（电力系统及其自动化专业论文）多车直流牵引供电系统继电保护研究.pdf

硕士论文 a b s t r a c t r a i l w a yt r a f f i ci st h ek e yd e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no ft h ec i t yt r a f f i cs y s t e mi nt h e f u t u r e t h es e c u r i t yi st h em o s ti m p o r t a n tt h i n go ft h ew h o l ep u b l i ct r a f f i cs y s t e m h e n c e , t h er e l a yp r o t e c t i o ns t u d yo fm u l t i - c a r sd ct r a c t i o ns u p p l ys y s t e mi ss i g n i f i c a n t f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t yr a i l w a yt r a f f i ca n dt h ec o m p o s i n go ft h e u n d e r g r o u n dd ct r a c t i o ns u p p l ys y s t e mw e r ei n t r o d u c e db f i e f l gr e s p e c t i v e l y t h ed c p r o t e c t i o np r o b l e m so ft h eu n d e r g r o u n dt r a c t i o ns u p p l ys y s t e mw e r ed i s c u s s e da n dt h e s o l u t i o nw a sp r e s e n t e d t h ep r i n c i p l eo ft h er e l a yp r o t e c t i o no fm u l t i - c a r sd ct r a c t i o n s u p p l ys y s t e ma n d t h es e v e r a ld cf e e d e rp r o t e c t i o nm e t h o d sw e r ep r e s e n t e d s e c o n d l y , t h es h o r tc i r c u i t f a u l to ft h em u l t i - c a r st r a c t i o ns u p p l ys y s t e mw a s s i m u l a t e da n da n a l y z e d t h em u l t i - c a r sd cf e e d e rp r o t e c t i o n ( t r i p p i n gp r o t e c t i o no ft h e b i ge l e c t r i cc u r r e n t , p r o t e c t i o no fd i a r t + a 、) w e r ec o l l e c t e db ya n a l y z i n gt h ev o l t a i c c h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i ca tt h es i t u a t i o no ft h ee n g i n es t a r ta n dt h el i n ew e n tw r o n g t h e s e t t i n gp r i n c i p l ew a sg a i n e d t h ec o r r e c t n e s sa n dt h er a t i o n a l i t yo ft h es e t t i n gv a l u ew e r e v a l i d a t o d t h i r d l y , t h el a c ko ft h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v em e t h o do ns p e c i a l c o n d i t i o nw a s a n a l y z e d t h er a i l w a yd cs e l f a d a p t i o ne l e c t r i c a lc u r r e n tp r o t e c t i o nb