供电设备容量选择与计算

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1、第第7 7章章 供电设备容量计算与选择供电设备容量计算与选择城市轨道交通供电城市轨道交通供电1第7章 供电设备容量计算与选择供电设备介绍供电设备介绍7.1 变压器容量计算与选择变压器容量计算与选择7.2 整流机组数的选择整流机组数的选择7.3 接触网导线截面的选择接触网导线截面的选择2供电设备介绍供电设备介绍345发电机发电机变压器变压器整流机组整流机组接触网接触网高压电器高压电器低压电器低压电器6高压电器的作用及分类在高压系统中，用来对电路进行开、合操作，切在高压系统中，用来对电路进行开、合操作，切除和隔离事故区域，对电路进行运行情况监视、除和隔离事故区域，对电路进行运行情况监视、保护及数值

2、测量的量测设备，统称为高压电器。保护及数值测量的量测设备，统称为高压电器。按照用途分类按照用途分类按照安装地点分类按照安装地点分类按照电流制式分类按照电流制式分类对高压电器的要求对高压电器的要求7按照用途分类开关电器开关电器，用来关合和开断电路的电器，用来关合和开断电路的电器 限制电器限制电器，用来限制电路中电压或电流的，用来限制电路中电压或电流的电器电器 变换电器变换电器，用来变换电路中的电压和电流，用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器使之便于检测的电器 组合电器。将上述某几种电器，按一定的组合电器。将上述某几种电器，按一定的线路装配成一个整体的电器组合线路装配成一个整体的电器组合

3、8开关电器断路器断路器（DL）:用来在电路正常工作和发用来在电路正常工作和发生故障（列如发生短路）时关合和开断电生故障（列如发生短路）时关合和开断电路。路。隔离开关（隔离开关（G）：）：主要用于将高压设备与电主要用于将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。源隔离，以保证检修工作人员的安全。熔断器（熔断器（RN）：用来在电路发生过载或短）：用来在电路发生过载或短路时依靠熔件熔断开断电路。路时依靠熔件熔断开断电路。9断路器高压断路器组成高压断路器组成对高压断路器的技术要求对高压断路器的技术要求高压断路器种类高压断路器种类10高压断路器组成（1）触头 （2）灭弧室 （3）绝缘介质（4）壳体结

4、构 （5）运动结构11对高压断路器的技术要求开断、关合电路方面开断、关合电路方面一般电气性能方面一般电气性能方面自然环境方面自然环境方面12开断、关合电路方面开断负荷电路和短路故障开断负荷电路和短路故障快速开断快速开断自动重合闸自动重合闸分合各种空载和负载电路分合各种空载和负载电路允许分合次数允许分合次数13一般电气性能方面电压电压 最大工作电压、工频试验电压、全波最大工作电压、工频试验电压、全波和截波冲击试验电压、操作波试验电压和截波冲击试验电压、操作波试验电压电流电流 额定电流、额定动稳定电流（峰值）、额定电流、额定动稳定电流（峰值）、额定热稳定电流、额定热稳定时间额定热稳定电流、额定热稳

5、定时间14自然环境方面海拔高度海拔高度 对外部绝缘的影响对外部绝缘的影响 对电器发热温度的影响对电器发热温度的影响环境温度环境温度15高压断路器种类少油断路器少油断路器气体断路器气体断路器真空断路器真空断路器16限制电器电抗器电抗器（L）：主要用来限制电路中的短路）：主要用来限制电路中的短路电流。某些类型的熔断器也有限制短路电电流。某些类型的熔断器也有限制短路电流的作用。流的作用。避雷器避雷器（BL）：用来限制电路中出现的过）：用来限制电路中出现的过电压。电压。17变换电器电流互感器电流互感器（LH）：用来变换电路中的电）：用来变换电路中的电流，以便供电给测量仪表、继电器或自动流，以便供电给测

