高铁在高速运行时的电力是如何提供的？
铁路机车是个庞大的家族，高铁只是这个大家庭的一个新成员，如果要连篇累牍赘述其他车辆，恐怕这个答案是写不下的，故本文针对高速铁路进行讨论。
一、 高铁列车的动力来源是交流电还是直流电？
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。
（萌萌的意呆立除外。在高铁电流制式这个问题上，全世界都摸着意呆立过河）
二、 高速列车如何获取电能作为动力？
（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。（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，如图1所示：
图 1 电力系统与牵引供电系统
一句话简述就是：
牵引变电所给架空接触线提供电能，高速列车将架空接触线的电能取回车内，驱动变频电机使列车运转。下面分三点详细解释这三个分句。
2.1 牵引变电所
牵引变电所为架空接触网提供电能。典型的架空接触网如图2所示。
图2 典型的架空接触网
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。图3为典型“供电段”的运行模式：
图3 供电段运行模式
如图3，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，各供电支之间并非直接连结，而是存在确保电气绝缘（隔离）的结构或设计，因此各供电支之间不会短路。
列车从一相运行到另一相这个过程，叫做列车的过分相（电分相是线路上极短的一个区域，列车运行过程中，过分相瞬时完成）
因此，牵引变电所给架空接触网供能的过程可以简述为：
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。
2.2 架空接触网及弓网系统
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。上文多次提到的架空接触网，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。
图2(a) 弓网系统在高速列车牵引供电系统中的位置
图2(b) 弓网系统近照
结合图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。
2.3 列车驱动与变频电机
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。
图3(a) 高铁轮轨系统外观
图3(b) 高铁变频电机及其传动系统示意图
图3(c) 高铁转向架外观实物图
三、高速列车与接触线（轨道上面的电线）的连接部分是金属吗？
曾经是。
3.1 弓网系统结构简介
图4 弓网系统结构简图
结合图4，简单介绍一下弓网系统的结构。
火车通过车体顶部升起的受电弓（结构类似于消防车的云梯）与“轨道上面的电线”，即接触网相连，那根电线通常叫做接触线。关于你问的接触部分是否为金属，即接触部分的材质问题，应该分开看：
1）“电线”，即接触线（contact wire），是金属材质的，目前最常见的是铜合金的，铝材质的已经很少见；
2）受电弓是列车从接触线获得电能的机构。受电弓本身是金属的，但受电弓（pantograph）与接触线直接接触的部分并不是金属，而是由受电弓顶部的受流滑板（collector strips）完成。这个过程可以假想成一根裸导线与另一根裸导线接触，但是金属与金属之间的摩擦切削会极大地加剧磨损，加润滑剂也无法改善两种金属高速摩擦磨损的性能，因此，其中一根裸导线是一根长条形的碳板以改善两者之间的接触性能，这个碳板就是受电弓滑板。
3.2 弓网材质选择
其实我觉得题主你问到点子上了，但还差一点点就能成为极好的问题。我们衡量一个系统用的可靠性时，总希望找一个或者若干个标准，它们能将危险量化，在此基础上将危险分类。在弓网匹配中，这个标准是损耗。
受电弓滑板早期也有非碳材质的，在此不表，我只提一个决定性的需求，在了解这个需求之后，你就会明白滑板的材质问题的由来：
这个需求叫做弓网配合
当然，弓网配合是个很大的课题，细化到答主的问题上，就是：“受电弓接触线和受电弓滑板的材质选择有什么考究”
这个其实就是我刚才提到的，损耗：
题主你设想一下，弓和网之间接触，有摩擦，那必然就会有磨损，也就有损耗。（小知识：在通过电流的时候，摩擦不仅是两个物体之间的相对运动，因为掺杂了电的作用。对于这种现象，有一个专门的词概括，叫载流摩擦。具体到本题中，可以解释为：载流摩擦比同条件下的机械摩擦带来的损伤更大）
