模塊3 軌道交通供電繼電保護和微機保護《軌道交通牽引供電系統(tǒng)》教學課件

《軌道交通牽引供電系統(tǒng)》?精品課件合集第X章XXXX模塊3

軌道交通供電繼電保護和微機保護3.1繼電保護的意義

一、城市軌道交通供電系統(tǒng)設置繼電保護的意義二、城市軌道交通供電系統(tǒng)繼電保護

三、繼電器的作用和符號一、城市軌道交通供電系統(tǒng)設置繼電保護的意義

城市軌道交通供電系統(tǒng)中包括一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)，總的來說一次系統(tǒng)比較簡單、更為直觀，設置上較為容易；而二次系統(tǒng)相對較為復雜，并且二次系統(tǒng)包括了大量的繼電保護裝置、自動裝置和二次控制、顯示回路。繼電保護裝置就是在供電系統(tǒng)中用來對一次系統(tǒng)進行監(jiān)視、測量、控制和保護的設各，由微機系統(tǒng)、繼電器、電源系統(tǒng)等組成的一套專門的自動裝置。為了確保城市軌道交通供電系統(tǒng)的正常運行，必須正確地設置繼電保護裝置。二、城市軌道交通供電系統(tǒng)繼電保護

1．城市軌道交通供電系統(tǒng)的工況(l)供電系統(tǒng)的正常運行這種狀況指系統(tǒng)中各種設備或線路均在其要求的狀態(tài)下進行工作；各種信號、指示和儀表均工作在允許范圍內。其含義是各種參數工作在規(guī)定或設計的范圍內；各開關設備均工作在所處模式所規(guī)定的極限狀態(tài)下。(2)供電系統(tǒng)的故障這種狀況指某些設備或線路出現(xiàn)了危及其本身或系統(tǒng)的安全運行，并有可能使事態(tài)進一步擴大。(3)供電系統(tǒng)的異常運行這種狀況指系統(tǒng)的正常運行遭到了破壞，但尚未構成故障。其含義是雖然系統(tǒng)仍然能工作，但已經處于臨界狀態(tài)，不允許持續(xù)較長時間，電力人員應必項及時處理。

2．供電系統(tǒng)繼電保護裝置的任務1)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中運行正常時，它應能完整、安全地監(jiān)視各種設備的運行狀況，為值班人員提供可靠的運行信息。2)供電系統(tǒng)中發(fā)生故障時，它應能自動、迅速、有選擇性地切除故障部分，并能保證非故障部分繼續(xù)運行。3)當供電系統(tǒng)中出現(xiàn)異常運行工作狀況時，它應能及時、準確地發(fā)出信號或警報，通知值班人員盡快做出及時處理。

不難看出，在城市軌道交通供電系統(tǒng)中裝設繼電保護裝置的主要作用是通過縮小事故范圍或預報事故的發(fā)生，來達到提高系統(tǒng)運行的可靠性，并最大限度地保證供電的安全和不間斷。因此，在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的繼電保護裝置就成了供電系統(tǒng)能否安全可靠運行的不可缺少的重要組成部分。

3．繼電保護裝置的基本要求對繼電保護裝置的基本要求有四點：選擇性、靈敏性、速動性和可靠性。實際上這四個要求主要是針對動作于跳閘的繼電保護裝置而言的。(1)選擇性當供電系統(tǒng)中發(fā)生故障時，繼電保護裝置應能有選擇性地將故障部分切除，也就是說僅將故障設備從系統(tǒng)中切除。也就是它應該首先斷開距離故障點最近的斷路器，以保證系統(tǒng)中其他非故障部分能繼續(xù)正常運行。

