高铁供电系统及电力驱动
摘要：首先对高铁发展进行了概述，介绍了高铁的定义以及国内外发展历史，之后，对高铁的动力来源以及电能获取方式进行了介绍，并对供电系统中的牵引变电所、架空接触网及弓网系统、列车驱动和变频电机进行了详细阐述，最后，就生活中经常遇到的一些关于高铁的常识进行了科普性介绍。
关键词：高铁；牵引变电所；架空接触网；列车驱动与变频电机；高铁常识
1.高铁发展概述
按照2008年世界高速铁路大会的定义，“高速铁路”必须同时具备三个条件：新建的专用线路、时速250公里动车组列车、专用的列车控制系统。同时具备这三大条件的铁路运营系统才能称之为高铁。运营的高速铁路拥有四大优势：一是速度快。二是安全可靠。三是经济实惠。四是运载量大。
1825年，英国人用机动车牵引车列在轨道上行驶，世界铁路就此开始；1829年，英国火车 “火箭号”的速度为46.4公里/小时；1935年，德国铁路公司 “飞翔的汉堡包”号火车平均速度达到123.8公里/小时；1938年，伦敦东北铁路公司的“野鸭号”火车创下了201.6公里/小时的纪录；20世纪60年代初期，日本建成东京大阪间的东海道新干线，专门行驶旅客列车，其时最高行车速度达到每小时 210公里。
而对于我国，2006~2007年，中国铁路系统掌握了既有线提速200~250公里每小时的成套技术。动车组运营速度已达每小时250公里。2005~2008年，京津城际高速铁路系统解决了制约速度的一系列技术难题，最高运营时速提高至350公里。标志着我国系统掌握了时速350公里的高速铁路成套技术。2008~2011年，武广、郑西、哈大等客运转线持续运营时速350公里。武广客运专线的建设，形成了中国高速铁路体系的标准。京沪高速铁路最高运营时速380公里。 我国高铁的型号：最初，在引进技术的基础上中国生产了4个系列的车型：CRH
1、CRH
2、CRH
3、CRH5，其中1系是合资企业BST的，也就是现在生产CRH380D的企业，2系是南车的，3系和5是北车的；目前有CRH380A、CRH380B、CRH380C、CRH380D四款车型。四款车型的命名，是按照下线运营时间顺序先后排列的，谁先研发出来谁就是A，然后一次是B、C、D。
2.高铁供电系统及电力驱动
高铁是用电力驱动的，与传统内燃机驱动方式相比，电力驱动具有无污染、载客量大、动力/重量比大等优点。因此，世界上大多数高速列车都采用电力驱动方式，即通过铁路沿线的架空高压线电网（我国都采用工频单相2.5千伏电压）对列车供电方式。而安装在列车车顶沿着高压线滑动获取电能的装置叫受电弓。 其中，CRH380A采用的是动力分散的电力驱动方式，全列车顶安装了4架受电弓，车下安装了7台变压器，14台变流器，56台电机分别安装在2～15号车厢的28个转向架上。CRH380A能量传递有两种方式：牵引方式和再生制动方式。牵引方式时，列车从架空电网获取电能，再经过多个车厢下安装的变压器、变流器等部件变换后给转向架上安装的电动机。变压器能将从受电弓获取的高电压电能转换成将近2千伏的中电压电能，变流器能将工频单相中压电转换成频率、电压可变的三相电源给三相电动机驱动列车前进。
各国高铁基本采用交流电作为高铁列车的牵引网络的电流制式。但是，意大利除外。
从电路角度来看，高铁采取AT（自耦变压器）供电方式。高铁能够跑起来，依靠的是牵引供电系统给高速列车提供电力。牵引供电为电力系统的一级负荷，但德国是例外，德国高铁电网有独立于德国国家电网。因此，高铁牵引供电系统包括架空接触网、牵引变电所、回流回路。
图1 高铁供电系统结构图
牵引变电所为架空接触网提供电能。架空接触网的末端是牵引变电站，平均数十千米/座。每个变电站伸出两个供电支，提供不同相的交流电，这就是“供电段”。据此可认为，铁路供电是按照“供电段”来进行划分的。牵引变电所给各供电支提供电能，列车接受供电支的电能以维持运动，不断完成过分相-受流的循环（供电段）的同时向前运行。
受电弓与架空接触网合称受电弓-接触网系统，简称弓网系统。架空接触网，是弓网系统的一部分。弓网系统是牵引供电系统中的固定/移动设备结合点。换个通俗的说法，列车运行过程中，牵引系统从变电站一直到接触网都是静止的，而从受电弓部分开始，整个高速列车，都是运动的。如图2可以看到弓网系统的大致结构。列车车顶伸上去的折叠装置，就是受电弓；与受电弓直接接触的那条线，就是接触线，接触线是架空接触网的一部分。高速列车通过受电弓将架空接触线上的电能取回车内。
图2 高速列车受电弓
如图3所示为高铁变频电机及传动系统示意图，PWM变频电机通过弓网系统获取电能，以此驱动列车运转。接触网上的高压交流电，通过变压器降压和四象限整流器转换成直流电，在经过逆变器降至六点转换成可调压调频的交流电，输入三相异步/同步牵引电动机，通过传动系统带动车轮运行。
3.高铁常识
3.1 高铁上为什么没有安全带
