

目前，世界上主要的高速动车组接触网供电方式包括直接供电方式（Direct Feeding System，TR）、带回流线的直接供电方式（Direct Feeding System with Return Wire，TRNF）、吸流变压器供电方式（Booster Transformer Feeding System，BT）、自耦变压器供电方式（Autotransformer Feeding System，AT）和同轴电力电缆供电方式（Coaxial Cable Feeding System，CC）等。不同的供电方式在技术参数、优缺点、应用场景等方面存在差异，深入研究这些差异对于合理选择供电方式、提高动车组运行质量具有重要意义。

直接供电方式（TR）是一种较为传统且简单的供电方式，技术相对成熟，运行经验丰富，设备结构简单，建设和维护成本相对较低，各国在铁路电气化之初都会使用这种供电方式。直接供电方式直接采用钢轨回流，因此钢轨电位相对较高，这会给铁路沿线的人或牲畜带来一些安全隐患，需要在这方面做大量防护^[2]。另外，由于阻抗较大，大量电能被线路消耗，因此供电距离短，只有20～30 km，故而需要在铁路沿线高频率地设置牵引变电所，增加了建设和运营成本。此外，直接供电方式的牵引电流会对周边通信线路的弱电系统产生较强的电磁干扰。

直接供电方式适用于一些对供电要求相对不高、线路较短的城市轨道交通或低速铁路线路。例如，一些城市的轻轨线路或支线铁路，列车速度较低，运行里程较短，直接供电方式能够满足其基本的供电需求，且成本较低。

鉴于直接供电方式所带来的一些问题，人们针对它的缺点，发明了带回流线的直接供电方式（TRNF）：在接触网支柱上加入一条回流线（NF），回流线与钢轨呈并联关系。由于回流线的加入，大部分回流电流不再经钢轨回流，而是经过回流线回到牵引变电所，有效降低了钢轨电位，如图1所示。回流线与接触网上的电流方向相反，两者产生的电磁场相互抵消，大大减少了牵引电网对周边通信等弱电系统的电磁干扰。由于钢轨两端并联了回流线，整体降低了线路阻抗，减少了线路对于电能的消耗，一定程度上延长了供电距离，带回流线的直接供电方式供电距离达到了30～40 km。

 

相较于其他一些复杂的供电方式，带回流线的直接供电方式建设和维护成本相对较低。在直接供电方式基础上改进，技术难度不大，易于推广应用。然而，带回流线的直接供电方式供电距离虽然比直接供电方式有所延长，但仍不能满足长距离供电需求；相比一些先进的供电方式，能耗还是相对较高。

带回流线的直接供电方式在一些对通信干扰有一定要求，且供电距离适中的铁路线路上有所应用^[3]。比如，一些中短距离的普速铁路干线，既需要考虑减少对周边通信设施的影响，又不需要过长的供电距离，带回流线的直接供电方式是一个较为合适的选择。

变压器的原边绕组和副边绕组可以调节原、副边的电流大小，人们利用变压器的这种特性，发明了以下两种带变压器的供电方式。

吸流变压器供电方式（BT）是利用变压器的特性，将变压器串入电路中，调节接触网和回流线中电流大小。具体的做法是：在接触网和回流线中串联接入一些吸流变压器，牵引电流经过吸流变压器来到动车组上，通过动车组后，从回流线经过吸流变压器返回牵引变电所，如图2所示。吸流变压器一次绕组串入接触网，二次绕组串入回流线，两侧线圈匝数比为1:1，流经接触网电流和回流电流大小大致相等，方向相反，由电磁感应产生的电磁场基本相互抵消，因此对周围的通信等弱电设备的电磁干扰得到了极大的降低，保证了架设在高铁附近的弱电系统的工作质量和效率；而且通过钢轨回流的电流很小，电位大大降低，保障了铁路工人的工作安全^[4]。

 

虽然串入吸流变压器能减少对外界弱电线路的电磁干扰，但是吸流变压器及配套的设备安装和维护比较复杂，增加了运营成本和维护难度，同时增加了线路阻抗，提高了能耗，使得这种供电方式的供电距离大大缩短，只有15～25 km。而且吸流变压器供电方式自身存在一个很大的问题，即半段效应。也就是说，采用串入吸流变压器的方式，是为了人为制造两个方向相反、大小相等的电流，二者产生的磁场可以互相抵消，减小对外界的干扰。但是实际运行中发现，动车组在两个吸流变压器之间的某个范围内运行时，我们期待的接触网和回流线电流大小相等的现象并不会出现，在这一范围内，就无法利用两个相反方向的电流互相抵消磁场来减小对外界的干扰，那就失去了吸流防护效果。