(2)靈敏性靈敏性指繼電保護裝置對故障和異常工作狀況的反應能力。保護裝置靈敏與否，一般用靈敏度來衡量。保護裝置的靈敏度應根據不利的運行方式和故障類型進行計算。靈敏度為被保護區(qū)發(fā)生短路時，流過保護安裝處的最小短路電流與保護裝置一次動作電流的比值，即(3)速動性速動性是指保護裝置應能盡快地切除短路故障?？s短切除故障的時間，就可以減輕短路電流對電氣設備的損壞程度，加快系統(tǒng)電壓的恢復，從而為電氣設備的自起動創(chuàng)造了有利條件，同時還提高了發(fā)電機并列運行的穩(wěn)定性。故障的切除時間是指保護裝置的動作時間與斷路器的跳閘時間之和。由于斷路器一經選定，其跳閘時間就已確定，目前我國生產的斷路器跳閘時間均在0．02s以下。所以實現(xiàn)速動性的關鍵是選用的保護裝置應能快速動作。

(4)可靠性保護裝置應能正確地動作，并隨時處于準備狀態(tài)。為確保保護裝置動作的可靠性，則要求保護裝置的設計原理、整定計算、安裝調試要正確無誤；同時要求組成保護裝置的各元件的質量要可靠、運行維護要得當、系統(tǒng)應盡可能的簡化有效，以提高保護的可靠性。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，相關保護設備應及時準確地動作，其他保護設備不動作；在系統(tǒng)正?；虺霈F(xiàn)瞬時性故障時，相關保護設備或其他保護設備應不動作。應該動作時，必須及時準確地動作，即不拒動，也稱為信賴性；不應該動作時，相關保護設備或其他保護設備應不動作，也就是不誤動，又稱安全性。正確動作率為正確動作率=4．繼電保護的基本原理及分類電力系統(tǒng)中的故障種類很多，但最為常見、危害最大的應屬各種類型的短路事故。一旦出現(xiàn)短路故障，電流將急劇增大、電壓將急劇下降、電壓與電流之間的相位角將發(fā)生變化。同時還伴隨系統(tǒng)的振蕩，引起系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定。能夠區(qū)分正常運行與故障、不正常運行之間差別的可測參變量，原則上都可以構成繼電保護的基本原理。繼電保護的常用區(qū)別特征是：電流、電壓、電流變化率、短路功率方向、阻抗、諧波等。繼電保護的分類如下：(1)按原理分電流變化的電流保護，有定時限過電流保護、反時限過電流保護、電流速斷保護、過負荷保護和零序電流保護、電流變化率和增量保護等；反映電壓變化的電壓保護，有過電壓保護和欠電壓保護；既反映電流的變化又反映電壓與電流之間相位角變化的方向過電流保護；反映電壓與電流之間比值，也就是反映短路點到保護安裝處阻抗的距離保護；反映輸人電流與輸出電流之差的差動保護，其中又分為橫聯(lián)差動和縱聯(lián)差動保護；用于反映系統(tǒng)中頻率變化的周波保護；專門用于反映變壓器內部故障的氣體保護(瓦斯保護)，其中又分為輕瓦斯和重瓦斯保護；專門用于反映變壓器溫度變化的溫度保護等。三、電源外線的一般設計原則4、對于電纜線路，引至同一電源變電所的兩回電源線路應敷設在不同的電纜通路或同一通路的不同支架和管道內。5、電纜（架空線）導體的輸送容量，應根據主變壓器容量確定。6、電纜（架空線）線路工程設計應考慮當地氣象條件。7、電纜（架空線）的技術條件應滿足運行要求。8、電纜型式及導線截面積的計算應根據不同環(huán)境溫度、敷設方式下的載流量等確定。9、電纜金屬外護套的感應電壓應滿足《電力工程電纜設計規(guī)范》(GB50217)的相關要求。三、電源外線的一般設計原則10、電纜（架空線）線路應滿足防雷要求。11、電纜（架空線）線路應滿足防震要求。12、電纜線路應滿足防蟻要求。13、電纜線路應滿足防火要求。14、電纜在主變電所外敷設時，可以采用隨道內、電纜溝、直埋、穿管等方式。15、電纜在主變電所內敷設時，可以采用電纜支架等方式。16、電纜（架空線）線路不應干擾線路附近通信設施的良好運行，否則應采取相應措施。17、沿電纜線路敷設的光纖的技術性能應滿足運行要求。第三節(jié)變壓器氣體和差動保護一、變壓器氣體保護在變壓器油箱內常見的故障有繞組匝間或層間絕緣破壞造成的短路，或高壓繞組對地絕緣破壞引起的單相接地。發(fā)生相間短路或單相接地故障時，故障點由短路電流或接地電容電流造成的電弧溫度很高，使附近的變壓器油及其他絕緣材料受熱分解產生大量氣體，并從油箱流向儲油柜上部。發(fā)生繞組的匝間或層間短路時，局部溫度升高也會使油的體積膨脹，排除溶解在油內的空氣，形成上升的氣泡；箱殼出現(xiàn)嚴重滲漏時，油面會不斷下降。氣體繼電器具有反映油箱內油、氣狀態(tài)和運行情況的功能，用它構成的氣體保護能反映油箱內的各種故障和不正常工作狀態(tài)。因此，氣體保護作為變壓器的主保護之一，被廣泛地應用于800kV·A及以下的油浸式變壓器上。1．氣體繼電器的構成和工作原理氣體繼電器是一種反應氣體壓力大小的繼電器，安裝在油箱與儲油柜之間連接管的中部。為了使油箱內的氣體能順利通過氣體繼電器而流向儲油柜，在安裝變壓器時，要求其頂蓋與水平面間有l(wèi)％-1．5％的坡度，使安裝繼電器的連接有2%-4％的坡度，均朝儲油柜方向向上傾斜，如圖3-11所示。保護原理：正常運行時，繼電器的開口杯內部充滿了油，開口杯因其自重抵消浮力后的力矩而處在上浮位置，固定在開口杯旁的磁鐵位于干簧觸點的上方，干簧觸點可靠斷開，輕瓦斯保護不動作；擋板在彈簧的作用下處在正常位置，磁鐵遠離干簧觸點，干簧觸點也是斷開的，重瓦斯保護也不動作。