6、量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电器隔离。装置，并使之与高压电器隔离。电压互感器电压互感器（YH）：用来变换电路中的电）：用来变换电路中的电压，以便供给测量仪表、继电器或自动装压，以便供给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电器隔离置，并使之与高压电器隔离。18按照安装地点分类户内式户内式。装在建筑物内，不具有防风、雨、。装在建筑物内，不具有防风、雨、雷、灰尘、露、冰和浓霜等性能。高压电雷、灰尘、露、冰和浓霜等性能。高压电器的工作电压一般为器的工作电压一般为35kV及以下的电压等及以下的电压等级。级。户外式户外式。适用于安装在露天，能承受风、。适用于安装在露天，能承受风、雨、雷、灰尘

7、、露、冰和浓霜等作用。户雨、雷、灰尘、露、冰和浓霜等作用。户外式高压电器的工作电压一般都在外式高压电器的工作电压一般都在35kV及及以上电压。以上电压。19按照电流制式分类交流电器交流电器。工作于三相或单相工频交流的。工作于三相或单相工频交流的电器，极少数工作在非工频系统。电器，极少数工作在非工频系统。直流电器直流电器。工作于直流制系统。工作于直流制系统。对于电气化铁道及城市交通系统，交流电对于电气化铁道及城市交通系统，交流电器是交流制电气化铁道及城市地铁供电系器是交流制电气化铁道及城市地铁供电系统中大量应用的电器；直流电器则是直流统中大量应用的电器；直流电器则是直流制电气化铁道、城市地铁供电

8、系统中大量制电气化铁道、城市地铁供电系统中大量应用的电器。应用的电器。20高压电器特点高压电器特点按照高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作按照高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作性能应具有不同的特点。性能应具有不同的特点。高压电器应能可靠地在规定的工作电压及电流下工作，因高压电器应能可靠地在规定的工作电压及电流下工作，因此，应具有足够的绝缘强度和载流能力；此，应具有足够的绝缘强度和载流能力；用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭电弧的用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭电弧的能力；能力；对电路运行状态进行监视、测量的电器元件（例如电压、对电路运行状态进行监视、

9、测量的电器元件（例如电压、电流互感器）应能满足测量精度的要求；电流互感器）应能满足测量精度的要求；对电路运行状态进行保护用的电压、电流互感器，除了应对电路运行状态进行保护用的电压、电流互感器，除了应满足测量精度的要求外，还应在高电压或大电流作用下不满足测量精度的要求外，还应在高电压或大电流作用下不至于饱和。至于饱和。所有的高压电器都应满足运行可靠、工作灵活的要求，同所有的高压电器都应满足运行可靠、工作灵活的要求，同时还必须考虑经济条件。时还必须考虑经济条件。217.1 变压器容量计算与选择变压器容量计算与选择牵引变电所的站位和容量设置遵循以下原则进行设计：牵引变电所的站位和容量设置遵循以下原则

10、进行设计：（1)1)供电合理，运营方便，满足高峰运营时最大负荷的需要。供电合理，运营方便，满足高峰运营时最大负荷的需要。（2 2）系统中任何相隔两座的牵引变电所故障解列时，靠其）系统中任何相隔两座的牵引变电所故障解列时，靠其相邻牵引变电所的过负荷能力，仍应能保证列车的正常运相邻牵引变电所的过负荷能力，仍应能保证列车的正常运行，不影响运送客流的能力行，不影响运送客流的能力（3 3）地下车站设置牵引变电所时，一般位于车站站台端，）地下车站设置牵引变电所时，一般位于车站站台端，宜与地面站务用房合建。宜与地面站务用房合建。（4 4）牵引变电所的设置应首先考虑有列车检修线的车站一）牵引变电所的设置应首先

