電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法技術(shù)

電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法，以獲得精確的牽引網(wǎng)綜合載流能力。首先基于電流通過導(dǎo)體時(shí)滿足的熱平衡方程，給出方程相關(guān)的有效計(jì)算式，進(jìn)而獲得牽引網(wǎng)各導(dǎo)體正常載流量；由參與傳輸和回流的不同導(dǎo)體兩兩構(gòu)建回路，針對(duì)每一個(gè)回路推導(dǎo)計(jì)算出各回路的自感以及不同回路間的互感，再列寫由各回路自感和互感構(gòu)成的電感矩陣，按此求解矩陣得到各回路的電流分配系數(shù)，進(jìn)而得到牽引網(wǎng)各導(dǎo)體的電流分配系數(shù)；按各導(dǎo)體載流量除以相應(yīng)的導(dǎo)體電流分配系數(shù)得到對(duì)應(yīng)各導(dǎo)體的牽引網(wǎng)載流能力，然后比較各導(dǎo)體牽引網(wǎng)載流能力，取最小值即為牽引網(wǎng)綜合載流能力。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及電氣化鐵路，特別涉及電氣化鐵路采用帶回流線直接供電方式牽引供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法。
技術(shù)介紹
電能傳輸系統(tǒng)的載流能力實(shí)質(zhì)上即系統(tǒng)承受熱負(fù)荷的能力。在電氣化鐵路中，列車通過牽引供電系統(tǒng)獲取電能時(shí)牽引網(wǎng)承受電流的能力是評(píng)價(jià)牽引供電系統(tǒng)供電能力的重要指標(biāo)。迄今為止，電能傳輸系統(tǒng)載流能力的計(jì)算方法多針對(duì)電力架空導(dǎo)體而提出；即使部分技術(shù)人員開展了牽引網(wǎng)載流能力的分析計(jì)算，也大多停留在對(duì)傳輸導(dǎo)體局部電路的分析基礎(chǔ)上，或者個(gè)別技術(shù)人員縱然考慮了回流導(dǎo)體的影響，但限于回路模型的局限性，對(duì)大地回流采用了缺乏理論分析支撐的假設(shè)。然而，實(shí)際中牽引網(wǎng)導(dǎo)體由于其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、運(yùn)行環(huán)境等與電力架空導(dǎo)體差別很大，不能完全照搬電力架空導(dǎo)體載流量計(jì)算方法；此外，由于牽引供電系統(tǒng)是以接觸線和承力索作為傳輸導(dǎo)體，回流線、鋼軌、大地等作為回流導(dǎo)體構(gòu)成的復(fù)雜多導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，在計(jì)算牽引網(wǎng)綜合載流能力時(shí)僅考慮傳輸導(dǎo)體、忽略回流導(dǎo)體的影響將不可避免帶來計(jì)算誤差；而在考慮回流導(dǎo)體影響時(shí)，在涉及電流分配系數(shù)的回路計(jì)算中，往往按照傳統(tǒng)方法、以大地作為參考導(dǎo)體構(gòu)建回路，導(dǎo)致難以單獨(dú)得出作為參考導(dǎo)體的大地的電流分配系數(shù)，由于大地是牽引電流回流的重要通路，其電流分配系數(shù)對(duì)準(zhǔn)確分析回流導(dǎo)體對(duì)整個(gè)牽引網(wǎng)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要，為了解決這一問題，一些技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或一些實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)大地回流電流分配系數(shù)進(jìn)行了假設(shè)，這樣導(dǎo)致算法缺乏理論分析的支撐，實(shí)用性和可信性不足。