牵引供电系统为拖动车辆运输提供电能，属于高速铁路系统中的重要组成部分。电气化铁道的牵引网供电方式主要有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)供电方式。由于高速铁路功率大、牵引网电流大，因此通常采用功率输送能力最强的AT供电方式。高速铁路的牵引供电系统主要由高压架空输电线路、牵引变电所、接触网、馈线、钢轨与大地等组成。由于高速铁路的负荷是单相负荷，将会在电力系统中产生较大的负序电流和负序电压，电力机车的功率因素较低，高次谐波含量较大，都对电网电能质量问题带来较大的不良影响，而且对高铁运行的稳定性和可靠性构成威胁。保证高速铁路的可靠供电、减小其对电力系统电能质量带来的影响对于高速铁路的安全稳定运行具有重要意义。

以下我们将对属于电学领域(即，国际专利分类号IPC属于H部)的涉及高速铁路牵引供电技术的中国专利申请进行介绍。这部分的技术主要涉及牵引变压器、供电传输装置、供电控制与保护、接地与过电压抑制和辅助电源。我们的研究数据为1988年1月1日至2008年12月31日的中国专利申请。

该领域中国专利申请总体概览

该领域的中国专利申请开始于2001年，至2008年底共有58件专利申请，其中国内申请人53件，国外申请人5件。

1.申请年度分析

图1是该领域中国专利申请年度分布图，可以看出，2002年及以前，该领域专利申请量处于较为缓慢的发展阶段，共有2件专利申请，仅占该领域中国专利申请总量的3％，申请人的国家为日本和德国(各1件)。

从2003年至2008年，该领域的中国专利申请量迅速增加，共有56件专利申请，占该领域中国专利申请总量的97％，主要申请人的国家分布为中国(53件，占专利申请总量的95％)和德国(3件，占专利申请总量的5％)。

在这58件专利申请中，国内申请人53件，占该领域专利申请总量的91％；德国申请人4件，占该领域专利申请总量的7％，日本申请人1件，占该领域专利申请总量的2％。见图2。

图3是该领域各国在华专利申请年度分布图，可以看出，1988~2002年，该领域各国在华申请量都比较少，并且发展极为缓慢。2003～2008年，国内申请人的专利申请开始迅速增加。

2.该领域中国专利申请有效性分析

在该领域的58件中国专利申请中，已经授权并且有效的专利有40件，占申请总量的69％，处于待审状态的专利申请有7件，占申请总量的12％；授权后失效的专利有6件，占申请总量的10％；未获授权就失效(包括视撤、驳回、主动撤回)的专利申请有5件，占申请总量的9％。其中，国内申请人的已授权且有效的专利为36件，国外申请人的已授权且有效的专利为4件。见图4。

图5是该领域各国专利申请有效性分布图。从图中可以看出，在德国申请人的4件专利申请中，3件已经获得授权，1件未授权就已失效。日本申请人有l件已授权的专利申请。在国内申请人的53件专利申请中，36件已授权且有效，7件处于待审状态，6件在授权后已失效，4件未授权就已失效。

3.技术类型分布

牵引供电领域可主要分为5个技术分支：牵引变压器、供电传输装置、供电控制与保护、接地与过电压抑制和辅助电源。其中，涉及牵引变压器的中国专利申请为11件，比例为19％；涉及供电传输装置的中国专利申请为15件，比例为26％；涉及供电控制与保护的中国专利申请为17件，比例为29％；涉及接地与过电压抑制的中国专利申请为5件，比例为9％；涉及辅助电源的中国专利申请为10件，比例为17％。见图6。

图7是各国申请人的中国专利申请技术类型分布图。从图中可以看出，在德国申请人的4件专利申请中，1件涉及供电传输装置，3件涉及供电控制与保护。日本申请人有1件辅助电源方面的专利申请。在国内申请人的53件专利申请中，9件涉及辅助电源，14件涉及供电传输装置，14件涉及供电控制与保护，5件涉及接地与过电压抑制，11件涉及牵引变压器。由此可见，国内申请人在这5个技术分支的专利申请量都明显占据优势。

