牵引供电系统电气计算-城市轨道交通供电。

第4章牵引供电系统电气计算易东西南交通大学电气工程学院城市轨道交通供电第4章牵引供电系统电气计算牵引供电计算是城市轨道交通牵引供电系统设计的重要依据。它决定着牵引变电所的布置和容量、牵引接触网的电压变化和功率损失等。它影响着一次投资和运行费用，受着运输规模和供馈电方式的影响，因此应和变电所的布置及馈电方式反复作多方案的分析比较。牵引供电计算包括牵引电流、电压、功率和电能量等的计算。第4章牵引供电系统电气计算列车用电量的估算平均运量法列车运行图截面法牵引供电计算再生电能及其利用短路电流计算本讲下讲4.1列车用电量的估算影晌牵引用电量的因素列车用电量的估算一、影晌牵引用电量的因素车辆的重量车辆的起制动方式和特性线路的坡度和曲线半径线路形式车站站距牵引电压和馈电方式列车运行最高速度和运行间隔、列车编组1、车辆的重量包括自重和乘客的重量。车辆的自重约占总重量的三分之二至五分之四。按车公里耗电量计算，车辆因自重所消耗的用电量占有很大比重。减少车辆自重，如采用铝制车体，铝合金转向架，可减少自重20%～30%，因而可降低车公里耗电量。2、车辆的起制动方式和特性车辆起动采用斩波调压比电阻起动能节约用电l0%左右。制动时采用电力再生技术回收电能，又能节约电能15%左右。车辆起动加速度大，可以减少用电时间而节约起动耗电。制动时制动减速度大可以延长惰行时间而多利用车辆动能。另外，车辆本身的牵引电机和机械特性不同，可以影响传动效率，降低或增加电能。列车制动系统为了适应轨道车辆运用的要求，列车制动系统需要满足如下要求:(1)站间距离短，增速和减速快，制动减速度大，一般应为1.2m/s2～1.3m/s2(2)列车制动和调速频繁。(3)旅客乘降量大，并应提高乘坐舒适度。(4)优先使用电制动(电阻制动或再生制动)。3、线路的坡度和曲线半径坡度大、曲线半径小,用电量增加。因坡度阻力增加的用电量Wz32.7310zWGiL式中G——车辆的重量，包括车辆自重G0和乘客的载重，G=G0+p*g，其中p为每辆车的乘客人数，g为每位乘客平均重量，一般取g等于0.06ti——线路坡度（‰），上坡取正，下坡取负L——坡度的长度（km）因曲线半径增加的用电量Wr(kWh)32.7310800rWGRL式中G——车辆重量（t）R——曲率半径(m)L——曲线的弧长(km)4、线路形式线路形式不同，影响列车运行的附加阻力。在隧道中列车运行因要克服风洞阻力而增加用电量。列车横断面与隧道断面的比例越大，风洞阻力也大。单线隧道的阻力又大于双线隧道。车辆出站线路上坡比下坡要增加用电量，例如采用20‰的坡度上坡200m，吨公里耗电量要增加0.0109kWh5、车站站距车站站间距离小，列车起动次数多，用电量大。1km的站间比2km的站间，其每公里的耗电量几乎增加三分之二至四分之三。轻轨线路的车站站距平均要小于地铁，一般为750—1000m,所以车公里用电量大。6、牵引电压和馈电方式一般说，直流牵引电压越高，可以减少线损，节约用电量。采用接触轨授电比架空授电要减少线损。上下行并路馈电比分路馈电要节约用电。双边馈电要比单边馈电节约用电。双边馈电、单边馈电正常双边供电解列后的大双边供电解列后的单边供电单机组运行下的双边供电7、列车运行最高速度和运行间隔、列车编组列车运行最高速度Vm与耗电量W几乎成平方关系列车运行速度高，列车动能大，起动电流强，用电时间长。列车编组数多，整列车的阻力增加不多，所以单辆车用电量要小一些。运行间隔小，电流最大值和平均值之比相接近。因此，在同样运输能力下，采用列车编组数少，运行密度大的运行方式比较经济节电。