3.第三章 电力牵引与电气计算、牵引变电所容量.ppt

第三章第三章 电力牵引与电气计算电力牵引与电气计算牵引变电所容量计算与选择牵引变电所容量计算与选择3.1概述o牵引供电系统的电能是通过电力机车转化成机械牵引供电系统的电能是通过电力机车转化成机械能来牵引列车运动的。能来牵引列车运动的。o电车机车的型号：电车机车的型号：o国产国产SS1、SS3、SS4、SS7、SS8、SS9等等o进口进口前苏联前苏联6G、日本、日本6K、法国、法国8Ko交直交机车交直交机车CRH系列动车组系列动车组o电力机车由于受运行图及牵引重量、线路状况、电力机车由于受运行图及牵引重量、线路状况、司机操作情况等因素的影响，使牵引过程包括了司机操作情况等因素的影响，使牵引过程包括了多种工况。多种工况。o而馈线负荷的变化具有随机性。而馈线负荷的变化具有随机性。进行牵引负荷及电气量的精确计算是复杂而困难的。进行牵引负荷及电气量的精确计算是复杂而困难的。本章主要内容本章主要内容o电力机车的牵引特性电力机车的牵引特性o牵引计算牵引计算o馈线电流馈线电流o牵引变电所容量计算与选择牵引变电所容量计算与选择3.2 电力机车牵引特性o交直型电力机车：交直型电力机车：o实现这一转变过程的是机车主电路，以实现这一转变过程的是机车主电路，以SS1为例。为例。机车牵引机车牵引变压器变压器全波全波整流电路整流电路直流直流牵引电机牵引电机25kV,50Hz降压降压整流整流SS1型电力机车主电路25kV机车主变压器机车主变压器平波电抗器平波电抗器直流牵引电机，串励机直流牵引电机，串励机整流机组整流机组700kW4200kW电力机车的工作过程o牵引变电所输出的高压交流电牵引变电所输出的高压交流电送到接触网以后，由机车受电送到接触网以后，由机车受电弓和接触线接触而引入机车，弓和接触线接触而引入机车，机车电流经主断路器、高压电机车电流经主断路器、高压电流互感器，到机车变压器高压流互感器，到机车变压器高压绕组，再经过低压电流互感器、绕组，再经过低压电流互感器、车体、接地电刷、轮轴、车轮车体、接地电刷、轮轴、车轮到轨道，然后经轨道、大地等到轨道，然后经轨道、大地等流回牵引变电所。流回牵引变电所。o机车主变压器将高压交流电机车主变压器将高压交流电变为低压交流电，再经过整变为低压交流电，再经过整流器组整流后变为直流，供流器组整流后变为直流，供给牵引电动机，牵引电动机给牵引电动机，牵引电动机得电旋转，其转轴输出的机得电旋转，其转轴输出的机械功率通过齿轮传动装置传械功率通过齿轮传动装置传送给轮对，轮对作用于轨道，送给轮对，轮对作用于轨道，轨道以大小相等、方向相反轨道以大小相等、方向相反的力作用于轮对，从而形成的力作用于轮对，从而形成牵引力，牵引列车运行。牵引力，牵引列车运行。电力机车简况及其牵引特性电力机车简况及其牵引特性交流电力机车因主电动机和种类而异。交流电力机车因主电动机和种类而异。a.接受交流电后变换为直流利用直流电动机运行接受交流电后变换为直流利用直流电动机运行b.直接将交流降压后利用交流整流子电动机运行直接将交流降压后利用交流整流子电动机运行目前多采用的是将交流变换为直流后利用直流串目前多采用的是将交流变换为直流后利用直流串励电动机运行。励电动机运行。1.电力机车特性的要求：电力机车特性的要求：电力机车出发时，速度为零，需要很大的力；电力机车出发时，速度为零，需要很大的力；要求起动加速力大。要求起动加速力大。充分利用牵引电动机容量；列车轻载时，运行充分利用牵引电动机容量；列车轻载时，运行速度高；重载时，运行速度低。速度高；重载时，运行速度低。2.直流串励电动机特性：直流串励电动机特性：起动转矩大，过载能力强。起动转矩大，过载能力强。当负载转矩增加时，电动机转速会自动下降。当负载转矩增加时，电动机转速会自动下降。即低速时所需转矩大，高速时所需转矩小。即低速时所需转矩大，高速时所需转矩小。