牽引供電系統(tǒng)保護(hù)原理課件

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)保護(hù)原理

1AT(自耦變壓器)供電方式牽引電流通過電力機(jī)車后從負(fù)饋線返回。供電電壓提高，更能適應(yīng)大功率負(fù)荷的供電，功率輸送能力強(qiáng)，供電距離遠(yuǎn)，可減少牽引變電所數(shù)量，減少電分相數(shù)目，機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，供變電設(shè)施較多，運(yùn)營維護(hù)難度較大2全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)在復(fù)線AT供電方式的基礎(chǔ)上，將上下行牽引網(wǎng)的接觸線（T）、鋼軌（R）和負(fù)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(yùn)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(gòu)成及運(yùn)行狀態(tài)①電力系統(tǒng)的構(gòu)成

發(fā)電→輸電→變電→用電②電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)

◆短路（電壓↓，電流↑） ◆不正常運(yùn)行狀態(tài)1.1繼電保護(hù)概述5二、繼電保護(hù)的作用①定義 反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運(yùn)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(fù)正常運(yùn)行。6◆反應(yīng)不正常運(yùn)行狀態(tài) 根據(jù)運(yùn)行維護(hù)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(yùn)行狀態(tài)下的“差異”； ◆區(qū)分出三種運(yùn)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(hù)任務(wù)。79電流保護(hù)原理圖10三、對繼電保護(hù)的基本要求①可靠性

◆安全性 要求繼電保護(hù)在不需要它動作時可靠不動作（不誤動）。 ◆依賴性 在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生應(yīng)該動作的故障時應(yīng)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(shè)備和用戶在大短路電流和低電壓下的運(yùn)行時間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)運(yùn)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(jī)、變壓器及電動機(jī)內(nèi)部發(fā)生的故障；◆線路導(dǎo)線截面過小，不允許延時切除的故障；

故障切除時間=保護(hù)裝置動作時間+斷路器動作時間13④靈敏性

對保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)的反應(yīng)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(hù)動作的依賴性，但有時與保護(hù)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(hù)性能的基礎(chǔ)。在它們之間，既有矛盾的一面，又要根據(jù)被保護(hù)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(hù)中得到統(tǒng)一。141.2電流保護(hù)原理

◆電流速斷保護(hù) ◆限時電流速斷保護(hù) ◆過電流保護(hù)15整定計(jì)算可靠性系數(shù)，一般取1.2～1.3最大運(yùn)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(hù)固有動作時間17保護(hù)范圍校驗(yàn)最大運(yùn)行方式下三相短路時保護(hù)范圍最大，最小運(yùn)行方式下兩相短路時保護(hù)范圍最小。線路全長最小運(yùn)行方式下兩相短路時的保護(hù)范圍18電流速斷保護(hù)的評價優(yōu)點(diǎn)：簡單可靠，動作迅速缺點(diǎn)：不可能保護(hù)線路的全長保護(hù)范圍直接受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響。結(jié)論：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化很大，或者被保護(hù)線路的長度很短時，速斷保護(hù)就可能沒有保護(hù)范圍，因而不能采用。19整定原則保護(hù)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(jì)算動作電流：動作電流按躲開下一條線路流速斷保護(hù)的動作電流進(jìn)行整定。保護(hù)范圍不超出下一條線路無時限電流速斷保護(hù)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(hù)的動作值21動作時限22被保護(hù)線路末端的最小兩相短路電流靈敏度校驗(yàn)限時電流速斷保護(hù)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(hù)與下一線路限時速斷保護(hù)配合。23三、定時限過電流保護(hù)（電流Ⅲ段）——反應(yīng)電流增大而動作，它要求能保護(hù)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(hù)拒動的近后備保護(hù)，也作為下一條線路保護(hù)和斷路器拒動的遠(yuǎn)后備保護(hù)。

M25動作電流：按躲開被保護(hù)線路的最大負(fù)荷電流，且在自起動電流下繼電器能可靠返回進(jìn)行整定。整定原則及計(jì)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(guān)，為此稱為定時限。27評價優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)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(hù)），而且能作為下一條線路的遠(yuǎn)后備。

缺點(diǎn)：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(hù)原理一、問題的提出

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

距離保護(hù)是反應(yīng)保護(hù)安裝處至故障點(diǎn)的距離（阻抗大小）而確定動作時限的一種保護(hù)裝置（阻抗保護(hù)）----牽引網(wǎng)的主保護(hù)。30二、距離保護(hù)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(hù)的實(shí)質(zhì)是用測量阻抗與被保護(hù)線路的整定阻抗比較。當(dāng)短路點(diǎn)在保護(hù)范圍以外時，即時，繼電器不動作；當(dāng)短路點(diǎn)在保護(hù)范圍以內(nèi)時，即時，繼電器動作。Z123432AB321ZZZC距離保護(hù)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(fù)荷阻抗，階梯時限特性————后備保護(hù)主保護(hù)三、距離保護(hù)的整定33四、距離保護(hù)的時限特性距離保護(hù)的動作時間t

