1、电气化铁路电气化铁路供供 变变 电电 工工 程程石家庄铁道大学四方学院 电气工程系主讲：王庆芬主讲：王庆芬第二章第二章 电力牵引与电气计算电力牵引与电气计算本章主要内容本章主要内容牵引特性牵引特性牵引计算牵引计算馈线电流馈线电流牵引网电压牵引网电压 牵引供电系统是通过牵引供电系统是通过电力机车将电能转化成机械能电力机车将电能转化成机械能来牵引列车运动的。来牵引列车运动的。电车机车的型号：电车机车的型号：国产国产SS1、SS3、SS4、 SS7、 SS8、 SS9等等进口进口前苏联前苏联6G、日本、日本6K、法国、法国8K交直交机车交直交机车CRH系列动车组系列动车组 电力机车由于受运行图及牵引
2、重量、线路电力机车由于受运行图及牵引重量、线路状况、司机操作情况等因素的影响，使牵引过状况、司机操作情况等因素的影响，使牵引过程包括了程包括了启动、减速、惰性、正常牵引、制动启动、减速、惰性、正常牵引、制动等多种工况。其从牵引网的取流也在较大范围等多种工况。其从牵引网的取流也在较大范围内变化，加上线路上列车的密度及种类的变化，内变化，加上线路上列车的密度及种类的变化，使得使得馈线负荷的变化具有随机性。馈线负荷的变化具有随机性。 进行牵引负荷及电气量的精确计算是进行牵引负荷及电气量的精确计算是复杂而困难的。复杂而困难的。图图2.2 电力机车牵引特性电力机车牵引特性交直（交直（AC/DC)型电力机
3、车：型电力机车：实现这一转变过程的是机车主电路，以实现这一转变过程的是机车主电路，以SS1为例。为例。机车牵引机车牵引变压器变压器全波全波整流电路整流电路直流直流牵引电机牵引电机25kV,50Hz降压降压整流整流SS1型电力机车主电路型电力机车主电路25kV机车主变压器机车主变压器平波电抗器平波电抗器直流牵引电机，串励机直流牵引电机，串励机整流机组整流机组700kW机车功率机车功率4200kW电力机车的工作过程电力机车的工作过程 牵引变电所输出的高压交流电牵引变电所输出的高压交流电送到接触网以后，由机车受电送到接触网以后，由机车受电弓和接触线接触而引入机车，弓和接触线接触而引入机车，机车电流经
4、主断路器、高压电机车电流经主断路器、高压电流互感器，到机车变压器高压流互感器，到机车变压器高压绕组，再经过低压电流互感器、绕组，再经过低压电流互感器、车体、接地电刷、轮轴、车轮车体、接地电刷、轮轴、车轮到轨道，然后经轨道、大地等到轨道，然后经轨道、大地等流回牵引变电所。流回牵引变电所。电力机车的工作过程电力机车的工作过程 机车主变压器将高压交流电机车主变压器将高压交流电变为低压交流电，再经过整变为低压交流电，再经过整流器组整流后变为直流，供流器组整流后变为直流，供给牵引电动机，牵引电动机给牵引电动机，牵引电动机得电旋转，其转轴输出的机得电旋转，其转轴输出的机械功率通过齿轮传动装置传械功率通过齿
5、轮传动装置传送给轮对，轮对作用于轨道，送给轮对，轮对作用于轨道，轨道以大小相等、方向相反轨道以大小相等、方向相反的力作用于轮对，从而形成的力作用于轮对，从而形成牵引力，牵引列车运行。牵引力，牵引列车运行。电力机车简况及其牵引特性电力机车简况及其牵引特性交流电力机车因主电动机和种类而异。交流电力机车因主电动机和种类而异。a.接受交流电后变换为直流利用直流电动机运行接受交流电后变换为直流利用直流电动机运行b.直接将交流降压后利用交流整流子电动机运行直接将交流降压后利用交流整流子电动机运行目前多采用的是目前多采用的是将交流变换为直流后利用直流串励将交流变换为直流后利用直流串励电动机运行电动机运行。1
6、.电力机车特性的要求电力机车特性的要求：电力机车出发时，速度为零，需要很大的力；电力机车出发时，速度为零，需要很大的力；要求要求起动加速力大起动加速力大。充分利用牵引电动机容量充分利用牵引电动机容量；列车轻载时，运行；列车轻载时，运行速度高；重载时，运行速度低。速度高；重载时，运行速度低。2. .直流串励电动机特性：直流串励电动机特性：起动转矩大起动转矩大，过载能力强。，过载能力强。当负载转矩增加时，电动机转速会自动下降。当负载转矩增加时，电动机转速会自动下降。即低速时所需转矩大，高速时所需转矩小。即低速时所需转矩大，高速时所需转矩小。2.3 牵引计算牵引计算 牵引计算是根据机车类型、牵引重量
