1、第6章 牵引供电系统的电压损失 牵引供电系统由于阻抗及负荷而导致供电电压降低，其降低的数值称为电压损失。 根据国家有关标准规定，铁道干线电力牵引母线上的额定电压为27.5kV，自耦变压器供电方式为55kV，电力机车额定电压为25kV，最高允许电压为29kV，最低工作电压为20kV，受电弓上电压不得低于19kV。 因为只有最低时电压水平才对确保列车的正常运行有实际意义，所以供电计算中只需要计算牵引供电系统的最大电压损失。 牵引负荷引起的电压损失主要由两部分组成：牵引网的电压损失和牵引变电所的电压损失。有时不需计入电力系统的电压损失。这三部分电压损失的计算原理相同。第第6章章 牵引供电系统的电压损
2、失牵引供电系统的电压损失第6章 牵引供电系统的电压损失6-1 牵引网的电压损失6-2 牵引变压器的电压损失6-3 电力系统的电压损失和牵引供电系统的电压水平6-4 改善供电臂电压水平的方法第第6章章 牵引供电系统的电压损失牵引供电系统的电压损失6-1 牵引网的电压损失6-1 牵引网的电压损失牵引网的电压损失4-1-1 电压损失的简化计算法4-1-2 单线牵引网中的电压损失4-1-3 复线牵引网中的电压损失6-1-1 电压损失的简化计算 6-1-1 电压损失的简化计算电压损失的简化计算 牵引网中的电压损失，等于牵引变电所馈出母线额定电压与电力机车受电弓上电压的算术差。它不同于牵引网中的电压降。牵
3、引网中的电压降等于牵引网电流与牵引网阻抗的乘积，也就是变电所馈出母线电压与电力机车受电弓电压的相量差。 为了方便计算，目前在供电计算中一般都采用简化计算法。 设牵引网电流为I，牵引网阻抗为Z=R+jX，如图6-1所示。其相量关系如图6-2所示。所以牵引网中的电压损失为：U=U1-U2。6-1-1 电压损失的简化计算 由于U1与U2之间 的夹角一般不胸有成竹，可近似为U1=U1cos，则电压损失U=U1cos-U2，其数值上等于线段ac。由图6-2可知：sincosIXbcIRabsincosXRIU(6-1) 式6-1即为简化后的电压损失计算公式。它同样适用于牵引变电所和其他情况下电压损失的计
4、算。其主要的优点就在于避免了复杂的复数运算。 考虑到目前电力机车牵引负荷的平均功率因数一般总是0.8左右，因此可以把式6-1括号中的值看作一个参数，称做牵引网的等效阻抗，用z表示。等效阻抗只与牵引网长度有关，而与牵引电流无关。写成单位值（即等效单位阻抗）为；sincosxrz(6-2)6-1-1 电压损失的简化计算 牵引网等效阻抗不再是复数形式，由此可得出结论：牵引网中的电压损失等于牵引网的电流的模值与牵引网等效阻抗的乘积。大大简化了牵引网电压损失的计算。 当采用GJ-70+TCG-100的全补偿链形悬挂的接触网和P50型钢轨及大地导电率为1010-14(CGSM)时，若牵引负荷的平均功率因数
5、为0.8，则牵引网的等效阻抗值如表6-1所示。6-1-2 单线牵引网中的电压损失 6-1-2 单线牵引网中的电压损失单线牵引网中的电压损失 在供电计算中，一般只需计算最严重的运行条件下的最大电压损失。所以首先应确定计算条件，然后再分析计算方法。单线牵引网中电压损失的计算条件可按如表6-2所示列出的情况考虑。 计算列车Ij处的牵引最大电压损失为： jiiijVLIzU1(6-3)6-1-2 单线牵引网中的电压损失6-1-3 复线牵引网中的电压损失 6-1-3 复线牵引网中的电压损失复线牵引网中的电压损失 1、复线牵引网中电流分配规律 如图6-4所示。6-1-3 复线牵引网中的电压损失 则沿线路1
6、到列车的电压损失为：1111LZIZIUIIII 则沿线路2到列车的电压损失为：1111122LLZZILZIZIUIIIIIIII 因为在电路中一点只有一个电位，所以沿上、下行线路到同一列车的电压损失应相等，且I1+I1=I1，所以可以解得上、下行线路中的电流为： 111111222ILLIILLLI(6-4) 可见，电流分配与支路长度成反比。6-1-3 复线牵引网中的电压损失 当供电分共上有两列车时，如图6-5(a)所示。6-1-3 复线牵引网中的电压损失 则在上行线路和下行线路的电流分量分别为：22112122211211222222111111222222222222ILLLILLII