11、考虑有列车检修线的车站一端，检修线应由专用回路供电，列车夜间检修时，不影响端，检修线应由专用回路供电，列车夜间检修时，不影响线路的正常停电维修线路的正常停电维修（5 5）地下车站牵引变电所应和车站主排水站分别设于车站）地下车站牵引变电所应和车站主排水站分别设于车站的两端。的两端。22变压器容量计算与选择变压器容量计算与选择变压器容量计算一般分为三个步骤：变压器容量计算一般分为三个步骤：（1）根据规定的年运量大小和行车组织的要求确根据规定的年运量大小和行车组织的要求确定计算容量定计算容量。（2）根据列车紧密运行时供电臂的有效电流和充根据列车紧密运行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过载能力

12、，计算校核容量分利用牵引变压器的过载能力，计算校核容量。（3）根据计算容量和校核容量，选定安装容量。根据计算容量和校核容量，选定安装容量。最后必须指出：最后必须指出：变电所主变压器台数和容量的最后变电所主变压器台数和容量的最后确定，应结合变电所主接线方案的选择，作几个确定，应结合变电所主接线方案的选择，作几个较合理方案的技术经济比较，择优而定较合理方案的技术经济比较，择优而定。23根据规定的年运量大小和行车组织要求确定计算容量 为供应牵引负荷所必须的容量。为供应牵引负荷所必须的容量。牵引变压器的计算容量取决于供电臂的日牵引变压器的计算容量取决于供电臂的日负荷电流曲线，该曲线与列车电流的大小负荷

13、电流曲线，该曲线与列车电流的大小和密度有关。和密度有关。列车密度列车密度已知运量的情况下计算得到变电所有效电已知运量的情况下计算得到变电所有效电流流 容量计算容量计算24列车密度列车密度应按照运量计算需要的列车密度应按照运量计算需要的通过能力通过能力，并预留一定的储备能力并预留一定的储备能力 储备系数一般单线采用储备系数一般单线采用20，复线采用，复线采用15。近期按调查运量计算时，还应考虑运。近期按调查运量计算时，还应考虑运量的波动性，波动系数一般采用量的波动性，波动系数一般采用20。远。远期按要求的年输送能力计算时，仅考虑储期按要求的年输送能力计算时，仅考虑储备能力备能力 25计算列车数N

14、当采用近期年运量时（列/日）若需要输送能力低于线路输送能力的一半时（列/日）若需要输送能力接近线路输送能力时（列/日）26容量计算为直流侧空载电压 牵引变电所直流侧总用容量为(双边供电情况下)式中 S为高峰小时内用于列车牵引总功率 SF为列车辅助功率，包括列车控制、通信、空调 等用电功率 牵引网络功率损失 27容量计算由于整流机组换相整流工作的特性，整流由于整流机组换相整流工作的特性，整流变压器的交流功率大于直流输出功率。变压器的交流功率大于直流输出功率。28校核容量计算根据列车紧密远行时供电臂的有效电流和根据列车紧密远行时供电臂的有效电流和充分利用牵引变压器的过载能力，计算校充分利用牵引变压

15、器的过载能力，计算校核容量，这是为确保变压器安全运行所必核容量，这是为确保变压器安全运行所必须的容量。须的容量。变压器的过负荷能力变压器的过负荷能力 变压器具有过负荷潜力的原因变压器具有过负荷潜力的原因 决定运行期间过负荷能力的依据决定运行期间过负荷能力的依据 29变压器的过负荷能力变压器绕组的变压器绕组的A级绝缘在长期使用后，虽然级绝缘在长期使用后，虽然电气强度没有显著变化，但其机械强度却电气强度没有显著变化，但其机械强度却逐渐降低，由于偶然的震动，非常容易破逐渐降低，由于偶然的震动，非常容易破裂，造成短路。温度越高，绝缘的机械强裂，造成短路。温度越高，绝缘的机械强度与电气强度的损伤老化越剧

