高速鐵路牽引供電系統(tǒng)保護原理

1AT(自耦變壓器)供電方式牽引電流通過電力機車后從負饋線返回。供電電壓提高，更能適應大功率負荷的供電，功率輸送能力強，供電距離遠，可減少牽引變電所數(shù)量，減少電分相數(shù)目，機車通過分相中性段短時失電產(chǎn)生的速度和功率損失得到降低；有效降低對通訊線路的干擾;。AT供電方式接觸網(wǎng)結構復雜，供變電設施較多，運營維護難度較大2全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)在復線AT供電方式的基礎上，將上下行牽引網(wǎng)的接觸線（T）、鋼軌（R）和負饋線（F）在變電所出線處及AT所處通過橫聯(lián)線并聯(lián)起來。上下行牽引網(wǎng)雖然都有各自的斷路器，但在正常情況下均為一用一備運行方式，即上下行牽引網(wǎng)共用一臺斷路器。3一、電力系統(tǒng)構成及運行狀態(tài)①電力系統(tǒng)的構成

發(fā)電→輸電→變電→用電②電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)

◆短路（電壓↓，電流↑） ◆不正常運行狀態(tài)1.1繼電保護概述5二、繼電保護的作用①定義 反應電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置

②作用

◆切除故障 自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證無故障部分迅速恢復正常運行。6◆反應不正常運行狀態(tài) 根據(jù)運行維護條件，動作于發(fā)信號或跳閘，一般不要求迅速動作（延時動作）。③基本原理 ◆提取電力系統(tǒng)元件在三種運行狀態(tài)下的“差異”； ◆區(qū)分出三種運行狀態(tài)（故障、不正常、正常）； ◆識別出發(fā)生故障和出現(xiàn)異常的元件； ◆完成繼電保護任務。79電流保護原理圖10三、對繼電保護的基本要求①可靠性

◆安全性 要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作（不誤動）。 ◆依賴性 在保護范圍內(nèi)發(fā)生應該動作的故障時應可靠動作（不拒動）。 提高不誤動的安全性措施與提高不拒動的依賴性措施相互矛盾。11③速動性 盡可能快的切除故障，以減少設備和用戶在大短路電流和低電壓下的運行時間，降低設備的損壞程度，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。需要快速切除的故障：◆高壓輸電線路上的故障（系統(tǒng)穩(wěn)定性）；◆發(fā)電廠或重要用戶的母線電壓低于允許值（一般為0.7倍額定電壓）；◆大容量的發(fā)電機、變壓器及電動機內(nèi)部發(fā)生的故障；◆線路導線截面過小，不允許延時切除的故障；

故障切除時間=保護裝置動作時間+斷路器動作時間13④靈敏性

對保護范圍內(nèi)發(fā)生故障和不正常運行狀態(tài)的反應能力，一般用靈敏系數(shù)和靈敏度衡量。增大靈敏度，增大保護動作的依賴性，但有時與保護的安全性相矛盾。

上述四個基本要求是評價和研究繼電保護性能的基礎。在它們之間，既有矛盾的一面，又要根據(jù)被保護元件在電力系統(tǒng)中的作用，使以上四個基本要求在所配置的保護中得到統(tǒng)一。141.2電流保護原理

◆電流速斷保護 ◆限時電流速斷保護 ◆過電流保護15整定計算可靠性系數(shù)，一般取1.2～1.3最大運行方式下的三相短路電流整定原則：躲開下一條線路出口處的最大短路電流。動作電流動作時限沒有人為延時，只考慮繼電保護固有動作時間17保護范圍校驗最大運行方式下三相短路時保護范圍最大，最小運行方式下兩相短路時保護范圍最小。線路全長最小運行方式下兩相短路時的保護范圍18電流速斷保護的評價優(yōu)點：簡單可靠，動作迅速缺點：不可能保護線路的全長保護范圍直接受系統(tǒng)運行方式變化的影響。結論：當系統(tǒng)運行方式變化很大，或者被保護線路的長度很短時，速斷保護就可能沒有保護范圍，因而不能采用。19整定原則保護范圍必須延伸到下一條線路中去動作帶有一定的時限（選擇性）整定計算動作電流：動作電流按躲開下一條線路流速斷保護的動作電流進行整定。保護范圍不超出下一條線路無時限電流速斷保護的范圍（速動性）可靠系數(shù)，一般取1.1～1.2