吸流变压器供电方式曾经在一些对通信干扰要求非常严格的地区或线路上使用，但由于其自身的局限性，目前应用逐渐减少。例如，在一些铁路沿线通信设施密集且重要的区域，为了确保通信安全，可能会采用吸流变压器供电方式，但随着其他供电方式的技术改进，其应用范围已大大缩小。

相较于吸流变压器供电方式将吸流变压器串联进牵引电网中，自耦变压器供电方式（AT）将自耦变压器并联入电网，这种方式减少了因加入变压器而造成的电网分段。

在接触网与正馈线之间每隔一段距离并联接入一台自耦变压器，并且该自耦变压器的中性点与钢轨相连，如图3所示，C为接触网，R为钢轨，F为正馈线，AT₁和AT₂为自耦变压器，n₁与n₂相等。自耦变压器原边绕组接入的电源电压相比起其他供电方式，将接触网的电压抬高一倍，变为55 kV。由于中性点与钢轨相连，因此接触网与钢轨之间的电压为27.5 kV，通过受电弓来带动车组上的电压，依然还是25 kV。

 

由于自耦变压器的接入，接触网电压提高，部分电流通过钢轨回流。如图3所示，当动车组运行到两台AT之间时，AT₁、AT₂的副边绕组都会供电，在图上标计出电流分别为I₁、I₂，两电流同时流经钢轨-地回路，由于自耦变压器的存在，电流也会流经正馈线F。由于n₁与n₂相等，每台自耦变压器两个绕组n₁与n₂中的电流总是大小相等，方向相反，产生的磁场也可相互抵消。

由于n₁:n₂=1:1，因此可以得到U₁=U₂，由于容量不变，因此接触网电流为通过高速动车组电流的一半。同时，通过计算回流电流，可以得到如下结果：

 

式（1）显示，当高速动车组处于两台AT之间时，I₁、I₂的大小与高速动车组和AT的距离成反比。

由于自耦变压器并入线路中，线路整体阻抗大幅下降，而且因为原边供电电压提高了一倍，在相同供电功率之下，AT供电方式电流更小、自身能耗小，供电效率更高，供电长度更长，达到了50～80 km。当前，我国设计时速300 km以上的高速铁路均采用AT供电方式，其牵引网可承载高电压和大电流^[5-6]。

同轴电力电缆供电方式（CC）中牵引变电所发出的供电电流由同轴电力电缆内导体出发，给动车组供电后，再从同轴电力电缆外导体回流，如图4所示。这种方式相当于回流线变成了同轴电力电缆的外导体，也就是说牵引电流和回流几乎都从同轴电力电缆中流过，二者形成的磁场方向相反，可以相互抵消，对于邻近的弱电系统干扰极小。而且同轴电力电缆阻抗比较小，线路本身的能耗大大降低，可以延长供电距离。这种供电方式造价高、投资大，只适用于有特殊要求的地段。

 

在城市中心的地下轨道部分或者靠近古建筑等区域，采用同轴电力电缆供电可以避免架空接触网对城市景观的破坏，同时减少电磁干扰对周围居民和商业设施的影响。高速铁路的长隧道内，架空接触网的安装和维护相对困难，且容易受到隧道内环境的影响，而同轴电力电缆可以很好地适应这种环境，为动车组在隧道内的运行提供稳定的电力。

随着高速铁路的发展，运量可能会不断增加，这就要求供电系统能够提供更高的电力容量。同轴电力电缆由于其自身结构和散热等因素的限制，在应对大运量、高功率需求的增长方面比较困难。

在选择动车组供电方式时，应综合考虑线路特点、列车运行需求、经济成本、技术条件和环境要求等因素。对于新建的高速、重载铁路线路，自耦变压器供电方式是较为理想的选择。对于一些既有线路的改造或对供电要求不特别高的中短距离线路，带回流线的直接供电方式可能更为合适；若对成本控制较为严格，且线路条件允许，直接供电方式也可作为一种选择，但需要采取相应措施降低对通信的干扰。在实际应用中，还可以结合不同供电方式的优点，采用混合供电模式。例如，在一些铁路线路的不同区段，根据地形、交通流量等因素，分别采用合适的供电方式，以达到最佳的供电效果和经济效益。