因为摩擦必然存在，所以损耗不可避免。
那么我们选择被消耗的部分，肯定是我们监测、维修过程中最容易完成的环节。
换言之，如果一个设备一定会发生故障，我们肯定希望故障发生在容易检修的部分。
任何设备都会老化、损伤。
因此，在设计包含摩擦副的设备时，我们会将容易检修的那一部分的强度降低；对于不容易检修的部分，则提高其强度。
这样，设备故障时，故障更可能发生在这些强度较低、同时也是容易检修的部分。这样一来，检修的成本与工作量大大降低。
这是一种将损害集中以方便处理的设计思路。
听上去很不爽是吧？反正我第一次明白的时候整个人都不好了...脑洞再开大点，我们辛苦设计设备，就是为了让它们坏得精彩么？
其实，从设备运转效率方面考虑，这种设计是很合理的，铁路的弓网系统就是一个很典型的例子。
比较一下列车接受电流的设备，也就是列车弓网的两部分，接触网接触线和受电弓滑板：
接触网的接触线：
1）接触网是一个复杂的机构，接触线不可能凭空出现在半空，而是在接触网下半部分，作为接触网的一小部分，而接触网本身是一个复杂的力学系统。
2）同时，一条接触线往往很长，检验上km长的接触线上具体哪一小段受损，是非常困难、而且吃力不讨好的事情。
3）如果接触线上只有很小的一段磨损极为严重，更换的时候，若将整线拆除，花费甚钜；
如果剪下某一段，那么如何将这段接触线接回去也是不小的问题。因为接触线是一个很敏感的系统，如果现场维修，简单的焊接会留下焊点，在一般的电路或许无关大局，但是，以300km/h时速运行的列车，接触线和弓网是高铁是它唯一的供电装置。受电弓和接触网之间的接触压力，在100N左右。相对速度80m/s的、精巧相互贴合的受电弓和接触网之间，一个几毫米的瘤子，必然会极大地影响列车供电甚至行车安全，这是不可能被容忍的。
受电弓滑板：
1）高铁受电弓长度一般不超过2000mm，受电弓滑板的导电部分在1000mm左右，出现任何故障，排查都十分简单、方便；
2）如果滑板损伤严重，直接更换即可
3）受电弓滑板随车运动，而不像接触线随铁路翻山越岭，考虑到深山老林中接触网维修环境，也毋须赘述。
对于接触线和受电弓滑板和列车弓网系统，容易检修更换的，肯定是滑板。
工程中采用的设计思路是：保证滑板材料不如接触线材料耐磨，再具体一点，就是合金接触线+碳材料滑板的组合。
（滑板材质变迁我就不讲了，总之，就是这一攻一受的组合：铁打的接触线，流水的滑板）
最后提一下，接触线更换周期很长，年是基本单位，状况好的运维个十年二十年；
相对的，高铁受电弓滑板更换周期差不多是两周甚至更短，状态好的也有几个月的。
3.3 危害
如果是，高铁 300km的时速，两个金属相摩擦，肯定会产生火花，这不是很危险吗？
你能看到的电火花，其实很可能发展成弓网电弧了。
按照空气放电的激烈程度排序，电晕-火花-电弧。
因此，在列车的弓与网接触中断（即弓网离线）条件下，应该是电火花->电弧这样的发展顺序。此外，车速越大，越容易发生弓网离线，弓网离线次数（弓网离线率）与离线程度（弓网大/中/小离线）加剧，弓网电弧现象会愈发明显。
偷个懒，贴一段：
受电弓/接触网（以下简称弓网）关系是高速电气化铁路安全运行的三大核心关系之一，弓网系统良好的服役性能是保障高速列车可靠、安全运行的基本条件。
弓网系统是一个集机械、电气、材料等多种因素于一体的复杂耦合系统。普速电气化铁路运营速度低，机械冲击、摩擦磨损、牵引电流相对较小，多因素耦合作用下的损伤较小。
高速铁路开通运行以来，由于弓网系统故障导致的事故时有发生。
传统的研究主要基于单方面因素开展，随着列车运行速度的大幅度提高和双弓系统在我国高速铁路中的普遍应用，弓网系统机械、电气、材料耦合性更加复杂，多因素耦合作用下的损伤已成为弓网服役性能演化的决定性因素，如法国V150试验列车在长大下坡冲击574.8 km/h的最高试验速度时，弓网系统完全处于非正常接触的拉弧受流状态，试验后受电弓基本烧毁。
武广高铁受电弓滑板在一次往复运行中磨耗量高达4~5 mm，是普速铁路的7~10倍。
http://www.tudou.com/programs/view/swhQUWNQyzI/
看过这个，你可以有个直观的印象。
参考文献：
[1] 吴积钦．受电弓与接触网系统 [M]．成都：西南交通大学出版社，2010
[2] 吴广宁．变频电机绝缘老化机理及表征 [M]．北京：科学出版社，2009
[3] 吴积钦，钱清泉．受电弓与接触网系统电接触特性[J]．中国铁道科学,2008,03:106-109.
