电力牵引与电气计算

1、第二章 电力牵引与电气计算,目前电力机车型号较多，交直型电力机车中，国产机车以韶山系列为主；进口车主要有前苏联的6G、日本的6K、法国的8K等。 现在又生产、引进了代表当前最高水平的交直交CRH系列动车组。,2.1 引言,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，使牵引过程包括起动、加速、正常牵引、减速、惰行、制动等多种工况，其从牵引网的取流（牵引负荷）在较大范围内变化，加上线路上列车密度及种类的变化和铁路运输组织方式的变化，又使馈线负荷的变化具有随机性。 本章主要讨论交直型电力机车的牵引特性、牵引计算、馈线电流的描述与计算方法、牵引网电压对牵引的影响等内容。,目前我

2、国使用的电力机车，不论是国产的，还是进口的，大部分属于交-直（AC/DC）型。 交-直（AC/DC）型电力机车从额定电压为25kV的接触网上取得工频50Hz交流电，经机车牵引变压器的降压和整流电路，将交流电变为直流牵引电机所需的直流电。实现这一转变过程的是机车主电路。,2.2电力机车牵引特性,SS1型电力机车是典型的交直型机车，主电路采用中抽式（全波）整流电路。直流牵引电机是串激式，每轴一台，共六台。每台小时功率（允许持续1小时的功率）为700 kW，故机车功率为4200kW，直流额定电压为1500V。,SS1型电力机车,电力机车的启动和调速靠改变牵引电机的端压实现。机车牵引变压器低压侧设有调

3、压分接头和转换机构，为能大范围调压来产生好的牵引特性，次边绕组分为2个基本绕组和2个调压绕组，调压绕组可正接或反接于基本绕组。加上机车自身的分接头，共形成33个调压级。,串激电机的转速 n 与其等效端电压 及磁场磁通 的关系为,另外，还通过在激磁绕组上并联电阻来削弱磁场。分为三级，分别为70%、54%、45%。,对串激电机，有 。当有并联电阻用以削弱磁场时，则有,SS1型电力机车的牵引特性和牵引电流特性如下图所示。,牵引电机具有恒功或近似恒功的牵引特性，即 F VC 而且在某一固定级位上，电力机车也有自动调整速度和牵引力的特性。 虽然有33个调压级，但长期运行级位只有9个。 机车牵引力的发挥将

4、受三方面的限制: 粘着条件或电机允许的最大电流 最大速度 电机换向条件,通过司机操作，机车可在起动、正常牵引、惰行、制动等多种工作状态下运行。 起动 司机操纵的级位由小到大，机车取流增大，逐渐进入正常牵引 正常牵引 根据阻力的变化自动按 F V 曲线调整 惰行 机车断电运行，靠惯性行驶 制动 电能制动、机械制动,交直型机车的网上取流都是感性滞后的，并且因取流大小而异。考虑各种工况，一般网上平均功率因数为0.8或略高。,SS3型电力机车的牵引电机仍为串激直流电机，仍属于交直型。牵引电机每轴一台，共6台。每台小时功率为800kW，SS3型机车总功率为4800kW。与SS1型相比， SS3型电力机车

5、采用了较为先进的可控硅半控桥式整流电路。,SS3型电力机车,SS3型电力机车的牵引特性曲线和牵引电流特性曲线如下。,根据我国具体条件和走自己发展的道路而设计制造的电力机车，质量和性能不断提高。 随着微电子技术的迅速发展，交流传动机车是当今世界机车技术的发展趋势。中国铁路在交流传动机车技术方面的研究开始于上世纪70年代末，其间进行过交直交电传动地面试验系统的研究，吸收国外类似交直交传动电力机车的先进技术，研究设计了多种交直交电力机车。,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的结果的过程。,2.3牵引计算,机车参数，包括机车类型及其牵引特性，机车重量；

6、 上、下行单列牵引重量； 线路情况，如电气化区段总长度，最小曲线半径，上、下行坡道等,区间运行时分及带电（不含自用电）运行时分； 区间上、下行能耗； ,牵引计算,曲线直接可由原始资料中获得。,曲线可在 曲线的基础上得到 。,曲线： 对 曲线各段对应的运行状态应予说明，结合机车牵引电流特性曲线 来得到。,列车电流曲线( 曲线)：,由 曲线和 曲线合成。,将列车电流曲线积分，乘上牵引网电压。,将时间0，T划分为m等份t (分钟)， 对应电流i0，i1，i2，im 则供电分区总走行时分T T=mt,列车能耗求解（使用 曲线）,其中U 25kV，取牵引网平均值； t 单位为分钟。,牵引电流的平均值I