由于采取了兩個干簧觸點串聯(lián)和用彈簧拉住擋板的措施，使重瓦斯保護具有良好的抗震性能。當變壓器內部發(fā)生輕微故障時，所產生的少量氣體逐漸聚集在繼電器的上部，使繼電器內的油面緩慢下降，油面降到低于開口杯，開口杯自重加上杯內油重抵消浮力后的力矩將大于重錘自重抵消浮力后的力矩，使開口杯的位置隨著油面下降，磁鐵逐漸靠近干簧觸點，觸點到一定程度時觸點閉合，發(fā)出輕瓦斯動作的信號。當變壓器內部發(fā)生嚴重故障時，所產生的大量氣體形成從變壓器沖向儲油柜的強烈氣流，帶油的氣體直接沖擊著擋板，克服了彈簧的拉力使擋板偏轉，磁鐵迅速靠近午簧觸點，觸點閉合(重瓦斯保護動作)起動保護出口繼電器，使變壓器各側斷路器跳閘。2．氣體保護的接線氣體保護的原理接線圖如圖3-13所示。氣體繼電器KG的上觸點由開口杯控制，閉合后發(fā)出延時動作信號。KG的下觸點由擋板控制，動作后經信號繼電器KS啟動出口繼電器KCO，使變壓器各側斷路器跳閘。為了防止變壓器油箱內部嚴重故障時油速不穩(wěn)定，造成重瓦斯觸點時通時斷而不能可靠跳閘，KCO采用帶自保持電流線圈的中間繼電器。為防止氣體保護在變壓器換油或氣體繼電器實驗時誤動作，出口回路設有切換片XB，將XB倒向電阻側，可使重瓦斯保護改為只發(fā)信號。氣體繼電器動作后，在繼電器上部的排氣口收集氣體，檢查氣體的化學成分和可燃性，從而判斷出故障的性質。二、變壓器差動保護1．變壓器縱聯(lián)差動保護l)變壓器縱聯(lián)差動保護是利用比較變壓器兩側電流的幅值和相位的原理構成的。把變壓器兩側的電流互感器按差接法接線，在正常運行和外部故障時，流入繼電器的電流為兩側電流之差，其值接近為零，繼電器不動作；在內部故障時，流入繼電器的電流為兩側電流之和，其值為短路電流，繼電器動作。由此可見，變壓器兩側電流互感器的接線正確與否，將直接影響到縱聯(lián)差動保護的動作可靠性。將亨相變壓器聯(lián)結組標號的概念及其測試方法引入兩側電流互感器的接線，可以在投運前有效地保證變壓器縱聯(lián)差動保護電流回路的接線正確。圖文中，A、B、C表示相別；d、y表示電流互感器二次側接線形式；D、Y表示電流互感器一次側接線形式；表示變壓器一次側的電流互感器的變比；表示變壓器二次側的電流互感器的變比；表示變壓器自身的變比。2)三相聯(lián)結組與線圈同名端。由于變壓器的一、二次繞組被同一磁道所交鏈，故一、二次繞組的感應電動勢有一定的極性關系，即當一次繞組的某一端瞬時電位為正時，二次繞組也必有一電位為正的對應端，這兩個對應的同極性端點稱為同名端。3)變壓器縱聯(lián)差動保護電流回路的接線特點。在電力系統(tǒng)中，雙繞組變壓器通常采用Yd11的接線方式，如圖5-14a所示，因此，兩側電流的相位不一致，d側(就是二次側電流互感器的D側)電流比Y側電流超前。按照縱聯(lián)差動保護的構成原理，在正常運行和變壓器外部故障的情況下，必須保證流人差動繼電器的電流接近于零。為此，兩側CT(電流互感器)應采取相應的接線方式，變壓器Y側的CT采用Yd11接線，即滯后變壓器一次側；而變壓器d側的CT采用Yy12接線，即CT二次側的電流超前變壓器一次側。對Yd11接線的變壓器，當兩側的CT采用上述接線方式后，即可認為已消除了由于相位差的影響而出現(xiàn)的不平衡電流。同時，也可以認為能夠避免由于電流回路接線不當而引起的保護誤動。Yd11變壓器兩側CT的接線方式及向量關系如圖3-14b、c所示。2．主變壓器差動保護主變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的設備，它的故障將給供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重影響，特別是大型主變壓器更是很貴重的設備。變壓器內部的某些故障如匝間短路、鐵心絕緣損壞等，雖然最初故障電流較小，但對于油浸式變壓器，產生的電弧將引起變壓器內部的絕緣油分解，產生可燃性氣體，嚴重時引起噴油或爆炸。為避免主變壓器事故的擴大，要求變壓器內部發(fā)生故障時應迅速切斷電，使其退出運行。主變壓器的過電流保護具有一定時限，動作不夠迅速，變壓器速斷保護雖動作迅速，但動作電流整定較大，對于輕微的內部故障不能反映。而且在變壓器內部，靠近二次側出線處還存在“死區(qū)”(速斷保護不到的地方)。因此規(guī)定，對于大容量的主變壓器應裝設電流差動保護。(1)電流差動保護的原理(2)電流差動保護的接線方式實際上大容量高電壓的變壓器通常按Yd接線，即高壓側接成星形、低壓側接成三角形，(3)不平衡電流產生的原因和消除方法l)由變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流。2)由計算變比與實際變比不同而產生的不平衡電流。CT的變比是標準化的，600/5,800/5,1000/5,1200/5。因此產生不平衡電流。消除方法是利用差動繼電器的平衡線圈進行磁補償，4．差動保護的運行注意事項一是差動保護動作，主變壓器跳閘后，應查明原因或進行內部檢查，確無異常時，方可送電。二是停電工作中，若涉及差動回路，則其投運時應接信號。同時要對它進行多角度試驗和測量不平衡電壓值。在確保無異常時，方可投入使用。第四節(jié)幾種常用的繼電保護