以下对各技术分支的中国专利申请进行详细介绍。

高铁牵引变压器领域中国专利申请

电气化列车通过牵引变电所从公共电网获取电能，并将电能进行变换之后传输到铁路上空架设的接触网中，从而为列车提供动力。牵引变压器是电气化列车供电系统的核心部件。

目前，在高速铁路的牵引变压器领域，中国专利申请共有11件，均为国内申请人所提出。技术内容可分为同相供电、油路冷却系统、变压器零部件3个方面。

1.同相供电

电气化铁路普遍采用单相工频交流电为铁路机车供电，而公共电网希望所有的负载都从电网取用三相对称的基波电流，以充分利用设备、线路的容量，减少无功电流和谐波电流对公共电网的危害。传统的电气化铁路采用相序轮换、分段分相供电的方案，以在大的范围内保持三相负载的平衡。但是这不但增加了机车操作的复杂程度，制约了机车运行速度的提高和牵引力的发挥，而且也没有从根本上解决电气化铁路负载单相用电对整个公共电网的影响。基于未来电气化铁路高速重载的需求，西南交通大学、北京先行电气有限公司和保定天威集团有限公司在该技术领域共有6项重要专利申请，其通过对牵引变压器内部接线方式的巧妙设计，实现铁路全线同相供电而无需分相，消除了铁路牵引负载对公共电网电能质量的影响。

2.油路冷却系统

对于牵引变压器的安全运行来说，油路冷却系统至关重要，在该领域有2件中国专利申请，其中，中国南车集团株洲电力机车有限公司的“牵引变压器油位报警系统”专利申请采用油位计和车载微机控制系统进行智能化控制，极大地提高了油路冷却系统的安全性；另外，大连中铁换热技术有限公司的“电力动车组用冷却器”专利申请克服了污物颗粒对变压器散热性能的影响。

3，变压器零部件

变压器安装在高速列车上，高速行进的列车对变压器的稳定工作提出了挑战，对变压器零部件的设计提出了新的要求，在这方面，我国有3件专利申请。由于变压器会随列车行驶而振动，变压器内部绕组结构也面临机械强度和绝缘强度的问题，卧龙电气集团股份有限公司申请的绕组结构有效地解决了这些问题，保证了变压器的整体性能。中国北车集团大同电力机车有限责任公司的专利申请“一种摆式动车组变压器”，能使得变压器达到散热好、噪音小、运行安全且易于安装的效果，降低了变压器的机械噪声和漏磁场对旅客的影响。中国南车集团株洲电力机车有限公司的专利申请“电动车组高温超导主变压器线圈放线盘”，通过对高温超导变压器线圈放线盘内部结构的改进来进一步提高变压器的性能。

高铁供电传输装置领域中国专利申请

涉及高速铁路供电传输装置的中国专利申请共有

15件，其中5件为发明专利申请，10件为实用新型专利申请。这15件专利申请中只有1件为国外申请人提出，并且已处于失效状态，其余14件专利申请均为国内申请人提出。主要的国内申请人为国家磁浮交NT_程技术研究中心、上海电缆研究所、天津金山电线电缆股份有限公司、上海电瓷厂以及西安电力机械制造公司等。仅有的1件并且已经失效的国外申请人的专利申请为德国蒂森克鲁伯快速运输有限公司针对磁悬浮列车在慢速或静止期间电能供应问题提出的专利申请。

在供电传输装置领域的中国专利申请中，国内申请人的专利申请主要涉及供电馈线电缆、接触导线接头接线夹、单相双极开关设备等。由于高速铁路功率大，负荷波动大，谐波大，因此对输电线路可靠性具有很高的要求。

国内申请人在该技术领域的专利申请从2003年开始，主要集中在2006年和2007年。

1.馈线电缆

该领域的专利申请主要涉及高速铁路供电系统的馈线电缆，共12件，主要包括下面几种类型的电缆。

铁路机车车辆用阻燃高温电缆，其具有结构简单、使用安全、无卤、低烟、耐高温、载流量高等高电性能和高机构性能，尤其适合于高速铁路机车车辆使用。

高压馈电电缆，具有更好的密封屏蔽效果，能够有效抑制高次谐波、电磁波的辐射和传导，绝缘层可耐受高场强，从而延长了电缆的使用寿命，保证了电缆敷设环境的最大适应性和运行的长期可靠。

用于在高速列车车体之间进行电能与控制信号传输的高速列车车体连接电缆，可替代进口电缆，有效地降低成本，便于维护，可广泛应用于高速列车车体连接中。

可承受高速列车行驶时所产生的强大负压的高强度环线电缆，解决了现有技术中环线电缆强度低的问题，具有强度高、钢丝的设置不影响信息传输、施工方便等优点。

2.接触导线接头线夹

涉及接触导线接头线夹的有1件中国专利申请，其涉及电气化铁路接触网上的接触导线接头线夹。该线夹是将两接头分别固定在两个模块上，同时完成两模块的插接和定位，具有齿条压接和楔埽紧固两种防导线抽脱结构，不受高空作业场所限制，可多人分组同时快速进行接头操作，导线接续速度快，不易抽脱。

