高速铁路导论：高速铁路牵引网的供电方式

高速电气化铁路牵引网供电方式大体上可分为四种：直接供电方式、带回流线的直接供电方式（TRNF）、BT供电方式和AT供电方式。

（一）直接供电方式

所谓直接供电方式，就是牵引网不采取任何措施，从牵引变电所直接向牵引网供电，它的一根馈线接在接触网上，另一根馈线接在钢轨上，回流电通过钢轨返回牵引变电所，且牵引变电所与接触网间不设置任何特殊防护措施。

1．优点

供电方式最简单，投资最省，牵引网阻抗小，能耗也较低。

2．缺点

由于钢轨和大地之间没有良好的绝缘，牵引回流电从钢轨泄漏到地中的分量较大，同时交流负荷在接触网周围空间也产生交变电磁场，从而对铁路沿线接近的通信设施和无线电装置产生较大的电磁干扰，一般只在通信线路少的山区采用。

不带回流线的直接供电方式在我国早期的电气化铁路中采用，机车电流完全通过钢轨和大地流回牵引变电所，牵引网本身不具备防干扰功能。在接地方面，每根支柱需单独接地（设接地极或通过火花间隙），或者通过架空地线实现集中接地（架空地线不与信号扼流圈中性点连接），如图3-2-1所示。

图3-2-1　不带回流线的直接供电方式

1—输电线；2—牵引变电所；3—馈电线；4—接触线；
5—钢轨；6—电力机车；7—分区所（亭）

德国曼海姆—斯图加特、汉诺威—维尔茨堡、汉诺威—柏林、法兰克福—科隆、纽伦堡—英格尔斯塔特等高速线路均采用直接供电方式，运营速度为250～330 km/h。

3．改进供电方式目标

（1）降低钢轨电位。

（2）减小对弱电系统的电磁干扰。

（3）具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），更长的供电距离，较少的变电所数量和分相数量。

（二）带回流线的直接供电方式（TRNF）

为了改善钢轨中的回路电流漏入大地所造成的危险和干扰，在接触网的支柱上再架设一条与钢轨并联的架空回流线，利用回流线与钢轨间并联连接线的互感作用，使钢轨中的回路电流尽可能地经回流线流回牵引变电所中，回流线每隔一定距离与钢轨相连，钢轨电位大为降低，部分抵消接触网对邻近通信线路的干扰、牵引网阻抗比直接供电方式低，使供电臂延长30% 及以上，如图3-2-2所示。

图3-2-2　带回流线的直接供电方式

电流从牵引变电所馈电线通过接触网流向高速电动车组，从电动车组下到钢轨上，回流电分为三部分：一部分直接沿钢轨流回变电所，约占40%；一部分从钢轨通过吸上线流向负馈线，通过负馈线返回变电所，约占30%；剩余电流从钢轨漏泄至大地，沿大地流向牵引变电所，在变电所附近返回钢轨或变电所地网。

1．优点

（1）接触网结构简单可靠、供电设备可靠性高、故障率低、维修工作量小。

（2）馈电回路简单，回路阻抗较小。

（3）经济性好、一次投资及运营费均较低。

这种改进型的直接供电方式的供电性能和供电质量得到了改善，在我国电气化铁路上得到了广泛的采用，是我国主要使用的供电方式。

2．带回流线的直接供电方式实现目标——相对直接供电方式

（1）钢轨电位一定程度上有所降低；

（2）电磁干扰一定程度上有所减小。

带回流线的直接供电方式，列车电流一部分通过钢轨和大地流回牵引变电所（约70%），其余通过回流线流回牵引变电所（约30%），由于流经接触网的电流和流经回流线的电流虽然大小不等，但方向相反，且安装高度比较接近，两者对铁路沿线通信设施的电磁干扰影响趋于抵消，因而具有一定的防干扰功能，在接地方面，接触网支柱通过回流线实现集中接地，回流线每隔一个闭塞分区通过吸上线与信号扼流圈中性点连接。

（三）BT供电方式

BT（Boost Transformer）供电方式又称吸流变压器供电方式，它是牵引供电系统中加装吸流变压器-回流线装置的供电方式，在我国早期电气化铁路中有采用。

这种供电方式，在接触网上每隔一段距离装一台吸流变压器，吸流变压器为1∶1的单卷变压器，其原边串入接触网，间隔约1.5～4 km，次边串入回流线，又称负馈线，架在接触网支柱田野侧，与接触悬挂等高，每两台吸流变压器之间有一根吸上线，将回流线与钢轨连接，其作用是将钢轨中的回流“吸上”去，经回流线返回牵引变电所，列车所处的BT间隔内存在“半段效应”，即在该BT段内接触网与回流线中的电流并不相等，防干扰效果并不明显，而在其余BT段内两者的电流大小相等，方向相反，防干扰效果非常明显。如图3-2-3所示。

图3-2-3　BT供电方式

1．缺点(www.xing528.com)

