第6章 牽引供電系統(tǒng)的電壓損失

1、第6章 牽引供電系統(tǒng)的電壓損失 牽引供電系統(tǒng)由于阻抗及負(fù)荷而導(dǎo)致供電電壓降低，其降低的數(shù)值稱為電壓損失。 根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鐵道干線電力牽引母線上的額定電壓為27.5kV，自耦變壓器供電方式為55kV，電力機(jī)車額定電壓為25kV，最高允許電壓為29kV，最低工作電壓為20kV，受電弓上電壓不得低于19kV。 因為只有最低時電壓水平才對確保列車的正常運行有實際意義，所以供電計算中只需要計算牽引供電系統(tǒng)的最大電壓損失。 牽引負(fù)荷引起的電壓損失主要由兩部分組成：牽引網(wǎng)的電壓損失和牽引變電所的電壓損失。有時不需計入電力系統(tǒng)的電壓損失。這三部分電壓損失的計算原理相同。第第6章章 牽引供電系統(tǒng)的電壓損

2、失牽引供電系統(tǒng)的電壓損失第6章 牽引供電系統(tǒng)的電壓損失6-1 牽引網(wǎng)的電壓損失6-2 牽引變壓器的電壓損失6-3 電力系統(tǒng)的電壓損失和牽引供電系統(tǒng)的電壓水平6-4 改善供電臂電壓水平的方法第第6章章 牽引供電系統(tǒng)的電壓損失牽引供電系統(tǒng)的電壓損失6-1 牽引網(wǎng)的電壓損失6-1 牽引網(wǎng)的電壓損失牽引網(wǎng)的電壓損失4-1-1 電壓損失的簡化計算法4-1-2 單線牽引網(wǎng)中的電壓損失4-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失6-1-1 電壓損失的簡化計算 6-1-1 電壓損失的簡化計算電壓損失的簡化計算 牽引網(wǎng)中的電壓損失，等于牽引變電所饋出母線額定電壓與電力機(jī)車受電弓上電壓的算術(shù)差。它不同于牽引網(wǎng)中的電壓降。牽

3、引網(wǎng)中的電壓降等于牽引網(wǎng)電流與牽引網(wǎng)阻抗的乘積，也就是變電所饋出母線電壓與電力機(jī)車受電弓電壓的相量差。 為了方便計算，目前在供電計算中一般都采用簡化計算法。 設(shè)牽引網(wǎng)電流為I，牽引網(wǎng)阻抗為Z=R+jX，如圖6-1所示。其相量關(guān)系如圖6-2所示。所以牽引網(wǎng)中的電壓損失為：U=U1-U2。6-1-1 電壓損失的簡化計算 由于U1與U2之間 的夾角一般不胸有成竹，可近似為U1=U1cos，則電壓損失U=U1cos-U2，其數(shù)值上等于線段ac。由圖6-2可知：sincosIXbcIRabsincosXRIU(6-1) 式6-1即為簡化后的電壓損失計算公式。它同樣適用于牽引變電所和其他情況下電壓損失的計

4、算。其主要的優(yōu)點就在于避免了復(fù)雜的復(fù)數(shù)運算。 考慮到目前電力機(jī)車牽引負(fù)荷的平均功率因數(shù)一般總是0.8左右，因此可以把式6-1括號中的值看作一個參數(shù)，稱做牽引網(wǎng)的等效阻抗，用z表示。等效阻抗只與牽引網(wǎng)長度有關(guān)，而與牽引電流無關(guān)。寫成單位值（即等效單位阻抗）為；sincosxrz(6-2)6-1-1 電壓損失的簡化計算 牽引網(wǎng)等效阻抗不再是復(fù)數(shù)形式，由此可得出結(jié)論：牽引網(wǎng)中的電壓損失等于牽引網(wǎng)的電流的模值與牽引網(wǎng)等效阻抗的乘積。大大簡化了牽引網(wǎng)電壓損失的計算。 當(dāng)采用GJ-70+TCG-100的全補償鏈形懸掛的接觸網(wǎng)和P50型鋼軌及大地導(dǎo)電率為1010-14(CGSM)時，若牽引負(fù)荷的平均功率因數(shù)