7、IILLILLLIIIILLLIILLIILLIILLLI 6-1-3 复线牵引网中的电压损失 当供电分区上有多个列车时，如图6-5(b)所示，则可应用叠加定理得出线路1和线路2所取电流分别为：mjjIIjiniIiIImjjIIjiniIiIILLLILLIILLILLLI1111222222(6-5)6-1-3 复线牵引网中的电压损失 2、复线牵引网电压损失的计算条件 一般应按分区亭上、下行接触网最络断路器分闸，取其重负荷方向进行计算。列车电流取重负荷方向重货列车带电平均电流。计算列车数取对应远期输送能力概率积分为95%的最大列车数，列车位置参照表6-2。 （1）单边并联供电 如图6-6所
8、示。6-1-3 复线牵引网中的电压损失 1）不设吸-回装置的供电臂IIIIIjIIIjmjIIjiIIiIIIIiniIiimjIIjjIIjIiiniIiIIIIIjmjjIIjIiiniIiIjzLLLzLLLIzLLLzLLLILILLLLILLzLILLLILLLzU222222222222111111(6-6)6-1-3 复线牵引网中的电压损失 2）设有吸-回装置的供电臂mjIIjjIiniIiiIijLIlLLILLLzU11222(6-7) 2、单边分开供电 1）不设吸-回装置的供电臂 当LIImLIn时，有；mjIIjIIjIIIniIiIiIjLIzLIzU11(6-8) 2
9、）设有吸-回装置的供电臂niIiIiIjLIzU1(6-9)6-2 牵引变压器的电压损失6-2 牵引变压器的电压损失牵引变压器的电压损失6-2-1 三相YN，d11结线变压器电压损失6-2-2 单相V，V结线变压器电压损失6-2-3 单相结线变压器电压损失6-2-4 斯科特结线牵引变压器电压损失6-2-5 阻抗平衡变压器电压损失6-2-1 三相YN，d11结线变压器电压损失 6-2-1 三相三相YN，d11结线变压器电压损失结线变压器电压损失 1、三相变压器的阻抗 三相变压器的额定电压为线电压，铭牌给定的短路损耗为三相总铜耗，因此三相变压器的铜耗和阻抗电压的百分值按定义分别表示为：%1003%
10、32NTNkTNkUZIURIP 如果变压器为Y，y结线，则ZT与RT代表等值Y，y结线的每相阻抗。因为大容量变压器的RTXT，所以可以认为XTZT，所以可得：NNkNNkTNNkNkTSUUIUUXSUPIPR2222100%1003100%1003(6-10)(6-11)6-2-1 三相YN，d11结线变压器电压损失 实际上三相变压器27.5侧绕组为三角形接线，而三角形接时每相阻抗为等值Y接每相阻抗的3倍。这时变压器绕组三角形接时的阻抗为： 常见几种容量的三相牵引变压器，归算到27.5kV侧的电抗值如表6-3所示。TTTTXXRR33(6-12)6-2-1 三相YN，d11结线变压器电压损
11、失 2、三相结线变压器电压损失计算 三相牵引变压器的电压损失等于变压器的绕组电流与相阻抗的乘积。如图6-8所示。则，牵引变压器归算到27.5kV侧的相阻抗为ZT=RT+jXT。可将式6-1写成： 对于牵引变压器，因RT U1，即：滞后相压损大于引前相压损。所以，如牵引变电所两供电臂负荷不相等时，应把滞后相置于轻负载臂上。 当两侧负荷I1与I2的功率因数都等于0.8时，可求得：99. 09 .96sin60sin392. 01 .23sin60sin, 6 . 0sin,9 .36, 8 . 0coscoscos21 引前相和滞后相的电压损失分别为：TTTTXIIIIXUXIIIIXU12122
12、2121133. 04 . 099. 06 . 023113. 04 . 0392. 06 . 0231(6-18)6-2-1 三相YN，d11结线变压器电压损失 当cos=0.82时，有： 实际中，只需要计算三相变压器的最大电压损失，其计算条件与计算牵引网压损计算条件相一致。可得引前相和滞后相在cos分别为0.8和0.82时的最大电压损失为：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 单相V，V结线变压器电压损失 6-2-2 单相单相V，V结线变压器电压损失结线变压器电压损失 V，V结线牵引侧供电臂分别由各自的变压器供电，其在cos分别为0.8和0.82时的最大电压损失为：TTTTTXRIZIU6 . 08 . 0maxmaxmax(6-22)：IXU：，RTTTT所以有则有忽略电阻,6 . 0maxmaxmaxmax57. 0TTTIXU(6-23)6-2-3 单相结线变压器电压损失 6-2-3 单相结线变压器电压损失单相结线变压器电压损失 单相结线变压器两侧供电臂属于同相，因此变压器在cos分别为0.8和