（1）BT方式牵引网结构复杂，造价较高，并不能完全消除电磁干扰，存在半段效应。

（2）牵引网阻抗变大，供电臂长度将减小，供电电压损失及电能损失均增加，在接触网回路中增加了变压器设备和电气分段，结构复杂，维护工作量大。

（3）BT方式是串联系统，可靠性较低，电力机车过BT时，易产生电弧，烧损接触线和受电弓滑板，不利于高速、重载等大电流运行。

2．应用情况

最初的主要目的是提高牵引网防干扰能力，但随着通信线路的电缆化和光缆化，防干扰矛盾越来越不突出，其生命力也已大大降低，目前在我国电气化铁道中采用BT供电方式的线路中，大部分BT变压器已经退出运行。

3．BT供电方式实现目标

（1）长回路中钢轨电位降为0。

（2）长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。

（3）具有更强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），更长的供电距离，较少的分相数量，BT供电方式不适合高速列车的运行。

（四）AT供电方式

AT（Auto-Transformer）供电方式又称自耦变压器供电方式，自耦变压器供电方式是每隔10～15 km，在接触网与正馈线之间并联接入一台自耦变压器，其中性点与钢轨相连。另外，上下行各架设有一根与钢轨并联（通过扼流圈）的保护线，用于接触网或正馈线的网络保护接地。理论上讲，除了高速电动车组所在的AT段（该AT段存在“半段效应”）以外，其余AT段内流经接触网中和正馈线中的电流大小相等，方向相反，且电流大小仅为高速电动车组电流的一半。

采用AT供电方式时，牵引变电所主变器输出电压为55 kV，经AT向接触网供电，一端接接触网，另一端接正馈线，其中点抽头则与钢轨相连，因自耦变压器将牵引网的供电电压提高一倍，而供给高速电动车组的电压仍然不变，故接触网输送的仍为额定电压，自耦变压器的存在，使钢轨流回的电流，经自耦变压器绕组和正馈线流回变电所，当自耦变压器的一个绕组电流流经变压器时，其另一个绕组感应出电流供给高速电动车组。由于AT供电方式牵引变电所馈出电压高，所间距可增加一倍，便于牵引变电所选址和电力部门的配合，同时分相点少，并可适当提高末端网压，如图5-2-4所示。

图3-2-4　AT供电方式

1．AT供电方式特点

（1）采用2×25 kV系统，供电电压比直供方式高一倍，而牵引网单位阻抗仅为直供方式的57% 左右，牵引网阻抗很小，电压损失降低、电能输送能力增强，对通信线路的干扰防护能力要优于带负馈线的直接供电方式，显示了良好的供电特性。

（2）牵引变电所的间距大，供电距离长，可达40～50 km。易选址，减少了外部电源的工程数量和投资。

（3）牵引网回路是平衡回路，屏蔽系数为直供方式的1/20左右，防干扰效果好，可改善电磁环境，并减少防干扰费用，但是也存在半段效应。

（4）牵引变电所主接线相对较复杂，导线数量多，使其一次投资费用增大，但自耦变压器并联于接触网上，不需增设电分段，减少了电分相数量，适用于高速和重载的重负荷铁路及运输繁忙双线区段。

（5）AT供电方式的接触网结构复杂，牵引网系统需设正馈线，较一般直供方式复杂，但在重负荷区段不必设加强导线，与直供方式相当，变电系统较直供方式减少了牵引变电所的数量，但需设AT所，开关设备需用双极。

2．应用情况

日本东海道、东北、上越、山阳、北陆、盛冈—秋田、盛岗—八户等所的新干线总长2 154 km，全部采用AT供电方式，运营速度为260～300 km/h；在欧洲一些国家的高速铁路牵引变电所应用得较为广泛，法国东南线（426 km，270 km/h）为AT与直供混合供电方式，而大西洋线、北方线、地中海线总长918 km，全部采用AT供电方式，运营速度为300～350 km/h；韩国首尔—釜山全长412 km，采用AT供电方式，运营速度为300 km/h；马德里—塞维利亚（471 km，250 km/h）采用直接供电方式，马德里—巴塞罗那（730 km，350 km/h）采用AT供电方式；意大利都灵—佛罗伦萨，罗马—那不勒斯（620 km，300 km/h）采用AT供电方式。

我国新建的250 km/h及以上高速铁路普遍采用AT供电方式，供电臂长度一般为30～40 km，设2个或3个AT段。

3．AT供电方式实现目标

（1）长回路中钢轨电位降为0；

（2）长回路磁场完全平衡，电磁干扰降至最低。

（3）具有最强的供电能力（更小的牵引网电压损失和电能损失），供电距离更长，减小分相数量，适合于高速列车的运行。

（五）同轴电力电缆供电

同轴电力电缆供电（简称CC供电方式），是一种新型的供电方式，同轴电力电缆沿铁路埋设，其内部芯线作为馈电线与接触网连接，外部导体作为回流与钢轨相接，每隔5～10 km作一个分段，如图3-2-5所示。

图3-2-5　同轴电力电缆供电方式

1．优点

（1）馈线与回流线在同一电缆中，间隔很小，且同轴布置，使互感系数增大，同轴电力电缆的阻抗比接触网和钢轨的阻抗小得多，牵引电流和回流几乎全部经由同轴电力电缆流过。

（2）电缆芯线与外部导体电流相等，方向相反，二者形成的磁场相互抵消，对邻近的通信线路几乎无干扰，由于阻抗小，因而供电距离长。

2．缺点

同轴电力电缆造价高，投资大，现仅在一些特别困难区段采用。