與保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的距離l

之間的關(guān)系稱為距離保護(hù)的時限特性

=t’2＋Δt=t”’2＋ΔtAB321ZZZCt’3t”3t”’3t’2t”2t’1t”’2保護(hù)3的Ⅰ段保護(hù)3的Ⅱ段保護(hù)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(dāng)在保護(hù)安裝地點(diǎn)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(hù)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(shè)輔助保護(hù)（主要為電流速斷保護(hù)）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(dāng)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(hù)裝置誤動作?！綦娀‰娮鑼ΡＷo(hù)的影響 在短路點(diǎn)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(hù)的正確動作。 一般采用偏移阻抗繼電器提高躲負(fù)荷能力六、影響距離保護(hù)的因素及防止措施

381.4牽引網(wǎng)饋線保護(hù)一、牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)

◆單相、移動、沖擊性負(fù)荷； ◆負(fù)荷電流變化范圍大； ◆負(fù)荷電流中的諧波含量高（20%～30%），在再生工況下更高（可達(dá)40%以上）； ◆空載投入機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，接觸網(wǎng)機(jī)械故障的機(jī)率增大。

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

◆躲故障過渡電阻能力

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

◆相控整流電力機(jī)車負(fù)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(jī)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?；舅枷耄焊鶕?jù)負(fù)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(yīng)調(diào)節(jié)動作邊界自適應(yīng)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(jī)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(hù)誤動作。

◆判據(jù)

433.距離保護(hù)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(fù)荷阻抗整定，即：44三、電流增量保護(hù)1.目的

提高躲過渡電阻能力

2.基本思想

◆負(fù)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(fù)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(fù)荷→負(fù)荷

負(fù)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(jìn)后躲過渡電阻的能力大大增強(qiáng)。

476.特點(diǎn)◆可按一列機(jī)車起動電流整定

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

◆綜合諧波抑制 ◆二次諧波閉鎖49五、反時限過負(fù)荷保護(hù)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(diǎn)：近處故障時動作時限短，遠(yuǎn)處故障時動作時間自動加長。501.5牽引變壓器保護(hù)一、差動保護(hù)1.作用 保護(hù)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(hù)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(hù)1.作用 ◆變壓器差動保護(hù)近后備 ◆饋出線保護(hù)的遠(yuǎn)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(fù)荷電壓按額定電壓的60%～70%整定。52

1.高壓側(cè)低壓啟動過電流保護(hù)原理框圖532.α相低壓啟動過電流保護(hù)原理框 3.β相低壓啟動過電流保護(hù)原理框圖54三、反時限過負(fù)荷保護(hù)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(fù)荷運(yùn)行，牽引變壓器由于各相牽引負(fù)荷不等因此過負(fù)荷信號應(yīng)裝在兩重負(fù)荷相上。55四、非電量保護(hù)1.瓦斯保護(hù)

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(diǎn)構(gòu)成瓦斯保護(hù)。2.壓力保護(hù)

當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)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(hù) 非電量保護(hù)在變壓器的繼電保護(hù)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(hù)的重要補(bǔ)充。

561.1客專牽引供電系統(tǒng)1.客運(yùn)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(yùn)行方式58運(yùn)行工況：Ⅰ-a：正常運(yùn)行Ⅰ-b：正常運(yùn)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(hù)電流保護(hù)電流增量保護(hù)2.牽引網(wǎng)保護(hù)配置與整定計(jì)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(hù)配置與整定原則：正常運(yùn)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(hù)配置與整定計(jì)算京津城際饋線距離保護(hù)示意圖69京津城際的饋線保護(hù)模式探討：優(yōu)點(diǎn)：一套定值，越區(qū)供電時無需改變定值缺點(diǎn)：正常運(yùn)行時末端較大范圍需要阻抗3段保護(hù)，動作速度慢。建議配置原則：正常運(yùn)行與越區(qū)供電時采用不同的保護(hù)配置與整定。70正常供電方式D3、D4、AT所饋線保護(hù)配置：◆失壓保護(hù)◆線路有壓自動合閘

D1、D2保護(hù)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(fù)荷電阻整定）：（與機(jī)車保護(hù)和自耦變壓器保護(hù)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(fù)荷電流整定）：電流速斷保護(hù)原理框圖整定計(jì)算：74(3)電流增量（按躲開1列機(jī)車啟動電流整定）：電流增量原理框圖動作方程：整定計(jì)算：75(4)失壓保護(hù)：(5)線路有壓自動合閘：76越區(qū)供電方式

D1、D2保護(hù)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(hù)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(fù)荷整定）：（與機(jī)車保護(hù)和自耦變壓器保護(hù)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(fù)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(fù)荷電流整定時限0.2s(4)過電流：82饋線保護(hù)配置及整定越區(qū)供電方式

D3、D4、D7、D8、所有AT所饋線保護(hù)配置：◆失壓保護(hù)◆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(hù)保護(hù)配置差動保護(hù)低壓啟動過電流保護(hù)過負(fù)荷保護(hù)非電量保護(hù)3.變壓器保護(hù)配置與整定計(jì)算84京津城際變壓器保護(hù)示意圖京津城際一組V/x變壓器組采用2套主保護(hù)及3套后備保護(hù)，國內(nèi)廠商一般采用1套主保護(hù)1套后備保護(hù)。85V/X變壓器組差動保護(hù)原理接線圖平衡關(guān)系:(1)差動保護(hù):86平衡關(guān)系:(1)差動保護(hù):單相三繞組變壓器差動保護(hù)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(dǎo)致的