高鐵為何要27.5千伏電壓？

★高鐵行駛速度快，變壓器區間距離遠，線路導線截面積不可能採用特別粗，也只能升壓至一定程度的電壓等級來保證高鐵行駛列車安全及暢通無阻的需要。高鐵的這些供電標準都是參照IEC和EN相關標準，結合中國GB來制定的，相對於這些參照標準，國標要求相對要低一些。這些國標中規定，低速鐵路（160km/h）鐵道幹線電力牽引變電所牽引母線上的額定電壓為27.5kV，考慮到線路和機車負載，受電弓上最低20kV,額定25kV，最高29kV；高速鐵路的電壓等規定也類似，只是在時間上有限定，例如長期最高電壓是27.5kV，允許短時最高29kV（5min）。中國的高鐵科技可以算的是中國的一項黑科技了，除了羨慕以外，很多國家甚至還會購買中國廢棄的列車，回國去進行研究。高鐵是由電力來驅動的，一般用的用電器，要麼直接用直流電，要麼直接用交流電，但高鐵可不一樣，在受電弓時它是交流電，而到了車廂以後又要變成直流電，接著又變成交流電供給車廂使用。

為什麼高鐵要搞得這麼複雜呢？這其中有什麼說道呢？在瞭解這個問題之前，我們首先知道，在我們國內絕大多數地方輸送電能的方式都是交流電，交流電可以用變壓器進行升壓遠距離輸送。高鐵用電環境中的用電器，大多也是交流電，這是因為交流電在送電過程中有很多優勢，它的電能損失比較少，此外可以將電壓升高到一定的程度來送，高鐵所用的電壓是很高的（中國高鐵線路電壓等級為27.5千伏）。高鐵軌道沿線都要有高壓線來給列車提供源源不斷的能量，因此使用交流電更適合一些，為此受電弓處的電流都是交流電流，而又因為受電工弓取到的電並不是一直由一根電樁提供，所以交流電並不是很穩，這樣的話就有需要將其轉換為直流電，否則電路中直接用一個變壓器就能將電壓給降下來。

接著高鐵的電機是三相非同步的電機，所以電流被引到了車內以後，又要將其轉變為三相電來供給高鐵電機使用，再說了高鐵上大部分電器也都是用交流電的，像車上的燈光、空調等，所以最後都要將其變化為又穩定、又安全的普通電壓電路。★科普一下高鐵小常識，高鐵跑那麼快，一小時耗費多少度電？由於高鐵的速度不一樣，所需動力也不一樣，所以高鐵耗電量與執行速度有關，比如高鐵時速達到350公里時，每小時的耗電可達9600度，而執行時速在250公里時，每小時所需電量為4800度左右，當然風速越大的話，耗電量也會有所不同。

我們以京滬高鐵為例來說，京滬高鐵全長1318公里，全天發車數量大概在33對左右，也就是說每天早上7點整會從北京南站和上海虹橋兩個車站同時發出共計66組高鐵車次，平均發車頻率是間隔5分鐘，算下來的話，前後每輛車之間的安全間距基本保持在34公里左右。那麼為了保證每天不低於66個車組的高速行駛需求，京滬高鐵就需要超強的供電系統來滿足時速超過350公里的高鐵車組巨大供電需求，畢竟京滬高鐵運營的復興號高鐵單車電機功率高達8800千瓦，單輛列車跑完全程大概需要3.3萬千瓦時電量，所以這個耗電量還是非常大。

為此京滬高鐵全程設計了多達26個變電所，算下來的平均50公里就有一個變電所，因為每個變電所流出的高壓電流是朝向兩個分相的，等於是整個京滬高鐵線路上26個變電所單個變電所傳輸電能最遠距離不能低於25公里。

但是我們知道電能傳輸距離遠近主要和電壓和電流高低又直接關係，理論上電流越大、電壓越低傳輸的距離就越遠，線損也就越大，要想降低線損就得增加導電接觸網使用的銅纜直徑，但是直徑增加後除了大量銅纜所造成的高成本缺點外，直徑更大的銅纜重量也不輕，就得需要承載能力更強的高壓支架，所以在經濟成本這一賬本上單獨增加電流的方式並不現實。

所以只能走高電壓、低電流這條路，那麼為什麼整個高鐵沿線的變電所輸出的電壓會定位27.5KV呢？因為高鐵受電弓所承載的安全電壓設計為25KV，為了降低整個傳輸電路上的電損耗等問題，故意將傳輸線路上的電壓提高10%，也就是27.5KV的原因所在。