3.单相双极开关设备

涉及单相双极开关设备的有l件中国专利申请，该单相双极开关设备操作简单，通流能力大，短路开断值高，占地面积小，并可适用于多种方案，主要用作高速、重载铁道机车的电源控制开关设备，还可用于铁道牵引变电所、开闭所、分区亭等，用于铁道线路供电系统接受和分配电能。

由以上分析可以看出，涉及高速铁路的供电传输装置部分的中国专利申请共15件，其中只有1件为国外申请人的专利申请。国内申请人的专利申请集中在高速铁路的馈线电缆、接触导线接头线夹以及单相双极开关方面，而国外申请人的专利申请是针对磁悬浮列车在慢速或静止期间电能供应的问题提出的。

高铁供电控制与保护领域中国专利申请

在电气化高速铁路的供电控制与保护领域，目前共有17件中国专利申请，其中，国内申请人有14件，国外申请人3件。

1.国内申请人的专利申请

国内申请人的专利申请主要集中在两个方面：如何解决电气化铁路牵引供电负荷对电网造成的三相不平衡影响以及如何快速有效地对电网进行无功补偿。

‘针对第一个问题，西南交通大学提出了一种牵引送变电设备，利用三相变压器从电网上三相对称取电，彻底避免了原来单相取电时严重影响电网电能质量的问题，并且，由于无需采用相序轮换、分段分相供电，从根本匕避免了分相环节，满足了机车高速可靠运行的需要。

北京先行电气有限公司提出了一种供电装置，其中牵引变压器的原边绕组接电网三相电压输入，变压器的副边为三组单相交流输出，通过功率转换系统将多个单相交流输出进行整流、储能、逆变变换为同相单相交流电，这些同相单相交流电叠加串联后为牵引系统供电。该技术可使输出单相交流电的幅值与相位可调，满足不同条件下的供电需求。

为了解决第二个问题，中国南车集团株洲电力机车研究所提出了一种用于电气化铁路牵引变电站的动态无功补偿方法和一种用于电气化牵引变电站的动态无功补偿装置，能够使无功补偿装置随着负载功率因数的快速变化而实时动态地投切，并且不产生涌流和过电压，能够有效滤除谐波。

永济新时速电机电器有限责任公司提出了一种牵引辅助供电一体化变流装置，其将牵引变流器和辅助变流器共用一个整流功率模块，安装维护方便。北京石油化工学院提出了一种铁道交通牵引供电保护方法及其装置，其针对目前继电保护采用电流上升率作为主保护、对于远距离故障的识别性和灵敏性较差的问题，采用行波理论来对牵引供电线路末端短路进行保护，这种方法抗干扰能力强，可快速识别重负荷与末端短路故障。

另外，国内申请人在磁悬浮铁路系统的供电控制与保护领域也提出了一些专利申请，如上海闵行电力实业有限公司提出的一项专利申请对目前的两步换步法进行了改进，降低了定子段的脉动，提高了牵引系统的加速能力和乘客的舒适感；其另一项专利申请提出了一种磁浮列车的多电平大功率逆变电路，其可在同样的绝缘耐压条件下，将中间直流环节电压提高1倍，从而提高逆变器的容量并减小谐波。上海磁浮交通工程技术研究中心的一项专利申请为在三相定子线圈上分别叠加一相位互差120度的高次谐波电流，其产生的附加行波磁场的基波切割列车磁极上的附加线圈而发电。

2.国外申请人的专利申请

国外申请人的3件中国专利申请均涉及磁悬浮轨道系统，并且这3件申请的申请人均为西门子公司，其中一件申请涉及如何确定磁悬浮轨道线路中的辐射形电网的接地故障位置，当识别出故障时，支路保护装置向中央控制装置发出一个故障方向信号和故障信号，中央控制装置借助于接收到的故障信号和故障方向信号确定存在故障的支路或路段电缆，然后通过支路保护装置来断开支路或路段电缆；另一件申请涉及一种用于磁悬浮铁路系统的电机的供电设备，该供电设备不需要昂贵的机械功率开关，仅需在低压侧进行控制；最后一件申请涉及磁悬浮列车的驱动配电装置，该配电装置将驱动区域划为至少3个供电段，能够尽可能密集地安排列车序列。

由此可见，国内申请人的研究重点为轮轨动车组技术，而国外申请人的研究重点为磁悬浮技术，这两种方案各有优势，并且在技术上互不交叉。

高铁接地与过电压抑制领域中国专利申请

涉及高速铁路接地与过电压抑制的中国专利申请共有5件，全部为国内申请人的专利申请，其中2件为发明专利申请，1件为实用新型专利申请。申请人有西南交通大学、西安电力机械制造公司、上海电瓷厂等。

