第7章供電設(shè)備容量計(jì)算與選擇

城市軌道交通供電第7章供電設(shè)備容量計(jì)算與選擇供電設(shè)備介紹7.1變壓器容量計(jì)算與選擇7.2整流機(jī)組數(shù)的選擇7.3接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面的選擇供電設(shè)備介紹發(fā)電機(jī)變壓器整流機(jī)組接觸網(wǎng)高壓電器低壓電器高壓電器的作用及分類(lèi)在高壓系統(tǒng)中，用來(lái)對(duì)電路進(jìn)行開(kāi)、合操作，切除和隔離事故區(qū)域，對(duì)電路進(jìn)行運(yùn)行情況監(jiān)視、保護(hù)及數(shù)值測(cè)量的量測(cè)設(shè)備，統(tǒng)稱(chēng)為高壓電器。按照用途分類(lèi)按照安裝地點(diǎn)分類(lèi)按照電流制式分類(lèi)對(duì)高壓電器的要求開(kāi)關(guān)電器斷路器（DL）:用來(lái)在電路正常工作和發(fā)生故障（列如發(fā)生短路）時(shí)關(guān)合和開(kāi)斷電路。隔離開(kāi)關(guān)（G）：主要用于將高壓設(shè)備與電源隔離，以保證檢修工作人員的安全。熔斷器（RN）：用來(lái)在電路發(fā)生過(guò)載或短路時(shí)依靠熔件熔斷開(kāi)斷電路。斷路器高壓斷路器組成對(duì)高壓斷路器的技術(shù)要求高壓斷路器種類(lèi)高壓斷路器組成（1）觸頭（2）滅弧室（3）絕緣介質(zhì)（4）殼體結(jié)構(gòu)（5）運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)開(kāi)斷、關(guān)合電路方面開(kāi)斷負(fù)荷電路和短路故障快速開(kāi)斷自動(dòng)重合閘分合各種空載和負(fù)載電路允許分合次數(shù)一般電氣性能方面電壓最大工作電壓、工頻試驗(yàn)電壓、全波和截波沖擊試驗(yàn)電壓、操作波試驗(yàn)電壓電流額定電流、額定動(dòng)穩(wěn)定電流（峰值）、額定熱穩(wěn)定電流、額定熱穩(wěn)定時(shí)間自然環(huán)境方面海拔高度對(duì)外部絕緣的影響對(duì)電器發(fā)熱溫度的影響環(huán)境溫度限制電器電抗器（L）：主要用來(lái)限制電路中的短路電流。某些類(lèi)型的熔斷器也有限制短路電流的作用。避雷器（BL）：用來(lái)限制電路中出現(xiàn)的過(guò)電壓。變換電器電流互感器（LH）：用來(lái)變換電路中的電流，以便供電給測(cè)量?jī)x表、繼電器或自動(dòng)裝置，并使之與高壓電器隔離。電壓互感器（YH）：用來(lái)變換電路中的電壓，以便供給測(cè)量?jī)x表、繼電器或自動(dòng)裝置，并使之與高壓電器隔離。按照安裝地點(diǎn)分類(lèi)戶內(nèi)式。裝在建筑物內(nèi)，不具有防風(fēng)、雨、雷、灰塵、露、冰和濃霜等性能。高壓電器的工作電壓一般為35kV及以下的電壓等級(jí)。戶外式。適用于安裝在露天，能承受風(fēng)、雨、雷、灰塵、露、冰和濃霜等作用。戶外式高壓電器的工作電壓一般都在35kV及以上電壓。高壓電器特點(diǎn)按照高壓電器工作條件及所起作用的不同，其結(jié)構(gòu)和工作性能應(yīng)具有不同的特點(diǎn)。高壓電器應(yīng)能可靠地在規(guī)定的工作電壓及電流下工作，因此，應(yīng)具有足夠的絕緣強(qiáng)度和載流能力；用于切斷載流電路的開(kāi)關(guān)設(shè)備，應(yīng)具有足夠的熄滅電弧的能力；對(duì)電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量的電器元件（例如電壓、電流互感器）應(yīng)能滿足測(cè)量精度的要求；對(duì)電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)用的電壓、電流互感器，除了應(yīng)滿足測(cè)量精度的要求外，還應(yīng)在高電壓或大電流作用下不至于飽和。所有的高壓電器都應(yīng)滿足運(yùn)行可靠、工作靈活的要求，同時(shí)還必須考慮經(jīng)濟(jì)條件。7.1變壓器容量計(jì)算與選擇<1>牽引變電所的站位和容量設(shè)置遵循以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1)供電合理，運(yùn)營(yíng)方便，滿足高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)最大負(fù)荷的需要。（2）系統(tǒng)中任何相隔兩座的牽引變電所故障解列時(shí)，靠其相鄰牽引變電所的過(guò)負(fù)荷能力，仍應(yīng)能保證列車(chē)的正常運(yùn)行，不影響運(yùn)送客流的能力（3）地下車(chē)站設(shè)置牽引變電所時(shí)，一般位于車(chē)站站臺(tái)端，宜與地面站務(wù)用房合建。（4）牽引變電所的設(shè)置應(yīng)首先考慮有列車(chē)檢修線的車(chē)站一端，檢修線應(yīng)由專(zhuān)用回路供電，列車(chē)夜間檢修時(shí)，不影響線路的正常停電維修（5）地下車(chē)站牽引變電所應(yīng)和車(chē)站主排水站分別設(shè)于車(chē)站的兩端。變壓器容量計(jì)算與選擇<2>變壓器容量計(jì)算一般分為三個(gè)步驟：（1）根據(jù)規(guī)定的年運(yùn)量大小和行車(chē)組織的要求確定計(jì)算容量。（2）根據(jù)列車(chē)緊密運(yùn)行時(shí)供電臂的有效電流和充分利用牽引變壓器的過(guò)載能力，計(jì)算校核容量。（3）根據(jù)計(jì)算容量和校核容量，選定安裝容量。最后必須指出：變電所主變壓器臺(tái)數(shù)和容量的最后確定，應(yīng)結(jié)合變電所主接線方案的選擇，作幾個(gè)較合理方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，擇優(yōu)而定。列車(chē)密度列車(chē)密度應(yīng)按照運(yùn)量計(jì)算需要的通過(guò)能力，并預(yù)留一定的儲(chǔ)備能力儲(chǔ)備系數(shù)一般單線采用20％，復(fù)線采用15％。近期按調(diào)查運(yùn)量計(jì)算時(shí)，還應(yīng)考慮運(yùn)量的波動(dòng)性，波動(dòng)系數(shù)一般采用20％。遠(yuǎn)期按要求的年輸送能力計(jì)算時(shí)，僅考慮儲(chǔ)備能力計(jì)算列車(chē)數(shù)N當(dāng)采用近期年運(yùn)量時(shí)（列/日）