5、為0.8，則牽引網(wǎng)的等效阻抗值如表6-1所示。6-1-2 單線牽引網(wǎng)中的電壓損失 6-1-2 單線牽引網(wǎng)中的電壓損失單線牽引網(wǎng)中的電壓損失 在供電計算中，一般只需計算最嚴(yán)重的運行條件下的最大電壓損失。所以首先應(yīng)確定計算條件，然后再分析計算方法。單線牽引網(wǎng)中電壓損失的計算條件可按如表6-2所示列出的情況考慮。 計算列車Ij處的牽引最大電壓損失為： jiiijVLIzU1(6-3)6-1-2 單線牽引網(wǎng)中的電壓損失6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 1、復(fù)線牽引網(wǎng)中電流分配規(guī)律 如圖6-4所示。6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 則沿線路1

6、到列車的電壓損失為：1111LZIZIUIIII 則沿線路2到列車的電壓損失為：1111122LLZZILZIZIUIIIIIIII 因為在電路中一點只有一個電位，所以沿上、下行線路到同一列車的電壓損失應(yīng)相等，且I1+I1=I1，所以可以解得上、下行線路中的電流為： 111111222ILLIILLLI(6-4) 可見，電流分配與支路長度成反比。6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 當(dāng)供電分共上有兩列車時，如圖6-5(a)所示。6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 則在上行線路和下行線路的電流分量分別為：22112122211211222222111111222222222222ILLLILLII

7、IILLILLLIIIILLLIILLIILLIILLLI 6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 當(dāng)供電分區(qū)上有多個列車時，如圖6-5(b)所示，則可應(yīng)用疊加定理得出線路1和線路2所取電流分別為：mjjIIjiniIiIImjjIIjiniIiIILLLILLIILLILLLI1111222222(6-5)6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 2、復(fù)線牽引網(wǎng)電壓損失的計算條件 一般應(yīng)按分區(qū)亭上、下行接觸網(wǎng)最絡(luò)斷路器分閘，取其重負(fù)荷方向進(jìn)行計算。列車電流取重負(fù)荷方向重貨列車帶電平均電流。計算列車數(shù)取對應(yīng)遠(yuǎn)期輸送能力概率積分為95%的最大列車數(shù)，列車位置參照表6-2。 （1）單邊并聯(lián)供電 如圖6-6所

8、示。6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 1）不設(shè)吸-回裝置的供電臂IIIIIjIIIjmjIIjiIIiIIIIiniIiimjIIjjIIjIiiniIiIIIIIjmjjIIjIiiniIiIjzLLLzLLLIzLLLzLLLILILLLLILLzLILLLILLLzU222222222222111111(6-6)6-1-3 復(fù)線牽引網(wǎng)中的電壓損失 2）設(shè)有吸-回裝置的供電臂mjIIjjIiniIiiIijLIlLLILLLzU11222(6-7) 2、單邊分開供電 1）不設(shè)吸-回裝置的供電臂 當(dāng)LIImLIn時，有；mjIIjIIjIIIniIiIiIjLIzLIzU11(6-8) 2

9、）設(shè)有吸-回裝置的供電臂niIiIiIjLIzU1(6-9)6-2 牽引變壓器的電壓損失6-2 牽引變壓器的電壓損失牽引變壓器的電壓損失6-2-1 三相YN，d11結(jié)線變壓器電壓損失6-2-2 單相V，V結(jié)線變壓器電壓損失6-2-3 單相結(jié)線變壓器電壓損失6-2-4 斯科特結(jié)線牽引變壓器電壓損失6-2-5 阻抗平衡變壓器電壓損失6-2-1 三相YN，d11結(jié)線變壓器電壓損失 6-2-1 三相三相YN，d11結(jié)線變壓器電壓損失結(jié)線變壓器電壓損失 1、三相變壓器的阻抗 三相變壓器的額定電壓為線電壓，銘牌給定的短路損耗為三相總銅耗，因此三相變壓器的銅耗和阻抗電壓的百分值按定義分別表示為：%1003%