a s e do nt h e e l e c t r i c a lc u r r e n ti n t e g r a la n da v e r a g ev a l u eo rc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i cw a sd e v e l o p e d t h e p r o t e c t i o no p e r a n tw a st e s t e df o rt h ef i r s tm e t h o d t h ev a l i d i t yw a sp r o v e db yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t a tl a s t ，t h ee x a m i n i n ge l e c t r i cc i r c u i ta n dt h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h em u l t i c a r s t r a c t i o ns u p p l ys y s t e mw e r ed e s i g n e d ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：m u l t i - c a r , d ct r a c t i o n , s u p p l ys y s t e m ，r e l a yp r o t e c t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：羔堕4 - 婴f 一- 之吁p 年钼f 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： - 。p 蔗) f 7 2 9 尸年二月f 7 日 硕士论文多车直流牵引供电系统继电保护研究 1 绪论 1 1 城市轨道交通发展 随着我国城市化进程不断深入，城市轨道交通的建设也进入高峰期。自1 8 6 3 年 英国的伦敦建成世界上首条地铁，人们就开始关注和探索城市轨道交通的社会经济属 性问题，特别是我国香港地区地铁运营模式的成功，使这一问题越来越受到人们的关 注。我国的轨道交通发展前景是宏大的，有着广阔的市场，该行业的发展壮大，将推 动轨道交通的各种配套技术尤其是高新技术产业的跟踪发展，进而形成城市轨道交通 行业的产业化生产体系【lj 。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，在国家政策的正确引导和各城市积极努力下，我国轨 道交通进入了一个快速发展期，建设规模之大是世界城市轨道发展史上少有的，凸显 了后发之势。截止到2 0 0 7 年底，全国( 不包括台湾地区和香港、澳门特别行政区) 已开通城市轨道交通的城市有：北京、上海、天津、广州、长春、大连、武汉、深圳、 重庆、南京1 0 个城市近3 0 条线，线路总长度已超过7 0 0 k m 。进入2 1 世纪以来，随 着大城市交通问题的日益突出，大力发展态势更为迅猛，全国4 8 个百万人口以上的 大城市中已有3 0 多个城市开展了城市轨道交通的建设或筹建工作，据有关课题组初 步统计，近期规划建设5 5 条线路，长约1 7 0 0 k m ，总投资达到6 0 0 0 多亿元，其中， 北京、广州的投资均将超过5 0 0 亿元，上海更是高达1 4 0 0 多亿元【2 】；我国远期线网 总长将超过3 0 0 0 k m 。预计至2 0 1 5 年，北京、上海、广州、深圳等2 2 个城市将建设 7 9 条轨道交通线路，总长度为2 2 5 9 8 4 公里，计划总投资8 8 2 0 0 3 亿元。 1 2 城市轨道供电系统和供电技术 城市轨道交通供电系统是自成体系的配电系统，是交通运营的动力源泉，为电动 机车牵引供电。由传统的交流供电系统和直流牵引供电系统两部分组成。随着城市轨 道交通地铁系统的发展，直流牵引供电系统得到了越来越多的关注和越来越广泛的应 用，研究高性能和可靠稳定的直流保护也随着成为非常迫切的任务。 城市轨道供电系统具备安全可靠、经济适用、调度方便的特点，应包括供电服务、 故障自救、自我保护、防误操作、便于调度、控制显示与计量、电磁兼容等功能 2 】。 按照功能的不同，城市轨道供电系统可分为以下几个部分：外部电源、主变电所或电 源开闭所、牵引供电系统、动力照明供电系统。 1 2 1 外部电源形式 城市轨道交通系统的外部电源方案，根据城市电网构成的不同特点，可采用集中 1 l 绪论 硕士论文 供电方式、分散供电方式、分散与集中相结合的混合供电方式【3 】。 ( 1 ) 集中供电方式 集中供电方式，即城轨供电系统从城网引入高压电源，向地铁的专用主变电所供 电，然后由它向地铁的牵引变电所和降压变电所供电，地铁自身组成完整的供电网络 系统。 