若需要輸送能力低于線路輸送能力的一半時(shí)

（列/日）

若需要輸送能力接近線路輸送能力時(shí)（列/日）

校核容量計(jì)算根據(jù)列車(chē)緊密遠(yuǎn)行時(shí)供電臂的有效電流和充分利用牽引變壓器的過(guò)載能力，計(jì)算校核容量，這是為確保變壓器安全運(yùn)行所必須的容量。變壓器的過(guò)負(fù)荷能力

變壓器具有過(guò)負(fù)荷潛力的原因決定運(yùn)行期間過(guò)負(fù)荷能力的依據(jù)變壓器的過(guò)負(fù)荷能力<1>變壓器繞組的A級(jí)絕緣在長(zhǎng)期使用后，雖然電氣強(qiáng)度沒(méi)有顯著變化，但其機(jī)械強(qiáng)度卻逐漸降低，由于偶然的震動(dòng)，非常容易破裂，造成短路。溫度越高，絕緣的機(jī)械強(qiáng)度與電氣強(qiáng)度的損傷老化越劇烈。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)自然循環(huán)油冷變壓器的繞組溫度為95℃時(shí)，變壓器的工作年限為20年。

變壓器的過(guò)負(fù)荷能力<2>變壓器在過(guò)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其各部分的溫升將比額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)升高。變壓器繞組絕緣的老化程度與溫度有關(guān)。絕緣老化六度規(guī)則：變壓器的過(guò)負(fù)荷能力<3>變壓器的部位溫升限值（℃）測(cè)量方法線圈自然油循環(huán)65電阻法強(qiáng)迫油循環(huán)鐵芯表面75溫度計(jì)法與變壓器油接觸（非導(dǎo)電部分）的結(jié)構(gòu)件表面80油頂層55線圈最熱點(diǎn)溫升比平均溫升高l3℃,如果變壓器在額定負(fù)載和環(huán)境溫度為20℃條件下連續(xù)運(yùn)行，則線圈最熱點(diǎn)的溫度為98℃，電纜紙?jiān)?8℃下使用，其老化壽命在20年以上。在這種運(yùn)行條件下的老化壽命為正常的老化壽命，其每天的壽命損失為正常日壽命損失，同樣有正常年壽命損失。變壓器的過(guò)負(fù)荷能力<4>變壓器具有過(guò)負(fù)荷潛力的原因變壓器的負(fù)載和環(huán)境溫度是經(jīng)常變化特別是電氣化鐵道，它的牽引負(fù)荷不斷地劇烈變化，有時(shí)造成變壓器的過(guò)載，使變壓器的壽命損失加速，而在輕載和冬季帶額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，壽命損失可減緩。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，變壓器運(yùn)行時(shí)周?chē)罡邭鉁貫?0℃，最高日平均氣溫為+30℃。實(shí)際上，即使我國(guó)最熱的地區(qū)也不可能全年固定維持在這個(gè)溫度上。選擇變壓器容量時(shí)，有時(shí)要考慮系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)變壓器過(guò)負(fù)荷，在正常工作時(shí)，變壓器往往達(dá)不到它的額定值。決定運(yùn)行期間過(guò)負(fù)荷能力的依據(jù)<1>決定運(yùn)行期間過(guò)負(fù)荷能力的依據(jù)是變壓器負(fù)荷曲線的填充系數(shù)和最大負(fù)荷的持續(xù)時(shí)數(shù)（1）變壓器負(fù)荷曲線的填充系數(shù)

=