高速列车由于运行速度高、牵引电流大而且钢轨泄漏电阻大，容易导致钢轨电位急剧升高，威胁人身和设备安全，由此我国高速铁路采用综合接地系统，即将铁路沿线的牵引供电系统、信号系统、通信

系统及其他电子信息系统等需要接地的装置通过贯通地线连接成一体的接地系统。另外，由于高速铁路运营里程长，经过的多为开阔地带，容易遭遇雷击事故，因此高速列车接地系统以及供电网的过电压抑制对于高速列车的安全运行具有重要意义。国内申请人于2004年开始提出高速铁路接地与过电压抑制方面的专利申请。

1.避雷器等过电压抑制装置

涉及避雷器等过电压抑制装置的中国专利申请有3件，如：用于轨道交通触网过电压保护的直流金属氧化物避雷器，当避雷器发生故障时，脱离器装置能快速动作，使避雷器退出运行，并形成可见断口来警示故障；一种牵引供电系统机车过分相过程中的过电压抑制装置，该装置能有效抑制机车过分相过程中产生的操作过电压及谐振过电压，避免变电所跳闸或互感器烧毁等事故的发生，可保证列车的高速安全运行。

2.接地

涉及高速铁路接地的有2件中国专利申请，均为国内申请人的专利申请。其中一件涉及用于铁路客运专线的导电高分子护套贯通地线，该导电高分子护套贯通地线环保无污染、成本低、弯曲性能好、方便施工及报警线的接续、使用寿命长。另一件专利申请涉及一种高速铁路综合接地用接地端子，其具有优良的电气及机械物理性能，解决了单独的接地方式不能确保列车运行安全性、可靠性的问题。

高铁辅助电源领域中国专利申请

高速列车不仅需要牵引变压器为其提供动力电能，还需要各种控制设备、储能设备以及冗余安全设备来保证列车的安全行驶，这些设备均要依靠辅助电源来提供能量。

目前，在高速铁路的辅助电源方面的中国专利申请共有10件，其中国内申请人有9件，主要涉及变流器、相敏轨道电源、电源冗余设计；国外申请人有1件，申请人为日本株式会社东芝，涉及辅助电源的冷却。

1.变流器

变流器是电源设备的关键部件，其大功率IGBT的运行环境较为恶劣，对可靠性要求非常高。在这方面的中国专利申请共有7件，均为我国申请人的专利申请，其中包括西南交通大学申请的“斩波器和功率母排”、铁道部运输局申请的“大功率牵引变流器”，以及永济新时速电机电器有限责任公司申请的“牵引辅助供电一体式变流装置”，另外还有国内个人申请的“电动车组变流器用大功率双路IGBT驱动电路板”、铁道部运输局申请的“动力分散式动车组的辅助控制单元”等，这些专利申请都对变流器在牵引以及辅助电源中的使用进行了改进，使变流器更加安全可靠地运行。

2。相敏轨道电源

为了安全有效地对高速列车进行自动控制和远程控制，需要使用轨道电源通过轨道电路检测轨道上有无列车，发送有关轨道是否空闲和轨道是否完整的信息，轨道电源起着信息发送器的作用，同时还起着通过信号机之间以及地面设备与机车设备之间信息发送与接收、传输、通讯的作用。这方面，只有我国申请人有1件中国专利申请，为青岛经济技术开发区创统科技发展有限公司申请的“双电源无缝自动切换装置”，其可使得25Hz相敏轨道双电源无缝自动切换，抵御来自50Hz供电电源的干扰，在电源电压发生快速变化等情况下均能正常工作。

3.电源冗余设计

要对高速列车实行安全有效的控制，就必须针对各种运行情况(包括故障情况)作好充分的准备，这就要求高速列车的控制系统有充足的设计冗余。这方面只有我国申请人有1件中国专利申请，为中国南车集团株洲电力机车有限公司申请的“用于动车组动力车冗余设计的控制电源装置”，其能够在控制电源系统中充电机不能工作并且蓄电池组亏电时保障机车继续正常工作，作为安全控制的保障。

4.电源冷却

在电源冷却方面有1件中国专利申请，为日本株式会社东芝的“铁路车辆用电力变换装置”专利申请，其涉及电力变换装置的冷却，该专利申请利用吊挂设置在列车底板下容纳电力变换装置的箱体的进气口和排气口的位置设计，形成L字形的风洞，可降低通过该排气通路的冷却空气的流速，改善各电抗器的冷却条件之差。