来自城市电网来自城市电网 图1 1 集中供电示意图 ( 2 ) 分散供电方式 分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网分别向各沿线的地铁牵引变电所和降 压变电所供电，如图1 2 所示。这种供电方式一般为l o k v 电压级。前提条件是城市 电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量，并能满足地铁牵引供电的可靠性要求。 a 区域变电所 l o k v 图1 2 分散供电示恿图 ( 3 ) 混合供电方式 把集中式供电和分散式供电两种方式结合起来，一般以前者为主，可以充分利用 城市电网的资源，节约投资，供电可靠性和管理方便性不如集中供电方式。另外，当 构建分散式供电方案时，如果沿线有城市轨道交通主变电所可以资源共享，那么也可 以从主变电所引入中压电源，作为城网中压电源点的补充。 2 硕士论文多车直流牵引供电系统继电保护研究 1 2 2 主变电所或电源开闭所 主变电所的功能是接受城网高压电源，经过降压为牵引变电所、降压变电所提供 中压电源；主变电所适用于集中式供电。电源开闭所的功能是接受城市中压电源，为 牵引变电所、降压变电所转供中压电源，电源开闭所一般与车站牵引( 或降压) 变电 所合建；电源开闭所适用于分散式供电【2 j 。 1 2 3 牵引供电系统 牵引供电系统的功能是将交流中压电压经降压整流变成直流1 5 0 0 v 或直流 7 5 0 v ，为电动机车提供牵引供电。牵引供电系统包括直流牵引变电所、馈线、接触 网( 或地面供电线) 、轨道及回流线等部分【3 】，如图1 3 所示。 图中显示了一个典型的牵引变电系统的电气主接线图，该变电所将来自主变电所 的交流高电压( 典型值：3 3 k v ) 经整流机组( 包括变压器及整流器) 降压、整流为 直流1 5 0 0 v ，再经直流开关柜向接触网供电。 1 2 4 动力照明供电系统 动力照明供电系统包括降压变电所和动力照明配电系统。降压变电所将三相电源 进线电压降压变为三相3 8 0 v 交流电，供电范围为车站内的动力、照明、通信、信号、 防灾装置等用电负荷及区间内的用电负荷。配电所起着电能分配的作用，降压变电所 通过配电所将三相3 8 0 v 和单相2 2 0 v 交流电分别供给动力、照明设备，各配电所对 本车站及其两侧区间动力和照明等设备配电。 3 1 绪论 硕士论文 a ca c m，页、 仨一 z 义岁 q 主变电所卜1 一 j 1 一 q 牵引变电所 一 、 l 嘎法 碴 2接触网 回流线 自 轨道 图1 3 城市轨道交通供电系统的组成 1 3 多车直流牵引供电系统继电保护主要问题和解决方法 市电网 需要注意的是很多杂散电流发生在车辆段附近。因为对车辆段而言在列车检修、 清洗等工作中，为了保证工作人员的安全，需要将钢轨直接接地，车辆段内各轨道并 联，接地部分通过电力电缆连接到最近的牵引变电所。这种设置导致钢轨上的杂散电 流有了对地通路。在经济允许的情况下可单独建设一个牵引变电所对其供电，如果经 济不允许，则将车辆段钢轨与其他主线钢轨隔离，接地部分通过电缆连接到最临近的 变电所负端。这样使得主干线上的轨回流不经过车辆段，车辆段内列车注入钢轨的电 流尽量流至最临近的牵引变电所。车辆段供电与轨道、排流网设置情况如图1 4 所示。 4 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 i 善么7 道 离 主线轨道 士击 | r _ 车钠, 一c - g i 离半i玉击 1 4 论文的主要内容 s c c 杂散电流收集网 s e ：系统接地网 图1 4 车辆段情况 所c 论文首先简要介绍分析了城市轨道交通的发展，地铁直流牵引供电系统的基本构 成，对地铁牵引供电系统直流保护中存在的问题进行了论述并给出了解决方法。在此 基础上，本论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 论文首先叙述了地铁直流牵引供电系统保护的原理，和所采用的几种直流馈 线保护方法。 ( 2 ) 论文对地铁牵引供电系统进行了短路故障仿真分析，通过分析机车起动时和 线路发生故障时电流的变化特征，对地铁直流馈线保护( 大电流脱扣保护、西出+ 缸 保护) 进行配置，给出相应的整定原则，并对整定值设置的正确性和合理性加以验证。 ( 3 ) 分析在特殊情况下传统保护的不足，并通过比较机车起动时和线路发生故障 情况下的电流曲线特征，提出基于电流积分值和平均值或电流变化特征的地铁直流自 适应电流保护，并对第一种方法进行了保护动作的校验，仿真结果证明了自适应保护 的有效性。 ( 4 ) 分别对直流牵引供电系统进行了检测电路设计和控制软件设计。 