同理為什麼高鐵受電弓的安全電壓設計為25KV嗎？理論上不是電壓越高損耗越低、傳輸密度更大嗎？這裡面又涉及到絕緣成本的問題上了，如果將整個傳輸電網中的電壓提升到30KV甚至更高的話，理論上隨著高鐵傳輸電路中電壓更高的優勢，整個高鐵列車的牽引功率可以設計得更高，高鐵的最大運營時速將會更高，達到大家更為理想和憧憬的500公里以上。

但是隨著傳輸線路中的電壓更高以後，整個電路的絕緣成本也會迅速攀升好幾倍，這裡面又會出現兩個問題，一個是更高等級的高電壓傳輸過程中的絕緣安全等級是否會降低、提高絕緣等級後的每公里高鐵建造成本、後期的運營過程中高鐵票價的定價問題都會受到直接影響，另外一個則涉及到整個更高等級傳輸網中包括變電所密度和提升整個接觸網中容量和如何繼續保證安全絕緣等級的技術複雜性問題。

所以總結來說，高鐵線路中變電所輸出的電壓之所以設計成27.5KV主要是故意提升10%來滿足高鐵列車的安全、穩定用電需求。同時高鐵列車的安全用電之所以設計在25KV則是在建設成本中包括變電所成本、數量、接觸網成本、安全絕緣成本和技術等多項因素綜合考慮後，最終定下的25KV安全輸電標準。

確切的說，高鐵的牽引網供電是27.5kv單向工頻交流電，而且是中國的高鐵牽引網供電是27.5kv。

為什麼使用27.5kv作為牽引網供電？有沒有其他的供電電壓？有，詳細的咱們要慢慢聊。這是一個技術活，但是內容絕對不枯燥。

京滬線AT供電方式

國內高鐵線路主要都是採用的AT並聯供電方式，

高鐵移動中，AT並聯電網電流。

這裡說的2X27.5KV得供電，一定要注意這是因為，高鐵的供電是單相工頻供電，也就是自由一相電，接觸網是27.5KV，那麼正反饋的饋線上面，就是對應的交流負饋補償。可以稱為+27.5kv（接觸網），正饋線（-27.5kv），這裡面所謂的負是方向的意思，並不是大小的意思。

自耦變壓器供電方式。單相工頻交流電氣化鐵路為提高供電質量和減少對通訊的干擾而採用的一種設有自耦變壓器的供電方式。最早的成熟的AT式高鐵供電方式，是法國的TGV高速鐵路。（AT最早是美國發明並運用的，但是在高速鐵路上面，應用比較成熟的是法國，日本）。

8組車廂構成的一組列車電流

AT供電方式牽引網阻抗小，輸送容量大，供電臂長（可達40～50km）。京滬鐵路供電臂平均50km，就是說每隔50km就有一個AT自耦變壓器。

京滬線供電方式

列車在兩個牽引網之間供電的變化

也就是說說，在一個牽引變電所負責的供電的線路里面，很有可能同時跑1-4列火車。

解釋完，AT供電，咱們就來說說為什麼要使用這麼高電壓的，以及為什麼使用27.5KV的供電電壓？

1、高壓低電流，可以加大線路承載的容量。同時降低幹線損耗。

要求AT式按照設計一組16輛編組的高鐵，最大的功率需要電力網路承載20MW。一列機車透過時候，線路電流約為400A，根據資料統計當4列機車進入同一個牽引網時候。電流可以達到最高可以達到2500A。

