城市轨道交通供电知识

第7章供电设备容量计算与选择城市轨道交通供电第7章供电设备容量计算与选择供电设备介绍7.1变压器容量计算与选择7.2整流机组数的选择7.3接触网导线截面的选择供电设备介绍图2-1地铁供电系统高压供电系统城市电网牵引供电系统牵引变电所回流线馈线接触网轨道主变电所发电机变压器整流机组接触网高压电器低压电器高压电器的作用及分类在高压系统中，用来对电路进行开、合操作，切除和隔离事故区域，对电路进行运行情况监视、保护及数值测量的量测设备，统称为高压电器。按照用途分类按照安装地点分类按照电流制式分类对高压电器的要求按照用途分类开关电器，用来关合和开断电路的电器限制电器，用来限制电路中电压或电流的电器变换电器，用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器组合电器。将上述某几种电器，按一定的线路装配成一个整体的电器组合开关电器断路器（DL）:用来在电路正常工作和发生故障（列如发生短路）时关合和开断电路。隔离开关（G）：主要用于将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。熔断器（RN）：用来在电路发生过载或短路时依靠熔件熔断开断电路。高压断路器组成（1）触头（2）灭弧室（3）绝缘介质（4）壳体结构（5）运动结构对高压断路器的技术要求开断、关合电路方面一般电气性能方面自然环境方面开断、关合电路方面开断负荷电路和短路故障快速开断自动重合闸分合各种空载和负载电路允许分合次数一般电气性能方面电压最大工作电压、工频试验电压、全波和截波冲击试验电压、操作波试验电压电流额定电流、额定动稳定电流（峰值）、额定热稳定电流、额定热稳定时间自然环境方面海拔高度对外部绝缘的影响对电器发热温度的影响环境温度高压断路器种类少油断路器气体断路器真空断路器限制电器电抗器（L）：主要用来限制电路中的短路电流。某些类型的熔断器也有限制短路电流的作用。避雷器（BL）：用来限制电路中出现的过电压。变换电器电流互感器（LH）：用来变换电路中的电流，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电器隔离。电压互感器（YH）：用来变换电路中的电压，以便供给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电器隔离。按照安装地点分类户内式。装在建筑物内，不具有防风、雨、雷、灰尘、露、冰和浓霜等性能。高压电器的工作电压一般为35kV及以下的电压等级。户外式。适用于安装在露天，能承受风、雨、雷、灰尘、露、冰和浓霜等作用。户外式高压电器的工作电压一般都在35kV及以上电压。按照电流制式分类交流电器。工作于三相或单相工频交流的电器，极少数工作在非工频系统。直流电器。工作于直流制系统。对于电气化铁道及城市交通系统，交流电器是交流制电气化铁道及城市地铁供电系统中大量应用的电器；直流电器则是直流制电气化铁道、城市地铁供电系统中大量应用的电器。高压电器特点按照高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作性能应具有不同的特点。高压电器应能可靠地在规定的工作电压及电流下工作，因此，应具有足够的绝缘强度和载流能力；用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭电弧的能力；对电路运行状态进行监视、测量的电器元件（例如电压、电流互感器）应能满足测量精度的要求；对电路运行状态进行保护用的电压、电流互感器，除了应满足测量精度的要求外，还应在高电压或大电流作用下不至于饱和。所有的高压电器都应满足运行可靠、工作灵活的要求，同时还必须考虑经济条件。7.1变压器容量计算与选择1牵引变电所的站位和容量设置遵循以下原则进行设计：（1)供电合理，运营方便，满足高峰运营时最大负荷的需要。