5 2 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护原理及实例测算硕士论文 2 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护原理 2 1 直流牵引系统保护的工作原理 地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行是由直流供电控制和保护装置提供保障 的。在保证牵引供电系统安全可靠地向列车供电方面，直流牵引供电系统的保护发挥 了极其重要的作用。直流牵引供电系统包括直流开关柜、控制和保护系统、直流电缆、 接触网等。其中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。 直流牵引供电系统的保护，主要是依靠直流开关设备即直流断路器进行保护。在 直流牵引供电系统中，直流断路器按功能分为整流器回路断路器和馈线回路断路器。 整流器回路断路器主要控制和保护整流器侧直流输出，当整流器发生故障时，能快速 切断整流器的直流输出；直流馈线回路断路器，主要控制和保护馈线侧的牵引供电。 当变电所近端直流电缆、接触网发生故障时，能迅速切除故障。 2 2 直流馈线保护 2 2 1 大电流脱扣保护 大电流脱扣保护是接触网近端保护的主保护，通过断路器内设置的脱扣器实现， 让电流通过一个电磁铁的线圈，电磁铁连接着脱扣机构，当电流超过设定值时，电磁 铁就拉动脱扣机构切断电源，其固有动作时间仅几毫秒，所以大电流脱扣保护非常灵 敏，尤其电流上升非常快的近端短路，往往先于电流上升率及电流增量保护动作。 缺点：当供电线路较长，并且短路发生在线路的中远端，此时的短路电流可能会 很小，甚至低于列车起动电流或列车经过接触网分段时的冲击电流，此时大电流脱扣 保护就对短路故障失去保护作用 4 1 。 大电流脱扣保护，作为牵引变电所近端保护，其整定值按直流馈线峰值电流设定， 该值应躲过机车启动电流的最大值，还应考虑一个可靠系数k 。 2 2 2 电流上升率旃出和电流增量保护 电流增量保护即在短路电流未达到最大值时，判断出故障并跳闸。如图2 1 所示，线路短路故障发生时的短路电流增量很大，经过延迟时间么i ，短路故障将会 被电流增量保护所切除。但当短路故障发生在较长线路的中、远端时，此时的短 路电流很小，电流增量也会很小，此时电流增量保护就会出现拒动现象，对线路 短路失去保护作用。 6 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 i i ot 图2 1 电流增量保护原理图 电流上升率硪出保护：当短路故障发生在线路的中、远端时，其短路电流上升 率会很小，甚至低于列车起动时的初始电流的电流上升率，这时旃以就要受到系统 对它的监测，经过一个延时时间丁来决定是否应该切除短路故障，即从a 点开始系 统对函出进行监测，如果延迟到b 点时，电流上升率西出仍然很大，则通过高压断 路器切除短路故障。如果延迟到b 点时，电流上升率访出下降到很小数值，则电流 上升率巩僦保护不会动作。动作原理图2 2 所示。它的优点是保护线路的范围比较大， 但缺点是抗干扰能力较弱。 i o - - 一t t 图2 2 电流上升率彬出保护原理图 a a t + 保护由瞬时跳闸和延时跳闸两个元件并列组成，任何一个元件都可以 直接跳闸。瞬时跳闸元件根据电流是否持续增大来判断故障的存在，它能在近端短路 电流上升到峰值以前迅速跳闸，主要被近区或中等距离的故障激活；延时元件作为瞬 7 2 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护原理及实例测算硕士论文 时元件的补充，起到区分较低的短路电流和运行电流并跳闸的作用。该保护克服了单 独别出保护受干扰而误动，以及保护存在拒动现象的缺点。 2 2 3 定时限过流保护 该保护可以作为大电流脱扣保护和电流上升率幽协和保护这两种保护的后 备保护。定时限过流保护有两个定值，起动电流，和延时时间。当电流超过整定 值时，保护起动，定时器也同时起动，在定时器时限未到达的这一段时间内，若电流 一直超过定值，则在定时器时限世到达后跳闸；反之，若电流回落至定值以下，保 护返回。对于一些电流很小的短路故障，电流上升率及电流增量保护的定值若设置不 合理则可能导致无法跳闸，需要依靠后备保护。定时限过流保护就是常用的后备保护 之一。通常，定时限过流保护的起动电流定值在最大负荷电流和远端短路电流峰值之 间选取，延时时间定值则在几百毫秒的范围内选择，定值的选取必须基于严格的短路 计算5 1 。 2 2 4 热过负荷保护 该保护作为电流上升率西巩保护的辅助保护，当直流线路处于过负荷状态时， 即使没有任何短路故障发生，接触线或进线电缆的温度也会上升，当持续的时间较长 时，其产生的热量会超过某些薄弱设备所允许的发热量，引起薄弱设备不同程度的损 坏。