14、0.82时的最大电压损失为：TavTXIIU2max1max6 . 0(6-24)TavTXIIU2max1max57. 0(6-25)6-2-4 斯科特结线牵引变压器电压损失 6-2-4 斯科特结线牵引变压器电压损失斯科特结线牵引变压器电压损失 采用斯科特结线牵引变压器的变电所两侧供电臂分别由M座、T座供电，其最大电压损失为：TTTTMTMMXIUXIUsinsin2maxmax2maxmax(6-26) 其中，XT2为归算到斯科特结线变压器副边每相绕组的电抗，其值为： NNkNNkTSUUUUUX221222100%100%(6-27)6-2-5 阻抗平衡变压器电压损失 6-2-5 阻抗平
15、衡变压器电压损失阻抗平衡变压器电压损失 由阻抗平衡变压器原理可知，U和U相互垂直。它们的电流分别滞后、角度。当两输出端口的电流相等，即其功率因数相等时，其电压损失为：cos2113. 0sincos2113. 0sinIIXUIIXUTT(6-28) NNkNNkTSUUUUUX222222100%100%(6-29)6-3 电力系统的电压损失和牵引供电系统的电压水平6-3 电力系统的电压损失电力系统的电压损失和牵引供电系统的电压水平和牵引供电系统的电压水平6-3-1 电力系统的电压损失6-3-2 牵引供电系统的电压水平6-3-1 电力系统的电压损失 6-3-1 电力系统的电压损失电力系统的电
16、压损失 牵引负荷在电力系统中造成的最大电压损失，一般由电力部门根据系统和牵引负荷的资料进行计算。此时应保证牵引变电所的供电电压不得超过110kV的10%。牵引负荷按计算变压器最大电压损失的条件考虑。 由于单相牵引负荷造成电力系统三相电压不平衡，其电压损失的计算不同于一般对称三相电网的情况，所以在缺乏系统资料时可进行估算，其值随牵引变电所距离电源点的远近而不同，一般归算到牵引侧后为15003000V。6-3-2 牵引供电系统的电压水平 6-3-2 牵引供电系统的电压水平牵引供电系统的电压水平 为了提高牵引供电系统的供电电压水平，常常将牵引变电所的空载母线电压调到29kV左右。另外，牵引网的最低允
17、许电压为20kV，非正常情况下不得低于19kV。因此，在严重情况下，允许牵引负荷在供电臂、变压器以及电力系统中造成的电压损失总和不得超过9kV，非正常情况下不得超过19kV。则牵引供电系统的最低电压水平为：STjUUUUmaxmin29(6-30)6-4 改善供电臂电压水平的方法6-4 改善供电臂电压水平的方法改善供电臂电压水平的方法 铁路运量的增长，使牵引负荷增大，造成电力系统供电电压不稳定，实际运行中常常可能出现牵引网电压低于电力机车最低允许电压的情况。所以，改善牵引网电压，在电气化铁道的设计中是一项重要课题。随着科学技术的民展，改善牵引网电压的方法也在不断更新，本节主要介绍电气化铁道上目
18、前常用的几种方法。6-4 改善供电臂电压水平的方法6-4 改善供电臂电压水平的方法改善供电臂电压水平的方法6-4-1 提高牵引变电所母线电压6-4-2 采用串联电容补偿装置6-4-3 采用带电承力索或加强导线6-4-4 采用合理的牵引网供电方式6-4-5 加设捷接线6-4-1 提高牵引变电所母线电压 6-4-1 提高牵引变电所母线电压提高牵引变电所母线电压 因为牵引网电压的最高值是由牵引变电所牵引侧母线电压决定的，所以改变主变压器分接开关的位置，可以提高牵引网的空载电压，这种方法是改善牵引网电压最简便且应用最广的一种方法。 目前普遍采用的方法是降低变压器分接开关的位置来提高变电所牵引侧母线空载
