11.1.1 電力牽引功率負(fù)荷

11.1.1.1 功率需求

鐵路對功率的需求起因于完成運(yùn)輸目標(biāo)所需要有的實(shí)際功率。運(yùn)輸過程本身在時(shí)間段內(nèi)變化很大，并且也視地理位置而定。為了達(dá)到特定的線路運(yùn)輸需求，實(shí)際功率取決于許多參數(shù)，最重要的是：

—速度，所需要的功率與速度的立方成正比;

—列車質(zhì)量;

—運(yùn)營密度;

—線路坡度;

—重新起動的頻繁次數(shù);

—再生制動系統(tǒng)的適用性;

—列車司機(jī)的駕駛方式。

為了能進(jìn)行最佳的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)，需要精確地確定牽引負(fù)荷的特性并加以描述。

11.1.1.2 一般運(yùn)輸鐵路

從鐵路工程角度看，一般運(yùn)輸鐵路的特征表現(xiàn)為各種不同等級列車使用該線路時(shí)時(shí)速可高達(dá)200km/h，對單位長度功率提出的要求大約高達(dá)300kW/km。它們的負(fù)荷分配特性可借助隨機(jī)變化函數(shù)來加以描述 [11.1]。圖11.1中示出理想化的、描述一般運(yùn)輸鐵路干線負(fù)荷狀況的隨機(jī)函數(shù)分量。

圖11.1a) 表示在一年內(nèi)一個(gè)變電所月平均負(fù)荷值的變化狀況。年負(fù)荷變化模式，譬如說可根據(jù)在冬季加熱旅客列車的需求、夏季假日運(yùn)輸或其他季節(jié)性大批量運(yùn)輸?shù)囊髞砑右源_定。

為了進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，由統(tǒng)計(jì)確定的日負(fù)荷系數(shù)cd是重要的，日負(fù)荷系數(shù)為

其中Pdmax是全年中發(fā)生的最大日平均負(fù)荷，Pj是年平均負(fù)荷。經(jīng)驗(yàn)表明： 日負(fù)荷系數(shù)實(shí)際上僅與年平均值有關(guān)，圖11.2表示cd與Pj的關(guān)系曲線。圖11.1中的圖形b) 表示在一日內(nèi)一個(gè)干線鐵路變電所負(fù)荷值的典型變化狀況。其特點(diǎn)是： 在早上和傍晚出現(xiàn)明顯的繁忙運(yùn)輸?shù)呢?fù)荷峰值，而在中午和夜間則出現(xiàn)低負(fù)荷時(shí)段。通過對大量運(yùn)行設(shè)施所進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)評估，可以確定小時(shí)負(fù)荷系數(shù)ch，小時(shí)負(fù)荷系數(shù)為

圖11.1 描述鐵路線負(fù)荷的理想化的隨機(jī)函數(shù)分量

a) 在一年內(nèi)的月、星期或日平均值Pd的變化狀況;

b) 在一日內(nèi)的小時(shí)或半小時(shí)平均值Ph的變化狀況;

c) 作為隨機(jī)分布出現(xiàn)的一小時(shí)內(nèi)的負(fù)荷變化狀況;

Pj—年平均負(fù)荷;

Pd—日平均負(fù)荷

圖11.2 如 [11.1] 中給出的那樣，日負(fù)荷系數(shù)cd和小時(shí)負(fù)荷系數(shù)ch為平均年負(fù)荷Pj的函數(shù)

在此式中Ph是一日內(nèi)最大的小時(shí)平均消耗功率，而Pd是相應(yīng)的日平均功率。此每小時(shí)負(fù)荷系數(shù)也僅與年平均功率有關(guān)，其關(guān)系曲線如圖11.2所示。1h內(nèi)功率負(fù)荷的變化，代表著當(dāng)時(shí)行駛在所要研究的線路區(qū)段內(nèi)的各趟列車所造成的系統(tǒng)中相應(yīng)負(fù)荷變化之總和。此功率負(fù)荷可作為隨機(jī)函數(shù)加以描述。應(yīng)用式 (11.1) 和式 (11.2)，在供電臂內(nèi)全年出現(xiàn)最大負(fù)荷的小時(shí)的功率平均值

平均年負(fù)荷Pj可通過區(qū)段的全年總能量消耗Wj算出。

從工程角度來說，采用這些理想化的分量可以更容易地將負(fù)荷描述成一個(gè)隨機(jī)函數(shù)，這對于電車線路負(fù)荷來說同樣是確切的 [11.2]。在許多情況下，甚至可以將牽引電力負(fù)荷描述成與時(shí)間無關(guān)的變量。在用于直接向接觸網(wǎng)供電的情況下，也可以將高負(fù)荷下的電流描述成與時(shí)間無關(guān)的變量。

可以假設(shè)電力牽引負(fù)荷是一常規(guī)分布函數(shù)，其中Phmax是分布的平均值，而σp是標(biāo)準(zhǔn)偏差。在此前提下，就可以預(yù)見負(fù)荷p將保持在規(guī)定值Pdd之下的概率

此概率P (p≤Pdd)之所以能用這種簡化形式來表示，因?yàn)镻hmax《σp>0是確切的。式(11.4)也叫作隨機(jī)變數(shù)p的分布函數(shù)。假若標(biāo)準(zhǔn)偏差σp用術(shù)語變化系數(shù)來表示的話，則平均值Phmax如下

而功率極限Pdd是平均值Phmax與標(biāo)準(zhǔn)偏差σp的倍數(shù)之和