链接：https://www.zhihu.com/question/23249239/answer/44387004
来源：知乎
著作权归作者所有，转载请联系作者获得授权。
在知乎上从来都是只看不发言，因为都不会，好不容易一个和我专业如此相关的问题，小弟尝试着看看能不能回答好。
附图除某图出自某高铁竣工图的一小部分截图，（不敢乱贴出实际施工图纸）其它都是自己平时CAD画的，不规范请谅解。
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由于个人专业方向是牵引供电方向，故只对题主提出的问题 1、2作回答，问题2可以深入回答，问题3属于弓网关系研究，因只是略懂，且 @Anordinance汭 回答的已经很详细了。
2015.8.25 修改 @陈俊直 指正，走行轨上除了将电流回流到牵引变电所，不是走“通信信号”，而是车辆位置信号。
2015.4.10 晚修改了增加回流线对通信线抑制干扰的原理。
问题1:火车的动力来源交流电还是直流电？
（补充： 在一般我们的牵引供电研究领域，牵引供电分为两大方向大铁路 和地铁）
题主所说的火车，肯定是属于大铁路范畴（包括普速和高铁），采用交流电给机车 （也就是火车）供电。
而在地铁中，一般采用直流电给机车供电，（国内也有特列，温州地铁采用大铁路供电方式，27.5KV交流供电：温州轨道交通_百度百科）
问题2:电力是如何给火车提供动力的？
题主问电力如何给火车提供动力，其实扯淡点和电力如何给你家提供电力途径是一样的，都绕不开输配电。
只不过家庭用电，输配电都是国家电网给干了。个人理解，铁路供电系统中，供电部门（铁路局的供电段和地铁的机电中心）负责了配电部分。
牵引供电系统即代表配电部分，给火车提供电力源。
牵引供电系统两主要组成部分：牵引变电所 和牵引网
要想给火车提供电力，首先要完成从输入电网电压到火车运行电压的一个转换，这个就是由牵引变电所完成，一般电网给铁路输入的电压是110KV或者220KV，牵引变电所将电压转换了27.5kv或者55kv（比额定电压高10%），采用两路进线，一备一用。火车运行电压27.5KV,(无论是高铁还是普速列车，虽然高铁在供电方式上是AT供电，变压后是55KV，但是轨-接触网之间的电压还是27.5KV，后续有讲。）
牵引变电所完成降压后，给整个铁路供电系统提供了电力电源，但是初中物理老湿就告诉过你，一个电路光有电源是不行滴，还得有一个回路。这个时候就得有牵引网了。一个最简单的牵引供电模型就是：
当然，不可能这么简单就可以了，牵引网包括接触网，承力索、回流线等等，AT供电更复杂，
先写到这里，我要吃饭去了，食堂没饭了。------继续写，食堂饭真难吃
机车要运行就要有一个完整的电路回路，回路由哪些导线构成，就是我们要谈到的牵引网部分了。普速和高铁的牵引网组成结构是不一样，结构不一样，本质是供电方式不一样。
中国大部分运营铁路牵引供电方式主要有两种：
1、 带回流线的直接供电方式(普速列车）
2、AT供电方式（动车高铁）
其他类似于BT供电、直接供电、CC供电仅仅存在于教科书和少部分实验线路不怎么关注
带回流线的直接供电方式---------- 主要组成：接触网、钢轨、回流线
带回流线的直接供电方式，是在直接供电方式下的一种改进的方式，增加了一根回流线。
