高铁的供电原理、驱动原理及电网电能质量的重要性

2016年8月，由北京西开往深圳北站的G79次高铁发生停电故障，上千人被困在40+℃的车厢内，持续近2小时，不少孩子和老人出现了不适和脱水现象。高铁安全稳定运行与其电网电能质量密不可分，如何保障高铁电网电能质量成为了当下讨论的热点。

图1 2020年地图规划图

到2020年，中国将新建高速铁路1．6万公里以上，形成以“四纵四横”高铁为主骨架的快速铁路网，现在高铁运行时速达到300km/h，提速至350km/h的呼声也在不断增强。

高铁的安全稳定运行与高铁电网的电能质量密不可分，电能质量问题可以导致电网电力故障和列车电力设备故障。探讨高铁电网电能质量问题对高铁列车的影响，我们就必须要了解高铁的供电原理和驱动原理。

高铁牵引供电系统

图2 高铁结构示意图

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。电气化铁路的牵引供电方式主要有：BT（吸流变压器）供电方式、AT（自耦变压器）供电方式和TR直接供电方式。由于高速铁路功率大，牵引电流较大，因此一般采用功率输送能力最强的AT供电方式，典型的

AT供电系统如图3所示。

图3 典型的AT供电系统

引供电系统主要由牵引变电站（变电所）、自耦变压器AT、接触网T、回馈线F、铁轨R及高速列车组成。基本原理为：牵引变电站为整个牵引系统提供电源，电流从牵引变电站流出，通过接触网给高速列出提供电能，然后通过回馈线流回牵引变电站，AT供电方式的工作原理如图4所示。

图4 AT工作原理图

高速铁路供电是按照“供电段”来进行划分的，平均数十千米/座。每个变电站伸出两个供电支，提供不同相的电流。列车经过两个变电站的“供电段”时，先后通过A1-B1-A2-B2四个供电支。为保证供电安全，每个供电支之间采用电气绝缘（隔离）的结构设计，因此各供电支之间不会短路。列出从一个供电支运行到另一个供电支是瞬时完成的。供电段示意图如图5所示。

图5 供电段示意图

高铁驱动原理

牵引供电系统为高铁提供电力，高铁依靠电力来获得动力，图6是高铁的驱动原理示意图。基本原理为：高速列车通过受电弓与接触网接触将高压交流电取回车内，然后通过变压器降压和四象限整流器转换成直流，在经过逆变器转换成可调幅调频的三相交流电，输入三相异步/同步牵引电机，通过传动系统带动车轮运行。

图6 高铁驱动原理图

高铁电能质量分析

高铁是一种特殊的大功率单相负荷，对于三相对称的电力系统来说，高铁牵引负荷具有波动性、非线性、不对称性等特点。

1、负荷波动与冲击

列车在运行中的加速、惰行、制动等因素都会引起牵引变电站负荷的波动，特别是列车从一个供电支变换到另一个供电支时，其瞬间造成的负荷波动和冲击是非常巨大的，巨大的负荷波动和冲击会引起电网电压的异常波动。图5是高铁牵引变电站24小时内有功功率变化情况，可以看出高铁牵引变电站负荷波动和冲击非常大。

图7 牵引变电站有功功率曲线

2、非线性

从高铁的驱动原理可以看出，高铁采用交-直-交的PWM变流器技术，把工频交流电经过整流逆变转变为可调幅调频的三相交流电为牵引电机供电，这是一个非线性的过程，不可避免的会产生的大量的谐波。此外，整个列车电源还要向车内的空调、照明等非线性负荷供电，这些非线性设备也会产生大量的谐波。

3、不对称性

高铁采用单相供电制，且牵引网两个供电支的负荷不可能保持一致，因此对于三相电网来说，属于不对称性负荷，会产生负序电流，造成牵引变电站外接电网三相不平衡。

图8 运行中的高铁

高铁在行驶过程中产生的谐波、负序分量以及电压波动等电能污染，对高铁电力系统的安全性、可靠性造成了严重的影响。高铁电网电能污染对高铁电力系统主要有以下影响：

影响电网的安全性和可靠性：高铁列车运行产生的大量高次谐波通过牵引变压器注入牵引变电站，引入电力系统，并与系统的“背景负荷”产生的的负序源叠加，使得系统内部电网的3次、5次谐波在谐振时严重放大，进而导致电网故障；

影响电力设备的安全稳定运行：高铁牵引负荷产生的谐波和负序分量会造成设备损坏，减少设备寿命或降低效率，甚至会对计算机、通信、电力系统继电保护装置等设备造成工作失误或性能劣化，可能导致越级跳闸而扩大事故或者导致主变、线路跳闸。

可以看出高铁电网电能污染不仅影响铁路自身小局域电网的安全与稳定，也会通过牵引变电站对外部电网造成影响。无论是对自身电网还是对外部电网的影响，最终都会威胁到高铁运行的安全与稳定。

高铁电能质量治理

高铁电力系统的安全性、可靠性决定了高铁列车运行的安全性和可靠性。因此对高铁电网电能质量的监测治理就显得尤为重要了。高铁的牵引变电站之间是相互独立的，供电支之间也是相互隔离的，所以对高铁电网电能质量的监测，就需要对每个供电支进行在线式的监测，然后汇总到后台主机，进而实现对整个高铁电网的实时监测。

图9 高铁电网

致远电子的E8300多回路电能质量在线监测装置，广泛应用于全国各地各级变电站、电气化铁路、高耗能企业电能质量的在线监测。它可以长期在线式监测电网电能的质量，具有谐波与闪边分析、电能波动与故障录波、分量测量与电压不平衡度分析、数据记录与事件过程记录等功能。图10是致远电子电能质量在线监测装置应用方案图。

图10 电能质量在线装置应用方案图

对于监测装置和后台主机之间的通信，即可采用有线也可以采用无线3G网络，通过传输网络将各监测点的数据安全送到PQS子系统，管理人员可通过web远程查看和管理电能质量系统。