一、限時過電流保護系統(tǒng)中發(fā)生短路時，其特征之一就是線路中的電流劇增。過電流保護就是利用這一特征在電流增長到超過事先按最大負載電流整定的數值而引起動作的一種保護裝置。限時過電流保護的種類按時限特性可分為定時限過電流保護和反時限過電流保護。1．反時限過電流保護：繼電保護的動作時間與短路電流的大小有關，短路電流越大，動作時間越短；短路電流越小，動作時間越長，這種保護就叫做反時限過電流保護。2．定時限過電流保護：繼電保護的動作時間與短路電流的大小無關，時間是恒定的，時間是靠時間繼電器的整定來獲得的。時間繼電器在一定范圍內是連續(xù)可調的，這種保護方式就稱為定時限過電流保護。保護裝置的動作時間：只決定于時間繼電器的預先整定時間，而與被保護回路的短路電流大小無關，所以這種過電流保護稱為定時限過電流保護。(l)電流的整定過電流保護裝置中的電流繼電器動作電流的整定原則，是按照躲過被保護線路中可能出現(xiàn)的最大負荷電流來考慮的。也就是只有在被保護線路故障時才啟動，而在最大負荷電流出現(xiàn)時不應動作。為此必須滿足以下兩個條件：1)在正常情況下，出現(xiàn)最大負荷電流時(電動機的啟動和自啟動電流以及用戶負荷的突增和線路中出現(xiàn)的尖峰電流等)不應動作。即式中，是過電流保護繼電器的一次動作電流；是最大負荷電流；是電動機自起動系數。