总结

国内申请人在该领域的中国专利申请量以及有效专利保有i_k占有很大优势。在高速铁路牵引供电技术领域，共有中国专利申请58件，其中国内申请人53件，国外申请人5件。在国外申请人的5件申请中，日本申请人1件，德国申请人4件。在国内申请人的53件专利申请中，有36件已经授权。在国外申请人的5件专利申请中，有4件已经授权，1件失效。可见，无论是在专利申请数量还是有效专利数量上，国内申请人都占有很大的优势。

国内申请与国外申请相比，涉及更多的关键技术。国内申请人的53件专利申请涉及牵引变压器、供电传输装置、供电控制与保护、接地与过电压抑制以及辅助电源全部5个方面。其中包括牵引变压器的零部件制造、变压器的同相供电设计方法、高性能馈线电缆、牵引供电网的无功补偿和保护技术、牵引电网的综合接地和防雷技术以及可靠辅助电源等关键技术。

国外申请人的5件专利申请仅涉及供电传输装置、辅助电源和供电控制与保护3个方面。其中涉及供电传输装置的1件专利已经失效；涉及供电控制与保护技术的3件专利申请则属于磁悬浮轨道系统，和我国使用轮轨技术的高速铁路没有交叠；另外l件涉及辅助电源的冷却装置，该专利申请只是提供一种辅助电源的冷却方案，并非核心技术。

国内申请人的专利申请主要涉及与轮轨高速铁路相关的牵引供电技术，国外申请人的专利申请侧重于磁悬浮技术高速铁路领域。国内申请人的专利申请涵盖了高速铁路牵引变压器的设计制造、高性能馈线电缆、防雷与接地、牵引供电的控制和保护、高速列车的辅助电源设计等牵引供电技术的核心技术领域，而国外申请人的5件专利申请中有4件与磁悬浮列车相关。

后记

虽然当前所介绍的中国专利申请都是基于2008年12月31日之前的专利申请数据进行的，但是2008年之后国内外申请人关于高速铁路牵引供电技术领域仍在继续申请相关专利，特别是最近几年由于我国在高速铁路方面的快速发展，在该领域的专利申请数量也会具有一个较大提升。

例如西南交通大学2009年至今提交的并且已经公开的与高速铁路牵引供电相关的中国专利申请就有14件。这14件专利申请集中涉及牵引供电的馈线保护和变压器保护等供电控制与保护、供电传输装置等技术领域。这些专利申请主要包括以下方面：

(1)牵引供电网变压器的测量与保护技术

适用于客运专线的电气化铁道主变测控装置。该申请通过对牵引主变压器电气量的测量、开关的控制和状态检测实现高压侧有跨条和无跨条牵引变电所备用电源的自动投入，能够保证整个牵引电网系统的稳定运行。

适用于客运专线的电气化铁道主变主保护装置。该主变主保护装置不仅具有差动速断保护、高压侧失压保护等功能，而且还可以进行高压侧电压互感器断线自检，进一步提高设备质量。

适用于客运专线的电气化铁道主变后备保护装置。该申请将非电量保护纳入了主变的后备保护装置，保证主变故障时具有独立的双重保护。

适用于客运专线的电气化铁道AT保护测控装置。该保护测控装置适用于单相交流电气化铁道牵引供电系统的自耦变压器，具备保护、测量、控制及通讯功能。

(2)牵引供电网馈线测量与保护技术

适用于客运专线的电气化铁道馈线保护测控装置。该装置不仅具有电流增量保护、反时限过负荷保护、断路器失灵保护功能，还具有电压互感器断线检测功能，能够提高馈线运行质量。

适用于客运专线的铁路变配电所自闭贯通线保护测控装置。该装置可以完成自动闭塞及电力贯通线的保护、测控一体化功能。

(3)牵引供电系统的优化设计

一种电气化铁道同相牵引供电系统，电气化铁路无分相贯通供电装置。以上两件专利申请中的供电系统和供电装置能实现铁路牵引变电所的两臂同相供电而无需分相，减少了分相环节，有利于高速铁路的高速、平稳、安全运行。

可见，西南交通大学2009年至今的上述专利申请都是对现有高速铁路牵引供电技术的进一步优化创新。可以相信，我国将会涌现出更多涉及该技术领域的专利申请，今后随着这些新的专利技术的应用，必将进一步提高我国高速铁路牵引供电网运行的可靠性和安全性，从而推动我国高速铁路更快、更好的发展。