16、烈。度与电气强度的损伤老化越剧烈。根据试验，当自然循环油冷变压器的绕组根据试验，当自然循环油冷变压器的绕组温度为温度为95时，变压器的工作年限为时，变压器的工作年限为20年。年。30变压器的过负荷能力变压器在过负载运行时，其各部分的温升变压器在过负载运行时，其各部分的温升将比额定负载运行时升高。变压器绕组绝将比额定负载运行时升高。变压器绕组绝缘的老化程度与温度有关。缘的老化程度与温度有关。绝缘老化六度规则绝缘老化六度规则：31变压器的过负荷能力变压器的部位温升限值（）测量方法线圈自然油循环65电阻法强迫油循环铁芯表面75温度计法与变压器油接触（非导电部分）的结构件表面80油顶层55线圈最热点温

17、升比平均温升高线圈最热点温升比平均温升高l3,如果变压器在额定负如果变压器在额定负载和环境温度为载和环境温度为20条件下连续运行，则线圈最热点的条件下连续运行，则线圈最热点的温度为温度为98，电缆纸在，电缆纸在98下使用，其老化寿命在下使用，其老化寿命在20年年以上。在这种运行条件下的老化寿命为正常的老化寿命，以上。在这种运行条件下的老化寿命为正常的老化寿命，其每天的寿命损失为正常日寿命损失，同样有正常年寿其每天的寿命损失为正常日寿命损失，同样有正常年寿命损失。命损失。32变压器的过负荷能力33变压器具有过负荷潜力的原因变压器的负载和环境温度是经常变化特别是电气变压器的负载和环境温度是经常变化

18、特别是电气化铁道，它的牵引负荷不断地剧烈变化，有时造化铁道，它的牵引负荷不断地剧烈变化，有时造成变压器的过载，使变压器的寿命损失加速，而成变压器的过载，使变压器的寿命损失加速，而在轻载和冬季带额定负荷运行时，寿命损失可减在轻载和冬季带额定负荷运行时，寿命损失可减缓。缓。设计标准中规定，变压器运行时周围最高气温为设计标准中规定，变压器运行时周围最高气温为40，最高日平均气温为，最高日平均气温为+30。实际上，即使。实际上，即使我国最热的地区也不可能全年固定维持在这个温我国最热的地区也不可能全年固定维持在这个温度上。度上。选择变压器容量时，有时要考虑系统发生故障时选择变压器容量时，有时要考虑系统发

19、生故障时变压器过负荷，在正常工作时，变压器往往达不变压器过负荷，在正常工作时，变压器往往达不到它的额定值。到它的额定值。34决定运行期间过负荷能力的依据决定运行期间过负荷能力的依据是变压器负荷曲决定运行期间过负荷能力的依据是变压器负荷曲线的填充系数和最大负荷的持续时数线的填充系数和最大负荷的持续时数（1）变压器负荷曲线的填充系数）变压器负荷曲线的填充系数=实际运行负荷曲线的安培小时数或负荷曲线所包围的面积 按最大负荷工作24A.H数负荷电流的平均值。35决定运行期间过负荷能力的依据考虑变压器过负荷能力，以及等效变压器考虑变压器过负荷能力，以及等效变压器日寿命损失。考虑变压器正常过负荷能力，日寿

20、命损失。考虑变压器正常过负荷能力，二次侧电流允许值、馈电线电流允许值等。二次侧电流允许值、馈电线电流允许值等。过负荷能力：过负荷能力：100%额定负荷额定负荷持续持续 150%额定负荷额定负荷2小时小时 300%额定负荷额定负荷1分钟分钟36选定安装容量根据计算容量和校核容量，再考虑其他因根据计算容量和校核容量，再考虑其他因素素(如备用方式等如备用方式等)，并按实际变压器系列，并按实际变压器系列产品的规格选定变压器的数量和容量称为产品的规格选定变压器的数量和容量称为安装容量。安装容量。(1)容量备用。容量备用。(2)牵引变电所的数量及其在线路上的位置，牵引变电所的数量及其在线路上的位置，应满足