直接供电方式，就是上面提到的最简单的牵引供电模型，示意图如下：
带回流线的直接供电方式，示意图如下：
其实就是在直接供电方式下增加了一根回流线，回流线在工程上每5-6km和钢轨并联一次。于是有人问为什么要这么做。众所周知的电路知识，电路是一个回路，机车运行的时候，电流从牵引变电所出来经过接触网流入机车，在通过机车流向钢轨，通过钢轨和大地流回牵引变电所（大部分通过钢轨，少部分通过大地，二者绝缘不是很好）。
高中电磁部分我们学过，一根导线流过电流时 会对周围的导线产生电磁感应和静电感应。当接触网流过大电流，会对周围通信线产生很大的感应电流。这个时候如果流回去的电流全部都通过一根钢轨流到牵引变电所，钢轨上电流与接触网的相反，产生的静电感应和电磁感应与接触网产生的相反，二者相互抵消，也就没有了干扰。但是现实情况是，电流不确定性的从钢轨和广阔的大地流回牵引变电所，无法与接触网对称抵消，导致接触网会对通信线产生很大感应电流，产生干扰。
如何抑制干扰，我们设想将经过钢轨和大地的电流控制在一根导线上流回牵引变电所，大小与接触网电流相等，方向相反，则可以抵消干扰。所以就增加了一根回流线，回流线由于电阻较小，钢轨上的电流会往回流线上走，回流线隔一段距离与钢轨相连，将原来钢轨和大地大部分电流都吸上回流线，这样的效果就是回流线的电流和接触网的电流大小基本相等，方向相反。使得回流线的感应电流抵消接触网的感应电流，完成了抑制通信线的干扰。（实际上还是有一部分电流通过钢轨和大地流回变电所，所以还是有干扰无法完全抵消）
@陈俊直 指正，走行轨上除了回流外，不是走“通信信号”，而是车辆位置信号。
钢轨上的很大一部分电流分流到回流线上，钢轨本身电位也会下降，在设计过程中，钢轨电位在规范上也是有严格的限制。很多人说钢轨没有电压，其实在机车通过的时候，还是有电压的，只是在安全范围内。
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AT供电方式---------- 主要组成：接触网、钢轨、正馈线
好多答主都回答了高速铁路（高铁及城际铁路等）都采用的是AT供电方式，其示意图入下：
从示意图我们可以看出，牵引变电所出来的两根线接触线和正馈线之间的电压是55KV，但是由于钢轨接地为0V（理想状态下）, 所以钢轨和接触线上的电压还是27.5KV，即火车实际用的电压还是27.5kv ,这也就是 高速铁路和普速铁路虽然供电方式不一样，但是动车也可以在普速铁路上慢速跑。
好，该解释为什么高铁要用这么供电方式了。高铁或者是重载铁路（大秦运煤专线），由于速度快重载，所以在相同电压下电流肯定大，而不管什么导线（接触线）肯定是有阻抗R，△U=IR,电流越大，电阻一定的条件下，电压损失就大。这个时候，供电电压成倍的提高，牵引网阻抗就会变小，压降就会变小。所以AT供电方式在这种情况下网上电压损失减小，一个牵引变电所覆盖的区域就要大。自耦变压器在这里的作用就是将钢轨的电流洗上至正馈线及接触网，目的依旧是尽量是钢轨电流变小，降低钢轨电位，减小对通信干扰。具体原理感兴趣可以自己查查资料
