高速铁路引供电系统综述张膑侨陈文卿黄福万黄业帆谢卓林（桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林 541004）摘要：探讨我国高速铁路的牵引供电系统的原理。

　　然后从供电方式、变压器、牵引变电所以及保护装置4个方面介绍我国高速铁路牵引供电系统现状，接着介绍国外高速铁路牵引供电系统的现状并指出可借鉴之处，最后展望我国高速铁路牵引供电系统的未来发展方向。

　　随着我国高速铁路网的逐渐密集，铁道交通相对低廉的价格，速度的提升以及铁路硬件设施的逐渐完善和服务水平的逐渐提高，铁路渐渐成为了我国人们出行的重要工具之一。

　　铁道交通快速发展，给我国人们的生产生活带来了极大的便利，从而促进了地区之间的经济快速发展，文化的交流与传播。

　　同时，作为列车运行能量来源的牵引供电系统，成为了行业研究课题的热点，并在同相供电、牵引变压器的研究中取得丰硕成果。

　　【1】本文将通过供电方式、变压器、牵引变电所以及保护装置4个方面介绍我国高速铁路的详细情况，然后通过与国外一些国家高速铁路的牵引供电系统做出对比并指出我国高速铁路牵引系统的优点与不足，最后展望我国高速铁路牵引系统的发展方向。

　　2 牵引供电系统发展历程牵引供电系统是电力机车的能源系统，主要由牵引变电所和牵引网组成。

　　牵引变压器作为变电所中的核心元件，其作用是将电力系统提供的电能转换并送至牵引网。

　　因此，本节主要从牵引变压器、牵引网供电方式两个方面依次介绍牵引供电系统技术发展历程。

　　【1】2.1 牵引变压器牵引负荷为单相负荷且具有随机波动的特点，所以对电力系统而言，牵引负荷是不对称负荷，其产生的负序电流将影响电能质量。

　　因此，牵引变压器的技术发展过程是负序抑制效果逐步提高与变压器容量不断增大的过程。

　　铁路运输早期，运输量小，速度慢，对于能量的要求不高，对于牵引变压器的容量要求自然不高，用单相牵引变压器即可满足容量的要求。

　　同时，单相牵引变压器利用率高，造价低，对于工程建设投资低的优点符合当时的国民经济水平状况。

　　随着国民经济的快速发展，铁路运输量逐渐增大，对列车速度要求的逐渐提高，单相变压器的容量慢慢难以满足列车运行过程中的能量需求。

　　为了满足铁路对大容量变压器的需求，YNd11接线牵引变压器得到广泛采用。

　　YNd11 接线牵引变压器容量较大、结构简单、制造工艺成熟，且其次边仍保持三相，不但能为接触网供电，同时也能为变电所提供三相电源[1]。

　　YNd11 接线变压器虽满足了对容量的需求，但它对负序电流却没有抑制效果，影响电网电能质量［11］。

　　为了改善 Ynd11 接线变压器的负序问题，我国1985 年在京秦线上采用了 Scott 接线牵引变压器，此后在大秦线、郑武线等区段上也广泛运用。

　　众多研究和实际运行结果表明，Scott 接线变压器能很好地抑制负序电流。

　　但 Scott 接线变压器也具有结构复杂、制造难度大、占地面积大、工程建设成本高的缺点。

　　【1】2.2 牵引网供电方式【1】牵引网供电方式技术发展过程是牵引网供电能力不断增强与其对通信影响不断减小的技术发展过程。

　　为此，我国电气化铁路牵引供电方式主要经历了3 种供电方式: 直接供电方式、吸流变压器－回流线供电方式、带回流线的直供方式和自耦变压器供电方式。

　　我国最初的电气化铁路广泛采用直接供电方式（如图 1所示），由接触网和轨－地直接构成回路。

　　直接供电方式具有结构简单，投资少，维护方便的优点，适合我国当时铁路运量小，线路少，列车运行速度低的基本情况。

　　随着铁路运输量日趋增大且逐渐向平原经济发达地区和城市延伸，直供方式暴露了其对周围通信线路电磁干扰大的缺点。

　　随着铁路运量不断增大和高速铁路及重载铁路的发展，同时具有一定负序抑制效果及较大容量的 V 型接线牵引变压器在新建工程中得以应用。

　　与Scott 接线变压器相比，V 型接线牵引变压器具有更高的容量利用率、相对较低的制造成本、更少的占地面积及工程投资等优点，因此，V 型接线牵引变压器在我国电气化铁路广泛应用。