21、在事故状态下单边应满足在事故状态下单边(越区越区)供电接触供电接触网电压水平要求。网电压水平要求。(3)不考虑再生制动所节省的能量不考虑再生制动所节省的能量 37选定安装容量在进行容量校校时，宜按重臂取在进行容量校校时，宜按重臂取95最大最大车数概率积分最大值计算最大电流，轻臂车数概率积分最大值计算最大电流，轻臂取有效电流考虑。一股说来，这种校核条取有效电流考虑。一股说来，这种校核条件能够满足列车紧密运行的要求，并保证件能够满足列车紧密运行的要求，并保证变压器在充分利用过负荷能力时可安全运变压器在充分利用过负荷能力时可安全运行。行。另外，也可按非平行运行图区间通过能力另外，也可按非平行运行图区

22、间通过能力的要求对主变压器容量进行校核。的要求对主变压器容量进行校核。38经济运行为了使变压器经济运行，一般情况，从以为了使变压器经济运行，一般情况，从以下几个方面采取措施降低功率领耗。下几个方面采取措施降低功率领耗。(1)及时切除轻载变压器及时切除轻载变压器(2)更换过载及轻载变压器更换过载及轻载变压器(3)停用夜间多余的变压器。停用夜间多余的变压器。(4)采用节能型变压器采用节能型变压器 397.2 整流机组数的选择整流机组数的选择地铁、轻轨交通直流牵引变电所整流机组地铁、轻轨交通直流牵引变电所整流机组的容量和数量，应根据远期运营高峰时期的容量和数量，应根据远期运营高峰时期列车编组，行车密

23、度和车辆类型等需要，列车编组，行车密度和车辆类型等需要，由牵引供电计算确定，并需要进行各种短由牵引供电计算确定，并需要进行各种短时过负荷校验。时过负荷校验。1.整流机组容量的计算整流机组容量的计算 40整流机组数的选择整流机组数的选择2.按事故解列情况选择校验整流机组容量按事故解列情况选择校验整流机组容量 按整个区段中一个牵引变电所故障而造成事按整个区段中一个牵引变电所故障而造成事故解列时，相邻的两个牵引变电所应能分故解列时，相邻的两个牵引变电所应能分断其供电区段在高峰小时内的牵引用电量断其供电区段在高峰小时内的牵引用电量考虑考虑 按整流机组允许过负荷按整流机组允许过负荷1.5倍持续倍持续2小

24、时的技小时的技术条件，由下式进行校验并应满足术条件，由下式进行校验并应满足41整流机组数的选择整流机组数的选择3.直流牵引变电所整流变压器计算容量，直流牵引变电所整流变压器计算容量，额定容量和整流机组数量的选择额定容量和整流机组数量的选择 由于整流机组换相整流工作的特性，整由于整流机组换相整流工作的特性，整流变压器的交流功率大于直流输出功率，流变压器的交流功率大于直流输出功率，经校验确定后，三相桥整流接线的变压器经校验确定后，三相桥整流接线的变压器总计算容量为总计算容量为42整流机组数的选择整流机组数的选择根据计算容量选择相近配套的整流变压器根据计算容量选择相近配套的整流变压器额定容量，整流机

25、组的变压器整流器具有额定容量，整流机组的变压器整流器具有相同的长时（相同的长时（2h）和短时（）和短时（1min）过负荷）过负荷特性。特性。整流机组选择，还应校验在最大负荷电流整流机组选择，还应校验在最大负荷电流时牵引网的最低电压，应不低于规程规定时牵引网的最低电压，应不低于规程规定的允许最低电压值。的允许最低电压值。43整流机组数的选择整流机组数的选择 整流机组数量，一般在牵引变电所整流机组数量，一般在牵引变电所23台并联工作，台并联工作，且应采用相同外特性和参数，统一型号的整流机组。且应采用相同外特性和参数，统一型号的整流机组。不考虑备用量，整流机组数为不考虑备用量，整流机组数为变压器的容