下一條線路電流速斷保護的動作值21動作時限22被保護線路末端的最小兩相短路電流靈敏度校驗限時電流速斷保護靈敏度若靈敏度不滿足要求，可采用降低動作電流的方法，使本線路限時速斷保護與下一線路限時速斷保護配合。23三、定時限過電流保護（電流Ⅲ段）——反應電流增大而動作，它要求能保護本條線路的全長和下一條線路的全長。作為本條線路主保護拒動的近后備保護，也作為下一條線路保護和斷路器拒動的遠后備保護。

M25動作電流：按躲開被保護線路的最大負荷電流，且在自起動電流下繼電器能可靠返回進行整定。整定原則及計算自起動系數(shù)，取1～3

可靠系數(shù)，一般取1.15～1.25

繼電器的返回系數(shù)

返回電流26動作時限動作時限與電流大小無關，為此稱為定時限。27評價優(yōu)點：結構簡單，工作可靠。不僅能作為本線路的近后備（有時作為主保護），而且能作為下一條線路的遠后備。

缺點：越靠近電源端其動作時限越大，對靠近電源端的故障不能快速切除。291.3距離保護原理一、問題的提出

◆高壓長距離重負荷輸電線路，負荷電流大，線路末端短路時，短路電流的數(shù)值和負荷電流相差不大，故電流保護不能滿足靈敏度的要求； ◆電流速斷保護受電網(wǎng)運行方式的影響，保護范圍不穩(wěn)定，甚至無保護范圍。

距離保護是反應保護安裝處至故障點的距離（阻抗大?。┒_定動作時限的一種保護裝置（阻抗保護）----牽引網(wǎng)的主保護。30二、距離保護的工作原理ABCZ正常情況下：測量阻抗

d故障時：測量阻抗

123431距離保護的實質是用測量阻抗與被保護線路的整定阻抗比較。當短路點在保護范圍以外時，即時，繼電器不動作；當短路點在保護范圍以內(nèi)時，即時，繼電器動作。Z123432AB321ZZZC距離保護分為三段式：Ⅰ段：Z’set.3=(0.8~0.85)ZAB瞬時動作

Ⅱ段：Z’’set.3=Krel(ZAB+KbraZ’act.2)

Ⅲ段：躲最小負荷阻抗，階梯時限特性————后備保護主保護三、距離保護的整定33四、距離保護的時限特性距離保護的動作時間t

與保護安裝處到故障點的距離l

之間的關系稱為距離保護的時限特性

=t’2＋Δt=t”’2＋ΔtAB321ZZZCt’3t”3t”’3t’2t”2t’1t”’2保護3的Ⅰ段保護3的Ⅱ段保護3的Ⅲ段lt34五、阻抗繼電器動作特性

1、全阻抗繼電器RjXZKZset2、方向阻抗繼電器RjXoZsetZK全阻抗繼電器方向阻抗繼電器35方向阻抗繼電器的死區(qū)及消除死區(qū)的方法當在保護安裝地點正方向出口處發(fā)生相間短路時,故障環(huán)路的故障電壓將降低為零,此時任何具有方向性的阻抗繼電器將因加入的電壓為零而不動作,從而出現(xiàn)保護裝置的死區(qū)。為減少和消除死區(qū)，可采用以下方法：記憶回路裝設輔助保護（主要為電流速斷保護）363、偏移特性阻抗繼電器RjXoZsetZko‘Zk－Zoo’RjX85o70oZkABCO4、四邊形特性阻抗繼電器偏移特性阻抗繼電器四邊形特性阻抗繼電器37◆電壓回路斷線閉鎖◆振蕩閉鎖 當電力系統(tǒng)失去同步而發(fā)生振蕩時，電流、電壓將在很大范圍內(nèi)作周期性變化，阻抗繼電器的測量阻抗也將隨之變化，這就可能引起保護裝置誤動作?！綦娀‰娮鑼ΡＷo的影響 在短路點一般都有過渡電阻，其中主要是電弧電阻。它的存在使短路電流減小，阻抗增大，阻抗角變小，對于阻抗繼電器有時會影響到保護的正確動作。 一般采用偏移阻抗繼電器提高躲負荷能力六、影響距離保護的因素及防止措施