　　图1 直接供电方式简图Fig．1 Direct feeding system diagram为了减少对通信的影响，国内部分线路开始采用吸流变压器－回流线供电方式，简称 BT 供电方式。

　　（如图2所示）BT 供电方式通过在牵引网上装设变比为1∶ 1 的吸流变压器，使电流通过回流线流回牵引变电所，从而减少对周围通信的影响。

　　但采用 BT 供电方式，又会造成牵引网阻抗增大、供电距离缩短、工程造价高、易造成火花间隙等缺点，这些缺点限制了 BT 供电方式在我国的广泛应用。

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　　图2 BT 供电方式简图Fig．2 Boost transformer feeding system diagram考虑到直接供电方式和 BT 供电方式的缺点，我国铁路开始广泛采用带回流线的直供方式和自耦变压器供电方式，简称 DN 供电方式和 AT 供电方式，它们不仅具有较强的供电能力和较小的牵引网阻抗，而且还能减轻对周围通信的影响。

　　并且AT 供电方式因为其供电能力强、供电距离大，牵引网压损、能量损失小的特点，广泛应用于我国高速、重载铁路及客运专线。

　　同时，对 AT 供电方式的改进产生了全并联 AT 供电方式，电压损失相对于普通的 AT 供电方式更小，具有更强的供电能力。

　　2.3 本章小结本章首先根据电力机车能源系统的主要组成成分为牵引变电所和牵引网络，而牵引变压器作为牵引变电所的核心元件，供电方式直接影响牵引网的供电电压水平，因此本章主要以牵引变压器和供电方式的逐渐完善的过程来阐述高速铁路牵引供电系统的历史发展进程。

　　变压器作为电力系统的主要谐波来源及其接线问题产生的负序电流造成的负序作用极大地影响着电力系统的电能质量。

　　供电方式的不恰当会对铁路周围的通信线路产生电磁干扰，而良好的供电方式不但会降低对周围通信线路的电磁干扰，还具有抑制变压器负序效果的能力。

　　3 牵引供电系统简介牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网组成，其中牵引变电所关心的是牵引变压器类型和牵引变电所接线方式的选择，牵引网的电压水平受供电方式影响。

　　因此，本节分别从高速铁路的供电方式、牵引变压器、牵引变电所接线 个方面介绍牵引供电系统。

　　【1】3.1 供电方式【2】全并AT供电系统（如图3所示）广泛应用于高速铁路中，全并联AT网是在复线AT网的基础上将上、下行线路在AT处通过横连线进行并联连接，上下行共用自耦变压器。

　　即在原有 AT供电方式中，将所有 AT 所处的上下行接触网、正馈线和钢轨并联连接，并在变电所出口处，上下行线路采用同一馈线 全并联AT供电系统示意图Fig. 3 Schematic diagram of all parallel ATpowersupply system 图1为全并联AT供电系统的电流分布特性，沿线上的AT将经过钢轨的电流平均分为四部分到上下行正馈线和接触网。

