《牵引供电系统》-第三章-牵引负荷计算

本章主要内容：

1、牵引供电负荷简介；

2、车辆电流和能耗；

3、牵引负荷电流计算；

4、牵引变压器容量计算；

5、牵引负荷计算样例3第3章牵引负荷计算§3.1

牵引供电负荷简介牵引供电系统的供电对象为轨道车辆，牵引供电系统的电能是通过车辆转化成机械能来牵引列车运动的。轨道车辆具有功率大、效率高、速度快、过载能力强、运行安全可靠等优点，而且不污染环境.特别适用于运输繁忙的铁路干线和隧道多，坡度大的山区铁路。§3.1

牵引供电负荷简介一、电动车辆类型

1、直直型：直流供电+直流牵引电动机的；该机型已基本退出历史舞台。

2、交直型：交流供电+直流牵引电动机；世界上多数列车采用该机型

3、交直交：交流供电+变流器环节+三相交流异步电动机。这是发展的主流和方向。§3.1

牵引供电负荷简介二、电动车辆的基本特性

1、速度特性：车辆运行速度v与牵引电机电枢电流i的关系。v=f(ia)

2、牵引力特性：车辆牵引力Fk

与电动机电枢电流i的关系。

Fk=f(ia)

说明：特性均是将牵引电机特性归算到轮周特性而获得的，即速度特性曲线和牵引力特性曲线与牵引电动机的转速特性曲线、转矩特性曲线具有相同的趋势。其优点是方便定性分析车辆速度特性和牵引力特性。§3.1

牵引供电负荷简介续上页3、牵引特性：辆牵引力F与其运行速度v的关系，即

Fk=f(v)

4、制动特性：车辆制动时轮周制动力Bk与机车运行速度v的关系，即

Bk=f(v)§3.1

牵引供电负荷简介三、牵引负荷特点

轨道车辆“公交化”的运行特性，决定其牵引负荷的特点：

1、移动性车辆负荷沿线路移动，可出现在供电区段上任意位置，并不固定。

2、波动性在电气化铁路运营中，车辆行车密度、运行速度、线路状况、环境因素等变化都会导致车辆取流及牵引总负荷的大小随时间发生很大变化，以至于这种波动性甚至表现为间断性，牵引负荷一般很难表现出持续的状态。

§3.1

牵引供电负荷简介续上页3、随机性牵引负荷的变化具有很强的随机性，这导致牵引负荷和电气量的精确计算是难以实现的，只能借助工程经验或简化计算。§3.2

车辆电流和能耗一、电动车辆的运行状况启动：车辆由静止状况到所要求的正常牵引状况的过程；牵引：电动车辆取电运行，牵引列车运行；加速：调速级位进级，使车辆运行速度提高；减速：调速级位减级，使车辆运行速度降低；惰性：电动车辆断电运行，列车靠惯性前进；制动：对列车加制动力，使列车减速或停止前进。停站：在中间站因会车、待避或装卸等原因使列车无作业的停留，此时一般不降下受电弓。§3.2

车辆电流和能耗几种制动方式简介机械制动：通过司机操纵，启动车辆制动阀来实现；电能制动：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；电阻制动：将制动产生的电能消耗在电阻器上，变成热能散发；再生反馈制动：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。§3.2

车辆电流和能耗二、车辆电流曲线

1、机车电流曲线：车辆电流i

与机车行走里程l

的关系(i-l曲线)或车辆电流i与车辆运行时间t的关系(i-t曲线)。

2、车辆电流的变化说明车辆启动时电流逐渐增加到最大值，然后随着车辆加速而减小。车辆运行级位高时速度增高，电流加大；运行级位低时速度降低，电流减小；车辆惰性运行和停站时，电力机车只有自用电电流。§3.2

车辆电流和能耗续上页车辆电流与铁路线路状况紧密相关。如上坡时车辆运行阻力加大，牵引力和机车电流也加大；下坡时，车辆的自重形成牵引力，此时可采用惰性、减速或制动等方式运行。§3.2