4.1列车用电量的估算影晌牵引用电量的因素列车用电量的估算1、利用能耗法估算2、利用车公里用电量计算1、利用能耗法估算利用轨道交通线路的设计条件计算出所消耗的单位能耗可以估算牵引变电所或轨道交通线路的牵引用电量。WaGLNMZ式中a——吨公里用电量(kWh/tkm)G——每辆车重量（含自重和乘客重）(t)L——轻轨运营长度或牵引变电所供电距离（km）N——列车编组辆数。如4辆编组，N=4M——每小时开行列车对数，如3min间隔，M=20，2min间隔，M=30Z——上下行数吨公里用电量aa涉及因素较多，要根据车辆本身的起动特性曲线、线路的坡度、曲线半径、线路形状、不同的附加阻力、平均站距等综合考虑，a一般在0.07～0.12kWh/tkm之间。从牵引变压器用电统计得到a也可以利用车辆和线路特性估算出来，即利用车辆起动特性计算出一辆车在标准线路状态下耗用的电量，再考虑线路坡度、曲线半径、站间距离、线路运行阻力和供电线路损耗、变电所损耗等。2、利用车公里用电量计算W=A*L*N*M*Z式中A——每辆车在计算区段内每走行1km的用电量（kWh/Vkm）。它包括牵引电机和辅助电机电器用电之和。A和a一样，是个难以准确确定的因素，一般在2.5～4.5kWh/Vkm之间。第4章牵引供电系统电气计算列车用电量的估算平均运量法列车运行图截面法牵引供电计算再生电能及其利用短路电流计算4.2平均运量法首先应知道列车在供电区间的平均电流和列车电流间断系数C两个量值；然后根据运量（列车对数）求出馈电段、牵引变电所的电流、电压损失、功率损失等。计算条件在进行计算时，应确定下列计算条件：（1）一辆车或一列车的平均电流。（2）列车电流间断系数、列车起动最大电流。（3）列车运行状况，例如列车运行间隔、列车编组数，每辆车自重、乘客人数、速度等、并假定同一线路上使用同一型号车。（4）牵引变电所的布置及间距、馈电方式、牵引系统电压、馈电线及变电所内的电阻值等。（5）上述参数假定是不随线路状况变化的。计算方法（1）计算一列车平均电流列车平均电流的计算可以根据列车运行图或列车运行电流记录仪进行积分计算niiiVtITI01式中T——为列车在馈电区间或变电所间距内的旅行时间，包括运行时间和停站时间；Iiti——为从运行图或记录纸上截取的在ti时刻的电流Ii；tn——表示列车在供电区段内用电的最后一个时刻。如果列车平均电流难以获得时，可用车公里或吨公里用电量求得用电量与电流有效值相关，由有效电流求平均电流时要乘以转换系数，此数可由列车在带电运行时的电流波形有效系数代替，也可以取1.15～1.25。列车运行间隔小，且馈电区段长时可取小数；列车运行间隔小，馈电区段短时可取中间数；列车运行间隔大的可取大数。（2）计算一列车有效电流2KIIVV(3)计算馈电区段的列车数tVLm60式中L——为馈电区距离或变电所间距；V——为列车旅行速度；t——为列车运行间隔。(4)计算馈线平均电流1）上下行分路馈电：VAImI1双边馈电212VAImI单边馈电(4)计算馈线平均电流2）上下行并路馈电：VAAImII2213双边馈电VAAImII242单边馈电（5）计算馈电线有效电流1）上下行分路馈电：单边馈电mKIIAA11211双边馈电mKIIAA133.112222）上下行并路馈电：单边馈电mKIIAA211233双边馈电mKIIAA2133.11244（6)变电所的有效电流上下行并路馈电22212122SIIIII上下行分路馈电222221234121314324234222222SIIIIIIIIIIIIIIIII变电所的有效电流应将双边馈电、单边馈电等不同运行方式下的电流同时计算，以作为选择变压器容量的依据。