动作原理：接触网热过负荷保护主要是根据接触网的电阻率、电阻率修正系数、 长度、横截面积、电流，计算出接触网的发热量，再根据接触网和空气的比热等热负 荷特性及通风量等，由经验公式给出接触网的电缆温度。当测量的电线温度超过报警 定值时给出报警，超过整定的数值时则跳开保护开关。 2 2 5 双边联跳保护 该保护是为了向接触网更加安全地供电而增设的后备跳闸装置。对于采用双边供 电的接触网，它是广泛使用的一种保护手段，在一个供电区内的接触网由两个变电所 对其供电，当其中一个所的直流馈线断路器因为某些保护跳闸的同时，还会发出联跳 指令，使为同一个供电区供电的变电所直流馈线断路器都跳闸。它能切除故障电流特 别小的远端短路故障，跳闸命令是由感知到较大近端短路故障电流的相邻站发出的 【6 】 0 缺点：当线路很长时，且故障发生在线路中点时，短路电流会很小，甚至低于列 车牵引负荷电流，a 、b 处的保护都会拒绝响应，此时双边联跳保护将失去对线路的 保护作用。 2 3 直流牵引系统保护配置 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 对于采用架空接触网的牵引供电系统，供电电压为直流1 5 0 0 v 。在牵引变电所近 端发生故障时，短路电流很大，电流速断和过电流保护装置可以切断故障。但是，当 故障发生在中、远端时，由于线路阻抗变大，短路电流相对变小，电流速断和过电流 保护可能不会动作，目前一般采用能反应故障电流上升率坊西和电流增量i 的保护 装置来使断路器跳闸。所以，如果在直流牵引供电系统中，配备大电流脱扣保护、电 流上升率旃出和电流增量i 保护、直流双边联跳保护和低电压保护，无论怎样的牵 引供电方式，直流系统保护均能保证安全、可靠供电的要求。因此，地铁直流牵引供 电系统中的保护配置应结合供电系统的实际情况、直流快速断路器的性能及直流保护 装置的功能，针对性地加以选择。 2 4 本章小结 本章主要介绍了地铁直流牵引供电系统中所采用的几种直流馈线保护方法，分析 了大电流脱扣保护、电流上升率及电流增量保护、接触网热过负荷保护、过电流保护、 双边联跳保护的基本原理。 9 3 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护短路仿真分析 硕士论文 3 城市轨道交通多车直流牵引供电系统短路仿真分析 3 1 地铁多车牵引供电系统短路故障仿真分析 直流牵引网上、下行线路双边并列供电时，接触网( 轨) 发生短路的简化等值电 路如图3 1 所示 刀。 图3 1 双边供电牵引网短路示意图 建立相应的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型如下， t a z 4 历 图3 2 双边供电牵引网短路仿真图 其中t a 、t b 为双边供电的直流牵引变电所，t a 、t b 间相距3 5 k i n 。z 2 ，、z 1 ：、 z 1 5 为接触网阻抗，；= 0 0 1 3 f l k m ，五= 1 0 2 1 m h o n 。z 4 、五为钢轨阻抗， 眨= 0 0 1 9 f f 2 o n 。x a = 1 7 8 0 m 日o n ，r ，为短路过渡电阻，r ，= 0 0 0 4 d 。b r e a k e r 在 0 0 0 1 s 闭合，模拟短路故障发生【引。 当短路故障发生在t a 、t b 变电所之间时，短路电流仿真波形如图3 3 所示： 1 0 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 图3 3 t a 、t b 所区间中点短路仿真电流波形 当短路故障发生在靠近t b 变电所之间时( 距i b 变电所3 0 m ) ，短路电流仿真波 形如图3 4 所示： 图3 4 t b 变电所近端短路仿真电流波形 图中，l 为总的短路电流，l ，为牵引变电所t a 提供的短路电流，厶：为牵引变 电所t b 提供的短路电流。当短路点发生在t a 和t b 变电所中点时，距离t a 和t b 变电所的距离均较远，线路阻抗较大，因此t a 、t b 变电所向短路点提供的短路电流 几乎相等，且均以近似指数分布，总的短路电流l 也呈近似指数分布。当短路点位于 t b 牵引所近端时，由于短路点距离所很近，线路阻抗几乎可以忽略，t b 所提供的短 路电流具有冲击特性，t a 变电所距离短路点较远，线路阻抗较大，短路电流近似为 指数分布，因此总的短路电流呈冲击特性。两种情况下牵引变电所提供的短路电流 上升都比较快，对系统存在巨大危害，必须在尽量短的时间内起动保护装置，保障系 统的安全运行。 3 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护短路仿真分析 硕士论文 3 2 机车起动仿真分析 本文将地铁列车的起动过程简化为电机的起动过程来分析。