知識點：牽引網設定的最大負荷電流為4000A。

即使27.5KV的狀態下，電流都如此大，如果電壓更小，那麼損耗會更大。如果想降低損耗，那就必須要在機車牽引變電上面下功夫。

事實上其他國家有使用15KV，25kv供電的方式。還有使用直流進行供電的方式。

各國鐵路供電方式

火車的電壓，並不是一個簡單的交流電變壓公式計算的數字。

未來有可能向低壓轉變，也有可能向高壓發展，這都是有可能。

1915年以前，主要使低壓直流制（DC750V及以下），採用直流串激電動機。進行了三相交流制的初步試驗。

1915-1930年：直流電壓提高到1200V和1500kV；

發展了11kV（15kV）的低頻25Hz （16 2/3Hz）單相交流制，採用交流整流子式電動機；

個別國家使用了3.6kV 的三相交流制，採用三相非同步電動機。

1930-1950年：引入3kV直流制；

1932年匈牙利進行了16kV工頻單相交流制的試驗。

1950年以後：1950年法國在埃克斯.累.班—里亞羅什休爾伏龍區段試建了25kV工頻單相交流電氣化鐵道，獲得成功；

1954年日本在仙山—松島間試建了一條20kV工頻單相交流電氣化鐵道；

1955年前蘇聯在奧熱列利耶—巴維列茲修建了一條20kV工頻單相交流電氣化鐵道。

1972年日本山陽新幹線引入2×25kV自耦變壓器（AT)供電方式。

中國的高鐵在建設初期，充分的調研和論證了：日本新幹線和法國TVG的高速方案。

因此，當時在中國高鐵競標的：日本川崎，德國西門子。

受到這兩家的技術影響其實很多大，本身中國作為高鐵的後起之秀，不借鑑並不現實。所以國內還是走了國際主流的道路，採用這兩家都比較熟悉的25kv-27.5kv技術。

主電網-牽引網-機車

使用交流供電，尤其是27.5kv，或者是25kv供電的優點是，可以直接使用市電作為輸電線路。這節約了一大筆專線電路的建設費用。對於110kv，220kv這類輸電線路，國內城市很常見。

所以交流送電對於戶外遠距離高鐵來說，造價低廉上面，要比直流線路便宜很多。

因為列車本身並不是一直以某一個速度在運營，並且不同的速度對應的功率也不同。此外，不少朋友說以電機功率x時間就可以是計算啊。

事實上這個方法不行，因為高鐵的電機是三相非同步電機，並且還是一個變頻的電機。

因此，對高鐵的功率可以進行一個數據擬合。

一列16編組的機車，加速時候功率峰值20.05MVA，勻速行駛的時候約為9.6MVA，平均長時間處在14MVA，我們以這個資料乘以1小時。那就就是14MW/h=14000kw/h，也就是1萬4千度電。

一小時1.4萬度電，作為大型使用者，專線電價便宜些。

高鐵的動力就是是靠電力。

而且是高壓電！！！

這個電壓到底有多高呢？

普通5號和7號電池電壓為1.5伏

人體安全電壓為36伏

普通民用電電壓為220伏

高鐵供電電壓為27.5千伏

注意！是！千！伏！

高鐵為什麼需要這麼高的電壓呢？

根據有關資料表明

時速350千米的高鐵每小時耗電9600度

而時速250公里的高鐵每小時耗電也有4800度

就是因為它的消耗太大，如果供應量太小，它也就不能叫“高鐵”了。

理論講了一大堆，都沒切中要害！特別是扯一二千公里線路線損，高鐵供電是沿路各地供電公司多備份取電的……主要是因為受電弓效能和空氣絕緣效能制約！受電弓是電壓越高越好、這樣同功率下電流就越小損耗越小，這樣對接觸面小一點、輕微跳空也沒問題不會拉出電弧！而空氣絕緣效能如果在雨雪潮溼天氣，容易對車廂、對地擊穿，電壓又不能太高！所以選擇這個電壓27．5Kv！

27.5千伏電壓，相對於傳統的工業用電就是高電壓，由於高鐵動力要求強大的功率全部需要從饋電網上獲得，高鐵選用它有兩個原因：一是饋電網上的電流不能太大，以避免因電網上的壓降損耗而導致各列車在各點上的電壓相差太大，造成列車獲得的功率時高時低；二是授電弓與接觸網的接觸面有限，接觸面也受壓力、粉塵、空氣阻力波動等的影響，有效的授電面積不停地在變化，要大電流饋入功率相當困難，而高電壓就能很好地解決。當然，更高的電壓對雨霧天氣、粉塵環境、裝置和人員安全有更高的要求，綜合各方面因素確定一個全國統一的27.5千伏的標準。

中國有關標準規定1kV（千伏）以上為高電壓，採用高電壓的目的是減小負荷電流。

這是因為功率是電流與電壓的乘積，當功率一定電壓越高電流就越小，電流小線路損耗就小，輸電距離就更遠，所用導線截面積小，就可以降低供電系統成本。

三相380V（伏）的電動機，每千瓦電流約2A（安），一般200kW（千瓦）以上的電動機，就要採用高壓供電了。中國常用的高電壓等級有10kV（千伏）、20kV（千伏）、35kV（千伏）等。

高鐵列車的單列功率已近9000kW（千瓦），採用高壓供電是肯定的。但高鐵供電卻用了一個不常用的電壓等級27.5kV（千伏）。實際上高鐵列車的額定電壓是25kV，考慮到電壓降等問題，允許上下浮動10%，也就是實際電壓在27.5－22.5kV之間，所以接觸網的供電電壓為27.5kV。那為什麼不用現成的20kV或35kV呢？而用了個介於這兩者之間的25kV也就是27.5kV。

對此，一種觀點認為國家標準及國際標準規定了高鐵採用27.5kV電壓，所以採用27.5kV，這似乎無可辯駁。但若再問下為何標準要規定採用27.5kV電壓呢？建造世界上第一條採用27.5kV電壓的高鐵時，有標準規定嗎？