7、及必要的线牵引计算是根据机车类型、牵引重量及必要的线路条件等原始数据，为电气化铁路设计提供必要路条件等原始数据，为电气化铁路设计提供必要的结果的过程。的结果的过程。牵引计算需要的牵引计算需要的原始数据原始数据主要有：主要有：1.机车参数机车参数，包括机车类型及其牵引特性，机车重量；，包括机车类型及其牵引特性，机车重量；2.上、下行单列牵引重量上、下行单列牵引重量；3.线路情况线路情况，如区段总长度，最小曲线半径，上、下，如区段总长度，最小曲线半径，上、下行坡道等。行坡道等。要求提供的主要结果要求提供的主要结果有：有：1.区间运行时分及带电运行时分区间运行时分及带电运行时分；2.区间上、下行能耗
8、区间上、下行能耗；3.列车运行曲线列车运行曲线(速度速度-距离、时间距离、时间-距离、取距离、取流流-距离等）距离等）牵引计算中获得列车运行曲线是问题的关键！牵引计算中获得列车运行曲线是问题的关键！列车运行曲线列车运行曲线列车电流曲线列车电流曲线与列车运行的状况与列车运行的状况有关有关。 通过司机操作，机车可在通过司机操作，机车可在启动、正常牵引、惰启动、正常牵引、惰行、制动行、制动等多种状态下运行。等多种状态下运行。惰行惰行：机车断电运行，靠惯性行驶。：机车断电运行，靠惯性行驶。制动制动：对列车加制动力，使列车减速或停止前进。：对列车加制动力，使列车减速或停止前进。机械制动机械制动通过司机操
9、纵，启动车辆制动阀来实通过司机操纵，启动车辆制动阀来实现；现；电能制动（电气制动）电能制动（电气制动）将电动机转换为他励发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。电机，从而将制动中的机械能转化为电能。 电阻制动（能耗制动）电阻制动（能耗制动）将制动产生的电能将制动产生的电能消耗在电阻器上，变成热能散发；消耗在电阻器上，变成热能散发； 再生反馈制动再生反馈制动将电能反送到牵引网，供其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。他处于牵引状态的机车使用或返回电力系统。a.列车运行速度列车运行速度v与列车走行距离的关系，与列车走行距离的关系，v=f(l)可由原始
10、资料中获得；可由原始资料中获得；b.列车走行时间列车走行时间t与列车走行距离的关系，与列车走行距离的关系，t=f(l)在在v=f(l)曲线基础上得到；曲线基础上得到； c.列车取用电流列车取用电流i与列车走行距离的关系，与列车走行距离的关系，i=f(l)在带电牵引区段，结合机车网上电流特性在带电牵引区段，结合机车网上电流特性i=f(v) 曲线曲线得到；得到；d.列车取用电流列车取用电流i与列车走行时间的关系，与列车走行时间的关系，i=f(t)由由t=f(l)、 i=f(l)曲线作出。曲线作出。列车电流曲线和列车能耗列车电流曲线和列车能耗列车能耗：将列车电流列车能耗：将列车电流曲线积分，乘上牵引
11、网曲线积分，乘上牵引网电压。电压。将时间将时间0，划分为划分为m等份等份t (分分钟钟)，对应电流，对应电流i0，i1，i2，im则则供电分区总走行时分供电分区总走行时分=mt列车能耗列车能耗（使用（使用 曲线）曲线）( )if t 0( )kVA.hAUi tdt 能耗的计算能耗的计算其中其中U 25kV，取牵引网平均值；，取牵引网平均值；t 单位为分钟。单位为分钟。牵引电流的平均值牵引电流的平均值I 为为列车在供电分区内走行时间列车在供电分区内走行时间总能耗总能耗)(601160)(00hkVAItmUimtmUdttiUAmkk)(11100AimdtiImkk列车用电平均功率：列车用电
12、平均功率：mkkimUUIP01小结小结电力机车的牵引特性电力机车的牵引特性牵引计算牵引计算(列车运行曲线、区间上行和下行列车运行曲线、区间上行和下行能耗、区间运行时分及带电运行时分以及能耗、区间运行时分及带电运行时分以及牵引平均电流）牵引平均电流）列车电流曲线列车电流曲线(i-t曲线曲线)a.实测实测 需运行后才能获得。需运行后才能获得。b.牵引计算牵引计算 图解法得到列车电流及列车能图解法得到列车电流及列车能耗耗( )if l 列车取流列车取流i与距离与距离l曲线曲线( )if t 机车电流与走行时间曲线机车电流与走行时间曲线( )vf l 列车运行速度列车运行速度v与走行公里与走行公里l