　　正馈线和接触网在电气上具有较强的对称性，因此上行线路和下行线路的电流分布也较为相似。

　　全并联AT供电系统的电流分布可以进一步降低线路中的电流、电压损失和通信线路的电磁干扰。

　　其供电性能优于单线AT供电系统和复线AT供电系统，提高了牵引网的传输线路长度，可以减少线路中的牵引变电所的数量。

　　3.2 牵引变压器【1】我国在建和拟建的高速铁路牵引供电系统普遍采用大容量 V/x 接线牵引变压器。

　　V/x 接线牵引变压器接线 台单相变压器组合构成，变压器牵引侧一端与接触网相接，另一端与负馈线相接，中间抽头与钢轨相接。

　　V/x接线牵引变压器能够提供一个接地中性点，结构较简单，投资较少，容量利用率高，且对负序电流的抑制效率与 V/v 接线相当，适用于 AT 供电系统。

　　高铁的牵引变电所内设置了相同类型的继电保护，只是保护整定值由于牵引网阻抗、机车密度等因素不同而不同。

　　例如城市电车、城市地下铁道、工厂矿山的电力交通运输供电等，都可称为牵引供电。

　　电气化铁道供电，因其用电量大、分布广，因而形成相对独立于电力系统的电气化铁道牵引供电系统。

　　一、牵引供电系统的电流制一、牵引供电系统的电流制工频单相27.5KV 交流牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网两部分组成。

　　其主要作用是从电力系统取得电能，其主要作用是从电力系统取得电能，其主要作用是从电力系统取得电能，并送给沿铁路线运行的电力机车。

　　（一）一次供电网络（一）一次供电网络 一次供电网络是指直接向牵引变电所供电的地区变电所（或发电厂）及高压输电线路。

　　近年来，也有采用220 kV 的，相比之下，后者电源的可靠性和稳定性等技术指标相对较高。

　　上述高压输电线路虽然专门用于牵引供电，上述高压输电线路虽然专门用于牵引供电，但由国家电力部门修建并管理，但由国家电力部门修建并管理，并以牵引变电所的110 kV 进线门形架为分界点。

　　（二）牵引变电所（二）牵引变电所牵引变电所的作用是降压，并将三相电源转换成两个单相电源，然后通过馈电线分别供电给牵引变电所两侧的接触网。

　　（三）牵引网（三）牵引网牵引网是由馈电线、接触网、钢轨、回流线组成的双导线供电系统。

　　馈电线除直接送电给接触网外，还要送电给附近车站，机务折返段，开闭所等，所以馈电线的数目较多，距离也可能较长。

　　由于钢轨对地并非绝缘，所以部分电流沿大地流回到牵引变电所，形成地中电流。

　　（四）分区亭（四）分区亭为了增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个相邻牵引变电所供电的接触网区段通常加设分区亭，分区亭的作用是：(1)可以使相邻两供电区段实行并联供电或分开供电，也可使复线区段的上、下行实行并联或分开供电。

　　牵引变电所将电力系统输电线kV，经馈电线将电能送至接触网；接触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后便可从其取得电能，用以牵引列车。

　　牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置，两相邻牵引变电所之间设有分区亭，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。

　　牵引供电回路是由牵引变电所——馈电线——接触网——电力机车——钢轨——回流联接——（牵引变电所）接地网组成的闭合回路，其中流通的电流称牵引电流，闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧，处理不当会造成严重的后果。

　　牵引供电设备的检修运行由供电段负责，牵引供电系统的运行调度则由供电调度负责。

　　牵引供电系统供电示意图如下所示：二、牵引变电所、分区所、开闭所牵引变电所：牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式馈出。

　　降低电压是由牵引变压器来实现的，将三相变为单相是通过变电所的电气接线来达到的。

　　牵引变压器（主变）是一种特殊电压等级的电力变压器，应满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。

　　我国牵引变压器采用三相、三相——二相和单相三种类型，因而牵引变电所也分为三相、三相——二相和单相三类。

　　随着技术水平的提高，我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统，牵引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行。

　　分区所：分区所设置在两个变电所中间，作用有三：提高供电质量、供电分段、越区供电。

　　• 开闭所：一般设置在大型站场附近，进线由变电所或接触网引入，由开关馈出多个供电线路向多个供电设备供电。

　　作用是增强供电的灵活性，便于供电设备的运行及检修，便于行车组织，缩小供电事故及故障范围。

　　1、.牵引供电系统的组成：牵引变电所 ，牵引供电回路 ，开闭所，分区所，自耦变压器站，牵引网（供电线，接触网，回流线，分相绝缘器，分段绝缘器，供电分区）牵引变电所：在牵引变电所内装设有牵引变压器，将电力系统110kV 或220kV 的高压降低为27．5kV 或227．5kV(自耦变压器供电方式)，以单相电馈送给牵引网，供电力机车使用。