381.4牽引網(wǎng)饋線保護一、牽引供電系統(tǒng)的特點

◆單相、移動、沖擊性負荷； ◆負荷電流變化范圍大； ◆負荷電流中的諧波含量高（20%～30%），在再生工況下更高（可達40%以上）； ◆空載投入機車牽引變壓器、含有AT或BT的牽引網(wǎng)空載投入時，將產(chǎn)生勵磁涌流； ◆供電臂供電距離長，單位阻抗大； ◆牽引網(wǎng)結構復雜，接觸網(wǎng)機械故障的機率增大。

因此，與電力系統(tǒng)中的線路保護相比，牽引網(wǎng)饋線保護有其特殊性。39二、牽引網(wǎng)自適應距離保護1.對距離保護的要求

◆躲故障過渡電阻能力

◆負荷特性對距離保護的影響因此，在牽引網(wǎng)饋線保護中距離保護通常采用偏移四邊形特性。402.自適應距離保護的基本思想

◆相控整流電力機車負荷電流中含有豐富的奇次諧波分量（三次諧波為最多），而牽引網(wǎng)短路電流接近于正弦波，因此可利用三次諧波的含量區(qū)分正常工作與故障狀態(tài)； ◆電力機車通過電分相或空載投入AT，牽引網(wǎng)產(chǎn)生的勵磁涌流接近故障電流，但其中含有較高的二次諧波分量，因此可利用二次諧波區(qū)分勵磁涌流和故障電流。基本思想：根據(jù)負荷電流中綜合諧波含量，自動調(diào)節(jié)阻抗繼電器的邊界。41①綜合諧波抑制

◆綜合諧波含量定義◆自適應調(diào)節(jié)動作邊界自適應阻抗繼電器的動作特性圖42②二次諧波閉鎖

◆目的 為了避免電力機車通過電分相或AT供電方式下空載投入接觸網(wǎng)產(chǎn)生的勵磁涌流引起保護誤動作。

◆判據(jù)

433.距離保護的整定一、ab邊的整定

ab邊按線路阻抗整定，即：二、bc邊的整定按基波最小負荷阻抗整定，即：44三、電流增量保護1.目的

提高躲過渡電阻能力

2.基本思想

◆負荷電流在短時間（ms級）內(nèi)增量不大； ◆短路電流在短時間（ms級）內(nèi)增量很大。3.電流增量定義時間間隔通常取一個或兩個工頻周波454.動作判椐◆綜合諧波含量：◆諧波抑制系數(shù)：（通常取大于1的數(shù)）◆二次諧波閉鎖：◆原理框圖465.動作分析◆負荷→故障

故障電流基本為純正弦波，則=0，顯然，繼電器的動作量為基波電流增量。

◆負荷→負荷

負荷電流中綜合諧波含量越大，繼電器的動作量也就越小，繼電器的動作門檻值也就越大，繼電器越不容易動作?？梢姼倪M后躲過渡電阻的能力大大增強。

476.特點◆可按一列機車起動電流整定

機車起動電流，跟機車類型有關。典型時限：常規(guī)保護最長時限＋(0.2-0.4)s◆躲過渡電阻能力強、靈敏度高48四、過電流保護

◆綜合諧波抑制 ◆二次諧波閉鎖49五、反時限過負荷保護常用的三種反時限特性◆一般反時限◆甚反時限◆極度時限特點：近處故障時動作時限短，遠處故障時動作時間自動加長。501.5牽引變壓器保護一、差動保護1.作用 保護變壓器內(nèi)部、套管以及引出線上的多相短路，同時也可以保護單相層間短路和接地短路。2.原理◆外部故障

流入繼電器的電流，繼電器不動作?！魞?nèi)部故障

流入繼電器的電流

，繼電器動作。51二、低壓啟動過電流保護1.作用 ◆變壓器差動保護近后備 ◆饋出線保護的遠后備2.整定可靠性系數(shù)變壓器額定電流返回系數(shù)最小負荷電壓按額定電壓的60%～70%整定。52

1.高壓側低壓啟動過電流保護原理框圖532.α相低壓啟動過電流保護原理框 3.β相低壓啟動過電流保護原理框圖54三、反時限過負荷保護一般反時限特性：甚反時限特性：

極度反時限特性：

防止變壓器的過負荷運行，牽引變壓器由于各相牽引負荷不等因此過負荷信號應裝在兩重負荷相上。55四、非電量保護1.瓦斯保護

變壓器內(nèi)部故障時，由于短路電流和電弧的作用使附近的絕緣物分解而產(chǎn)生氣體，同時由于氣體的上升會引起油流的變化，利用這個特點構成瓦斯保護。2.壓力保護