13、曲线曲线( )tf l 列车运行时分列车运行时分t与走行公里与走行公里l曲线曲线牵引计算牵引计算小结小结1、牵引负荷的特点：、牵引负荷的特点：波动性、间断性波动性、间断性列车以变化的速度沿区间运行，因而牵引负荷列车以变化的速度沿区间运行，因而牵引负荷是运动的；是运动的；负荷的大小是随时间而变化的，线路上列车密负荷的大小是随时间而变化的，线路上列车密集负荷大，反之则小以至为零；集负荷大，反之则小以至为零；列车可以在供电区段上任意布置，即负荷在供列车可以在供电区段上任意布置，即负荷在供电区段上任意分布。电区段上任意分布。馈线电流馈线电流2、馈线电流的数字特征、馈线电流的数字特征 牵引负荷的特点，使
14、得供电计算复杂，对馈线牵引负荷的特点，使得供电计算复杂，对馈线电流的计算主要用三个量值来描述：电流的计算主要用三个量值来描述：馈线平均电流馈线平均电流：馈线电流一昼夜间的平均值馈线电流一昼夜间的平均值用途：用途：估计估计变压器容量利用率变压器容量利用率，确定接触网的分相确定接触网的分相以及供电分区以及供电分区，求算出一次供电系统中牵引负荷所，求算出一次供电系统中牵引负荷所造成的负序大小等。造成的负序大小等。馈线有效电流馈线有效电流：馈线电流一昼夜间的均方根值馈线电流一昼夜间的均方根值用途：用途：电器设备的温升由电流的有效值决定，用以电器设备的温升由电流的有效值决定，用以计算计算变压器的容量变压
15、器的容量和和接触网导线的发热接触网导线的发热。馈线电流的最大值馈线电流的最大值：最大瞬时工作电流、最大短最大瞬时工作电流、最大短时工作电流时工作电流用途：用途：最大瞬时工作电流最大瞬时工作电流用于用于整定继电保护装置整定继电保护装置，过电流保护的整定值必须大于工作电流的可能最大过电流保护的整定值必须大于工作电流的可能最大值，并小于故障电流的可能最小值；值，并小于故障电流的可能最小值；最大短时工作最大短时工作电流电流用于用于电气设备的选择如变压器容量的选择电气设备的选择如变压器容量的选择等。等。 列车瞬时电流列车瞬时电流 :指列车电流的即时有效值指列车电流的即时有效值(h=1,2,n,h为供电臂
16、内运行的列车数为供电臂内运行的列车数)。 列车平均电流列车平均电流 :指列车在计算区段运行时间内，指列车在计算区段运行时间内，列车瞬时电流列车瞬时电流 的平均值；即：的平均值；即： 列车用电平均电流列车用电平均电流 :指列车在计算区段内运行时，指列车在计算区段内运行时，在用电运行时间内，列车瞬时电流的平均值；在用电运行时间内，列车瞬时电流的平均值；hitIhidtiIht01gIdtitIgthgg01列车电流列车电流1.列车平均电流为：列车平均电流为：2.列车取电平均电流为：列车取电平均电流为：UAindtiInhhht6011100tgggtggIIttIUtAI60 考虑列车正常运行时自
17、用电考虑列车正常运行时自用电7A的情况下，列车取的情况下，列车取电平均电流为：电平均电流为：7607UtAtIIggtg3.列车取电走行时间内的有效电流：列车取电走行时间内的有效电流：令令 ， 为机车取流有效系数为机车取流有效系数一般一般 通常取通常取即：即：列车在供电分区带电运行时的有效电流等于列车在供电分区带电运行时的有效电流等于其平均电流与有效系数的乘积。其平均电流与有效系数的乘积。gthggdtitI021ggIKIK05. 103. 1K05. 1K馈线电流是馈线电流是确定主设备容量确定主设备容量的主要数据的主要数据定义定义：牵引变电所牵引侧母线经由馈电线送到牵：牵引变电所牵引侧母线
18、经由馈电线送到牵引网中的电流，即引网中的电流，即牵引变电所的负荷电流牵引变电所的负荷电流。牵引变电所馈线电流大小牵引变电所馈线电流大小等于等于供电分区各运行列供电分区各运行列车的电流之和车的电流之和。计算方法：计算方法：1.负荷过程法负荷过程法 2.同型列车法同型列车法 3.概率统计法概率统计法馈线电流馈线电流列车运行图：列车运行图：馈线电流的计算馈线电流的计算(1)原始数据：原始数据：、下行带电平均电流第h列车通过全分区上、下行总运行时分第h列车通过全分区上、下行带电运行时分第h列车通过全分区上、下行t时刻取流值第h列车在供电分区上数所论及供电分区的区间、下行牵引能耗第h列车通过全分区上列，
19、下行N列)每日列车对数(上行N ghghhhghghhhhhI，It，tt，ti，inA，AN(2)馈线日平均电流馈线日平均电流 IF由已知的原始数据：由已知的原始数据：所以，我们可由上、下行的所以，我们可由上、下行的牵引能耗牵引能耗、上下行的、上下行的带电运行时间带电运行时间；或由上下行的；或由上下行的即时有效电流、总即时有效电流、总运行时分、带电运行时分运行时分、带电运行时分计算得到列车上下行计算得到列车上下行带带电平均电流电平均电流。UtAIUtAIghhghghhgh 6060dtitIdtitIhhthghghthghgh 0011: :或或对全日对全日T=24h=1440min来说