26、量根据热老化条件选择。考虑到整流机组变压器的容量根据热老化条件选择。考虑到整流机组是由工业部门配套供应的，所以其数量必须保证变压是由工业部门配套供应的，所以其数量必须保证变压器的总容量和整流器的总容量满足上述要求。器的总容量和整流器的总容量满足上述要求。447.3 接触网导线截面的选择接触网导线截面的选择 选择接触导线截面应满足机械强度和电选择接触导线截面应满足机械强度和电气性能两方面的要求。气性能两方面的要求。按允许裁流量确定接触导线截面按允许裁流量确定接触导线截面 按经济截面选择接触导线按经济截面选择接触导线 有效电流的计算有效电流的计算 45按允许裁流量确定接触导线截面接触导线允许载流量

27、，系指在一定环境条件下，接触导线允许载流量，系指在一定环境条件下，不超过导线最高允许工作温度时所传输的电流不超过导线最高允许工作温度时所传输的电流 单位长度导线的辐射散热功率（W/m）单位长度导线的对流散热功率（W/m）单位长度导线的日照吸热功率（W/m）最高允许工作温度时导线的交流电阻（/m）46按允许裁流量确定接触导线截面(1)辐射散热功率D-导线外径（m）（W/m）E导线表面的辐射散热系数，光亮的新线取.230.43，旧线或涂黑色防腐剂的导线取0.900.95S斯特凡包尔茨曼常数，为5.67 10-8(W/m2)导线表面的平均温升（）环境温度（）47按允许裁流量确定接触导线截面(2)对流

28、散热功率导线表面空气层的传热系数 Re雷诺数 V为垂直于导线的风速（m/s）为导线表面空气层的运动粘度 48按允许裁流量确定接触导线截面(3)日照吸热功率导线表面的吸热系数，光亮的新线取0.350.46，旧线或涂黑色防腐剂的导线取0.900.95日光对导线的日照强度（W/m2）(当天晴、日光直射导线时可取10000 W/m2)49按经济截面选择接触导线有时适当降低所传输的电流密度，增大导线截面，有时适当降低所传输的电流密度，增大导线截面，从经济观点看来更为合理。从经济观点看来更为合理。单线的双机区段，较长的供电区段和复线的高速单线的双机区段，较长的供电区段和复线的高速区段、大运量区段区段、大运

29、量区段 接触网导线铜当量的总经济截面为接触网导线铜当量的总经济截面为一次投资增加所需的回收期TH可用下式计算为接触网电阻等于1欧姆时其导线每年的电能损耗 50按经济截面选择接触导线一次投资增加所需的回收期 加强导线的折旧维护费可取一次投资的5.4%（年）（年）51有效电流的计算 采用馈电线有效电流与接触悬挂允许电流采用馈电线有效电流与接触悬挂允许电流对比的方法按导线的受热条件检查选定的对比的方法按导线的受热条件检查选定的接触网导线截面接触网导线截面 对单线区段，采用在耗电量最大的方向由对单线区段，采用在耗电量最大的方向由两列追踪列车以规定的列车间隔和在反方两列追踪列车以规定的列车间隔和在反方向

30、由一列列车编成的部分追踪列车运行图向由一列列车编成的部分追踪列车运行图全部利用通过能力时的全部利用通过能力时的15分钟最密集负荷分钟最密集负荷进行计算。进行计算。52有效电流的计算在有双线插入段的单线区段，馈电线的有在有双线插入段的单线区段，馈电线的有效电流，按非追踪列车运行图和不停车会效电流，按非追踪列车运行图和不停车会让全部利用通过能力时的相同周期进行计让全部利用通过能力时的相同周期进行计算，双线区段，为了全部利用通过能力，算，双线区段，为了全部利用通过能力，在两条线路分开使用条件下进行计算。对在两条线路分开使用条件下进行计算。对于双线区段不太繁忙线路的接触网，还应于双线区段不太繁忙线路的接触网，还应在标准的电分段图条件下和封闭耗电量较在标准的电分段图条件下和封闭耗电量较大的线路在电线区段工作状态下进行受热大的线路在电线区段工作状态下进行受热检查。检查。53