3.3 牵引计算牵引计算o牵引计算是根据机车类型、牵引重量及必要牵引计算是根据机车类型、牵引重量及必要的线路条件等原始数据，为电气化铁路设计的线路条件等原始数据，为电气化铁路设计提供必要的结果的过程。提供必要的结果的过程。o牵引计算需要的原始数据主要有：牵引计算需要的原始数据主要有：1.机车参数，包括机车类型及其牵引特性，机机车参数，包括机车类型及其牵引特性，机车重量；车重量；2.上、下行单列牵引重量；上、下行单列牵引重量；3.线路情况，如区段总长度，最小曲线半径，线路情况，如区段总长度，最小曲线半径，上、下行坡道等。上、下行坡道等。o要求提供的主要结果有：要求提供的主要结果有：1.区间运行时分及带电运行时分；区间运行时分及带电运行时分；2.区间上、下行能耗；区间上、下行能耗；3.列车运行曲线列车运行曲线牵引计算中获得列车运行曲线是问题的关键！牵引计算中获得列车运行曲线是问题的关键！列车运行曲线列车运行曲线o列车电流曲线与列车运行的状况有关列车电流曲线与列车运行的状况有关。通过司机操作，机车可在启动、正常牵引、通过司机操作，机车可在启动、正常牵引、惰行、制动等多种状态下运行。惰行、制动等多种状态下运行。惰行：机车断电运行，靠惯性行驶。惰行：机车断电运行，靠惯性行驶。制动：对列车加制动力，使列车减速或停止制动：对列车加制动力，使列车减速或停止前进。前进。机械制动机械制动通过司机操纵，启动车辆制动阀来通过司机操纵，启动车辆制动阀来实现；实现；电能制动电能制动将电动机转换为他励发电机，从而将电动机转换为他励发电机，从而将制动中的机械能转化为电能。将制动中的机械能转化为电能。电阻制动电阻制动将制动产生的电能消耗在电阻器将制动产生的电能消耗在电阻器上，变成热能散发；上，变成热能散发；再生反馈制动再生反馈制动将电能反送到牵引网，供其将电能反送到牵引网，供其他处于牵引状态的机车使用或返回电力系统。他处于牵引状态的机车使用或返回电力系统。a.列车运行速度列车运行速度v与列车走行距离的关系，与列车走行距离的关系，v=f(l)可由原始资料中获得；可由原始资料中获得；b.列车走行时间列车走行时间t与列车走行距离的关系，与列车走行距离的关系，t=f(l)在在v=f(l)曲线基础上得到；曲线基础上得到；c.列车取用电流列车取用电流i与列车走行距离的关系，与列车走行距离的关系，i=f(l)结合机车网上电流特性结合机车网上电流特性i=f(v)曲线得到；曲线得到；d.列车取用电流列车取用电流i与列车走行时间的关系，与列车走行时间的关系，i=f(t)由由t=f(l)、i=f(l)曲线作出。曲线作出。列车电流曲线和列车能耗利用利用i=f(t)曲线计算列车电流及能耗。曲线计算列车电流及能耗。将时间将时间0,区间划分为区间划分为n个间隔，个间隔，每一等份为每一等份为t(分分钟钟)，则则每个每个时时刻刻都有都有对应对应的取流的取流(i)的数的数值值，=n=nt电电流平均流平均值值：平均电压平均电压U=25kV列车用电平均功率：列车用电平均功率：o列车能耗为：列车能耗为：能耗的计算牵引变电所容量计算与选择一、计算列车数一、计算列车数N的计算条件的计算条件近期按调查运量计算，考虑波动性和储备能力远期按国家要求的输送能力计算，考虑储备能力国家规定的需要输送能力接近线路输送能力时，按线路输送能力计算；若低于线路输送能力的一半时，可按2倍需要输送能力计算。不考虑波动和储备系数计算条件o当采用近期运量计算时：当采用近期运量计算时：o当需要输送能力接近线路输送能力时：当需要输送能力接近线路输送能力时：o当需要输送能力低于线路输送能力的一半时：当需要输送能力低于线路输送能力的一半时：二、列车用电量的计算条件二、列车用电量的计算条件 对于不同类型的列车，都按满载货物列车考虑。对于不同类型的列车，都按满载货物列车考虑。当电力牵引的旅客列车数比例较大时，或上、下当电力牵引的旅客列车数比例较大时，或上、下行方向空载车数比例很大时，也可分别按实际的客、行方向空载车数比例很大时，也可分别按实际的客、货、空列车的用电量计算。