鑒于此，有必要對(duì)牽引網(wǎng)的載流能力開展進(jìn)一步研究，改進(jìn)和完善既有算法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是提供一種電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法，以獲得精確的牽引網(wǎng)綜合載流能力。本專利技術(shù)解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下：本專利技術(shù)電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法，包括如下步驟：①結(jié)合牽引網(wǎng)導(dǎo)體具體情況，首先基于電流通過導(dǎo)體時(shí)滿足的熱平衡方程，給出方程相關(guān)的焦耳熱量、太陽輻射熱量、儲(chǔ)存熱量、對(duì)流換流熱量和熱輻射熱量的有效計(jì)算式，并將其代入熱平衡方程，進(jìn)而獲得牽引網(wǎng)各導(dǎo)體正常載流量；②由參與傳輸和回流的不同導(dǎo)體兩兩構(gòu)建回路，針對(duì)每一個(gè)回路，根據(jù)構(gòu)成該回路的各導(dǎo)體半徑和空間相對(duì)距離等參數(shù)推導(dǎo)計(jì)算出各回路的自感以及不同回路間的互感，再列寫由各回路自感和互感構(gòu)成的電感矩陣，由于各回路為并聯(lián)關(guān)系，即單位長度電壓降相等，按此求解矩陣得到各回路的電流分配系數(shù)，進(jìn)而得到牽引網(wǎng)各導(dǎo)體的電流分配系數(shù)；③按各導(dǎo)體載流量除以相應(yīng)的導(dǎo)體電流分配系數(shù)得到對(duì)應(yīng)各導(dǎo)體的牽引網(wǎng)載流能力，然后比較各導(dǎo)體牽引網(wǎng)載流能力，取最小值即為牽引網(wǎng)綜合載流能力。本專利技術(shù)的有益效果是，該方法結(jié)合了牽引網(wǎng)導(dǎo)體具體情況，并在計(jì)算牽引網(wǎng)各導(dǎo)線電流分配系數(shù)時(shí)首次考慮了牽引網(wǎng)中包括大地在內(nèi)的傳輸導(dǎo)體及回流導(dǎo)體構(gòu)成的實(shí)際回路，計(jì)及了各回路的自感及互感的相互影響，不僅能精確計(jì)算帶回流線直接供電方式的牽引網(wǎng)各導(dǎo)體短路載流能力和各導(dǎo)體正常載流能力，還能獲取牽引網(wǎng)系統(tǒng)的綜合載流能力。附圖說明圖1是帶回流線直供方式單線牽引網(wǎng)各導(dǎo)體分布。圖2是帶回流線直供方式單線牽引網(wǎng)傳輸回流架空導(dǎo)體示意圖。圖3是兩大地回流回路的自感與互感計(jì)算示意圖。圖4是架空回流回路與大地回流回路間互感計(jì)算示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本專利技術(shù)做進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。本專利技術(shù)的電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法，包括如下步驟：①結(jié)合牽引網(wǎng)導(dǎo)體具體情況，首先基于電流通過導(dǎo)體時(shí)滿足的熱平衡方程，給出方程相關(guān)的焦耳熱量、太陽輻射熱量、儲(chǔ)存熱量、對(duì)流換流熱量和熱輻射熱量的有效計(jì)算式，并將其代入熱平衡方程，進(jìn)而獲得牽引網(wǎng)各導(dǎo)體正常載流量；②由參與傳輸和回流的不同導(dǎo)體兩兩構(gòu)建回路，針對(duì)每一個(gè)回路，根據(jù)構(gòu)成該回路的各導(dǎo)體半徑和空間相對(duì)距離等參數(shù)推導(dǎo)計(jì)算出各回路的自感以及不同回路間的互感，再列寫由各回路自感和互感構(gòu)成的電感矩陣，由于各回路為并聯(lián)關(guān)系，即單位長度電壓降相等，按此求解矩陣得到各回路的電流分配系數(shù)，進(jìn)而得到牽引網(wǎng)各導(dǎo)體的電流分配系數(shù)；③按各導(dǎo)體載流量除以相應(yīng)的導(dǎo)體電流分配系數(shù)得到對(duì)應(yīng)各導(dǎo)體的牽引網(wǎng)載流能力，然后比較各導(dǎo)體牽引網(wǎng)載流能力，取最小值即為牽引網(wǎng)綜合載流能力。