　　分区所：接触网通常在两相邻牵引变电所的中央断开，将相邻的牵引变电所中间的两个供电臂分为两个供电分区没在中央断开出设置开关设备可以将两个供电分区联通，此处的开关设备称为分区所。

　　分区所可以使相邻的接触网供电区段实现并联或单独工作，可以增加供电的灵活性和运行的可靠性。

　　3、牵引网的供电方式：直接供电方式（DF ）,直接加回流供电方式（DN ），自耦变压器供电方式（AT ），吸流变压器供电方式（BT ），CC 供电方式。

　　DF :牵引变电所将电能通过馈线传输到接触网，接触网通过受电弓连接到变压器仪一次测，然后通过钢轨流回变电所。

　　特点：供电回路的构成最简单，工程投资、运营成本和维修工作量都少；但对邻近通信线路的干扰影响严重，钢轨电位比其它供电方式要高。

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　　DN ：在直接供电方式的结构上增设与轨道并联的架空回流线，就成为带回流线的直接供电方式，特点：原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中馈电电流方向相反，架空回流线与接触网距离较近，因此，相当于对邻近通信线路增加了屏蔽效果。

　　电力牵引是利用电能作为牵引动力，将电能转换为机械能，驱动铁路列车、电动车组和轨道交通车辆等有轨运输工运行的一种运输形式。

　　牵引变电所将电力系统通过高压输电线送来的电能加以降压和变流后输送给接触网，以供给沿线路行驶的电力机车。

　　电力牵引供电系统按照向电力机车提供的电流性质分为直流制和交流制，交流制又分工频单相交流制和低频单相交流制。

　　我国电气化铁路采用工频单相交流制电力牵引，直流制电力牵引仅用于城市轨道交通运输系统和工矿运输系统。

　　1971年9月21日，西德铁路开行最高时速200公里的ICE城 间特快列车，这是德国真正向现代铁路高速运输发展的第 一步。1971年，开工建设第一条高速新线汉诺威—维尔茨 堡铁路，并于1991年正式开通运营。目前，ICE高速列车 可通达德国境内多数大城市，ICE列车可通行的范围6300 公里以上，列车速度最高可达300公里/小时。截至2015年 底，已建成的高速铁路共计约4000公里。

　　• 开闭所应尽量设置在枢纽地区的负荷中心处，以 减少馈线的长度和馈线与接触网的交叉干扰。

　　在两个牵引变电所的供电区间常加设分区亭。分 区亭常用于牵引网为双边供电，或复线区段牵引 网为单边供电，但上下行接触网在末端并联时。 这时，分区亭起到平时将两个供电臂或上下行接 触网联络起来的作用，这样，当事故发生时，可 缩小停电范围和实现越区供电。

　　电力系统向牵引变电所供电的方式可分为单 电源供电，双电源供电和混合供电。当同一电气 化区段有不同那个的电力系统功能供电时，在牵 引网的分界处，应设置分相电分段而不应并联。 牵引变电所设置两台变压器，它要求双电源供电。

　　在牵引网中，每相距1.5km—4km间隔，设置一台变 比为1:1的吸流变压器。吸流变压器设在分段中央，其原 边串入接触网，副边串入沿铁路架设的回流线。回流线通 常就悬挂在铁路沿线的接触网支柱外侧的横担上。

　　1—接触网；2—为轨道；3—为回流线，一次线圈串接入接触网，二次线—为吸上线，一端接回流线，另一端与轨道或吸流变压器线 圈中点连接，以提供从电力机车到轨道的返回电流流到回流线—为位于远端的吸上线处的电力机车；