19、电压。在制造牵引变压器时，一般都采用五级分接开关，以便得到较大的调节范围和较多的调压等级。 牵引变压器分级开关位置和其反变压比如表6-4所示。 这种调压方法虽然简单，便只能进行无载调节，并且当电力系统电压波动量较大时，它不能满足要求。 为解决这个问题，采用了有载调压分接开关。当变压器装有这种分接开关时，可在不切断负载的条件下，调节分接开关位置而达到改善牵引网电压的目的。 通常采用单相自耦增压变压器自动调压装置和交流电压自动补偿装置两种补偿装置。6-4-1 提高牵引变电所母线电压6-4-1 提高牵引变电所母线电压 1、单相自耦增压变压器自动调压装置 其自动调压原理电路及框图如图6-9和图6-10
20、所示。6-4-1 提高牵引变电所母线电压 2、交流电压自动补偿装置 用于采用AT供电方式的区段，其主回路原理接线如图6-11所示，其开关状态与补偿电压的关系如表6-5所示。6-4-1 提高牵引变电所母线电压6-4-2 采用串联电容补偿 6-4-2 采用串联电容补偿采用串联电容补偿 1、串联电容补偿原理 牵引供电系统的电气元件大多是感性的，忽略牵引网对地的分布电容，牵引供电回路可等效为一个R-L串联电路。等效电路和相量图如图6-1和6-2所示。则此时机车受电弓上的电压U2为：LRUUUU12(6-31) 由相量图6-2可得未补偿时牵引网的电压损失为： VXRIUsincos(6-32) 串入电容
21、后，机车受电弓上的电压U2为：CLRUUUUU12(6-33)6-4-2 采用串联电容补偿 由相量图可知，投入串联电容补偿装置时，电容器上的电压损失为： 此时牵引回路损失的电压为： VXXRIUCLsincos(6-36) VIXUcC(6-34) 提高的电压为： VIXUcsin补(6-35) 比较式6-32和式6-36可知，串入电容器后，牵引电流I通过电容器时产生的电压损失为负值，实际上使牵引网的电压提高，减少了电压损失。补偿前后电压相量图如图6-12所示。6-4-2 采用串联电容补偿6-4-2 采用串联电容补偿 2、串联电容的计算方法 根据式6-35，当馈线最大电流为Imax时，如果要求
22、补偿电压为Uc，则串联电容的容抗为： 适用于串联补偿的电容器多采用CY系列电力电容器，其技术数据如表6-6所示。 sinmaxIUXc(6-37)6-4-2 采用串联电容补偿 CY1-10-1前面的1代表额定电压为1kV，10代表额定容量为10kvar，后面的1代表单相。由其铭牌标明额定容量QcN(kvar)和额定电压UcN(kV)可求出额定电流为： AUQIcNcNcN(6-38) 同时可按要求计算出此电容器组的并联支路数、串联电容个数为：个个cNccNXmXnIImmax(6-39) 式中：XcN每个电容器在额定电压下的容抗值，其计算式为： cNcNcNQUX2(6-40)6-4-2 采用
23、串联电容补偿 3、串联电容补偿装置的主接线 如图6-13所示。6-4-3 采用带电承力索或加强导线 6-4-3 采用带电承力索或加强导线采用带电承力索或加强导线 采用带电承力索或加强导线可以降低牵引网阻抗。因此当牵引负荷一定时，电压损失也随之降低，一般可降低25%以上。 带电承力索可采用硬铜绞线或钢芯铝铰线。硬铜绞线技术比较成熟，在材料供应不困难的情况下，应尽量采用。加强导线一般采用铝绞线或钢芯绞线。由于靠近牵引变电所的供电臂电流最大，因而在靠近牵引变电所的区段加设加强导线效果最好。6-4-4 采用合理的牵引网供电方式 6-4-4 采用合理的牵引网供电方式采用合理的牵引网供电方式 1、在单线区
24、段 双边供电的供电方式在负荷下不很均匀的情况下比单边供电方式有较小的电压损失，因此，只要条件许可，应采用双边供电方式。 双边供电时，要求牵引变电所的主变压器一次侧中性点接地（YN，d11接线三相变压器），并且继电保护要与电力系统协调配合。 2、在复线区段 纽结双边供电比单边供电有较小的电压损失，也应在条件许可的情况下采用。 目前复线区段常用的是单边并联供电，当上、下行行车量很不均匀或线路出现一面坡的情况下，采用这种方法降低电压损失的效果很显著，并使上、下行的接触悬挂截面得到充分利用。6-4-5 加设捷接线 6-4-5 加设捷接线加设捷接线 在一些特殊情况下，可加设捷接线，如图6-14所示。 加设捷接线后，接触网等于增加了一个与它并联的捷接线地回路，这样就可以容易地计算出这段牵引网的新的阻抗值。实践证明，在山区电气化铁道有较明显的迂回线路时，增加捷接线对降低牵引网阻抗，改善牵引网电压有很显著很效果。