參照?qǐng)D1，所述步驟①中，基于電流通過導(dǎo)體時(shí)滿足的熱平衡方程表示為：dPJ+dPin-dPS-dPout-dPout1＝0(式1)式1中：dPJ、dPin、dPS、dPout和dPout1分別代表焦耳熱量、太陽輻射熱量、存儲(chǔ)熱量、對(duì)流換熱熱量和對(duì)外熱輻射熱量。導(dǎo)體的載流量和溫度(或溫升)的關(guān)系主要由式1的熱平衡方程進(jìn)行描述。電流通過導(dǎo)體，產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，通常通過焦耳熱量dPJ進(jìn)行描述，對(duì)于導(dǎo)體，還經(jīng)受太陽和天空逸散輻射的外部加熱，即太陽輻射熱量dPin，這些熱量蓄積在導(dǎo)體中，使溫度上升。同時(shí)，導(dǎo)體通過對(duì)流換熱dPout和對(duì)外熱輻射dPout1將熱量向外傳導(dǎo)。此外，導(dǎo)體還通過熱容量dPS將部分熱量存貯在導(dǎo)體自身體內(nèi)。當(dāng)上述熱量達(dá)到式1的平衡時(shí)，溫度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。對(duì)于焦耳熱量dPJ，其是由交流電流流過導(dǎo)體，導(dǎo)體交流電阻產(chǎn)生的有功功率消耗，是對(duì)導(dǎo)體受流產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)效應(yīng)的描述，焦耳熱量dPJ的有效計(jì)算式為：dPJ＝I2e20[1+αR(θ-20)](l/A)dt(式2)式2中：I為導(dǎo)體電流；e20為導(dǎo)體在20℃時(shí)的電阻率；αR為導(dǎo)體溫度系數(shù)；θ為導(dǎo)體溫度；l為導(dǎo)體長度；A為導(dǎo)體截面積。對(duì)于太陽和天空逸散輻射的外部加熱，太陽輻射熱量dPin的有效計(jì)算式為：dPin＝dεpsolsinδdt(式3)式3中：d為導(dǎo)體直徑；ε為太陽吸收系數(shù)；pso為太陽輻射密度；l為導(dǎo)體長度；δ為太陽偏角。所述存儲(chǔ)熱量dPS的有效計(jì)算式為：dPS＝ctdθ＝cGdθ＝crAldθ(式4)式4中：ct為導(dǎo)體熱容量；c為導(dǎo)體材料比熱；r為導(dǎo)體質(zhì)量密度；A為接觸壁面面積；l為導(dǎo)體長度；dθ為溫度變化微分量。所述對(duì)流換熱熱量dPout的有效計(jì)算式為：dPout＝αrA(θ-θair)dt(式5)式5中：αr為對(duì)流換熱系數(shù)；A為與流體接觸壁面面積，且A＝Ul，其中U為導(dǎo)體外徑周長，l為導(dǎo)體長度；θ為壁面溫度；θair為流體平均溫度。式5中，A＝Ul，其中U為導(dǎo)體外徑周長，l為導(dǎo)體長度；αr＝Nu·λ/lw，其中λ為空氣的特定熱傳導(dǎo)率，lw為導(dǎo)體的滑移接觸長度，其值等于導(dǎo)體外徑周長U的一半；Nu為努塞爾數(shù)，其表達(dá)式為：Nu＝0.17Retr0.62(式5-1)式5-1中，Retr為綜合自由和強(qiáng)迫對(duì)流情況下的雷諾數(shù)，取值范圍位于103<Retr<104；其與自由對(duì)流分量Ref和強(qiáng)迫對(duì)流分量Re的關(guān)系為：式5-2中：Ref的范圍為5×102<Retr<2×107。