（2）系统中任何相隔两座的牵引变电所故障解列时，靠其相邻牵引变电所的过负荷能力，仍应能保证列车的正常运行，不影响运送客流的能力（3）地下车站设置牵引变电所时，一般位于车站站台端，宜与地面站务用房合建。（4）牵引变电所的设置应首先考虑有列车检修线的车站一端，检修线应由专用回路供电，列车夜间检修时，不影响线路的正常停电维修（5）地下车站牵引变电所应和车站主排水站分别设于车站的两端。变压器容量计算与选择2变压器容量计算一般分为三个步骤：（1）根据规定的年运量大小和行车组织的要求确定计算容量。（2）根据列车紧密运行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过载能力，计算校核容量。（3）根据计算容量和校核容量，选定安装容量。最后必须指出：变电所主变压器台数和容量的最后确定，应结合变电所主接线方案的选择，作几个较合理方案的技术经济比较，择优而定。根据规定的年运量大小和行车组织要求确定计算容量为供应牵引负荷所必须的容量。牵引变压器的计算容量取决于供电臂的日负荷电流曲线，该曲线与列车电流的大小和密度有关。列车密度已知运量的情况下计算得到变电所有效电流容量计算列车密度列车密度应按照运量计算需要的通过能力，并预留一定的储备能力储备系数一般单线采用20％，复线采用15％。近期按调查运量计算时，还应考虑运量的波动性，波动系数一般采用20％。远期按要求的年输送能力计算时，仅考虑储备能力计算列车数N当采用近期年运量时净rGKKN36510421（列/日）若需要输送能力低于线路输送能力的一半时净rGN3651024（列/日）若需要输送能力接近线路输送能力时净输rGN365104（列/日）容量计算10SSIU0U为直流侧空载电压牵引变电所直流侧总用容量为(双边供电情况下)()/2DFSSSS式中S——为高峰小时内用于列车牵引总功率SF——为列车辅助功率，包括列车控制、通信、空调等用电功率S——牵引网络功率损失容量计算2由于整流机组换相整流工作的特性，整流变压器的交流功率大于直流输出功率。1.05TDSS校核容量计算根据列车紧密远行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过载能力，计算校核容量，这是为确保变压器安全运行所必须的容量。变压器的过负荷能力变压器具有过负荷潜力的原因决定运行期间过负荷能力的依据变压器的过负荷能力1变压器绕组的A级绝缘在长期使用后，虽然电气强度没有显著变化，但其机械强度却逐渐降低，由于偶然的震动，非常容易破裂，造成短路。温度越高，绝缘的机械强度与电气强度的损伤老化越剧烈。根据试验，当自然循环油冷变压器的绕组温度为95℃时，变压器的工作年限为20年。变压器的过负荷能力2变压器在过负载运行时，其各部分的温升将比额定负载运行时升高。变压器绕组绝缘的老化程度与温度有关。绝缘老化六度规则：变压器的过负荷能力3变压器的部位温升限值（℃）测量方法线圈自然油循环65电阻法强迫油循环铁芯表面75温度计法与变压器油接触（非导电部分）的结构件表面80油顶层55线圈最热点温升比平均温升高l3℃,如果变压器在额定负载和环境温度为20℃条件下连续运行，则线圈最热点的温度为98℃，电缆纸在98℃下使用，其老化寿命在20年以上。在这种运行条件下的老化寿命为正常的老化寿命，其每天的寿命损失为正常日寿命损失，同样有正常年寿命损失。变压器的过负荷能力4变压器具有过负荷潜力的原因变压器的负载和环境温度是经常变化特别是电气化铁道，它的牵引负荷不断地剧烈变化，有时造成变压器的过载，使变压器的寿命损失加速，而在轻载和冬季带额定负荷运行时，寿命损失可减缓。设计标准中规定，变压器运行时周围最高气温为40℃，最高日平均气温为+30℃。实际上，即使我国最热的地区也不可能全年固定维持在这个温度上。选择变压器容量时，有时要考虑系统发生故障时变压器过负荷，在正常工作时，变压器往往达不到它的额定值。