基于地铁牵引供电系统的继电保护整定配合研究

武 汉 理 工 大 学毕业设计（论文）题目：基于地铁牵引供电系统的继电保护整定配合研究函 授 站（学习中心）： 昆 明 专 业： 学生姓名： 指导教师： 层 次： 专升本 年 级： 2015 年 02 月 25 日摘 要牵引供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施，其功能是为轨道交通系统中的电力车辆供电，确保轨道交通列车车辆的正常运行。采用直流牵引供电的城市轨道交通，其核心的技术是直流牵引供电系统化的控制和保护装置，为地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行提供保障的。所以在保证直流牵引供电系统安全可靠地向列车供电方面，其保护装置发挥了极其重要的作用。地铁直流牵引供电系统的保护，可以分为两部分：牵引整流机组保护和直流馈线保护。本文将从理论开始讲述地铁直流牵引供电系统的保护种类及原理，最终并结合现场资料数据来对牵引整流机组保护和直流馈线保护的整定配合做进一步的讨论与研究。关键词：馈线； 直流； 保护； 地铁目 录1 直流牵引供电保护系统概述 .11.1保护系统概述 .11.1.1电流参数的测量 .11.1.2电压参数的测量 .11.1.3阻抗参数的测量 .11.2 直流供电系统保护的研究现状 .12 直流牵引供电系统短路计算 .22.1牵引整流机组 .22.1.1 牵引整流机组原理 .22.1.2 牵引整流机组的接入与输出 .32.2直流系统短路计算 .32.2.1 计算意义 .32.2.2 计算内容 .32.2.3 计算方法 .42.2.4 计算过程分析 .43 直流牵引供电系统保护 .113.1 直流供电系统保护原理 .113.1.1 直流系统保护设置的意义 .113.1.2 保护原理 .113.2 直流牵引供电系统保护的要求 .123.3 保护的实现方式 .124 地铁牵引供电系统保护介绍 .124.1大电流脱扣保护 .134.2电流上升率保护（DI/DT）和电流增量保护（I） .134.3过流保护 .144.4双边联跳保护 .154.5直流设备检测与自动重合闸功能 .155 地铁牵引供电系统保护整定配合 .165.1直流馈线保护的死区 .165.2单边供电时保护死区分析 .165.3大双边供电时保护死区分析 .175.4运行列车主保护不能断弧形成的死区分析 .175.5地铁牵引供电系统主保护相互配合的基本原则 .176 框架故障保护与轨电位限制装置 .176.1框架泄漏保护装置介绍及整定 .176.2钢轨电位限制装置介绍及整定 .186.3框架故障保护的整定值及其与钢轨电位限制装置的配合 .19结 论 .21致 谢 .22参考文献 .2311 直流牵引供电保护系统概述直流牵引供电的控制和保护系统对确保轨道交通的安全、可靠的运行，具有举足轻重的作用。随着电子技术、计算机技术的发展，人们采用微处理器实现了电流上升率和电流增量等保护，极大地提高了供电保护的可靠性和准确率。目前最先进的方法是采用基于单片机或可编程序控制器（PLC）的数字式继电保护装置取代了传统的继电器等保护装置，从而大大提高了可靠性、保护性能以及配电自动化程 。1.1 保护系统概述保护系统通过直流分流器、直流传感器、霍尔传感器、隔离变送器、分压器等元件测量线路的电压和电流，一旦 PLC 检测出线路故障，断路器分闸，从而实现保护功能。保护共有三种：分别测量电流、电压和阻抗的参数来实现对线路的保 。1.1.1 电流参数的测量通过测量和分析馈电回路的电流及其上升率 di/dt 和增量I，实现对线路的保护。如：直流速断保护、直流过流保护、电流上升率 di/dt 和增量I 保护等。1.1.2 电压参数的测量通过测量和分析馈电回路的电压，实现对线路的保护。如：直流低电压保护、电压降保护、U 保护、钢轨带电馈电电压 监测等。1.1.3 阻抗参数的测量通过测量馈电回路的电流和电压，计算出阻抗并加以分析，实现对线路的保护。