此外，Ref和Re的計(jì)算式分別見式5-3和式5-4。Ref＝6.97(GrPr)0.403(式5-3)式5-3和式5-4中:Gr為格拉斯霍夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；vair為導(dǎo)體周圍空氣的速率；vni為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度。其中，Gr由下式計(jì)算：式5-5中：g為重力加速度；a為體積膨脹系數(shù)，計(jì)算式為：基于斯蒂芬-玻爾茲曼定律，所述熱輻射熱量dPout1的有效計(jì)算式為：dPout1＝4hσATair3(T-Tair)(式6)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法，包括如下步驟：①結(jié)合牽引網(wǎng)導(dǎo)體具體情況，首先基于電流通過導(dǎo)體時(shí)滿足的熱平衡方程，給出方程相關(guān)的焦耳熱量、太陽輻射熱量、儲(chǔ)存熱量、對(duì)流換流熱量和熱輻射熱量的有效計(jì)算式，并將其代入熱平衡方程，進(jìn)而獲得牽引網(wǎng)各導(dǎo)體正常載流量；②由參與傳輸和回流的不同導(dǎo)體兩兩構(gòu)建回路，針對(duì)每一個(gè)回路，根據(jù)構(gòu)成該回路的各導(dǎo)體半徑和空間相對(duì)距離等參數(shù)推導(dǎo)計(jì)算出各回路的自感以及不同回路間的互感，再列寫由各回路自感和互感構(gòu)成的電感矩陣，由于各回路為并聯(lián)關(guān)系，即單位長度電壓降相等，按此求解矩陣得到各回路的電流分配系數(shù)，進(jìn)而得到牽引網(wǎng)各導(dǎo)體的電流分配系數(shù)；③按各導(dǎo)體載流量除以相應(yīng)的導(dǎo)體電流分配系數(shù)得到對(duì)應(yīng)各導(dǎo)體的牽引網(wǎng)載流能力，然后比較各導(dǎo)體牽引網(wǎng)載流能力，取最小值即為牽引網(wǎng)綜合載流能力。

【技術(shù)特征摘要】
1.電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法，包括如下步驟：①結(jié)合牽引網(wǎng)導(dǎo)體具體情況，首先基于電流通過導(dǎo)體時(shí)滿足的熱平衡方程，給出方程相關(guān)的焦耳熱量、太陽輻射熱量、儲(chǔ)存熱量、對(duì)流換流熱量和熱輻射熱量的有效計(jì)算式，并將其代入熱平衡方程，進(jìn)而獲得牽引網(wǎng)各導(dǎo)體正常載流量；②由參與傳輸和回流的不同導(dǎo)體兩兩構(gòu)建回路，針對(duì)每一個(gè)回路，根據(jù)構(gòu)成該回路的各導(dǎo)體半徑和空間相對(duì)距離等參數(shù)推導(dǎo)計(jì)算出各回路的自感以及不同回路間的互感，再列寫由各回路自感和互感構(gòu)成的電感矩陣，由于各回路為并聯(lián)關(guān)系，即單位長度電壓降相等，按此求解矩陣得到各回路的電流分配系數(shù)，進(jìn)而得到牽引網(wǎng)各導(dǎo)體的電流分配系數(shù)；③按各導(dǎo)體載流量除以相應(yīng)的導(dǎo)體電流分配系數(shù)得到對(duì)應(yīng)各導(dǎo)體的牽引網(wǎng)載流能力，然后比較各導(dǎo)體牽引網(wǎng)載流能力，取最小值即為牽引網(wǎng)綜合載流能力。2.