2)保護裝置在外部故障切除后應能可靠地返回。因為短路電流消失后，保護裝置有可能出現(xiàn)最大負荷電流，為保證選擇性，已動作的電流繼電器在這時應當返回。因此保護裝置的一次返回電流應大于最大負荷電流。(2)動作時限的整定原則為使過電流保護具有一定的選擇性，各相鄰元件的過電流保護應具有不同的動作時間。在線路、、的靠近電源端分別裝有過電流保護裝置1、2、3，如圖3-18所示。當D1點發(fā)生短路時，短路電流由電源提供并流過保護裝置1、2、3，當短路電流大于它們的整定值時，各套保護裝置均起動。但按選擇性的要求，應只由保護裝置3(離故障點最近)動作于跳閘。在故障切除后，保護裝置1、2返回。因此就必須使保護裝置2的動作時間較保護裝置1長一些；而保護裝置3又要比保護裝置2長一些，并依次類推，即階梯性時限特性：各級保護裝置的動作時限是由末端向電源端逐級增大的。也就是越靠近電源端，保護的動作時限越長，如階梯一樣，故稱為階梯性時限特性。各級之間的時限均差一個固定的數值，稱為時限級差。對于定時限過電流保護的時限級差一般為0．5s；對于反時限的時限級差一般為0．7s。越靠近電源端，線路的阻抗越小，短路電流將越大，而保護的動作時間越長。

(3)過電流保護的保護范圍：過電流保護可以保護設備的全部，也可以保護線路的全長，還可以作為相鄰下一級線路穿越性故障的后備保護。階梯性時限特性：各級保護裝置的動作時限是由末端向電源端逐級增大的。也就是越靠近電源端，保護的動作時限越長，如階梯一樣，故稱為階梯性時限特性。各級之間的時限均差一個固定的數值，稱為時限級差。對于定時限過電流保護的時限級差一般為0．5s；對于反時限的時限級差一般為0．7s。越靠近電源端，線路的阻抗越小，短路電流將越大，而保護的動作時間越長。