10、32NTNkTNkUZIURIP 如果變壓器為Y，y結(jié)線，則ZT與RT代表等值Y，y結(jié)線的每相阻抗。因為大容量變壓器的RTXT，所以可以認(rèn)為XTZT，所以可得：NNkNNkTNNkNkTSUUIUUXSUPIPR2222100%1003100%1003(6-10)(6-11)6-2-1 三相YN，d11結(jié)線變壓器電壓損失 實際上三相變壓器27.5側(cè)繞組為三角形接線，而三角形接時每相阻抗為等值Y接每相阻抗的3倍。這時變壓器繞組三角形接時的阻抗為： 常見幾種容量的三相牽引變壓器，歸算到27.5kV側(cè)的電抗值如表6-3所示。TTTTXXRR33(6-12)6-2-1 三相YN，d11結(jié)線變壓器電壓損

11、失 2、三相結(jié)線變壓器電壓損失計算 三相牽引變壓器的電壓損失等于變壓器的繞組電流與相阻抗的乘積。如圖6-8所示。則，牽引變壓器歸算到27.5kV側(cè)的相阻抗為ZT=RT+jXT?？蓪⑹?-1寫成： 對于牽引變壓器，因RT U1，即：滯后相壓損大于引前相壓損。所以，如牽引變電所兩供電臂負(fù)荷不相等時，應(yīng)把滯后相置于輕負(fù)載臂上。 當(dāng)兩側(cè)負(fù)荷I1與I2的功率因數(shù)都等于0.8時，可求得：99. 09 .96sin60sin392. 01 .23sin60sin, 6 . 0sin,9 .36, 8 . 0coscoscos21 引前相和滯后相的電壓損失分別為：TTTTXIIIIXUXIIIIXU12122

12、2121133. 04 . 099. 06 . 023113. 04 . 0392. 06 . 0231(6-18)6-2-1 三相YN，d11結(jié)線變壓器電壓損失 當(dāng)cos=0.82時，有： 實際中，只需要計算三相變壓器的最大電壓損失，其計算條件與計算牽引網(wǎng)壓損計算條件相一致?？傻靡跋嗪蜏笙嘣赾os分別為0.8和0.82時的最大電壓損失為：avTavTIIUIIU1max2max22max1max133. 04 . 013. 04 . 0(6-20)122211332. 038. 0142. 038. 0IIUIIU(6-19)avTavTIIUIIU1max2max22max1max13

13、32. 038. 0142. 038. 0(6-21)6-2-2 單相V，V結(jié)線變壓器電壓損失 6-2-2 單相單相V，V結(jié)線變壓器電壓損失結(jié)線變壓器電壓損失 V，V結(jié)線牽引側(cè)供電臂分別由各自的變壓器供電，其在cos分別為0.8和0.82時的最大電壓損失為：TTTTTXRIZIU6 . 08 . 0maxmaxmax(6-22)：IXU：，RTTTT所以有則有忽略電阻,6 . 0maxmaxmaxmax57. 0TTTIXU(6-23)6-2-3 單相結(jié)線變壓器電壓損失 6-2-3 單相結(jié)線變壓器電壓損失單相結(jié)線變壓器電壓損失 單相結(jié)線變壓器兩側(cè)供電臂屬于同相，因此變壓器在cos分別為0.8和

14、0.82時的最大電壓損失為：TavTXIIU2max1max6 . 0(6-24)TavTXIIU2max1max57. 0(6-25)6-2-4 斯科特結(jié)線牽引變壓器電壓損失 6-2-4 斯科特結(jié)線牽引變壓器電壓損失斯科特結(jié)線牽引變壓器電壓損失 采用斯科特結(jié)線牽引變壓器的變電所兩側(cè)供電臂分別由M座、T座供電，其最大電壓損失為：TTTTMTMMXIUXIUsinsin2maxmax2maxmax(6-26) 其中，XT2為歸算到斯科特結(jié)線變壓器副邊每相繞組的電抗，其值為： NNkNNkTSUUUUUX221222100%100%(6-27)6-2-5 阻抗平衡變壓器電壓損失 6-2-5 阻抗平