如權(quán)利要求1所述電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法，其特征是：所述步驟①中，基于電流通過導(dǎo)體時(shí)滿足的熱平衡方程表示為：dPJ+dPin-dPS-dPout-dPout1＝0(式1)式1中：dPJ、dPin、dPS、dPout和dPout1分別代表焦耳熱量、太陽輻射熱量、存儲(chǔ)熱量、對(duì)流換熱熱量和對(duì)外熱輻射熱量；所述焦耳熱量dPJ的有效計(jì)算式為：dPJ＝I2e20[1+αR(θ-20)](l/A)dt(式2)式2中：I為導(dǎo)體電流；e20為導(dǎo)體在20℃時(shí)的電阻率；αR為導(dǎo)體溫度系數(shù)；θ為導(dǎo)體溫度；l為導(dǎo)體長度；A為導(dǎo)體截面積；所述太陽輻射熱量dPin的有效計(jì)算式為：dPin＝dεpsolsinδdt(式3)式3中：d為導(dǎo)體直徑；ε為太陽吸收系數(shù)；pso為太陽輻射密度；l為導(dǎo)體長度；δ為太陽偏角；所述存儲(chǔ)熱量dPS的有效計(jì)算式為：dPS＝ctdθ＝cGdθ＝crAldθ(式4)式4中：ct為導(dǎo)體熱容量；c為導(dǎo)體材料比熱；r為導(dǎo)體質(zhì)量密度；A為接觸壁面面積；l為導(dǎo)體長度；dθ為溫度變化微分量；所述對(duì)流換熱熱量dPout的有效計(jì)算式為：dPout＝αrA(θ-θair)dt(式5)式5中：αr為對(duì)流換熱系數(shù)；A為與流體接觸壁面面積，且A＝Ul，其中U為導(dǎo)體外徑周長，l為導(dǎo)體長度；θ為壁面溫度；θair為流體平均溫度；所述熱輻射熱量dPout1的有效計(jì)算式為：dPout1＝4hσATair3(T-Tair)(式6)式6中：h為物體表面黑度；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；A為接觸壁面面積；Tair為流體平均溫度；T為壁面溫度；將焦耳熱量dPJ、太陽輻射熱量dPin、儲(chǔ)存熱量dPS、對(duì)流換熱熱量dPout、熱輻射熱量dPout1有效計(jì)算式分別代入式(1)所示熱平衡方程中，得：式7中：k2＝dεpsosinδ；k3＝crA；k4＝αrU+4hσU(θair+273)3；基于式7，得牽引網(wǎng)各導(dǎo)體短路載流量計(jì)算式為：式8中：c為導(dǎo)體材料比熱；r為導(dǎo)體質(zhì)量密度；A為接觸壁面面積；e20為導(dǎo)體在20℃時(shí)的電阻率；αR為導(dǎo)體溫度系數(shù)；tk為短路持續(xù)時(shí)間；θlim為導(dǎo)體允許極限溫度，指導(dǎo)體可能熔化溫度，比導(dǎo)體正常載流量的允許溫度高許多；θα為短路前導(dǎo)體溫度；基于式7，得牽引網(wǎng)各導(dǎo)體正常載流量計(jì)算式為：式9中：A為接觸壁面面積；αr為對(duì)流換熱系數(shù)；U為導(dǎo)體外徑周長；θlim為導(dǎo)體允許極限溫度；θair為流體平均溫度；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；h為物體表面黑度；d為導(dǎo)體直徑；ε為太陽吸收系數(shù)；pso為太陽輻射密度；δ為太陽偏角；e20為導(dǎo)體在20℃時(shí)電阻率；αR為導(dǎo)體溫度系數(shù)。3.如權(quán)利要求2所述電氣化鐵路帶回流線直接供電方式牽引網(wǎng)綜合載流能力的計(jì)算方法，其特征是：所述步驟②中，根據(jù)牽引網(wǎng)實(shí)際回路情況，結(jié)合牽引網(wǎng)系統(tǒng)各導(dǎo)體空間位置關(guān)系和導(dǎo)體基礎(chǔ)電氣參數(shù)等開展?fàn)恳W(wǎng)電磁場分析和計(jì)算；并考慮牽引網(wǎng)中傳輸導(dǎo)體及回流導(dǎo)體構(gòu)成的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄧云川，劉志剛，黃可，李良威，高宏，陳建君，李強(qiáng)，林宗良，宋小翠，林雙雙，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，西南交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51