7、为,列车在供电分区内走行时间内的牵引能耗为,其中U 25kV。,列车在供电分区内走行时间内的总能耗为,自用电能耗可额外考虑如下：,1、牵引负荷的特点：波动性、间断性 列车以变化的速度沿区间运行，因而牵引负荷是运动的； 负荷的大小是随时间而变化的，线路上列车密集则负荷大，反之则小以至为零； 列车可以在供电区段上任意布置，即负荷在供电区段上任意分布。,2.4 馈线电流,2、馈线电流的数字特征 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： 馈线平均电流：馈线电流一昼夜间的平均值 用途：估计变压器容量利用率，确定接触网的分相以及供电分区，求算出一次供电系统中牵引负荷所造成的

8、负序大小等。 馈线有效电流：馈线电流一昼夜间的均方根值 用途：电器设备的温升由电流的有效值决定，用以计算变压器的容量和接触网导线的发热。,馈线电流的最大值：最大瞬时工作电流、最大短时工作电流 用途：最大瞬时工作电流用于整定继电保护装置，过电流保护的整定值必须大于工作电流的可能最大值，并小于故障电流的可能最小值；最大短时工作电流用于电气设备的选择如变压器容量的选择等。 3.馈线电流的计算方法 方法一：计算机仿真 t=f(l) v=f(l) i=f(v) i=f(t),t=f(l) v=f(l) i=f(v) i=f(t) 给定某一供电臂，全天列车对数N，由原始资料 ik(t)=f(t) k=1,

9、2,，2N 对于全天,在一个周期内（1440min）进行积分，得 、,方法二：统计法 根据概率论对ia 进行统计，求得,统计法假定： 区段上的列车数用固定的平均列车数表示 各列车在区段上的位置是独立的相互无关的 各列列车取用的电流相互无关,(1) 列车在供电分区带电平均电流,A 列车通过供电分区的牵引能耗，kVA.h U 牵引网电压，取25kV tg 列车通过供电分区的总的给电运行时分，min,7A为机车自用电,(2) 列车带电走行时间内有效电流,若令 ，则 为机车取流有效系数,一般 通常取 ，,原始数据,供电分区的区间数n 列车密度N 每日列车对数 列车通过各区间上、下行带电走行时间 列车通

10、过各区间上、下行能耗,(3) 馈线电流,馈线日平均电流,单边供电单线馈线,馈线日平均电流,n 供电分区的区间数 N 列车密度 （对车/天） T 全日时分1440min 列车通过各区间上、下行带电走行时间,馈线电流有效值(日平均有效值),单边供电单线馈线,其中,单边供电复线馈线,单边供电复线馈线,其中,公式简化,则,单边供电单线馈线,单边供电复线馈线,引入馈线电流有效系数,单边供电单线馈线,单边供电复线馈线,k1，表明负荷波动 k1，负荷越稳定,pk1 说明区间带电概率越大，馈线负荷越稳定,从经济运行和技术条件出发，电力系统划分为多种电压等级，以额定电压表示，运行中实际电压一般波动不大。 牵引供

11、电系统在运行中，牵引网上的电压由于牵引负荷的剧烈变化而波动较大，另外还受电力系统运行方式和负荷的影响，实际牵引网电压自然在一定范围内波动，但考虑到运行中各有关设备的安全和可靠，还需规定牵引网的最高电压和最低电压。相对来说，牵引母线电压波动相对较小。,2.5牵引网电压,铁道部发布的行业标准TB100092005铁路电力牵引供电设计规范中规定： 干线电力牵引变电所牵引侧母线上的额定电压为27.5kV，自耦变压器供电方式为227.5kV； 电力机车、电动车组受电弓和接触网的额定电压为25kV，最高电压为29kV； 电力机车、电动车组受电弓上最低工作电压为20kV； 电力机车、电动车组在供电系统非正常情况下（检修或事故）运行时，受电弓上的电压不得低于19kV。,国标GB 14021998 铁道干线电力牵引交流电压等效采用国际电工委员会标准 IEC850 ： 1988牵引系统供电电压，规定： 电力牵引标称电压值及接触网允许电压波动限值（kV）,电压波动会影响机车速度、牵引力、取流等。 串激直流牵引电机的转速对应机车的走行速度，则有 由电机转矩得到的牵引力为,由此可作出的牵引电机的特性曲线示意图。,A牵引力与电流的关系曲线 ； B 下速度与电流的关系曲线 ； C