高速動(dòng)車組供電技術(shù)研究

摘 要：隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，高速動(dòng)車組得到了長(zhǎng)足發(fā)展，接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)作為高速動(dòng)車組的動(dòng)力來源，其性能和工作方式直接影響著動(dòng)車組的性能和運(yùn)營(yíng)效率。通過分析和對(duì)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(diǎn)和應(yīng)用范圍，結(jié)合當(dāng)下高速動(dòng)車組的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)高速動(dòng)車組供電方式的發(fā)展方向給出建議。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組；接觸網(wǎng)；供電方式

中圖分類號(hào)：TM922.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，動(dòng)車組以其高速、高效、安全等優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。自《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》文件發(fā)布和實(shí)施以來，我國(guó)鐵路電氣化覆蓋率已達(dá)到75.2%，標(biāo)志著中國(guó)在推進(jìn)綠色低碳交通方式方面取得了顯著成就。我國(guó)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(dòng)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(dòng)車組的動(dòng)力來源，其性能直接影響著動(dòng)車組的性能和運(yùn)營(yíng)效率。

目前，世界上主要的高速動(dòng)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(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在差異，深入研究這些差異對(duì)于合理選擇供電方式、提高動(dòng)車組運(yùn)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(jiǎn)單的供電方式，技術(shù)相對(duì)成熟，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建設(shè)和維護(hù)成本相對(duì)較低，各國(guó)在鐵路電氣化之初都會(huì)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(duì)較高，這會(huì)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(hù)[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(yùn)營(yíng)成本。此外，直接供電方式的牽引電流會(huì)對(duì)周邊通信線路的弱電系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。

直接供電方式適用于一些對(duì)供電要求相對(duì)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(yùn)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(duì)它的缺點(diǎn)，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(chǎng)相互抵消，大大減少了牽引電網(wǎng)對(duì)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(duì)于電能的消耗，一定程度上延長(zhǎng)了供電距離，帶回流線的直接供電方式供電距離達(dá)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(hù)成本相對(duì)較低。在直接供電方式基礎(chǔ)上改進(jìn)，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(zhǎng)，但仍不能滿足長(zhǎng)距離供電需求；相比一些先進(jìn)的供電方式，能耗還是相對(duì)較高。

帶回流線的直接供電方式在一些對(duì)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(duì)周邊通信設(shè)施的影響，又不需要過長(zhǎng)的供電距離，帶回流線的直接供電方式是一個(gè)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(dòng)車組上，通過動(dòng)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(chǎng)基本相互抵消，因此對(duì)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(duì)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(hù)比較復(fù)雜，增加了運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)難度，同時(shí)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(gè)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(gè)方向相反、大小相等的電流，二者產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以互相抵消，減小對(duì)外界的干擾。但是實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，動(dòng)車組在兩個(gè)吸流變壓器之間的某個(gè)范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，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(huì)出現(xiàn)，在這一范圍內(nèi)，就無法利用兩個(gè)相反方向的電流互相抵消磁場(chǎng)來減小對(duì)外界的干擾，那就失去了吸流防護(hù)效果。

吸流變壓器供電方式曾經(jīng)在一些對(duì)通信干擾要求非常嚴(yán)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(huì)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(jìn)，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(jìn)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(tái)自耦變壓器，并且該自耦變壓器的中性點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行到兩臺(tái)AT之間時(shí)，AT1、AT2的副邊繞組都會(huì)供電，在圖上標(biāo)記出電流分別為I1、I2，兩電流同時(shí)流經(jīng)鋼軌-地回路，由于自耦變壓器的存在，電流也會(huì)流經(jīng)正饋線F。由于n1與n2相等，每臺(tái)自耦變壓器兩個(gè)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(chǎng)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(dòng)車組電流的一半。同時(shí)，通過計(jì)算回流電流，可以得到如下結(jié)果：

式（1）顯示，當(dāng)高速動(dòng)車組處于兩臺(tái)AT之間時(shí)，I1、I2的大小與高速動(dòng)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?yàn)樵吂╇婋妷禾岣吡艘槐?，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(zhǎng)度更長(zhǎng)，達(dá)到了50～80 km。當(dāng)前，我國(guó)設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)車組供電后，再?gòu)耐S電力電纜外導(dǎo)體回流，如圖4所示。這種方式相當(dāng)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(chǎng)方向相反，可以相互抵消，對(duì)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(zhǎng)供電距離。這種供電方式造價(jià)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(duì)城市景觀的破壞，同時(shí)減少電磁干擾對(duì)周圍居民和商業(yè)設(shè)施的影響。高速鐵路的長(zhǎng)隧道內(nèi)，架空接觸網(wǎng)的安裝和維護(hù)相對(duì)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(dòng)車組在隧道內(nèi)的運(yùn)行提供穩(wěn)定的電力。

隨著高速鐵路的發(fā)展，運(yùn)量可能會(huì)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(duì)大運(yùn)量、高功率需求的增長(zhǎng)方面比較困難。

4" " 結(jié)論

在選擇動(dòng)車組供電方式時(shí)，應(yīng)綜合考慮線路特點(diǎn)、列車運(yùn)行需求、經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)條件和環(huán)境要求等因素。對(duì)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(duì)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(duì)成本控制較為嚴(yán)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(duì)通信的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以結(jié)合不同供電方式的優(yōu)點(diǎn)，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(dá)到最佳的供電效果和經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：2024-11-21

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

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目“基于YOLOv3改進(jìn)的目標(biāo)檢測(cè)算法研究”（B2022390）