15、衡變壓器電壓損失阻抗平衡變壓器電壓損失 由阻抗平衡變壓器原理可知，U和U相互垂直。它們的電流分別滯后、角度。當(dāng)兩輸出端口的電流相等，即其功率因數(shù)相等時，其電壓損失為：cos2113. 0sincos2113. 0sinIIXUIIXUTT(6-28) NNkNNkTSUUUUUX222222100%100%(6-29)6-3 電力系統(tǒng)的電壓損失和牽引供電系統(tǒng)的電壓水平6-3 電力系統(tǒng)的電壓損失電力系統(tǒng)的電壓損失和牽引供電系統(tǒng)的電壓水平和牽引供電系統(tǒng)的電壓水平6-3-1 電力系統(tǒng)的電壓損失6-3-2 牽引供電系統(tǒng)的電壓水平6-3-1 電力系統(tǒng)的電壓損失 6-3-1 電力系統(tǒng)的電壓損失電力系統(tǒng)的電

16、壓損失 牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中造成的最大電壓損失，一般由電力部門根據(jù)系統(tǒng)和牽引負(fù)荷的資料進(jìn)行計算。此時應(yīng)保證牽引變電所的供電電壓不得超過110kV的10%。牽引負(fù)荷按計算變壓器最大電壓損失的條件考慮。 由于單相牽引負(fù)荷造成電力系統(tǒng)三相電壓不平衡，其電壓損失的計算不同于一般對稱三相電網(wǎng)的情況，所以在缺乏系統(tǒng)資料時可進(jìn)行估算，其值隨牽引變電所距離電源點的遠(yuǎn)近而不同，一般歸算到牽引側(cè)后為15003000V。6-3-2 牽引供電系統(tǒng)的電壓水平 6-3-2 牽引供電系統(tǒng)的電壓水平牽引供電系統(tǒng)的電壓水平 為了提高牽引供電系統(tǒng)的供電電壓水平，常常將牽引變電所的空載母線電壓調(diào)到29kV左右。另外，牽引網(wǎng)的最低允

17、許電壓為20kV，非正常情況下不得低于19kV。因此，在嚴(yán)重情況下，允許牽引負(fù)荷在供電臂、變壓器以及電力系統(tǒng)中造成的電壓損失總和不得超過9kV，非正常情況下不得超過19kV。則牽引供電系統(tǒng)的最低電壓水平為：STjUUUUmaxmin29(6-30)6-4 改善供電臂電壓水平的方法6-4 改善供電臂電壓水平的方法改善供電臂電壓水平的方法 鐵路運量的增長，使?fàn)恳?fù)荷增大，造成電力系統(tǒng)供電電壓不穩(wěn)定，實際運行中常?？赡艹霈F(xiàn)牽引網(wǎng)電壓低于電力機(jī)車最低允許電壓的情況。所以，改善牽引網(wǎng)電壓，在電氣化鐵道的設(shè)計中是一項重要課題。隨著科學(xué)技術(shù)的民展，改善牽引網(wǎng)電壓的方法也在不斷更新，本節(jié)主要介紹電氣化鐵道上目

18、前常用的幾種方法。6-4 改善供電臂電壓水平的方法6-4 改善供電臂電壓水平的方法改善供電臂電壓水平的方法6-4-1 提高牽引變電所母線電壓6-4-2 采用串聯(lián)電容補償裝置6-4-3 采用帶電承力索或加強(qiáng)導(dǎo)線6-4-4 采用合理的牽引網(wǎng)供電方式6-4-5 加設(shè)捷接線6-4-1 提高牽引變電所母線電壓 6-4-1 提高牽引變電所母線電壓提高牽引變電所母線電壓 因為牽引網(wǎng)電壓的最高值是由牽引變電所牽引側(cè)母線電壓決定的，所以改變主變壓器分接開關(guān)的位置，可以提高牽引網(wǎng)的空載電壓，這種方法是改善牽引網(wǎng)電壓最簡便且應(yīng)用最廣的一種方法。 目前普遍采用的方法是降低變壓器分接開關(guān)的位置來提高變電所牽引側(cè)母線空載