——實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷曲線的安培小時(shí)數(shù)或負(fù)荷曲線所包圍的面積——按最大負(fù)荷工作24A.H數(shù)——負(fù)荷電流的平均值。決定運(yùn)行期間過(guò)負(fù)荷能力的依據(jù)<2>考慮變壓器過(guò)負(fù)荷能力，以及等效變壓器日壽命損失?？紤]變壓器正常過(guò)負(fù)荷能力，二次側(cè)電流允許值、饋電線電流允許值等。過(guò)負(fù)荷能力：100%額定負(fù)荷——持續(xù)150%額定負(fù)荷——2小時(shí)300%額定負(fù)荷——1分鐘選定安裝容量<1>根據(jù)計(jì)算容量和校核容量，再考慮其他因素(如備用方式等)，并按實(shí)際變壓器系列產(chǎn)品的規(guī)格選定變壓器的數(shù)量和容量稱(chēng)為安裝容量。(1)容量備用。(2)牽引變電所的數(shù)量及其在線路上的位置，應(yīng)滿足在事故狀態(tài)下單邊(越區(qū))供電接觸網(wǎng)電壓水平要求。(3)不考慮再生制動(dòng)所節(jié)省的能量選定安裝容量<2>在進(jìn)行容量校校時(shí)，宜按重臂取95％最大車(chē)數(shù)概率積分最大值計(jì)算最大電流，輕臂取有效電流考慮。一股說(shuō)來(lái)，這種校核條件能夠滿足列車(chē)緊密運(yùn)行的要求，并保證變壓器在充分利用過(guò)負(fù)荷能力時(shí)可安全運(yùn)行。另外，也可按非平行運(yùn)行圖區(qū)間通過(guò)能力的要求對(duì)主變壓器容量進(jìn)行校核。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為了使變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，一般情況，從以下幾個(gè)方面采取措施降低功率領(lǐng)耗。(1)及時(shí)切除輕載變壓器(2)更換過(guò)載及輕載變壓器(3)停用夜間多余的變壓器。(4)采用節(jié)能型變壓器7.2整流機(jī)組數(shù)的選擇<1>地鐵、輕軌交通直流牽引變電所整流機(jī)組的容量和數(shù)量，應(yīng)根據(jù)遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)高峰時(shí)期列車(chē)編組，行車(chē)密度和車(chē)輛類(lèi)型等需要，由牽引供電計(jì)算確定，并需要進(jìn)行各種短時(shí)過(guò)負(fù)荷校驗(yàn)。1.整流機(jī)組容量的計(jì)算整流機(jī)組數(shù)的選擇<2>2.按事故解列情況選擇校驗(yàn)整流機(jī)組容量按整個(gè)區(qū)段中一個(gè)牽引變電所故障而造成事故解列時(shí)，相鄰的兩個(gè)牽引變電所應(yīng)能分?jǐn)嗥涔╇妳^(qū)段在高峰小時(shí)內(nèi)的牽引用電量考慮按整流機(jī)組允許過(guò)負(fù)荷1.5倍持續(xù)2小時(shí)的技術(shù)條件，由下式進(jìn)行校驗(yàn)并應(yīng)滿足整流機(jī)組數(shù)的選擇<3>3.直流牽引變電所整流變壓器計(jì)算容量，額定容量和整流機(jī)組數(shù)量的選擇由于整流機(jī)組換相整流工作的特性，整流變壓器的交流功率大于直流輸出功率，經(jīng)校驗(yàn)確定后，三相橋整流接線的變壓器總計(jì)算容量為整流機(jī)組數(shù)的選擇<4>根據(jù)計(jì)算容量選擇相近配套的整流變壓器額定容量，整流機(jī)組的變壓器整流器具有相同的長(zhǎng)時(shí)（2h）和短時(shí)（1min）過(guò)負(fù)荷特性。整流機(jī)組選擇，還應(yīng)校驗(yàn)在最大負(fù)荷電流時(shí)牽引網(wǎng)的最低電壓，應(yīng)不低于規(guī)程規(guī)定的允許最低電壓值。整流機(jī)組數(shù)的選擇<5>