在实际的运行线路中， @严同 给出的AT供电示意图仅仅是课本上的知识，在实际的线路中，一个牵引供电区间 一般只有两个自耦变压器，因为一个供电臂一般距离30KM，每隔15km 一个自耦变压器即可，一个在AT所，一个在AT分区所，牵引变电所采用的VX接线的变压器本身就具有了自耦变压器的功能，故牵引变电所处不需要自耦变压器。
附 @严同 的示意图：
一般复线情况一个供电臂原理图为：
讲到牵引变电所覆盖区域，我们首先要理解，一条高铁线路，考虑到容量损耗的问题，根据线路的长度会分部好几个牵引变电所，就好比每个城市会有好几个变配电站一样。 高铁上一个牵引变电所 有左右两个供电臂，每个供电臂长度30KM左右，供电臂与供电臂之间在正常状态下接触网是隔开的，AT分区所完成这个功能，于是就有了过分相这么一个名词，故障状态下才会越区供电。所以一个牵引变电所能够覆盖60KM左右的高铁线路。
示意图：
例如京沪高铁上，其牵引变电所分布情况：（懒一下直接复制了）：
北京南分区所ATS1
李营牵引变TSS1
佟场分区所ATS2
魏善庄牵引变TSS2
伙达营ATS3
艾各庄分区ATS4
连庄ATS5
豆张庄牵引变TSS3
......
（鉴于评论说涉嫌泄密，故删去大部分，并删掉了位置信息）
感谢我那些在中铁、中铁建、铁路局爬电线杆的同学们，辛苦啦。
好吧，头一次答题不好请见谅，有空还可以尝试写一写地铁的供电方式。
补充下为什么高铁用AT方式供电吧（仅印象）。这种供电方式在法国称作2x25kV。主要好处是提高了输电电压于是牵引变电所可以相距更远了（分相也相应减少），附带的好处是馈线和接触线反相，可以对消干扰。事实上在有直流制的国家，还有2x直流的线路规格，比如法国就有2x1.5kV的直流线路。
徳奥瑞的奇怪供电制来源于劈相机，即外围电网为工频，而铁路电网在将三相并为一相之后频率变为50/3Hz，电压是15kV.这套系统开发的比较早，在二战之前就有投入应用，而同期其他国家走的还是直流制的供电。（直流制简单可靠，机车上不用安装整流器，当时的直流牵引电机直接并联到网上就可以跑）
PS: 直流线路很好辨认，接触线双条的必定是直流，反则交流。
弓网关系， @Anordinance汭已经说得很好了，而且还贴了一段吴老师书里的内容，我考试时好像还抄过这一段。。。
AT供电的原理， @严同也说得蛮好的，虽然我曾经学过，但不翻书也答不了这么好，真够惭愧的。。。
鉴于此，我就说一下我曾经最熟悉的换相问题好了。
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铁路用电分为两部分，一部分是给列车提供动力的牵引供电方面，另一部分是给车站提供电能的民用电方面。两者都是从公用电网引入。后者就跟普通的民用电没有区别，而前者却有很大不同。在公用电网中，电流是工频三相交流电；而在接触线上，却是工频单相交流电。为什么会这个样子嘞？这跟列车的动力设备有关，也有些历史原因，具体情况我已经还给老师了（解老师，我对不起你。。。）。三相变单相是通过变电站来实现的，其中的主要设备就是变压器了。在公用电网中，交流电在从发电厂中发出时，是三相平衡的；而在用电设备用完电后，电网希望回流的依然是三相平衡的交流电。而这在牵引供电上遇到了问题。牵引供电是单相交流电，如果全程只用一相，那肯定不平衡。一般的思路是使用换相的方法使其三相平衡。简单的说就是一相用一段，三相循环着用，这就平衡了。那具体的换相流程是怎样的呢？在变电所中，三相交流电变为了A相B相C相三相电，将其中的一相接地，另两相分别通往变电所两侧的供电臂。一般而言，相邻变电所的相邻供电臂的相位相同。具体设置如下图所示。