车辆电流和能耗三、车辆能耗

根据车辆电流曲线i=f(t)，并借鉴微元求和的方法，可求得车辆能耗。

将时间[0,τ]区间划分为n个间隔，每一等份为Δt(分钟)，则每个时刻都有对应的取流(i)的数值，τ=nΔt。

§3.2

车辆电流和能耗续上页电流平均值：电压平均值U=25kV车辆用电平均功率车辆在该供电区段的能耗：

§3.3

牵引负荷计算一、计算内容和作用牵引负荷计算的核心：计算负荷电流(馈线电流)；采取的方法：运行图+概率统计相关原理来获得。§3.3

牵引负荷计算续上页负荷计算时一般先计算三种负荷电流：有效电流：负荷电流一昼夜的均方根值，主要用来计算牵引变压的容量和接触线的发热校验等。平均电流：一般为负荷电流有效值一昼夜间的平均值，主要用于计算变压器容量利用率和负序大小等。最大电流：一般为负荷电流有效值瞬时的最大值，主要用于继电保护装置整定。§3.3

牵引负荷计算二、列车数N计算

牵引负荷由本供电区段的多台车辆构成，负荷计算需先计算列车数N。

1、(平均)列车数N（列/日）一般按运量计算，并留有余地。计算公式列车牵引重量，吨/列货物列车净载重系数，即货车净载重与货车总重之比线路货物年计算输送能力，万吨/年§3.3

牵引负荷计算ΓJ在不同条件下取值不同。当采用近期运量计算时若需要输送能力已经接近线路输送能力时，按线路输送能力计算；若低于输送能力的一半时，可按2倍需要输送能力计算。此时，都不再考虑波动系数和储备系数。波动系数，取1.2储备系数，单线取1.2，双线取1.15。线路货物年需要输送能力，单位万吨／年。§3.3

牵引负荷计算2、最大列车数Nmax。一般按紧密运行状态计算（对/日）。双线铁路上、下行均按8min追踪连发计算。单线铁路按按每区间均有一列车计算

停车、会让时间，一般取7min一对车在第i个区间的上行净走时间，min一对车在第i个区间的下行净走时间，min§3.3

牵引负荷计算三、列车电流计算。计算馈线电流前，需先计算列车。

1、列车平均电流I

2、列车带电平均电流Ig列车通过供电分区的总能耗，kVA.h网压，取25kV列车通过供电分区的总运行时分，min车辆自用电。近似时可忽略列车通过供电分区的总的给电运行时分，min§3.3

牵引负荷计算3、列车有效电流定义：列车电流在供电区间运行全部时间内的均方根值。公式：

4、列车带电有效电流定义：列车电流在供电区间运行带电时间内的均方根值。公式：有效系数，一般1.23~1.41有效系数，一般1.04~1.10§3.3

牵引负荷计算四、馈线电流计算常见的计算方法：负荷过程法同型列车法概率统计法本章只讲述简单实用的“同型列车法”。§3.3

牵引负荷计算接上页计算前假设：区段上的列车均为同一类型，上(下)行运行的列车具有同样地走行时间和能耗，列车数可以用固定的平均列车数表示;各列车在区段上的位置是独立的相互无关的;各列列车取用的电流相互无关。

§3.3

牵引负荷计算1、单线区段单边供电

供电臂(供电区段)细分为

n个供电分区，且i1和为小供电分区i的上、行列车瞬时电流。第i分区§3.3

牵引负荷计算供电臂同时存在的平均列车数m

列车用电概率第i区间的列车用电概率供电臂(n个区间)的列车用电平均概率在第i区间带电走行时间单日供电区段列车对数在第i个区间净走行时间全天时间，折合1440min馈线平均电流馈线有效电流若列车同型，各分区上行和下行方向各个供电分区用电概率相等，即

则§3.3

牵引负荷计算

2、双线区段单边供电

双线单边末端并联供电方式由于上、下行馈线存在并联分流关系，故其各自平均电流为

接上页上、下行馈线有效电流为

式中，供电臂同时存在的列车数上行列车带电平均电流下行列车带电平均电流§3.3

牵引负荷计算双线单边分开供电方式计算方法类同于单线铁路，将上下行分开计算即可。上下行馈线平均电流为

上下行馈线有效电流(车辆同型，各分区上、下行用电概率用电功率相等)，则有§3.3

牵引负荷计算上、下行馈线总电流

计算方法类同于单线铁路，将上下行分开计算即可。上、下行馈线总平均电流为

上、下行馈线总有效电流为

§3.4

牵引变压器容量计算容量计算一般分为以下3个步骤：Step1确定计算容量。计算容量是指根据原铁道部任务书中规定的年运量大小和行车组织的要求，按正常运行的计算条件求出供应牵引负荷所必须的最小容量。Step2确定校核容量。校核容量是指根据列车紧密运行时的计算条件和充分利用牵引变压器的过负荷能力所计算的容量，这是为确保变压器安全运行所必须的容量。§3.4

