电气化铁道供电系统——双线区段牵引变压器安装容量的计算及校核
雷芳
摘要：巴新铁路独石站铁道供电系统双线区段采用上、下行并联供电方式，变压器三相YN,d11接线。
    通过已知数据计算牵引变压器的计算容量和校核容量，以及考虑其备用方式，确定牵引变压器的安装容量，并验证在选用的移动备用或固定备用方式下的安装容量是否合适。

一、工程设计简介
 巴新铁路独石站双线区段采用上、下行并联供电方式，变压器三相YN,d11接线。
供电臂1： n=2.8，N=94对/天，N非=133对/天；
供电臂2： n=3.2，N=77对/天，N非=126对/天；
供电臂1和供电臂2内，各列车距馈电点距离和其余资料，如图1-1和表1-1所示。

图3-1  计算图

表3-1  计算原始资料
供   电   臂 1 2
列车全部运行时间(min) 上行 25.2 27.5
 下行 20.3 24.6
列车用电运行时间(min) 上行 16.7 15.8
 下行 15.2 19.6
列车在内的能耗（kVAh） 上行 970 852
 下行 856 967
 设计此变压器采用移动备用和固定备用时的安装容量，并验证在选用的移动备用或固定备用方式下的安装容量是否合适。
二、设计依据
 根据课程设计大纲及有关规程规范进行设计。
 《铁路电力牵引供电设计规范》  TB10009-98
 《铁路电力牵引供电自耦变压器方式技术规范》  TB10111-94
 《铁路电力牵引供电远动系统技术规范》  TB10117-98
三、设计步骤

3.1  牵引变压器的安装容量
 牵引变压器的安装容量，是在计算容量与校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按其系列产品确定的牵引变压器台数与容量。为了确定牵引变压器的安装容量，除了其计算容量与校核容量外，主要考虑因素是其备用方式。
 牵引变压器在检修或发生故障时，都需要有备用变压器投入，以确保电气化铁路的正常运输。在大运量的双线区段，牵引变压器一旦出现故障，应尽快投入备用变压器，显得比单线区段要求更高。备用变压器投入的快慢，将影响到恢复正常供电的时间，并且与采用的备用方式有关。备用方式的选择，必须从时间的电气化铁路线路、运量、牵引变电所的规模、地址、供电方式及外部条件（有无公路）等因素，综合考虑比较后确定，我国电气铁路牵引变压器备用方式有移动备用和固定备用两种。
3.2  计算步骤
 牵引变电所容量计算和选择，一般分三个步骤进行。
    (1)按给定的计算条件求出牵引变压器供应牵引负荷所必须的最小容量，称为计算容量。
 (2)按列车紧密运行时供电臂的有效电流与充分利用牵引变压器的过负荷能力，求出所需要的容量，称为校核容量。这是为确保牵引变压器安全运行所必须的容量。
 (3)根据计算容量和校核容量，在考虑其他因素（如备用方式等），最后按实际系列产品的规格选定牵引变压器的台数和容量，称为安装容量或设计容量。
3.3  计算方法
 牵引变压器的计算容量取决于各供电臂的负荷电流。各供电臂的负荷电流主要取决于电力机车类型、牵引定数、牵引方式、线路坡道、行车量和线路通过能力等，即主要由牵引计算结果、行车量及线路通过能力等条件决定。在诸多因素中，当线路断面确定后，最关键的是年运量。由年运量可以算出需要的线路通过能力，它反应了列车负荷密度。其次是列车用电量，由它可以算出列车电流，进而算出各供电臂电流。
 
3.3.1  供电臂基参数的计算
(1)双线区段上(下)行供电臂列车平均电流
                      (A)                         (3-1)
式中，为列车在供电臂内上(下)行方向的全部运行时间(min)；为列车在内的能耗(kVA·h)。
(2)双线区段上(下)行供电臂列车用电平均电流
 将式(3-1)中的运行时间改为用电时间，可得：