相信很多人都会有这样的疑问，飞机上有安全带，汽车上有安全带，为什么时速超过300公里的高速动车组上没有安全带？
图3 高铁变频电机及传动系统示意图
第一，高铁对稳定性的控制极其严格，甚至达到了变态的程度。举一个最简单的例子，高铁起步时，无论你正在与朋友们一起聊天，还是在低头看自己的报纸，若不是窗外的风景与光线出现快速的变动，你都很难意识到车辆已经起步了。
第二，高速列车发生事故时，安全带给予乘客的伤害远大于潜在的保护。这是最重要、最根本的一个原因。欧洲对高铁的应用比较早，对高铁主被动安全的研究也比较多。欧洲铁路安全与标准委员会通过大量调查发现，在火车发生重大事故时，乘客被束缚在座椅上受伤的几率更大，主要是因为被安全带束缚在座椅上的乘客，更容易受到车厢结构坍塌所造成的伤害，因为他们无法进行有效的躲避。
第三，现实原因，实际中难以操作，因为乘坐高铁的人不愿因系安全带。人们选择高铁而不是飞机，很重要的一个原因就是高铁空间宽敞、运行平稳，人们习惯在车厢里面自由活动，串串车厢拜访拜访朋友，所以很少有人愿意乘坐高铁系上安全带。
3.2 高铁和动车的区别
高铁是一个系统，包括轨道系统、车辆系统、信号系统、供电系统、调度系统，动车组只是其中的一个系统。此外，动车组分内燃动车组（DMU）与电动车组（EMU），动车组也并不意味着一定是高速的，动车组也有120公里的，一直到380公里的，一般时速超过200公里的才称为高速列车。
2007年铁路第六次大提速后，通过引进消化吸收的CRH系列和谐号电力动车组上线运营。并且在列车运行等级中新设了“动车组”，以“D”为代号。铁路部门对外宣传动车组运行时速可达到200公里，在票价上也比特快列车更加昂贵。2008年8月1日，京津城际铁路通车，开通以“C”为代号的城际高速动车组。2009年12月26日，武广高速铁路通车，“G”为代号的高速动车组正式出现。高速动车组除了运行速度更快，票价标准相比D字头的动车组又有上涨。以“G”打头的动车组列车因为只在城际铁路和高铁上运行，所以在命名为XX高铁的线路上运行的G字头高速动车组，久而久之就被简化成了XX高铁。且这么一直将错就错下来。尤其是在沪宁沿线，由于沪宁城际高铁开通后开行G字头高速动车组，价格比六提后开行的D字头动车组更贵，引发部分旅客不满，因而将“动车”和“高铁”和两个概念对立了起来。其实，无论是D，还是G，它在铁路运输中都是以由CRH动车组执行的旅客列车。要跑出时速250公里及更高的时速，D和G字头的动车组，都必须驶上高速铁路。
3.3 高铁上为什么没有座位E 各种解释不一而足，如有人就说“E”跟“1”发音相近，容易混；当然更受欢迎的解释，是复旦大学教授钱文忠给出的，他暗示的意思就是：铁路人或者原铁道部就是脑残，他们设计出来的东西本来就不可理喻。
其实吧，说得好听一点叫“国际惯例”，说得更通俗一点的就是模仿航空。早期的飞机多是单通道的，一般每排有6个座椅，分别是ABCDEF，这样呢就形成了，AF靠窗，CD靠走廊，BE是中间位置，久而久之，A—F这六个字母就不是单纯的表示顺序的意思，还有靠窗、过道与中间座的区分，成了一种惯例。高铁作为后来者，每排的座椅又不会超过6个，所以就延续了这种传统。 3.4 高铁为什么夜间不开
经常坐高铁的人都知道，高铁在凌晨0点到6点之间是没有班次的，业内称之为“天窗”。当然，我这里主要是指新建的高铁线路，在老线上面还有一些动车组卧铺（南车的CRH1E、CRH2E等车型）会在夜间运行。在许多人眼中的这种浪费，为什么会存在呢？
这段时间是为了保证高铁安全运营的设备检修时间。在凌晨0点到6点间，高铁各类设备都要进行检修，主要包括：工务段要对线路进行检查，供电段要对供电设备（如供电网）进行检查，信号段要对信号进行检查，当然还有我们的动车组要回库进行检修和维护。此外，为确保高铁运行安全，每天第一班列车开行前，都要放出一班确认车，不载客。
3.5 高铁为什么多数建在桥上
好多人会问，中国的高铁建在桥上的比例为什么会那么高？这样会不会大大增加高铁的建设成本？中国高速铁路桥梁比例高，有多方面因素包括技术层面，也包括经济层面，但归根结底是技术标准问题，目的就是为了高速列车的平稳高速运行提供保障。
第一，是为了线路的平直和平顺。所谓平直就是，尽量采用直线或者大半径的圆曲线，不能有太多太急的弯道；第二，为了线路不能有太大的沉降；第三，节省土地。京沪高铁桥梁占比达到80%，与传统路基相比少用土地3万亩；第四，其他一些原因。如减少养护成本，提高线路的安全性；解决行人过道问题，减少管理风险等等。
4 结论
本文首先对高铁发展进行了概述，介绍了高铁的定义以及国内外发展历史，之后，对高铁的动力来源以及电能获取方式进行了介绍，并对供电系统中的牵引变电所、架空接触网及弓网系统、列车驱动和变频电机进行了详细阐述，最后，就生活中经常遇到的一些关于高铁的常识进行了科普性介绍。