另一種觀點認為高鐵列車的受電弓耐壓是25kV的，因為受絕緣強度限制，只能用這個電壓。如果再升高電壓，勢必要增加絕緣強度提高耐壓等級，這樣會造成成本成倍增加，這似乎是一個靠譜的答案。

25kV以上剛好有35kV這個電壓等級，如果高鐵用35kV電壓，真的會成倍增加成本嗎？

我們用資料來說話，目前復興號高鐵列車單列功率達8800kW，考慮到線路損耗等因素，暫以9000kW來計算。電壓25kV，那麼電流是I=P/U=9000÷25=360A。根據允許電壓降10%，也就是電壓降△U=2500V據此來計算需要多大截面積的接觸網滑觸線？

因為△U=IR、R=ρL/S、所以S=IρL/△U

S……接觸網滑觸線截面積

△U……線路允許電壓降

I……線路電流

ρ……電阻率

L……線路長度

R……線路電阻

目前高鐵上的牽引變電所間隔約50000米，單邊供電距離25000米，也就是單邊線路長度。因為接觸網是單相供電，計算電壓降時來回線路長度就是50000米。

已知：△U=2500V、I=360A、L=50000米

ρ=0.02（銅40ºC）

S=IρL/△U=360×0.02×50000÷2500

=144m㎡

計算得出，在電壓25kV、電壓降2500V、供電距離25000米情況下，需採用144m㎡的接觸網滑觸線，這與目前高鐵實際採用的150m㎡滑觸線非常接近。

上述計算也說明了在27.5kV供電時，單列列車執行，線路產生2500V電壓降，列車得到的實際電壓是25kV。如果雙列重聯執行，線路電壓降再增加2500V，列車上得到的實際電壓是22.5kv，完全在允許值以內。

那麼如果把電壓升高到35kV，會是什麼情況呢？電壓降依然允許10%，就是△U=3500V，其它條件不變。

I=P/U=9000÷35=257A

S=IρL/△U=257×0.02×50000÷33500

=73.4m㎡

可見在35kV供電情況下，其它條件不變，所用滑觸線截面積只需73.4m㎡，比在25kV供電時減小了一半。如果依然採用150m㎡的滑觸線，供電距離將增長一倍，也就意味著牽引變電所可減少一半。

這是什麼概念？這將大幅度降低高鐵供電裝置的初投資成本及執行成本。而35kV又是常用電壓，這個電壓等級的變壓器、開關裝置、絕緣部件等都是成熟產品，拿來就可用，對接觸網只需把支架絕緣子增加1－2片（如圖）就可把25kV升壓為35kV，這方面所增成本很少。

可見，如果把25kV升壓到35kV，絕不會增加成本，相反可以大幅降低成本。那麼這等好事，為何高鐵不幹呢？反而棄用35kV採用25kV也就是27.5kV。

其實這又牽述到另一個問題安全距離，電壓越高就要求安全距離越大，如果安全距離不夠，高壓帶電體就會對無電物體放電。高鐵接觸網滑觸線就在列車頂上，它們之間的距離肯定要大於安全距離。這個距離過小，將造成接觸網對車頂放電，一旦放電輕則造成電壓跌落，重則造成供電中斷。那麼把接觸網架高，增加接觸網與車頂之間的距離，不就解決問題了嗎？

問題是接觸網已無法升高，因為鐵路上有許多橋樑與隧道。

綜上所述，高鐵採用27.5kV電壓是綜合考慮了多種因素，在更高電壓與安全距離之間作出的無奈選擇，實際上也是在目前情況下的最佳選擇。

電氣化鐵路的牽引動力是電力機車，機車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統提供。

早期電氣化鐵路主要採用直流750V、1500V供電制式，上世紀30年代後開始採用直流3000V供電制式。

20世紀初，歐洲相繼出現了三相工頻交流制和低頻（16 2/3HZ）單相交流制幹線牽引，前者接觸網結構複雜，後者需要同時進行換相和變頻（工頻變低頻）或者單獨設定低頻發電機組和輸電系統，導致供電裝置裝置和運行復雜化。

1950年法國在埃克斯.累.班—里亞羅什休爾伏龍區段試建的25kV工頻單相交流電氣化鐵路成功，25kV工頻單相交流制在世界廣泛推廣，中國電氣化鐵路全部採用25kV工頻單相交流制。

目前世界電氣化鐵路主要有以下3種供電制式：

（一）1.5kV、3kV直流制（軌道交通（地鐵）使用、歐洲日本部分幹線存在）

（二）15kV 16 2/3Hz低頻單相交流制（德國部分地區存在）

（三）25kV工頻單相交流制

我們國家使用的是25kv工頻單項交流電。