如图对机车起动的主 要模块进行了简化处理，用两台直流电机并联运行来模拟机车起动模块，省略了某些 相关性较弱的功能模块9 1 。 机车模型如图3 5 所示： 1 2 图3 5 机车模型 如图3 6 ，起动过程中，直流电机通过变阻实现调速： 盱习! 竺r 匹卜_ h oi 吁 叫o b r e , l l f 保护动作 图3 1 5 保护动作逻辑图 为了区别多车起动和远端短路两种不同情况，e 和f 的值计算整定如下： 一个区间内两辆列车同时起动仿真结果如表3 4 所示： 表3 4 两辆列车同时起动仿真结果 短路故障发生时，仿真结果如表3 5 所示： 2 l 3 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护短路仿真分析硕士论文 由表3 4 、表3 5 仿真的数据司进行e 、f 值的整定： e = 4 6 3 5 0 9 = 4 1 7 1 5 a s f = 0 9 5 4 0 9 - - 0 8 5 8 6 以此线路为例，线路全线长度s = 3 5 k m ，校验远端短路电流与多车起动电流两种 情况下，自适应地铁直流保护的动作情况。 ( 1 ) 当线路末端短路后1 s 内，保护安装点电流的积分值为f 眺= 4 6 3 5 a lz 口f 其平均值为鱼一= 4 6 3 5 a ， l l s 内的短路电流最大值为k = 4 8 5 6 a ， 电流平均值与最大值的比值为兰堕：0 9 5 4 ； 4 8 5 6 ( 2 ) 机车起动电流最大的积分值为e d t ：3 8 8 3 a 其平均值为尘竺：3 8 8 3 彳， l 1 s 内电流的最大值为5 5 3 2 a ， 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 电流平均值与最大值的比值为d o o d = 0 7 0 2 5 5 3 2 由计算数据可见，当接触网末端短路时，电流积分的平均值和积分区间内电流的 最大值相近，比值大于整定值f ( 0 8 5 8 6 ) ，自适应保护开放，且1 s 内电流的积分值 大于整定值e ( 4 1 7 1 5 ) ，自适应保护动作，将短路故障可靠切除；当机车起动时，电 流积分的平均值与积分时间内电流的最大值相差较大，比值大于整定值f ，l s 内电流 的积分值也小于整定值e ，自适应保护闭锁，不会误动作。 考察接触网沿线各点短路时保护跳闸的时限特性，结果如表3 6 所示( a t 内的电 流积分值整定值e 叫1 7 1 5 ，电流平均值与最大值的比值整定值f = 0 8 5 8 6 ) ： 表3 6 接触网沿线各点短路时保护跳闸时间 保护优点：由以上分析，根据线路末端短路电流的积分值作为保护出口的整定值， 自适应保护的动作特性是：发生故障时，短路电流越大，积分值越容易在短时间内 超过整定值，因而保护出口时间越短；反之，短路电流越小，则积分值需要在较长时 间内才能超过整定值，也即保护出口时间越长( 在保护不闭锁的情况下) ；在机车 起动时，虽然机车起动电流的积分值比末端短路时电流的积分值还大，但电流积分的 平均值与最大值相差较大，保护的闭锁条件满足，保护不会误动作。 考虑到保护略有裕量，可适当降低e 的整定值，让保护在更短时间内动作，提 高保护的灵敏性。但是如果积分区间取较小值，则这两种情况下电流平均值与最大值 3 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护短路仿真分析 硕士论文 的比值会趋于接近，以致难于区别正常情况和故障情况下电流的特征。 3 5 2 基于起动电流和短路电流突变次数的自适应电流保护 ( 1 ) 基于小波变换的电流保护 小波变换是一种信号的时间一尺度( 时间一频率) 分析方法，它具有多分辨率分 析的特点，而且在时域频域都具有表征信号局部特征的能力，很适合于探测正常信号 中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，因此利用连续小波变换进行动态系统故障检测 与诊断具有良好的效果。 由前面章节的分析可知，在一般状况下，机车起动电流与远端短路故障电流有着 显著的差异。对于远端短路故障电流：故障电流的波形呈类指数波形，可以将故障电 流看作是时间常数不同的指数函数共同组成；故障电流的稳态值随故障距离的变化而 变化。当故障距离近时，短路电流非常大，故障距离远时，短路电流可能会出现接近 机车起动电流的情况。对于机车起动电流：机车起动电流峰值远大于正常行驶电流， 这是由机车电机的特性决定的；起动电流的波形是一个脉冲式电流，持续时间相对较 短。 由于机车起动过程中多种调节方式配合工作，实际机车的其它调节方式将大幅值 的突变量拆分成多个小的变化过程。 起动电流值不是一个稳定值，它的大小随着负载的变化而变化。 