高速動車組供電技術(shù)研究

摘 要：隨著鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展，高速動車組得到了長足發(fā)展，接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)作為高速動車組的動力來源，其性能和工作方式直接影響著動車組的性能和運營效率。通過分析和對比電氣化鐵道上常見的幾種供電方式——直接供電方式（Direct Feeding System，TR）、帶回流線的直接供電方式（Direct Feeding System with Return Wire，TRNF）、吸流變壓器供電方式（Booster Transformer Feeding System，BT）、自耦變壓器供電方式（Autotransformer Feeding System，AT）和同軸電力電纜供電方式（Coaxial Cable Feeding System，CC）等的工作原理、技術(shù)參數(shù)、優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍，結(jié)合當下高速動車組的技術(shù)發(fā)展趨勢，針對高速動車組供電方式的發(fā)展方向給出建議。

關(guān)鍵詞：高速動車組；接觸網(wǎng)；供電方式

中圖分類號：TM922.3" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.022

0" " 引言

隨著鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展，動車組以其高速、高效、安全等優(yōu)勢成為現(xiàn)代交通運輸?shù)闹匾M成部分。自《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》文件發(fā)布和實施以來，我國鐵路電氣化覆蓋率已達到75.2%，標志著中國在推進綠色低碳交通方式方面取得了顯著成就。我國的電氣化鐵路均采用25 kV/50 Hz的單相交流電提供電能，其電力牽引供電回路為：牽引變電所→饋電線→接觸網(wǎng)→動車組→鋼軌→回流線→牽引變電所[1]。因此，接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)作為高速動車組的動力來源，其性能直接影響著動車組的性能和運營效率。

目前，世界上主要的高速動車組接觸網(wǎng)供電方式包括直接供電方式（Direct Feeding System，TR）、帶回流線的直接供電方式（Direct Feeding System with Return Wire，TRNF）、吸流變壓器供電方式（Booster Transformer Feeding System，BT）、自耦變壓器供電方式（Autotransformer Feeding System，AT）和同軸電力電纜供電方式（Coaxial Cable Feeding System，CC）等。不同的供電方式在技術(shù)參數(shù)、優(yōu)缺點、應(yīng)用場景等方面存在差異，深入研究這些差異對于合理選擇供電方式、提高動車組運行質(zhì)量具有重要意義。

1" " 直接供電方式

1.1" " 直接供電方式

直接供電方式（TR）是一種較為傳統(tǒng)且簡單的供電方式，技術(shù)相對成熟，運行經(jīng)驗豐富，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，建設(shè)和維護成本相對較低，各國在鐵路電氣化之初都會使用這種供電方式。直接供電方式直接采用鋼軌回流，因此鋼軌電位相對較高，這會給鐵路沿線的人或牲畜帶來一些安全隱患，需要在這方面做大量防護[2]。另外，由于阻抗較大，大量電能被線路消耗，因此供電距離短，只有20～30 km，故而需要在鐵路沿線高頻率地設(shè)置牽引變電所，增加了建設(shè)和運營成本。此外，直接供電方式的牽引電流會對周邊通信線路的弱電系統(tǒng)產(chǎn)生較強的電磁干擾。

直接供電方式適用于一些對供電要求相對不高、線路較短的城市軌道交通或低速鐵路線路。例如，一些城市的輕軌線路或支線鐵路，列車速度較低，運行里程較短，直接供電方式能夠滿足其基本的供電需求，且成本較低。

1.2" " 帶回流線的直接供電方式

鑒于直接供電方式所帶來的一些問題，人們針對它的缺點，發(fā)明了帶回流線的直接供電方式（TRNF）：在接觸網(wǎng)支柱上加入一條回流線（NF），回流線與鋼軌呈并聯(lián)關(guān)系。由于回流線的加入，大部分回流電流不再經(jīng)鋼軌回流，而是經(jīng)過回流線回到牽引變電所，有效降低了鋼軌電位，如圖1所示?；亓骶€與接觸網(wǎng)上的電流方向相反，兩者產(chǎn)生的電磁場相互抵消，大大減少了牽引電網(wǎng)對周邊通信等弱電系統(tǒng)的電磁干擾。由于鋼軌兩端并聯(lián)了回流線，整體降低了線路阻抗，減少了線路對于電能的消耗，一定程度上延長了供電距離，帶回流線的直接供電方式供電距離達到了30～40 km。

相較于其他一些復(fù)雜的供電方式，帶回流線的直接供電方式建設(shè)和維護成本相對較低。在直接供電方式基礎(chǔ)上改進，技術(shù)難度不大，易于推廣應(yīng)用。然而，帶回流線的直接供電方式供電距離雖然比直接供電方式有所延長，但仍不能滿足長距離供電需求；相比一些先進的供電方式，能耗還是相對較高。