(7)最大平均电压损失单边馈电21112mrLIUAm双边馈电mrLIUAm1142(8)最大瞬时电压损失列车在单边馈电的末端，双边馈电的中间处起动时的最大电压损失单边馈电21maxmaxLrImrLIUV双边馈电814maxmaxLrImrLIUV要求最大瞬时电压损失不得超过电压允许值。750V系统应小于250V，1500V系统应小于500V。(9)馈电线功率损失单边馈电32211015.1131mKrLIPA双边馈电32221012131mKrLIPA在计算牵引网的功率损失时应将各馈电路相加，其线路损失应不超过牵引用电量的10%～15%。计算步骤计算一列车平均电流计算一列车有效电流计算馈电区段的列车数计算馈线平均电流计算馈电线有效电流变电所的有效电流最大平均电压损失最大瞬时电压损失馈电线功率损失第4章牵引供电系统电气计算列车用电量的估算平均运量法列车运行图截面法牵引供电计算再生电能及其利用短路电流计算4.3列车运行图截面法一、计算原理及条件又称运行图法。它是利用列车运行图中的时间与距离、电流与距离的关系求得每一扫描时刻列车电流在供电距离上的分布，从而得到一系列的瞬态供电网络图；利用它求出馈电线和牵引变电所变化的电流、电压、功率变化的曲线，进而求出馈电线和牵引变电所的电流、电压、功率等。图4-2列车运行图采用列车运行图截面法的条件1．线路的列车运行曲线图，包括上下行运行图.为列车运行晚点时调整列车运行计划起见，作运行图时将车辆最高速度、线路曲线限速、出进站限速等降低3～5km/h(比允许值)。2．列车运行间隔（T），馈电线距离（l）变电所位置，牵引网结线及馈电方式等。采用列车运行图截面法的条件3．假设条件：(1)线路上运行的列车具有同一型号，且运行速度相同；(2)相邻列车之间的运行时间间隔和停站时间相同；(3)所有车辆的运动曲线（用电电流曲线）相同；(4)不考虑回流时的杂散电流；(5)不考虑各变电所的外界特性和供电电源线路阻抗的影响。二、计算方法1.标出截面和求瞬时供电网络图图4-3牵引运行图截面法在时间曲线上截取列车运行间隔T，将T分为m个时间间隔（或称时间步长）。时间间隔Δt：)(smTt各时间间隔点为：t01、t02…t0n…t0m、t11、t12……t1n……t1m相应得到截面电流：i01、i02…i0n…i0m、i11、i12……i1n……i1m电流对应的位置为：l01、l02…l0n…l0m、l11、l12……l1n……l1m截面电流值为该截面电流的平均值21nintniii由上可得到t1、t2……tn……tm的T时各瞬时供电网络图。2.单边馈电时电量的计算在tn时馈电线电流iknnnnkniiii210馈电线末端电压降（受电器上电压损失）001101201210221012knnnnnnnnnnnnnnnnknknknurililriiiliillilluuu馈电线的功率损失221210210knnknnnknnnnknuiuiiuiiiP1111nmnmkknknnnIiitmT有效电流2221111nmnmkknknnnIiitmT平均电压损失mnnknkumu11功率损失mnnknkPmP11在行车间隔T内的平均电流3.双边馈电时电量的计算其他有关各电量计算公式可以参照单边馈电时列出。00112200112201211kAnnnnnnnkBnnnnnnnkAnkBnnnniiLliLliLlLiilililLiiiii4.变电所电量的计算变电所瞬态电流的计算应将同时刻各馈线电流相加。计算一个列车运行间隔内的平均电流和有效电流、总用电量时，应利用各瞬态电流值进行平均值、均方值计算。考虑每个列车运行间隔内的列车运动规律是一致的，所以计算出来的值也就是变电所的小时电流值和小时用电量（功