高速動車組供電技術研究

摘 要：隨著鐵路運輸的快速發展，高速動車組得到了長足發展，接觸網供電系統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、技術參數、優缺點和應用范圍，結合當下高速動車組的技術發展趨勢，針對高速動車組供電方式的發展方向給出建議。

關鍵詞：高速動車組；接觸網；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

隨著鐵路運輸的快速發展，動車組以其高速、高效、安全等優勢成為現代交通運輸的重要組成部分。自《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》文件發布和實施以來，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→動車組→鋼軌→回流線→牽引變電所[1]。因此，接觸網供電系統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參數、優缺點、應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）是一種較為傳統且簡單的供電方式，技術相對成熟，運行經驗豐富，設備結構簡單，建設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置牽引變電所，增加了建設和運營成本。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產生較強的電磁干擾。

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，發明了帶回流線的直接供電方式（TRNF）：在接觸網支柱上加入一條回流線（NF），回流線與鋼軌呈并聯關系。由于回流線的加入，大部分回流電流不再經鋼軌回流，而是經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。回流線與接觸網上的電流方向相反，兩者產生的電磁場相互抵消，大大減少了牽引電網對周邊通信等弱電系統的電磁干擾。由于鋼軌兩端并聯了回流線，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。

相較于其他一些復雜的供電方式，帶回流線的直接供電方式建設和維護成本相對較低。在直接供電方式基礎上改進，技術難度不大，易于推廣應用。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節原、副邊的電流大小，人們利用變壓器的這種特性，發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，調節接觸網和回流線中電流大小。具體的做法是：在接觸網和回流線中串聯接入一些吸流變壓器，牽引電流經過吸流變壓器來到動車組上，通過動車組后，從回流線經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，二次繞組串入回流線，兩側線圈匝數比為1：1，流經接觸網電流和回流電流大小大致相等，方向相反，由電磁感應產生的電磁場基本相互抵消，因此對周圍的通信等弱電設備的電磁干擾得到了極大的降低，保證了架設在高鐵附近的弱電系統的工作質量和效率；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備安裝和維護比較復雜，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。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。但是實際運行中發現，動車組在兩個吸流變壓器之間的某個范圍內運行時，我們期待的接觸網和回流線電流大小相等的現象并不會出現，在這一范圍內，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在一些對通信干擾要求非常嚴格的地區或線路上使用，但由于其自身的局限性，目前應用逐漸減少。例如，在一些鐵路沿線通信設施密集且重要的區域，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改進，其應用范圍已大大縮小。

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進牽引電網中，自耦變壓器供電方式（AT）將自耦變壓器并聯入電網，這種方式減少了因加入變壓器而造成的電網分段。

在接觸網與正饋線之間每隔一段距離并聯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，R為鋼軌，F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，將接觸網的電壓抬高一倍，變為55 kV。由于中性點與鋼軌相連，因此接觸網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、I2，兩電流同時流經鋼軌-地回路，由于自耦變壓器的存在，電流也會流經正饋線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，我國設計時速300 km以上的高速鐵路均采用AT供電方式，其牽引網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）中牽引變電所發出的供電電流由同軸電力電纜內導體出發，給動車組供電后，再從同軸電力電纜外導體回流，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域，采用同軸電力電纜供電可以避免架空接觸網對城市景觀的破壞，同時減少電磁干擾對周圍居民和商業設施的影響。高速鐵路的長隧道內，架空接觸網的安裝和維護相對困難，且容易受到隧道內環境的影響，而同軸電力電纜可以很好地適應這種環境，為動車組在隧道內的運行提供穩定的電力。

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

4" " 結論

在選擇動車組供電方式時，應綜合考慮線路特點、列車運行需求、經濟成本、技術條件和環境要求等因素。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對供電要求不特別高的中短距離線路，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，但需要采取相應措施降低對通信的干擾。在實際應用中，還可以結合不同供電方式的優點，采用混合供電模式。例如，在一些鐵路線路的不同區段，根據地形、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濟效益。

[參考文獻]

[1] 吳丹.動車組概論[M].北京：北京交通大學出版社，2019.

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

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

[4] 張碩.雙邊全并聯AT牽引供電系統繼電保護配置研究[D].成都：西南交通大學，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，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的教學和科研工作。

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