浅谈高速铁路牵引供电方式

娄刘娟

摘 要：该研究主要从减小对通信线路电磁干扰的角度出发，对单相工频25kV牵引网的五种供电方式直接供电方式（TR）、带回流线的直接供电方式（TRNF）、BT（吸流变压器）供电方式、AT（自耦变压器）供电方式和CC供电方式的工作原理及存在的主要问题进行分析比较，其中直接供电方式因其对通信线路产生的电磁干扰较大，这种供电方式现今用的很少；带回流线的直接供电方式的钢轨电位降低、牵引网阻抗降低，供电距离增长，对弱电系统的电磁干扰减小，目前这种供电方式备受青睐；BT供电方式结构复杂，存在着“半段效应”，影响列车的速度，目前我国高铁几乎不采用此种供电方式；AT供电方式的综合性能较好，我国高铁很多线路都采用AT供电方式；CC供电方式因成本较高，目前用的较少。

关键词：牵引网 直接供电方式 BT供电方式 AT供电方式 CC供电方式

中图分类号：TM922.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（c）-0037-02

近年来，铁路特别是高铁在我国取得了飞速的发展，目前我国已投运高速铁路以达到11 132 km，但是对牵引供电性能的要求也越来越高，因此牵引供电方式的选择在每条线路设计的过程中都需要慎重考虑，因此本文针对牵引网的结构的不同，从减少牵引网对邻近通信线路的干扰，降低牵引网的电压损失和电能损失，提高电气化铁路效益的角度出发，对目前国内外牵引供电系统的供电方式进行对比总结。目前单相工频25 kV牵引网供电方式主要有直接供电方式（TR）、带回流线的直接供电方式（TRNF）、BT（吸流变压器）供电方式、AT（自耦变压器）供电方式和CC供电方式[1]，每一种供电方式各有其优越性和不足之处，本文主要中各种供电方式的工作原理，优缺点以及主要应用场合进行分析。

1 直接供电方式

直接供电方式是在牵引网中不加特殊防护措施的一种供电方式。电气化铁路最早大都采用这种供电方式，如图1所示。

这种供电方式结构最为简单，投资最省，牵引网阻抗较小，能耗也较低。直接供电方式的供电距离在单线区段一般为30 km左右。电气化铁路是单相负荷，机车由接触网取得的电流经钢轨流回至变电所。由于钢轨和大地不是绝缘的，一部分回流电流经钢轨流入大地，因此对通信线路产生电磁感应影响较大，这是这种供电方式的缺点。直接供电方式一般在铁路沿线无架空通信线路或通信线路已改用地下屏蔽电缆的区段采用[2]。

2 带回流线的直接供电方式

为了克服直接供电方式的缺点，在接触线平行位置增加金属回流线，并隔一定距离设置连接导线将回流线与钢轨并联，这种供电方式就是带回流线的直接供电方式， 如图2所示。

带回流线的直接供电方式，牵引电流大部分通过钢轨和大地流回牵引变电所，一小部分通过回流线流回牵引变电所。因接触网中的电流和回流线中的电流方向相反，且接触线和回流线距离较近，两者形成的磁场相互抵消。

3 BT供电方式

3.1 BT供电方式的工作原理

BT（Boost Transformer）因其对结构复杂，且对列车速度有影响，目前已经基本不采用。如图3所示。

图中，牵引网每隔一段距离在牵引网的接触导线和回流线接入变压比为1：1的吸流变压器BT[2]，其原边串入接触网中的绝缘锚段关节处，次边串入回流线，在两个吸流变压器的中间通过吸上线将钢轨中的牵引电流吸入回流线中。因而，接触网中的电流和回流线中的电流因大小几乎相等，方向相反从而极大地减弱了对牵引网附近通信线路的干扰。

3.2 BT供电方式存在的主要问题

BT供电方式存在着在机车所处的BT间隔内在一定范围内失去吸流防护效果的现象，即：“半段效应”，在该BT段内接触网与回流线中的电流并不相等，防干扰效果不理想，而在其余BT段内两者的电流大小相等，方向相反，防干扰效果较好[2]。

但是，因BT变压器自身阻抗较大，且安装密度较大，故此种供电方式引起的电压损失和电能损失较大，且每3～4 km在接触网内存在断口，断口一方面会影响列车速度，另一方面断口两端存在电压差，机车通过该断口时可能会产生电火花，使接触网寿命缩短[1]。

4 AT供电方式

AT供电方式是在牵引网中并联自耦变压器的一种牵引供电方式，它是目前备受国内外很多国家亲睐的一种供电方式。

4.1 AT供电方式工作原理

AT供方式原理如图4所示，AT表示变比为2：1的自耦变压器，牵引网接触线C和正馈线F接在自耦变压器原边，原边两端的电压为55 kV，而钢轨与自耦变压器的中点相连，接触网和钢轨间的电压为27.5 kV。由于原边电压提高了一倍，在相同的牵引功率下牵引网上电流减小，电压损失、功率损失均较小[2]。

4.2 AT供电方式对通信线路抗干扰原理

首先假设自耦变压器阻抗为零，AT的原绕组n1与n2串联接于电源，n2连接负载，如下图5所示，当电力机车处于两台AT之间（AT段）时，设牵引电流为，对段内同时

有AT3、AT4的副绕组供电，其值分别为、（与机车和AT3、AT4的距离成反比例分配），两电流同时流经钢轨—地回路，并有部分流入大地，均在AT3、AT4的原边绕组n1感应电流的作用下，被吸流流至正馈线F。此时段内两台AT中每台的串联绕组n1与n2中的负荷电路总是大小相等，方向相反，其所产生的磁通相互抵消[3]。

4.3 AT供电方式的主要技术特性

（1）牵引网的电压损失和功率损失大大降低。

（2）牵引变电所的间隔增大，但变电所主变压器副边绕组和相应的开关设备绝缘水平相应提高。

（3）与BT相比对通信线防干扰特性和效果较好，且接触导线不需段口，有利于列车高速运行。

总之，采用AT供电方式时目前在高速重载高速电气化区段AT供电方式有较大的适用性，也可按不同地区采用AT方式和带回流线的直接供电方式相结合的综合供电方式。

5 CC供电方式

CC供电方式是一种新型的供电方式，其内芯线作为馈电线与接触网并联连接，外部导体作为回流线与钢轨并联连接。每隔5～10 km作一个分段，如图6所示，因电缆芯线与外部导体电流相等，方向相反，二者形成磁场相互抵消，对邻近通信线路几乎无干扰。由于阻抗小，因而供电距离长。但由于同轴电力电缆造价高，投资大，现仅在一些特变困难的区段采用[3]。

6 结语

目前，直接供电方式因其对通信线路的干扰较大而几乎不采用，BT电方式因其自身的缺陷在我国几乎不再采用，带回流线的直接供电方式在我国用的较多，但是主要用在非高速铁路区段，目前在高速重载的电气化区段主要采用AT供电方式[4]，CC供电方式因成本问题用的也较少。

参考文献

[1] 王勋.电气化铁道概论[M].北京：中国铁道出版，2011：72-76.

[2] 杨中平，吴命利.轨道交通电气化概论[M].北京：中国铁道出版社，2013：50-52.

[3] 高健，王桂轩，周升伟，等.浅谈电气化铁道牵引供电方式的应用[J].科技视界，2014（33）：114.

[4] 钱清泉，高仕斌，何正友，等.中国高速铁路牵引供电关键技术[J].中国工程科学，2015，17（4）：9-20.