帶回流線的直接供電方式在一些對通信干擾有一定要求，且供電距離適中的鐵路線路上有所應(yīng)用[3]。比如，一些中短距離的普速鐵路干線，既需要考慮減少對周邊通信設(shè)施的影響，又不需要過長的供電距離，帶回流線的直接供電方式是一個較為合適的選擇。

2" " 帶變壓器供電方式

變壓器的原邊繞組和副邊繞組可以調(diào)節(jié)原、副邊的電流大小，人們利用變壓器的這種特性，發(fā)明了以下兩種帶變壓器的供電方式。

2.1" " 吸流變壓器供電方式

吸流變壓器供電方式（BT）是利用變壓器的特性，將變壓器串入電路中，調(diào)節(jié)接觸網(wǎng)和回流線中電流大小。具體的做法是：在接觸網(wǎng)和回流線中串聯(lián)接入一些吸流變壓器，牽引電流經(jīng)過吸流變壓器來到動車組上，通過動車組后，從回流線經(jīng)過吸流變壓器返回牽引變電所，如圖2所示。吸流變壓器一次繞組串入接觸網(wǎng)，二次繞組串入回流線，兩側(cè)線圈匝數(shù)比為1：1，流經(jīng)接觸網(wǎng)電流和回流電流大小大致相等，方向相反，由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁場基本相互抵消，因此對周圍的通信等弱電設(shè)備的電磁干擾得到了極大的降低，保證了架設(shè)在高鐵附近的弱電系統(tǒng)的工作質(zhì)量和效率；而且通過鋼軌回流的電流很小，電位大大降低，保障了鐵路工人的工作安全[4]。

雖然串入吸流變壓器能減少對外界弱電線路的電磁干擾，但是吸流變壓器及配套的設(shè)備安裝和維護比較復(fù)雜，增加了運營成本和維護難度，同時增加了線路阻抗，提高了能耗，使得這種供電方式的供電距離大大縮短，只有15～25 km。而且吸流變壓器供電方式自身存在一個很大的問題，即半段效應(yīng)。也就是說，采用串入吸流變壓器的方式，是為了人為制造兩個方向相反、大小相等的電流，二者產(chǎn)生的磁場可以互相抵消，減小對外界的干擾。但是實際運行中發(fā)現(xiàn)，動車組在兩個吸流變壓器之間的某個范圍內(nèi)運行時，我們期待的接觸網(wǎng)和回流線電流大小相等的現(xiàn)象并不會出現(xiàn)，在這一范圍內(nèi)，就無法利用兩個相反方向的電流互相抵消磁場來減小對外界的干擾，那就失去了吸流防護效果。

吸流變壓器供電方式曾經(jīng)在一些對通信干擾要求非常嚴格的地區(qū)或線路上使用，但由于其自身的局限性，目前應(yīng)用逐漸減少。例如，在一些鐵路沿線通信設(shè)施密集且重要的區(qū)域，為了確保通信安全，可能會采用吸流變壓器供電方式，但隨著其他供電方式的技術(shù)改進，其應(yīng)用范圍已大大縮小。

2.2" " 自耦變壓器供電方式

相較于吸流變壓器供電方式將吸流變壓器串聯(lián)進牽引電網(wǎng)中，自耦變壓器供電方式（AT）將自耦變壓器并聯(lián)入電網(wǎng)，這種方式減少了因加入變壓器而造成的電網(wǎng)分段。

在接觸網(wǎng)與正饋線之間每隔一段距離并聯(lián)接入一臺自耦變壓器，并且該自耦變壓器的中性點與鋼軌相連，如圖3所示，C為接觸網(wǎng)，R為鋼軌，F(xiàn)為正饋線，AT1和AT2為自耦變壓器，n1與n2相等。自耦變壓器原邊繞組接入的電源電壓相比起其他供電方式，將接觸網(wǎng)的電壓抬高一倍，變?yōu)?5 kV。由于中性點與鋼軌相連，因此接觸網(wǎng)與鋼軌之間的電壓為27.5 kV，通過受電弓來帶動車組上的電壓，依然還是25 kV。

由于自耦變壓器的接入，接觸網(wǎng)電壓提高，部分電流通過鋼軌回流。如圖3所示，當動車組運行到兩臺AT之間時，AT1、AT2的副邊繞組都會供電，在圖上標記出電流分別為I1、I2，兩電流同時流經(jīng)鋼軌-地回路，由于自耦變壓器的存在，電流也會流經(jīng)正饋線F。由于n1與n2相等，每臺自耦變壓器兩個繞組n1與n2中的電流總是大小相等，方向相反，產(chǎn)生的磁場也可相互抵消。