(3)過電流保護的保護范圍：過電流保護可以保護設備的全部，也可以保護線路的全長，還可以作為相鄰下一級線路穿越性故障的后備保護。二、電流速斷保護電流速斷保護是一種無時限或略帶時限動作的電流保護。它能在最短的時間內迅速切除短路故障，減小故障持續(xù)時間，防止事故擴大。電流速斷保護又分為瞬時電流速斷保護和略帶時限的電流速斷保護兩種。電流速斷保護簡單可靠，完全依靠短路電流的大小來確定保護是否需要啟動。它是按一定地點的短路電流來獲得選擇性動作，動作的選擇性能夠保證，動作的靈敏性能夠滿足要求，整定調試準確和方便。瞬時電流速斷保護與過電流保護的區(qū)別在于它（瞬時電流速斷保護）的動作電流值不是躲過最大負荷電流，而是必須大于保護范圍外部短路時的最大短路電流。即按躲過被保護線路末端可能產生的三相最大短路電流來整定。從而使速斷保護范圍被限制在被保護線路的內部，從整定值上保證了選擇性，因此可以瞬時跳閘。當在被保護線路外部發(fā)生短路時，它不會動作，所以不必考慮返回系數。由于只有當短路電流大于保護裝置的動作電流時，保護裝置才能動作，所以瞬時電流速斷保護不能保護設備的全部，也不能保護線路的全長，而只能保護線路的一部分。當線路故障時，瞬時電流速斷保護動作，運行人員根據其保護范圍較小這一特點，可以判斷故障發(fā)生在線路首端，并且靠近保護安裝處；如為雙電源供電線路，則由兩側的瞬時電流速斷保護同時動作或同時都不動作，可判斷故障發(fā)生在線路的中間部分。三、略帶時限的電流速斷保護瞬時電流速斷保護最大的優(yōu)點是動作迅速，但只能保護線路的首端。而定時限過電流保護雖能保護線路的全長，但動作時限太長。因此，常用略帶時限的電流速斷保護來消除瞬時電流速斷保護的“死區(qū)”，要求略帶時限的電流速斷保護能保護全線路。這樣，當下一段線路始端發(fā)生短路時，保護也會啟動。為了保證選擇性的要求，須使其動作時限比下一段線路的瞬時電流速斷保護大一個時限級差，其動作電流也要比下一段線路瞬時電流速斷保護的動作電流大一些。略帶時限的電流速斷保護可作為被保護線路的主保護。四、三段式過電流保護裝置一般情況下，為了對線路進行可靠而有效的保護，也常把瞬時電流速斷保護(或略帶時限的電流速斷保護)和定時限過電流保護相配合構成兩段式電流保護。對于第一段電流保護，究竟采用瞬時電流速斷保護，還是采用略帶時限的電流速斷保護，可由具體情況確定。如用在線路和變壓器組接線，以采用瞬時電流速斷保護為佳。也就是說，其保護范圍可保護到線路全長并延伸到變壓器高壓側。這時的電流保護可以作為主保護；第二段一般均采用定時限過電流保護作為后備保護，其保護范圍含線路和變壓器組的全部。通常在被保護線路較短時，第一段電流保護均采用略帶時限的電流速斷保護作為主保護；第二段采用定時限過電流保護作為后備保護。采用三段式電流保護時，任何一段保護都作用于三相斷路器。五、零序電流保護電力系統(tǒng)中，發(fā)電機或變壓器的中性點運行方式有中性點不接地、中性點經消弧線圈接地和中性點直接接地三種方式。10kV系統(tǒng)采用的是中性點不接地的運行方式。系統(tǒng)運行正常時，三相是對稱的，三相對地間均勻分布有電容。在相電壓作用下，每相都有一個超前的電容電流流人地中。這三個電容電流數值相等、相位相差，其和為零，中性點電位為零。理論上對于三相對稱系統(tǒng)，網絡中任何處的三倍零序電流滿足當系統(tǒng)出現(xiàn)非全相運行或斷路器三相觸頭不同時合閘時，零序電流就不為零，而在系統(tǒng)正常運行、過負荷、振蕩和相間短路時，不會出現(xiàn)零序電流，保護不動作。零序電流保護的元件：有零序電流互感器(也可以用零序電流濾波器)和零序電流繼電器。它們可安裝在任何地方，一般對于架空線路采用零序電流濾波器，對于電纜則采用零序電流互感器。零序電流保護也分為無時限電流速斷、帶時限電流速斷和零序過電流保護。直流牽引供電系統(tǒng)模型可描述為一個多直流電流供電系統(tǒng)，當短路發(fā)生時，其等效回路為兩個直流電源和電阻、電感的串聯(lián)回路，如圖3-19所示。根據電路原理，有式中，L是回路的等效電感；R是系統(tǒng)的等效電阻。七、過負荷保護過負荷保護是為防御變壓器因過負荷造成異常運行而裝設的。對于三相系統(tǒng)而言，由于大多數情況下，都是三相對稱的，故過負荷保護只要接入一相電流，通過電流繼電器就可以實現(xiàn)，并經過一定的延時作用于信號，告知值班人員。