整流機(jī)組數(shù)量，一般在牽引變電所2～3臺(tái)并聯(lián)工作，且應(yīng)采用相同外特性和參數(shù)，統(tǒng)一型號(hào)的整流機(jī)組。不考慮備用量，整流機(jī)組數(shù)為變壓器的容量根據(jù)熱老化條件選擇?？紤]到整流機(jī)組是由工業(yè)部門(mén)配套供應(yīng)的，所以其數(shù)量必須保證變壓器的總?cè)萘亢驼髌鞯目側(cè)萘繚M足上述要求。7.3接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面的選擇

選擇接觸導(dǎo)線截面應(yīng)滿足機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能兩方面的要求。按允許裁流量確定接觸導(dǎo)線截面按經(jīng)濟(jì)截面選擇接觸導(dǎo)線有效電流的計(jì)算按允許裁流量確定接觸導(dǎo)線截面<1>接觸導(dǎo)線允許載流量，系指在一定環(huán)境條件下，不超過(guò)導(dǎo)線最高允許工作溫度時(shí)所傳輸?shù)碾娏鳌獑挝婚L(zhǎng)度導(dǎo)線的輻射散熱功率（W/m）

——單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的對(duì)流散熱功率（W/m）

——單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的日照吸熱功率（W/m）

——最高允許工作溫度時(shí)導(dǎo)線的交流電阻（Ω/m）

按允許裁流量確定接觸導(dǎo)線截面<2>(1)輻射散熱功率D——-導(dǎo)線外徑（m）

（W/m）

E——導(dǎo)線表面的輻射散熱系數(shù)，光亮的新線取.23~0.43，舊線或涂黑色防腐劑的導(dǎo)線取0.90~0.95S——斯特凡—包爾茨曼常數(shù)，為5.67×

10-8(W/m2)

——導(dǎo)線表面的平均溫升（℃）

——環(huán)境溫度（℃）

按允許裁流量確定接觸導(dǎo)線截面<3>(2)對(duì)流散熱功率——導(dǎo)線表面空氣層的傳熱系數(shù)

Re——雷諾數(shù)

V為垂直于導(dǎo)線的風(fēng)速（m/s）

為導(dǎo)線表面空氣層的運(yùn)動(dòng)粘度

按允許裁流量確定接觸導(dǎo)線截面<4>(3)日照吸熱功率——導(dǎo)線表面的吸熱系數(shù)，光亮的新線取0.35~0.46，舊線或涂黑色防腐劑的導(dǎo)線取0.90~0.95——日光對(duì)導(dǎo)線的日照強(qiáng)度（W/m2）(當(dāng)天晴、日光直射導(dǎo)線時(shí)可取10000W/m2)按經(jīng)濟(jì)截面選擇接觸導(dǎo)線<1>有時(shí)適當(dāng)降低所傳輸?shù)碾娏髅芏?，增大?dǎo)線截面，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看來(lái)更為合理。單線的雙機(jī)區(qū)段，較長(zhǎng)的供電區(qū)段和復(fù)線的高速區(qū)段、大運(yùn)量區(qū)段接觸網(wǎng)導(dǎo)線銅當(dāng)量的總經(jīng)濟(jì)截面為一次投資增加所需的回收期TH可用下式計(jì)算——為接觸網(wǎng)電阻等于1歐姆時(shí)其導(dǎo)線每年的電能損耗

按經(jīng)濟(jì)截面選擇接觸導(dǎo)線<2>一次投資增加所需的回收期

加強(qiáng)導(dǎo)線的折舊維護(hù)費(fèi)可取一次投資的5.4%

（年）

（年）

有效電流的計(jì)算<1>采用饋電線有效電流與接觸懸掛允許電流對(duì)比的方法按導(dǎo)線的受