                           (A)                             (3-2)
(3)列车电流间断系数
 列车电流间断系数该值可按双线区段的上(或下)行()进行计算。
                                                             (3-3)
(4)供电臂同时存在的平均列车数m，即
                                                          (3-4)
其中，N为供电臂的列车对数（对/日）；T为全日时间，即1440min。
(5)供电臂内n个区间的列车用电平均概率p，即
                                                            (3-5)
(6)双线区段供电臂平均电流Ip
 供电臂平均电流Ip是指供电臂在计算时间T(昼夜)内的平均电流值。
 并联供电方式的上、下行馈线电流如图2-1所示。

图2-1 并联供电计算图示

 上、下行馈线平均电流为
              (A)              (3-6)
 上、下行馈线均方电流为
 
(A2)
                                                                       (3-7)
 上、下行馈线有效电流为IX上、IX下，由上式计算结果开方即得。
(7)计算双线区段上、下行馈线总电流
 双线区段上、下行馈线总平均电流为
                 (A)            (3-8)
 上、下行馈线总有效电流为
                     (A)                   (3-9)
 可采用简化公式，即
                            (A)                         (3-10)
式中
                         (A)                      (3-11)
 上、下行馈线总有效电流也可简化为:
 (A)                         (3-12)                  
式中的n、p都为双线上、下行总的追踪间隔数和列车用电平均概率。

3.3.2  三相YN,d11结线牵引变压器计算容量的确定
 牵引变压器容量应能满足负荷的需要。不同接线方式的变压器，其负荷电流计算除了按前述计算条件外，都应将负荷电流变换成变压器绕组的有效电流，然后用绕组有效电流计算变压器的容量。对于三相变压器，由于在低压侧三角形接线绕组中的三相电流是不均匀的，故有重负荷相与轻负荷相之分。为此，应以重负荷绕组中的有效电流计算其容量。
 三相YN,d11结线牵引变压器的计算容量：
 设IX1、IX2 (供电臂1为重负荷，供电臂2为轻负荷)，则计算容量为
                (kVA)                (3-13)
式中，IX1、Ip1为重负荷臂有效电流和平均电流(A)；IX2、Ip2为轻负荷臂有效电流和平均电流(A)；Kt为三相变压器的温度系数，一般取Kt=0.9；U为牵引变压器牵引侧母线额定电压，即27.5kV。

3.3.3  牵引变压器校核容量的确定
 对牵引变压器进行容量校核，要达到两方面的目的：一方面是为了满足列车紧密运行的需要；另一方面是为了保证牵引变压器在充分利用过负荷能力的情况下能安全运行。
 变压器具有过负荷能力是指在保证变压器正常寿命的前提下，可以带超过额定值的负荷运行一段时间。
 三相YN，d11结线牵引变压器的最大容量：
 （kVA）                (3-14)
 在最大容量(Sbmax)的基础上，在考虑牵引变压器的过负荷能力后所确定的容量，就是校核容量(S校)。即
                        (kVA)                       (3-15)
式中，K为牵引变压器过负荷倍数，取K=1.5
四、结论与分析
 由计算结果知，Sbmax=29020kVA，故选用的移动备用或固定备用方式下的安装容量是合适的。
 但考虑到本体涉及的是大运量的双线区段。在采用移动备用方式的情况下，当两台并联运行的牵引变压器一台发生故障停电后，为了使另一台单独运行而不影响铁路正常运输，安装容量选用2×16000kVA变压器。因为16000kVA×1.3=20800 kVA >18998kVA。
 

参  考  文  献
[1]李彦哲，胡彦奎，王果等.电气化铁道供电系统与设计.兰州：兰州大学出版社.2006
[2]谭绣炳，刘向阳.交流电气化铁道牵引供电系统.成都：西南交通大学出版社.2002
[3]李自量，陈薇.牵引变电所.北京：中国铁道出版社.1984

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