牵引供电系统设计报告

1、电力牵引供电系统课程设计评语：考 勤（10）守 纪（10）设计过程（40）设计报告（30）小组答辩（10）总成绩（100） 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气 1102 姓 名： 陈 幸 学 号： 指导教师： 李彦哲 兰州交通大学自动化与电气工程学院2014 年7月 14日1 设计原始题目分析牵引变电所串联电容补偿的原理及补偿效果，并进行仿真计算。1.1 具体题目随着铁路运量的增长，实际运行中会出现牵引网电压低于电力机车最低允许电压的情况。因此，改善牵引网电压，在电气化铁路的设计中是一项重要课题。目前改善供电臂电压水平的措施有：提高牵引变电所牵引侧母线电压、采用串联电容补偿装置、采用

2、并联补偿装置、采用载流承力索或加强线等。1.2 要完成的内容牵引变电所串联电容补偿的原理及补偿效果。2 设计课题的计算与分析2.1 计算的意义在铁路牵引供电系统中，当某供电区间运行的机车比较多时，牵引网末端的电压往往低于2lkV，有时甚至低于l9kV，影响电力机车牵引力的发挥，降低运输效益。为了在运输繁忙时保证整个铁道系统的正常运行，需提高牵引网电压。就提高网压来说，有许多可行的方法，其中有效的方法之一是在牵引变电所安装串联电容补偿装置(SCC)。事实上，一个牵引变电所机车密集运行的时间很短，绝大部分时间处于空载和小负荷状态，这时母线电压很高，应及时地切除已安装的串联电容补偿装置。另外，在运行

3、密集时，有可能流过电容器组的电流过大，其两端的电压降会超过额定电压，从而导致电容器组损坏，这时必须旁路电容器组。因此，串联电容补偿装置，对实现铁路牵引供电安全运行具有实际意义。2.2 详细计算2.2.1 牵引网中的电压损失牵引网中的电压损失等于牵引变电所馈线电压与电力机车上电压的算数术差。设牵引变电所馈线电压为U1，电力机车受电弓上电压为U2。牵引网电流为I。负荷角为，牵引同阻抗为，如图1所示。则向量图如图2所示图1 牵引网等值电路图2 牵引网电压向量图从向量图可知，线路的电压损耗U为电压U1和U2之和，从图中可知，所以线路的电压损耗为： (2-1)这就是电压损失的一般算式，它也适用于其他情况

4、下电压损失的计算。从公式(2-1)中可见：电压损失除与牵引负荷I、接触网阻抗(R，XL)有关外，还与牵引负荷的功率因数角有关。2.3 串联电容补偿原理2.3.1 串联电容补偿原理牵引网的等值电路如图3所示，其中R为牵引网电阻，XL为牵引网感抗，I为牵引负荷电流，XC为补偿电容容抗U1为牵引网首端电压，U2为机车受电弓上电压。 图3 牵引网等值电路 补偿前电压损失为： (2-2) 补偿后电压损失为： (2-3) 由式(2-2)减(2-3)，可得牵引负荷电流通过串联电容器组时的电压损失： (2-4)由(2-4)式可知，由于串入电容器后，减少了牵引网电压损失，从而改善了供电系统的电压水平。改善效果与

5、负荷电流大小和功率因数有关，负荷电流越大、功率因数越低时效果更佳。由式(2-4)还可以看出，电容器上电压降的绝对值与负荷电流成正比，随着负荷电流变化而变化，对供电臂的电压水平起自动调节的作用，这正好适合电气化铁道牵引负荷激烈变化的特点。补偿后的电压向量关系如图4所示。图4 补偿后牵引网电压向量图另一方面，比图2和图4可见：供电臂有串联电容补偿装置接入时，牵引网首端电压U1与牵引网负荷I之间的相位角会小于没有串联电容补偿装置接入时U1和I之间的相位角。所以当串联电容补偿装置接入供电臂能直接有效地减少牵引供电系统电压损失，还能附带改善供电系统的功率因数。2.3.2 电容补偿度上面电压损失计算的接触

6、网阻抗R是指从机车弓顶计算至供电臂首段的阻抗，而供电臂上的电力机车的位置和数量是根据牵引负荷而随机变化的，因此机车弓顶电压就可能不断变化。电容补偿度K是指串联电容的容抗Xc与接触网的感抗XL的比值，即： (2-5)当Xc小于XL时，即K1，叫做过补偿，此时机车受电弓上的电压将高于牵引网首端电压。2.4 串联电容补偿装置容量的选择串联补偿电容组的容量，主要是根据电压补偿所需要的容抗及通过的最大馈电线电流数值来确定。(1) 需要的容抗Xc由式(2-4)得 (2-6)式中，U为需要串联补偿的电压损失；为通过电容器组的最大馈线电流；为牵引负荷功率因数角。对应的电容器组电压Uc (2-7)(2) 电容器

7、组的并联支路数m (2-8)式中，为每台电容器的额定电流，可按下式确定 (2-9)其中，为每台电容器的额定容量；为每台电容器的额定电压。(3) 每条并联支路应串联的电容器台数n (2-10)式中,为每台电容器的额定容抗，可按下式确定 (2-11)n也可以按下式确定 (2-12)(4) 实际选择的串联补偿电容的容量Qc和按式(2-8)和(2-10)分别计算m,n取邻近的稍大的整数值，则 (2-13) (2-14)(5) 验算补偿效果实际选择的串联补偿电容器组补偿的电压损失为 (2-15)应大于要求补偿的电压损失。3 串联电容器组的设计串联电容器组是整个装置中的核心设备，它设计的好坏直接关系到装置

8、能否正常工作。在电容器组的设计中，内部接线应满足以下要求：(1) 某一台电容器被击穿时，由故障电容器内释放出来的能量不应大于8kWs，以防止电容器发生爆炸；(2) 当一台电容器被击穿时，不致使其他电容器承受危险的过电压；(3) 当某一并联支路断线时，不致使其他电容器承受危险的过电流。电容器组的内部接线如图5所示，图中z为串联串联小组数，L为每个串联小组的电容器台数，m为电容器并联数，n为电容器串联数。在设计电容器组容量时，必须确保电容补偿的电压损失大于要求补偿的电压损失。图5 电容器组的内部接线示意图已知某变电所馈线最大电流为812A，需要补偿的电压损失为2500V，单个电容器的参数如下：额定

9、容量：20kVar额定电压：1000V额定电流：20A额定容抗：50那么需要的容抗根据式(2-6)为并联支路数每条并联支路中串联电容器数取m=41，n=5,电容器组为41并5串，则电容器组的实际容量Qc和实际容抗分别为串联电容器补偿的电压损失大于2500V，满足补偿要求。4 结论近年来，高速、重载成为我国铁路运输发展的主要趋势，在供电臂首端或中间串联电容进行补偿是其中重要手段之一。在牵引馈线上串联电容朴尝装置。可普遍提高牵引网电压，提高牵引负荷的输送能力。采用的串联电容补偿装置，能有效改善供电臂的电压水平，具有补偿电压随负荷电流正比变化，可实现无惯性补偿的优点。采用的串联电容无功补偿装置，提高了功率因数，减少了电力系统的电力系统能耗，提高了牵引网的电压。参考文献1 王果,张蕊萍,李彦哲,胡彦奎.电气化铁道供电系统与设计M.兰州大学出版社