牵引变压器容量计算接上页Step3确定安装容量。安装容量是指根据计算容量和校核容量，同时考虑备用等其他因素。在在变压器负荷容量计算过程中，应将馈线负荷电流变换成变压器绕组的有效电流，用绕组有效电流计算变压器的容量。一、计算容量的确定按正常运行时的全日平均有效电流来计算牵引变压器的计算容量。

1、三相YNd11接线牵引变压器的计算容量为

式中，、分别为重负荷臂有效电流和平均电流，单位A；、分别为轻负荷臂有效电流和平均电流，单位A；

UN为牵引变电所牵引侧母线额定电压，27.5kV；

Kt为绕组负荷不均匀系数，也称温度系数。一般取0.9。其简化公式为§3.4

牵引变压器容量计算2、V/v接线牵引变压器的计算容量为

3、单相接线牵引变压器的计算容量

式中，、分别为一侧供电臂a的有效电流和平均电流，A。

、分别为另一侧供电臂b的有效电流和平均电流，A。§3.4

牵引变压器容量计算(1)当只有一个供电臂时，其计算容量为：牵引变电所牵引侧母线有效电流(2)当供给两个供电臂时，其计算容量为：4、Scott接线变压器的计算容量

式中，、分别T、M座有效电流，A。

二、校核容量的确定牵引变压器校验容量的步骤：

Step1：根据满足列车紧密运行的需要计算最大容量Smax。

Step2：根据确定牵引变压器过负荷倍数K，计算得到校核容量。从而达到既满足列车紧密运行的需要，又充分利用过负荷能力的目的。§3.4

牵引变压器容量计算(1)当，则牵引变电所牵引侧母线有效电流(2)当，则1、不同接线形式牵引变压器最大容量的计算

按列车紧密运行时计算Nm，进而计算最大容量Smax。

(1)三相YNd11接线牵引变压器

式中，I1max为重负荷臂1最大电流；为轻负荷臂2有效电流。

最大电流I1max由右图确定。在图中，n为区间数，I为供电臂带电平均电流，p为区间平均带电概率。§3.4

牵引变压器容量计算

(2)Vv接线牵引变压器(两台单相相连)的最大容量

(3)单相接线牵引变压器的最大容量(4)单相接线牵引变压器的最大容量

式中，ITmax、IMmax分别为T、M座最大电流，A。§3.4

牵引变压器容量计算2、确定牵引变压器过负荷倍数K

过负荷倍数K定义为变压器过负荷电流与其额定电流的比值。一般，三相YNdll变压器K取1.5；单相变压器K取1.75；Scott变压器K取2。3、牵引变压器校核容量SE的确定校核容量为最大容量与过负荷倍数的比值。§3.4

牵引变压器容量计算三、牵引变压器选择(安装容量的确定)选取计算容量和校核容量中较大者作为基准，再考虑备用方式以及有否地区动力负荷等诸因素，最后按其系列产品确定的台数与容量。牵引变压器采用R10系列规格，即额定容量为：l0，12.5，15，20，25，31.5，40，50，63，80，100（MVA）等。规定：“牵引变压器应采用下列固定全备用方式，每个牵引变电所宜设两台牵引变压器，一台运行，一台备用，每台变压器容量应能承担全所最大负荷。§3.4

牵引变压器容量计算一、基本条件

某单线区段，近期年运量Γ＝2000万吨/年，牵引定数G＝2100吨，γnet

取0.705，波动系数K1取1.2，储备系数K2

取1.2，非平行列车运行图区间通过能力Nnot

=42对/日。牵引计算结果：供电臂1：上下行数据相同。供电臂2：上下行数据相同。接触网电压等级25kV。选用三相YNdll接线牵引变压器，固定全备用。§3.5

牵引负荷计算样例二、计算过程

1、计算列车对数N

2、计算各供电臂平均电流和有效电流

(1)列车带电平均电流

(2)平均列车用电概率