19、電壓。在制造牽引變壓器時，一般都采用五級分接開關(guān)，以便得到較大的調(diào)節(jié)范圍和較多的調(diào)壓等級。 牽引變壓器分級開關(guān)位置和其反變壓比如表6-4所示。 這種調(diào)壓方法雖然簡單，便只能進(jìn)行無載調(diào)節(jié)，并且當(dāng)電力系統(tǒng)電壓波動量較大時，它不能滿足要求。 為解決這個問題，采用了有載調(diào)壓分接開關(guān)。當(dāng)變壓器裝有這種分接開關(guān)時，可在不切斷負(fù)載的條件下，調(diào)節(jié)分接開關(guān)位置而達(dá)到改善牽引網(wǎng)電壓的目的。 通常采用單相自耦增壓變壓器自動調(diào)壓裝置和交流電壓自動補償裝置兩種補償裝置。6-4-1 提高牽引變電所母線電壓6-4-1 提高牽引變電所母線電壓 1、單相自耦增壓變壓器自動調(diào)壓裝置 其自動調(diào)壓原理電路及框圖如圖6-9和圖6-10

20、所示。6-4-1 提高牽引變電所母線電壓 2、交流電壓自動補償裝置 用于采用AT供電方式的區(qū)段，其主回路原理接線如圖6-11所示，其開關(guān)狀態(tài)與補償電壓的關(guān)系如表6-5所示。6-4-1 提高牽引變電所母線電壓6-4-2 采用串聯(lián)電容補償 6-4-2 采用串聯(lián)電容補償采用串聯(lián)電容補償 1、串聯(lián)電容補償原理 牽引供電系統(tǒng)的電氣元件大多是感性的，忽略牽引網(wǎng)對地的分布電容，牽引供電回路可等效為一個R-L串聯(lián)電路。等效電路和相量圖如圖6-1和6-2所示。則此時機(jī)車受電弓上的電壓U2為：LRUUUU12(6-31) 由相量圖6-2可得未補償時牽引網(wǎng)的電壓損失為： VXRIUsincos(6-32) 串入電容

21、后，機(jī)車受電弓上的電壓U2為：CLRUUUUU12(6-33)6-4-2 采用串聯(lián)電容補償 由相量圖可知，投入串聯(lián)電容補償裝置時，電容器上的電壓損失為： 此時牽引回路損失的電壓為： VXXRIUCLsincos(6-36) VIXUcC(6-34) 提高的電壓為： VIXUcsin補(6-35) 比較式6-32和式6-36可知，串入電容器后，牽引電流I通過電容器時產(chǎn)生的電壓損失為負(fù)值，實際上使?fàn)恳W(wǎng)的電壓提高，減少了電壓損失。補償前后電壓相量圖如圖6-12所示。6-4-2 采用串聯(lián)電容補償6-4-2 采用串聯(lián)電容補償 2、串聯(lián)電容的計算方法 根據(jù)式6-35，當(dāng)饋線最大電流為Imax時，如果要求補償電壓為Uc，則串聯(lián)電容的容抗為： 適用于串聯(lián)補償?shù)碾娙萜鞫嗖捎肅Y系列電力電容器，其技術(shù)數(shù)據(jù)如表6-6所示。 sinmaxIUXc(6-37)6-4-2 采用串聯(lián)電容補償 CY1-10-1前面的1代表額定電壓為1kV，10代表額定容量為10kvar，后面的1代表單相。由其銘牌標(biāo)明額定容量QcN(kvar)和額定電壓UcN(kV)可求出額定電流為： AUQIcNcNcN(6-38) 同時可按要求計算出此電容器組的并聯(lián)支路數(shù)、串聯(lián)電容個數(shù)為：個個cNccNXmXnIImmax(6-39) 式中：XcN每個電容器在額定電壓下的容抗值，其計算式為