當變壓器內(nèi)部出現(xiàn)嚴重故障時，壓力釋放裝置使油膨脹和分解產(chǎn)生的不正常壓力得到及時釋放，以免損壞油箱，造成更大的損失。3.溫度保護 非電量保護在變壓器的繼電保護配置中有著不可替代的作用，是對常規(guī)配置的模擬量保護的重要補充。

561.1客專牽引供電系統(tǒng)1.客運專線牽引供電系統(tǒng)京津城際示意圖571.2客專牽引供電系統(tǒng)運行方式58運行工況：Ⅰ-a：正常運行Ⅰ-b：正常運行，所有AT所斷開Ⅱ-a：越區(qū)供電Ⅱ-b：越區(qū)供電，AT所斷開59距離保護電流保護電流增量保護2.牽引網(wǎng)保護配置與整定計算

60一、AT供電方式簡介對牽引網(wǎng)AT變壓器：616263接觸線與正饋線截面相等對稱懸掛64AT牽引網(wǎng)阻抗曲線TR或FR故障無法用電抗法測距65AT供電方式常采用吸上電流比測距原理66京津城際短路阻抗曲線67京津城際短路電流曲線68京津城際饋線保護配置與整定原則：正常運行與越區(qū)供電采用1套定值。二、全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)保護配置與整定計算京津城際饋線距離保護示意圖69京津城際的饋線保護模式探討：優(yōu)點：一套定值，越區(qū)供電時無需改變定值缺點：正常運行時末端較大范圍需要阻抗3段保護，動作速度慢。建議配置原則：正常運行與越區(qū)供電時采用不同的保護配置與整定。70正常供電方式D3、D4、AT所饋線保護配置：◆失壓保護◆線路有壓自動合閘

D1、D2保護配置： ◆阻抗1段 ◆電流速斷 ◆電流增量 ◆自動重合閘71(1)阻抗1段：電抗邊整定（按供電臂最大短路電抗整定）：電阻邊整定（按躲開最大負荷電阻整定）：（與機車保護和自耦變壓器保護配合）72(1)阻抗1段：求供電臂最大短路電抗需要考慮下圖中的幾種情況時的最大阻抗：73(2)電流速斷（按躲開最大負荷電流整定）：電流速斷保護原理框圖整定計算：74(3)電流增量（按躲開1列機車啟動電流整定）：電流增量原理框圖動作方程：整定計算：75(4)失壓保護：(5)線路有壓自動合閘：76越區(qū)供電方式

D1、D2保護配置：◆阻抗1段◆阻抗2段◆電流速斷◆過電流◆電流增量◆自動重合閘D5、D6保護配置：◆阻抗1段◆電流速斷◆電流增量◆自動重合閘（與正常供電時D1、D2相同）77合武線分區(qū)所主接線圖78武廣線分區(qū)所主接線圖79(1)阻抗1段：電抗邊整定按分區(qū)所SP處短路電抗的85％整定：電阻邊整定（按躲開最大負荷整定）：（與機車保護和自耦變壓器保護配合）80(2)阻抗2段：電抗邊整定按越區(qū)時最大短路電抗整定：電阻邊整定（按躲開最大負荷整定）：81(3)電流速斷：電流速斷按分區(qū)所SP處最大短路電流整定

與正常供電方式下的整定相同(4)電流增量：過電流定值按躲過最大負荷電流整定時限0.2s(4)過電流：82饋線保護配置及整定越區(qū)供電方式

D3、D4、D7、D8、所有AT所饋線保護配置：◆失壓保護◆線路有壓自動合閘（與正常供電時D3、D4相同）83牽引變壓器保護保護配置差動保護低壓啟動過電流保護過負荷保護非電量保護3.變壓器保護配置與整定計算84京津城際變壓器保護示意圖京津城際一組V/x變壓器組采用2套主保護及3套后備保護，國內(nèi)廠商一般采用1套主保護1套后備保護。85V/X變壓器組差動保護原理接線圖平衡關系:(1)差動保護:86平衡關系:(1)差動保護:單相三繞組變壓器差動保護原理接線圖87差動電流:制動電流:比率制動特性88整定原則：IDZ整定考慮不平衡與勵磁電流引起的誤差。K1考慮了流互和抽頭導致的