在变电所处和供电臂间会设置电分相。在通过电分相时，列车是没有电的，一般是通过惯性滑过这段区间。由于这段区间非常短，所以坐火车时基本没什么感觉。换相基本就是这个样了吧，知道以上内容，相关考试一般也能答对一两道大题了。。。
另外说一句，在供电上面，高铁和普铁的区别就是供电臂的长短。高铁用AT变压器，供电臂是一般变压器的两倍左右，其供流时间更长，电分相更少，列车速度也就更快。
2.电从发电厂经过变电站来的。从列车头顶的电线传来，从轨道传回。（轨道接地，所以电压为0，不会电到人）。而且因为电线有电阻有压降，所以每隔一段区间就要设一个变电站，由当地发电厂提供电力。列车经过这两区间就叫“过分相”。不能把这两个地方的电力连起来，不然要短路的。
3.你说得对，这也是当前高铁研发的难点。现在火车高铁都用的是集电弓顶着接触网，弓顶部是碳刷，铺了一层碳的所以很滑（想象一下铅笔滑了很次之后）。一般碳刷能传600安培的电力，是消耗品，要经常换的。接触网由于长期有碳刷刷了一层碳也变得很滑，前进的时候呈Z形排布，就可以使碳刷可以均匀消耗。
架空输电线路是27.5KV的工频交流电。通过机车上的受电弓给机车供电，受电弓直接与架空输电线路接触供电，统称为接触网。然后通过机车上的变压器给机车供电。机车的动力是由电动机提供的，也就是异步电动机，不过早期的机车是直流电机，因为机车上的电机是异步电机，所以采用交直交的供电方式（变压器副边整流到直流，再逆变到交流，异步电机变频调速）。
顾名思义，不是金属的。
受电弓本身就是个弹性支撑，碳滑板两头也有专门的设计防止接触网导线滑落出碳滑条。
你可以把它想象成是铅笔在纸上写字滑过的另一种形式———金属笔头在碳纸上滑过。
（受电弓上的碳滑板相对接触网线高速移动，可以把金属导线近似看作一个点，把碳滑条看做一张纸。）
碳滑条的磨损在我们维修规程里是有明确限度规定的，就跟铅笔写着写着用完了一样，换新的就行了。
2通过变压整流逆变给牵引电机使用，牵引电机通过联轴节齿轮箱将扭矩输出到轮对驱动前进
3接触导线是金属，火车通过受电弓受流，受电弓碳滑板与接触网接触滑动，
受电弓通过升弓气囊将受电弓升起并保持一定范围内的气压，这样，碳滑板就会与接触网保持一定压力。
交(接触网)-直(电机) 交(接触网)-直(存在于机车内部)-交(电机) 类型
动力来自机车电机（交），电机用的电来自接触网（交），接触网的电来自大电网（交）。
2.电力是如何给火车提供动力的？
通过轨道上空的那些电线，包括旁边的杆子，杆子上的线(统称接触网)。和机车上那个 弓(受电弓)。
3.火车与轨道上面的电线相连的是金属吗？如果是，高铁 300km的时速，两个金属相摩擦，肯定会产生火花，这不是很危险吗？
是金属(合金)，不是金属就不能传递电能了。
放电-拉弧-电火花。
如果受电弓与接触线脱离(即脱弓)，就有可能拉弧，产生电火花，就有可能造成事故。
一大票人在研究如何防止脱弓，降低故障率。
上面两幅图区别还是蛮大的？谁能给解释一下。谢谢！ https://pic3.zhimg.com/2d2260eef62260c6b268b3c2e4532472_b.jpg