通过分析线路阻抗来控制线路故 。1.2 直流供电系统保护的研究现状在轨道交通直流供电保护领域内，国产保护设备还处于起步阶段。目前，国内的地铁直流保护设备主要引进国外保护单元，在国内各地的工程建设中，因各地的实际情况不同，所采用的保护装置也不同。目前存在的主要困难是：一般直流保护与直流快速开关作成整体，而直流快速开关尚未国产化，难于找到很好的配套厂家；另外，缺乏大量的现场实测数据来检验所提原理和研制的保护的可行性。由于地铁直流牵引供电系统保护装置还未实现国产化，市场被国外产品所垄断。为了改变这种不利的现状，国内主要的地铁设备供应商都在积极的筹划开发该产品。但是在国外相关技术己经成熟，产品已经占领市场的情况下，如果还从基础开始研发，不但投入的科研经费巨大，研发周期长，研发风险大大增加，而且随着国外技术的进一步发展，我们和国外的技术水平相差越来越远。因此，要在短期内研发出该系统，首先应学习消化国外产品，分析其研发思路，在此基础上，研发出拥有自主知识产权的产品出来。22 直流牵引供电系统短路计算城市轨道交通直流牵引供电系统短路计算具有供电电源多、供电方式多、供电回路多和回路参数多等特殊性，所以对直流牵引供电系统短路不能直接套用一般的交流短路计算方法。而应根据直流牵引供电的特点，建立数学模型，利用基本电路定律，推导出一套符合短路试验结果、适合于工程设计的计算公式。这其中最关键的是直流牵引双边供电等效电路模型的建立。在分析直流牵引供电系统短路计算之前，有必要对牵引整流机组和直流主接线做简单的介绍。2.1 牵引整流机组城市轨道交通直流牵引变电所的主接线，包括交流 10kV35kV 受配电系统和直流 0.75kV1.5kV 受馈电系统两部分，整流机组（整流变压器整流器组）则是作为交、直流系统变换的重要环节设置的。2.1.1 牵引整流机组原理为了提高功率因数，降低牵引变压器网侧线电压波形畸变，以减少对电网的干扰，以及降低输出直流电压的纹波系数，城轨供电系统中的牵引整流机组采用两台三绕组 12 脉波整流变压器并联运行，构成等效 24 脉波整流电路。单台整流器由两个三相 6 脉冲全波整流桥组成，其中一个整流桥接至牵引变压器阀侧星型绕组，另一个整流桥接至牵引变压器阀侧三角形绕组。因为每台牵引变压器阀侧星型绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开 30，两个整流桥并联连接构成 12 脉波整流，如图 2-1 所示。等效 24 脉波整流由两台整流器构成，它们可以并联工作，也可以串联工作。两台牵引变压器的网侧绕组采用延边三角形移相的方法，相对于交流线电压，一台牵引变压器网侧星型绕组移相 5.7，另一台移相 5.7，则两台牵引变压器网侧电压相位差为 15，而合成后其阀侧星型和三角形绕组的线电压相位差为15，经整流后输出 24 脉波电压。ABCXYZx 1y 1z 1x 2y 2z 2a 1b 1c 1a 2b 2c 2+-(a) 12 脉波整流机组电路图3EAEBECEA BEB CEC AEa 2Eb 2Ec 2Ea 2 b 2Eb 2 c 2Ec 2 a 2Ea 1Eb 1Ec 1Ea 1 b 1Eb 1 c 1Ec 1 a 13 0oEa 2 b 2Eb 2 c 2Ec 2 a 2Ec 1 a 1Ea 1 b 1Ea 1 c 1Ea 2 c 2Eb 1 a 1Eb 2 a 2Ec 2 b 2Ec 1 b 13 0o(b) D/dy11 整流变压器绕组电压矢量图 (c) 12 脉波整流绕组导电顺序图图 2-1 12 脉波整流机组电路和矢量图2.1.2 牵引整流机组的接入与输出(1) 整流机组接入方案综述城市轨道交通牵引整流机组挂接在 35kV 供电网上，其接线形式一般有母线分段和母线不分段两种。为保证并联时直流电压相等和负荷分配均匀，消除环流，一般采用母线不分段，以确保两整流机组输入一致性的要求。国外大型整流机组一般均接在一条母线上。