由于n1：n2=1：1，因此可以得到U1=U2，由于容量不變，因此接觸網(wǎng)電流為通過高速動車組電流的一半。同時，通過計算回流電流，可以得到如下結(jié)果：

式（1）顯示，當高速動車組處于兩臺AT之間時，I1、I2的大小與高速動車組和AT的距離成反比。

由于自耦變壓器并入線路中，線路整體阻抗大幅下降，而且因為原邊供電電壓提高了一倍，在相同供電功率之下，AT供電方式電流更小、自身能耗小，供電效率更高，供電長度更長，達到了50～80 km。當前，我國設(shè)計時速300 km以上的高速鐵路均采用AT供電方式，其牽引網(wǎng)可承載高電壓和大電流[5-6]。

3" " 同軸電力電纜供電方式

同軸電力電纜供電方式（CC）中牽引變電所發(fā)出的供電電流由同軸電力電纜內(nèi)導(dǎo)體出發(fā)，給動車組供電后，再從同軸電力電纜外導(dǎo)體回流，如圖4所示。這種方式相當于回流線變成了同軸電力電纜的外導(dǎo)體，也就是說牽引電流和回流幾乎都從同軸電力電纜中流過，二者形成的磁場方向相反，可以相互抵消，對于鄰近的弱電系統(tǒng)干擾極小。而且同軸電力電纜阻抗比較小，線路本身的能耗大大降低，可以延長供電距離。這種供電方式造價高、投資大，只適用于有特殊要求的地段。

在城市中心的地下軌道部分或者靠近古建筑等區(qū)域，采用同軸電力電纜供電可以避免架空接觸網(wǎng)對城市景觀的破壞，同時減少電磁干擾對周圍居民和商業(yè)設(shè)施的影響。高速鐵路的長隧道內(nèi)，架空接觸網(wǎng)的安裝和維護相對困難，且容易受到隧道內(nèi)環(huán)境的影響，而同軸電力電纜可以很好地適應(yīng)這種環(huán)境，為動車組在隧道內(nèi)的運行提供穩(wěn)定的電力。

隨著高速鐵路的發(fā)展，運量可能會不斷增加，這就要求供電系統(tǒng)能夠提供更高的電力容量。同軸電力電纜由于其自身結(jié)構(gòu)和散熱等因素的限制，在應(yīng)對大運量、高功率需求的增長方面比較困難。

4" " 結(jié)論

在選擇動車組供電方式時，應(yīng)綜合考慮線路特點、列車運行需求、經(jīng)濟成本、技術(shù)條件和環(huán)境要求等因素。對于新建的高速、重載鐵路線路，自耦變壓器供電方式是較為理想的選擇。對于一些既有線路的改造或?qū)╇娨蟛惶貏e高的中短距離線路，帶回流線的直接供電方式可能更為合適；若對成本控制較為嚴格，且線路條件允許，直接供電方式也可作為一種選擇，但需要采取相應(yīng)措施降低對通信的干擾。在實際應(yīng)用中，還可以結(jié)合不同供電方式的優(yōu)點，采用混合供電模式。例如，在一些鐵路線路的不同區(qū)段，根據(jù)地形、交通流量等因素，分別采用合適的供電方式，以達到最佳的供電效果和經(jīng)濟效益。

[參考文獻]

[1] 吳丹.動車組概論[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2019.

[2] 陳姝姝，吳夢澤.高鐵牽引供電智能化系統(tǒng)的技術(shù)分析[J].電子技術(shù)，2024，53（8）：158-159.

[3] 宋克儉，王海鵬，呂寶寶，等.接地電流在線監(jiān)測在牽引供電電纜線路上的應(yīng)用[J].電線電纜，2024，67（5）：69-74.

[4] 張碩.雙邊全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)繼電保護配置研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2022.

[5] 楊磊，王新越，姜超東，等.AT供電方式下高速鐵路鋼軌電位抑制措施[J].電氣化鐵道，2023，34（增刊1）：66-70.

[6] 宋偉.重載鐵路AT牽引網(wǎng)饋線保護配置與整定計算軟件研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2024.

收稿日期：2024-11-21

作者簡介：胡靜（1988—），女，湖北仙桃人，工程師，助理講師，主要從事動車組檢修技術(shù)的教學(xué)和科研工作。

基金項目：湖北省教育廳科學(xué)研究計劃指導(dǎo)性項目“基于YOLOv3改進的目標檢測算法研究”（B2022390）