第二届电力电子科普征文大赛-入围奖

上海海事大学 崖云潇

在现代交通运输中，高速铁路以其高效、便捷的特点逐渐成为人们出行的普遍选择。很多读者在乘坐高铁时可能观察到，有些时候在高铁列车缓缓行驶时，列车的运行有时会突然变得异常安静：刹那间，所有电气设备的噪音都消失了，只剩下车轮在轨道上高速滚动的声音。过一会，又会突然响起音调越来越高的电气噪音，一切恢复如初。那么，是什么原因让列车上的噪音源设备都突然同时“休息”了呢？让我们以探究这个现象为契机，了解一些高铁列车的供电知识。

高铁的供电方式

高铁列车的运行离不开稳定而高效的供电系统。在中国，高铁采用的是接触网供电方式。接触网是一种架设在铁路上空的高架电线，通过与列车顶部的受电弓直接接触，把电流供给列车的动力系统。

我们不难观察到，列车的受电弓只连接接触网上的一根电线，那么电流回路是如何构成的呢？原来，我国普遍使用的铁路供电系统为单相交流电，电流通过接触网输送给动力系统之后，直接通过车轮和钢轨流入大地，形成完整的电路。

为了保证接触网的电力供应，沿线会设有多个变电站。这些变电站的主要功能是将来自电力公司的高压电转换为适合列车使用的25kV电压，并通过接触网输送到各个列车。变电站还负责监控和调节电网的运行状态，以确保电力供应的稳定性。

发电厂的发电方式

发电厂输出的三相电是现代电力系统的主要供电形式，广泛应用于工业和民用电力供应。

在发电厂，三相电通常由发电机生成，这些发电机可以是水力、火力、核能或风能驱动。发电机的转子在磁场中旋转，产生三相交流电，这些电流通过变压器升压后，输送至配电网络。三相发电机的工作原理基于电磁感应定律，其基本构造包括定子、转子以及相应的电枢绕组。发电机的转子通常是一个带有磁极的旋转部分，而定子则是固定的绕组。发电机启动时，内部产生转动的磁场。

为了充分利用发电机内部的空间，提高效率，通常在发电机的圆周中布置3组定子，每隔120度一组。当旋转的磁场经过一组定子时，定子变回输出电流。

于是，三相电由三个相位电流相互间隔120度产生，每个相位都有相同的频率和电压，通常为50Hz或60Hz，不同的地区有着不一样的交流电频率。

这时候可能会有朋友想到，发电厂输送给变电站的是三相电，而铁路却用的是单相电，这样会有什么影响呀？其实，这就是文章开头提到的问题的关键。

强电三相，我只取一相

有人说，发电厂的三相电归三相电，我只用一相不就行了吗？非也非也，这样不好。

铁路电力系统中我们需要变电站来对电力进行调整。三相负载不平衡时，使变压器处于不对称运行状态。造成变压器的损耗增大。变压器处于负载不平衡运行时，某相电压处于满载，其余两相未满载，使变压器容量不能得到充分的利用，同时变压器长期处于负载不平衡运行时，造成其局部过热，降低其使用寿命。

同时，单相负载过大，对于铁路电力系统之外的电网也有很大的影响。

为了解决这个问题，使得电力系统中每一项的负载尽可能均衡，铁路电力系统会把三相电中的每一项电都用在列车供电上，实现方式是把线路分成若干段，每一段由不同相的交流电提供列车的动力。

为了避免短路，在使用不同相的线路段之间，要设置一段没有电力的区域，将不同相的电路隔离开。列车在离开某一相交流电供电的区段后，到驶进另一相交流电供电的区段前，就需要通过惯性“滑行”。这段没有电的区域被称为分相区，英文称Neutral Zone 或 Dead Zone，列车如果停在里面，就会非常麻烦，需要其他车辆救援。

列车驶入分相区时，搭载的动力系统就会全部失去电力，只剩下一些照明、控制系统等功耗不大的部分使用蓄电池供电，以保证列车能够正常运行。当动力相关的大功率的电气设备全部都停止工作，电气噪音消失，列车自然会变得安静无比，直到下一相交流电的到来后，电气系统又会演奏出音调逐渐上升的“音乐“。