(2) 整流机组的输出国内外与 750V 直流母线的连接方案，包括与正极母线和负极母线的连接。整流器正极通过直流断路器与 DC750V 母线相连，负极通过隔离开关与负极柜中的负母排连接。直流母线采用单母线接线形式。正线牵引变电所采用四路馈线向接触轨双边供电。上（下）行左右臂之间设电动隔离开关，以实现牵引变电所解列时相邻牵引变电所的越区供电。DC750V 馈线开关采用直流快速断路器。直流 750V 正母线对地间设置一台避雷器作过电压保护用。2.2 直流系统短路计算2.2.1 计算意义为使直流牵引供电系统在城市轨道交通中更有效的发挥作用，必须保证继电保护的可靠性、选择性、灵敏性和速动性。而直流系统短路计算正是城市轨道交通直流牵引供电系统设备选型及继电保护整定所必须具备的基础条件。只有在直流系统短路计算之后，才能够进行直流系统设备选型与继电保护整定。2.2.2 计算内容直流系统短路计算一般需要计算以下内容：(1) 正常情况下双边供电时，各供电区间任一点的直流短路电流。(2) 任一中间牵引变电所解列时，由相邻牵引变电所构成大双边供电时的区间任一点的直流短路电流。(3) 端头牵引变电所解列时，由次端头牵引变电所单边供电的区间任一点的直流短路电流。42.2.3 计算方法直流牵引供电系统短路计算有两种方法：电路图法和示波图法，由于示波图法是建立在工程实践基础之上，通过对现场短路试验所拍摄的示波图进行数理分析，而计算出相关参数，因此本文仅应用电路图法进行直流系统短路计算。(1) 电路图法这一方法是针对城市轨道交通直流牵引供电系统电源多、供电回路多、供电方式多、回路参数多的特点，按照实际供电网络画出等效电路图、进行网络变换，在供电网络中只包括电阻。再将网络变换后的电路图利用基本定律欧姆定律、基尔霍夫定律进行计算。该方法只能计算稳态短路电流 KI，而不能计算供电回路的时间常数 和短路电流上升率 di/dt,这是该计算方法的不足。 用电路图法进行直流短路计算需要以下两个假设条件：a. 牵引供电网络中，电源电压 U相同。b. 牵引变电所为电源电压，其内阻 因不同的短路点而改变，不认为是一个固定值。 用电路图法进行直流短路计算需要输入以下三个条件：a. 牵引变电所直流母线电压 （V） ；b. 牵引变电所内阻 （ ） ；c. 牵引网电阻 R（ ） 。(2) 牵引变电所内阻牵引变电所内阻包括以下四个部分设备的阻抗：交流中压电缆、牵引变压器、整流器、直流电缆。下面介绍从北京地铁现场短路试验中心总结出来的，便于工程应用的经验公 1式 ，其计算结果包括了中压电缆和直流电缆。经验计算公式如下： TndrSUk9.012（2-1）式中 nU直流侧额定电压（kV） ；d牵引变压器短路电压百分值；TS变压器容量（MVA） ；n牵引整流机组台数；rk内阻系数，根据短路点距离牵引变电所的不同距离，可取不同值。2.2.4 计算过程分析各种供电方式下直流短路电流计算公式推导如下：(1) 一座牵引变电所单边供电（不考虑相邻牵引变电所的影响）5 等效电路图，如图 2-2 所示。 1R2R1UIKI+_图 2-2 一座牵引变电所单边供电直流短路等效示意图 短路电流： 12KIR（2-2）式中 U牵引变电所母线电压（V） ；1牵引变电所内阻（ ） ； R接触网电阻（ ） ；2走行轨电阻（上下行并联） （ ） 。(2) 一座牵引变电所单边供电（考虑相邻一座牵引变电所的影响） 等效电路图，如图 2-3 所示。2R2U1IKI+_R4上3R下12 2R2U1IKI+_R4312I图 2-3 一座牵引变电所单边供电直流短路等效示意图（考虑一座相邻牵引变电所的影响） 网孔电流。根据 KVL 定律，对以上电路图可列方程：网孔 1： 12IRU网孔 2： 0对以上方程求解得： 121IR（2-3）6122IR（2-4） 总短路电流： 1KI（2-5） 各变电所短路电流： 12II（2-6）（2-7）式中 U牵引变电所母线电压（V） ；1、 2牵引变电所内阻（ ） ；R接触网电阻（