货、空列车的用电量计算。三、牵引变压器校核容量的计算条件三、牵引变压器校核容量的计算条件按其最大容量的需要来确定，应计算最大列车数：按其最大容量的需要来确定，应计算最大列车数：Nmax(N非非)。列车瞬时电流 :指列车电流的即时有效值(h=1,2,n,h为供电臂内运行的列车数)。列车平均电流 :指列车在计算区段运行时间内，列车瞬时电流 的平均值；即：列车用电平均电流 :指列车在计算区段内运行时，在用电运行时间内，列车瞬时电流的平均值；列车电流o1.列车电流的平均值：o2.列车取电平均电流为：o考虑列车正常运行时的自用电7A：3.列车取电走行时间内有效电流：令 ，为机车取流有效系数一般 通常取即：列车在供电分区带电运行时的有效电流等于其平均电流与有效系数的乘积。o馈线电流是确定主设备容量的主要数据馈线电流是确定主设备容量的主要数据o定义：牵引变电所侧母线经由馈电线送到牵定义：牵引变电所侧母线经由馈电线送到牵引网中的电流，即牵引变电所的负荷电流。引网中的电流，即牵引变电所的负荷电流。o牵引变电所馈线电流，等于供电分区各运行牵引变电所馈线电流，等于供电分区各运行列车的电流之和。列车的电流之和。o计算方法：计算方法：1.负荷过程法负荷过程法2.同型列车法同型列车法3.概率统计法概率统计法馈线电流o列车运行图：馈线电流的计算(1)原始数据：(2)馈线日平均电流馈线日平均电流 IF由已知的原始数据：由已知的原始数据：o所以，我们可由上、下行的所以，我们可由上、下行的牵引能耗牵引能耗、上下、上下行的行的带电运行时间带电运行时间；或由上下行的；或由上下行的即时有效电即时有效电流流、总运行时分总运行时分、带电运行时分带电运行时分计算得到列车计算得到列车上下行带电平均电流。上下行带电平均电流。对全日对全日T，24h=1440min来说，上行有来说，上行有N列，下行有列，下行有N列，则上、下行平均电流为：列，则上、下行平均电流为：所以日平均馈线电流所以日平均馈线电流(单、复线不影响此计算方法单、复线不影响此计算方法)当当N对列车运行情况相同时对列车运行情况相同时(同型号机车，同重，同同型号机车，同重，同速速)即即P(N对列车作用时对列车作用时)馈线全天带电概率馈线全天带电概率Ig每列车通过全区的全日平均带电电流每列车通过全区的全日平均带电电流tg每列车通过全区带电时间每列车通过全区带电时间(min)o(3)馈线电流有效值馈线电流有效值假定：1.各区间日带电平均电流相同，即：Ig(k)=Ig 2.各区间日带电时分相同，即：Tg(k)=Tg那么：各区间日带电概率也相同，即：正常运行和紧密运行是相对而言的，一般按全日平均有效正常运行和紧密运行是相对而言的，一般按全日平均有效电流选择变压器。电流选择变压器。1.三相牵引变电所三相牵引变电所o计算容量取决于重负荷绕组的有效电流。计算容量取决于重负荷绕组的有效电流。o所以变压器计算容量所以变压器计算容量(按正常运行考虑按正常运行考虑)正常运行时牵引变压器容量计算正常运行时牵引变压器容量计算o2.单相变压器单相变压器o按馈线有效电流（全日平均）按馈线有效电流（全日平均）I(Tr)计算计算o若由两臂合成到馈线，则若由两臂合成到馈线，则o例：已知例：已知IR=180A，IL=200A，KF=1.35，求，求单相相变压器器计算容量。算容量。紧密运行：紧密运行：线路行车中不可避免的短时间高峰线路行车中不可避免的短时间高峰运输。运输。馈线电流计算方法：馈线电流计算方法：以紧密运行时全天运行密以紧密运行时全天运行密度度N代替以上公式中的代替以上公式中的N即可。即可。N确定：确定：复复线线：上、下行均按：上、下行均按10min(或或8min)为间为间隔隔连发连发 即每天即每天144对列车或每天对列车或每天180对列车对列车紧密运行时牵引变压器容量计算o单线：经验公式：o由此可得馈线电流，进而可得变电所容量牵引变压器的校核容量o对牵引变压器进行容量校核，要达到两个方对牵引变压器进行容量校核，要达到两个方面的目的：面的目的：o1.