决定运行期间过负荷能力的依据1决定运行期间过负荷能力的依据是变压器负荷曲线的填充系数和最大负荷的持续时数（1）变压器负荷曲线的填充系数maxmaxIISSaavav24maxIIt=ItmaxI24avI——实际运行负荷曲线的安培小时数或负荷曲线所包围的面积——按最大负荷工作24A.H数——负荷电流的平均值。决定运行期间过负荷能力的依据2考虑变压器过负荷能力，以及等效变压器日寿命损失。考虑变压器正常过负荷能力，二次侧电流允许值、馈电线电流允许值等。过负荷能力：100%额定负荷——持续150%额定负荷——2小时300%额定负荷——1分钟选定安装容量1根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素(如备用方式等)，并按实际变压器系列产品的规格选定变压器的数量和容量称为安装容量。(1)容量备用。(2)牵引变电所的数量及其在线路上的位置，应满足在事故状态下单边(越区)供电接触网电压水平要求。(3)不考虑再生制动所节省的能量选定安装容量2在进行容量校校时，宜按重臂取95％最大车数概率积分最大值计算最大电流，轻臂取有效电流考虑。一股说来，这种校核条件能够满足列车紧密运行的要求，并保证变压器在充分利用过负荷能力时可安全运行。另外，也可按非平行运行图区间通过能力的要求对主变压器容量进行校核。经济运行为了使变压器经济运行，一般情况，从以下几个方面采取措施降低功率领耗。(1)及时切除轻载变压器(2)更换过载及轻载变压器(3)停用夜间多余的变压器。(4)采用节能型变压器7.2整流机组数的选择1地铁、轻轨交通直流牵引变电所整流机组的容量和数量，应根据远期运营高峰时期列车编组，行车密度和车辆类型等需要，由牵引供电计算确定，并需要进行各种短时过负荷校验。1.整流机组容量的计算/2DqFF2FfWmnW整流机组数的选择22.按事故解列情况选择校验整流机组容量按整个区段中一个牵引变电所故障而造成事故解列时，相邻的两个牵引变电所应能分断其供电区段在高峰小时内的牵引用电量考虑按整流机组允许过负荷1.5倍持续2小时的技术条件，由下式进行校验并应满足整流机组数的选择33.直流牵引变电所整流变压器计算容量，额定容量和整流机组数量的选择由于整流机组换相整流工作的特性，整流变压器的交流功率大于直流输出功率，经校验确定后，三相桥整流接线的变压器总计算容量为1.05TDSW整流机组数的选择4根据计算容量选择相近配套的整流变压器额定容量，整流机组的变压器整流器具有相同的长时（2h）和短时（1min）过负荷特性。整流机组选择，还应校验在最大负荷电流时牵引网的最低电压，应不低于规程规定的允许最低电压值。整流机组数的选择5整流机组数量，一般在牵引变电所2～3台并联工作，且应采用相同外特性和参数，统一型号的整流机组。不考虑备用量，整流机组数为aByMaBIIn3变压器的容量根据热老化条件选择。考虑到整流机组是由工业部门配套供应的，所以其数量必须保证变压器的总容量和整流器的总容量满足上述要求。7.3接触网导线截面的选择选择接触导线截面应满足机械强度和电气性能两方面的要求。按允许裁流量确定接触导线截面按经济截面选择接触导线有效电流的计算按允许裁流量确定接触导线截面1接触导线允许载流量，系指在一定环境条件下，不超过导线最高允许工作温度时所传输的电流lSFRRRW——单位长度导线的辐射散热功率（W/m）FW——单位长度导线的对流散热功率（W/m）SW——单位长度导线的日照吸热功率（W/m）lR——最高允许工作温度时导线的交流电阻（Ω/m）按允许裁流量确定接触导线截面2(1)辐射散热功率44273273aaRDESWD——-导线外径（m）（W/m）E——导线表面的辐射散热系数，光亮的新线取.23~0.43，旧线或涂黑色防腐剂的导线取0.90~0.95S——斯特凡—包尔茨曼常数，为5.67×10-8(W/m2)——导线表面的平均温升（℃）a——环境温度（℃）按允许裁流量确定接触导线截面3(2)对流散热功率435.0Re57.0fFWf——导线表面空气层的传热系数5210271042.2afRe——雷诺数VDReV为垂直于导线的风速（m/s）