20、，上行有来说，上行有N列，下行有列，下行有N列，列，则上、下行平均电流为：则上、下行平均电流为：所以日平均馈线电流所以日平均馈线电流(单、复线不影响此计算方法单、复线不影响此计算方法)ghNhghghNhghITtIITtI 11下下上上区区带带电电概概率率；为为下下行行第第h h列列车车通通过过全全区区带带电电概概率率；为为上上行行第第h h列列车车通通过过全全定定义义下下上上 TtPTtPITtITtIIIghghghghghghghNhghF:)(1当当N对列车运行情况相同时对列车运行情况相同时(同型号机车，同重，同型号机车，同重，同速同速)。即。即P(N对列车作用时对列车作用时)馈线全
21、天带电概率馈线全天带电概率Ig每列车通过全区的全日平均带电电流每列车通过全区的全日平均带电电流tg每列车通过全区带电时间每列车通过全区带电时间(min)TtNNPPPIINPIPPPIIItttAAgggggFgghghgghghghghghhh 22:2其中其中: :时时(3)馈线电流有效值馈线电流有效值 211111222nknknkhggFhIhPkIkPkIkKkPIgg221212111(.)2Fnnnnkk lkkl kiiiiii i 12.Fniiii 211111222nknknkhggFhIhPkIkPkIkKkPIgg假定：假定：1.各区间日带电平均电流相同，即：各区间日
22、带电平均电流相同，即：Ig(k)=Ig 2.各区间日带电时分相同，即：各区间日带电时分相同，即：Tg(k)=Tg那么：各区间日带电概率也相同，即：那么：各区间日带电概率也相同，即： 2122212222)1 ()() 1(2,2zzgzgzgzFgzgZnPPKInPIPnnIKnPIKkKTtNPnPPnTNtPkP系系数数即即为为列列车车带带电电电电流流有有效效在在上上述述假假设设条条件件下下，可可以以看看出出P为馈线日带电概率，为馈线日带电概率，P(k)=PZ为区间日带电概率为区间日带电概率馈线电流有效值为馈线电流有效值为1222() (1)zFzgzKPInP InPFzgInp I1
23、22(1)zFFzKPIInP2.5 牵引网电压牵引网电压2.5.1 2.5.1 牵引网的额定电压牵引网的额定电压 铁道部发布的行业标注：干线电力牵引变电所铁道部发布的行业标注：干线电力牵引变电所牵引侧牵引侧母线上的额定电压为母线上的额定电压为27.5kV27.5kV；自耦变压；自耦变压器供电方式为器供电方式为2 227.5kV27.5kV；电力机车、电动车；电力机车、电动车组组受电弓受电弓和和接触网接触网的的额定电压为额定电压为25kV25kV，最高电最高电压为压为29kV29kV；电力机车、电动车组；电力机车、电动车组受电弓受电弓上上最低最低电压为电压为20kV20kV; ;电力机车、电动
24、车组在供电系统电力机车、电动车组在供电系统非正常情况下非正常情况下（检修或事故）运行时，受电弓（检修或事故）运行时，受电弓上的电压上的电压不得低于不得低于19kV19kV。2.5.2 2.5.2 电压波动对牵引过程的影响电压波动对牵引过程的影响2dFdFdevddICICFkICkRIUv标称电压值标称电压值（kV）瞬时最小值瞬时最小值（kV）最低值（最低值（kV） 最高值（最高值（kV）瞬时最大值瞬时最大值（kV）2517.51927.529表表2.4 2.4 电力牵引标称电压值及接触网允许电压波动限值电力牵引标称电压值及接触网允许电压波动限值F,ABC2231(3)1OIdId2Id1( Id3)1(2)3F1(F3)F2U11F1Id1U21F2Id2U23F3Id3UI FEd不突变不突变I FU2不变不变eddCRIUn小结小结馈线电流的数字特征馈线电流的数字特征列车电流的计算列车电流的计算馈线电流的计算馈线电流的计算牵引网电压水平的规定牵引网电压水平的规定本章小结本章小结电力机车的牵引特性电力机车的牵引特性牵引计算牵引计算(列车运行曲线和能耗）列车运行曲线和能耗）馈线电流的数字特征馈线电流的数字特征列车电流列车电流馈线电流馈线电流牵引网电压牵引网电压