为了满足列车紧密运行的需要为了满足列车紧密运行的需要o2.为了保证牵引变压器在充分利用过负荷能为了保证牵引变压器在充分利用过负荷能力的情况下能安全运行。力的情况下能安全运行。牵引变压器校核容量的确定o1.不同结线型式牵引变压器最大容量的计算不同结线型式牵引变压器最大容量的计算o以三相以三相YN,d11结线牵引变压器为例结线牵引变压器为例重负荷臂最大电流重负荷臂最大电流轻负荷臂有效电流轻负荷臂有效电流o2.校核容量的确定校核容量的确定在最大的容量在最大的容量Smax的基础上，再考虑牵引变压的基础上，再考虑牵引变压器的过负荷能力后所确定的容量，就是校核容器的过负荷能力后所确定的容量，就是校核容量量(S校校)K:牵引变压器的过负荷系数，对于三相牵引变压器的过负荷系数，对于三相YN,d11牵引变压器牵引变压器K=1.5 牵引变压器容量计算是为了确定变压器的安牵引变压器容量计算是为了确定变压器的安装容量和台数。装容量和台数。一般分为两个步骤：一般分为两个步骤：首先按给定计算条件算出变压器为供应牵引负首先按给定计算条件算出变压器为供应牵引负荷所需的容量，称为计算容量；荷所需的容量，称为计算容量；然后，考虑其它因素然后，考虑其它因素(如备用方式、变压器实如备用方式、变压器实际规格等际规格等)选出的容量为安装容量或设计容量。选出的容量为安装容量或设计容量。牵引变压器容量选择 牵引变压器在检修或发生故障时，都需有备用变压器牵引变压器在检修或发生故障时，都需有备用变压器投入，以确保正常的铁路运输。投入，以确保正常的铁路运输。1.移动备用移动备用 采用移动变压器作为备用的方式，称为移动备用。采用移动变压器作为备用的方式，称为移动备用。采用移动备用方式的电气化区段，每个牵引变电所采用移动备用方式的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，正常时两台并联运行。所内设有装设两台牵引变压器，正常时两台并联运行。所内设有铁路专用岔线。备用变压器安放在移动变压器车上，停铁路专用岔线。备用变压器安放在移动变压器车上，停放于适中位置的牵引变电所内或供电段段部，以便于需放于适中位置的牵引变电所内或供电段段部，以便于需要作为备用变压器投入时，缩短运输时间。要作为备用变压器投入时，缩短运输时间。o 移动备用方式可用于沿线无公路区段和单线区段。移动备用方式可用于沿线无公路区段和单线区段。备用方式：2.固定备用固定备用 采用加大牵引变压器容量和增加台数作为备用采用加大牵引变压器容量和增加台数作为备用的方式，称为固定备用。采用固定备用的电气化的方式，称为固定备用。采用固定备用的电气化区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，一区段，每个牵引变电所装设两台牵引变压器，一台运行，一台备用。每台牵引变压器容量应能承台运行，一台备用。每台牵引变压器容量应能承担全所最大负荷，满足铁路正常运输的要求。担全所最大负荷，满足铁路正常运输的要求。采用固定备用方式的优点是，其投入快速方便，采用固定备用方式的优点是，其投入快速方便，可确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用岔线，可确保铁路正常运输，又可不修建铁路专用岔线，牵引变电所选址方便、灵活，电气主接线较简单。牵引变电所选址方便、灵活，电气主接线较简单。o其缺点是增加了牵引变压器的安装容量，变电其缺点是增加了牵引变压器的安装容量，变电所内设备检修业务要靠公路运输。因此，固定所内设备检修业务要靠公路运输。因此，固定备用方式适用于沿线有公路条件的大运量区段。备用方式适用于沿线有公路条件的大运量区段。o 目前，我国牵引变电所大都采用固定备用目前，我国牵引变电所大都采用固定备用方式。方式。