　　牵引网是由馈电线 （供电线）、接触网 、钢轨、大地和回流 线组成的供电系统， 完成对电力机车的送 电任务。

　　馈电线：连接牵引变电所和接触网的导线和电缆。它把牵引变电所 主变压器二次侧27.5KV的电压输送到接触网。

　　钢轨、大地和回流线：牵引变电所处的横向回流线，它将轨或与轨 平行的其它导线与牵引变压器指定端子相联。又能大大降低牵引负 荷电流对通信的干扰。

　　和保护线间的辅助联接PW 保护线 R 钢轨 ATP 自耦变压器所SP分 区所 AT处采用横向连接线CPW实现轨道、保护线和AT中性点的连接，通过 放电器（SD）将AT的中性点与大地相连。与不并联的AT供电方式比 ，全并联AT供电更具有线路载流能力大、供电区段长、适应高速等 优点。

　　分相绝缘器（电分相）：串在接触网上，目的是把两相不同的供电区分开，并使机车光 滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区处。

　　SP: 为了增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个牵引变电所的供电区间常加设分 区所

　　SSP:实际上是起配电作用的开关站。开闭所就是高压开关站，从严格意义上讲是“高压配 电”站，仅仅起配电作用，实现环网供电、双路互投等功能。

　　带回流线的直接供电方式，是在接触网同高度的外侧增设了一条回流线，减轻了接触网对 邻近通信线路的干扰。这种供电方式的特点是：结构简单，投资和维护量小；供电可靠性 高；牵引网阻抗比直供和BT方式都小，能耗较低，供电距离增长；防干扰效果强于直供不 如BT供电方式。

　　高速铁路牵引供电系统简介高速铁路牵引供电系统第一节电气化铁路的组成由于电力机车本身不带原动机，需要靠外部电力系统经过牵引供电装置供给其电能，故电气化铁路是由电力机车和牵引供电系统组成的。牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网两部分组成，所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的三大元件。

　　电气化铁路的供电系统是将发电厂的电能从电力系统传送到电力 机车的电力设备。

　　电气化铁路牵引供电系统简介讲解牵引变压器（有多种接线、真空、少油、油断路器），隔离开关 避雷器、避雷针 电压互感器、电流互感器 二次设备（控制、保护、测量、计量、监视和电源设备） 无功补偿装置、调压装置牵引网（Traction Network）• 由馈电线、接触网、轨道、回流线等设施构成的输电网络 • 馈电线（Feeder，引出线:Lead Wire）外桥接线双T接线 牵引变电所向牵引网的供电

　　SS2双边纽结供电源自.4 牵引网向电力机车的供电（1）直接供电方式（T-R方式, Trolley-Rail）

　　沿线路露天敷设，通过和受电弓的滑动接触把电能输送给电力机 车的供电设施。由接触线、承力索以及支持、悬挂和定位等装置组成。 从牵引网角度关注的是接触线、承力索和加强线等载流导线。

　　直接供电方式 带回流线的直接供电方式 吸流变压器(BT)供电方式 自耦变压器(AT)供电方式

　　• 其他设施负馈线（回流线），吸上线 ，BT ，AT ，正馈线 ，保护线，地线 ， 供电线牵引供电系统的其他设施• 分区所（Section Post, SP）设于两变电所之间 ， 把电气化铁道牵引网分成不同供电区段， 设有开关设备 ，根据运行需要可以连接同一供电臂的上 、下行接触 网 ， 或连接不同的供电臂以实现越区供电。第一章 绪论——牵引供电系统简介1.1 电气化铁道与牵引供电系统 1.2 电力系统向电气化铁道的供电 1.3 牵引变电所向牵引网的供电 1.4 牵引网向电力机车的供电 1.5 牵引供电系统的特点及主要问题1. 1 电气化铁道与牵引供电系统• 电气化铁道（Electric Railways）使用外部输入的电力能源（electric power ）来驱动列 车行驶的铁道运输方式。拓扑结构三相不对称； 变压器接线特殊。

　　电气化铁道的供电要求 • 安全可靠供电 • 保证供电质量 • 降低投资和运营费用 • 提高电磁兼容水平

　　AT供电系统 ， 除变电所 、分区所和开闭所外 ，在牵引网上放置 自耦变压器的场所。

　　• 电气化铁道属一级负荷 ，对供电可靠性要求高 • 牵引变电所一般设置两台变压器 ，要求有两回独立电源

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