图3 1 6 远端短路电流 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 图3 1 7 机车起动电流 考虑小波变换的局部化特性，应用小波对所获得的信号波形进行分析时，小 波变换可以识别信号中的暂态扰动、突变以及不连续点。因此，对机车起动电流 和故障电流进行小波变换，结果如图3 1 8 、图3 1 9 ： 童_ _ m _ _ - m l i m l a l1 ：- f l - u r l 图3 1 8 短路电流进行小波变换 3 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护短路仿真分析硕士论文 d ， _ 毫砷嘲t _ n t _ m 1 1 ：- t 一一 图3 1 9 机车起动电流进行小波变换 对比图3 1 8 、图3 1 9 中小波变换特征量曲线与图3 1 6 、图3 1 7 中电流曲线可以 看出：对于短路故障电流，在故障发生瞬间，电流开始突变，对应的小波特征量为一 极大值；电流上升过程中，时间常数变化，对应小波特征量曲线中的波纹变化量。对 于机车起动电流，由于机车的配合调节作用，机车的主起动突变电流可以分化成多个 小的电流突变量，反映到小波特征量中就是多个极大值，且一一对应，因此，电流小 波变换特征量中极大值的个数就反映了电流突变的次数。 由于故障电流突变次数为一次，而机车起动过程中电流突变的次数大于等于两 次，所以，根据电流小波特征量极大值的个数就可以区分该电流是机车起动电流还是 远端短路故障电流。 与传统的区分方法西出保护相比，小波变换的方法检测的不再是传统电量幅值 以及变化率的大小，它所依据的判据也不是随运行条件变化的电量值，小波变换的方 法检测的是由起动电流反映出来的机车属性以及由故障电流反映出来的故障特性，因 此，从理论上讲，机车起动电流和远端短路故障电流的不稳定性以及电流变化率的大 小变化对其影响微乎其微，无论是非金属性短路故障还是机车重载或者同一供电区间 多辆机车同时起动，利用小波变换的方法都可以正确区分。 ( 2 ) 基于电流二次斜率的电流保护 利用类似的思想，提出一种基于电流二次斜率d 形。：的电流保护。 g l 地铁馈线短路故障时，电流是在故障瞬间发生一次大的突变；列车起动时，馈线 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 电流逐级跃变。而且有些特殊情况下机车起动电流和短路电流的幅值和上升率都很接 近，因此考虑从比较电流二次斜率j ：的角度区分起动电流和短路电流。两种情况 下电流的二次斜率d ：变化如下所示。 一个区间内有一辆列车起动时电流二次斜率： 图3 2 0 区间内一辆列车起动时起动电流二次斜率 表3 7 一辆列车起动电流二次斜率 起动地点距离变电站t a 距离j ( 蛔) 起动电流二次斜率d 2 非零点个数 0 0 l o 2 0 o 5 0 0 6 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 多个 多个 多个 多个 多个 多个 多个 多个 多个 多个 一个区间内有两辆或多辆列车短时间内相继起动时电流二次斜率： 3 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护短路仿真分析硕士论文 图3 2 1 区间内多辆列车起动时起动电流二次斜率 表3 8 多辆列车相继起动时电流二次斜率 起动地点距离变电站t a 距离j 厶( 蛔) 起动电流二次斜率d 2 非零点个数 0 0 1 1 0 1 0 2 0 1 2 0 0 5 0 i 5 0 0 6 0 1 6 0 1 0 0 2 0 0 1 5 0 2 5 0 2 0 0 3 0 0 多个 多个 多个 多个 多个 多个 多个 发生短路故障时电流二次斜率： 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 图3 2 2 短路故障时故障电流二次斜率 表3 9 短路故障时故障电流二次斜率 短路地点距离变电站t a 距离1 ( 砌) 短路电流二次斜率d z 非零点个数 0 0 l o 2 0 0 5 0 o 6 0 1 o o 1 5 0 2 0 0 2 。5 0 3 o o 3 5 由表可知，故障电流非零点个数为一个，而机车起动过程中电流非零点数多于一 d 2 i 个。所以，可以通过电流二次斜率, i t 2 的非零点个数来判断该电流是机车起动电流 还是远端短路故障电流，避免了在某些特殊情况下机车起动电流和短路电流的幅值和 上升率都很接近，传统保护可能无法可靠动作的情况。 3 城市轨道交通多车直流牵引供电系统保护短路仿真分析硕士论文 3 6 本章小结 本章在仿真分析的基础上，对牵引直流供电系统短路故障进行了分析，继而对机 车起动和短路故障两种情况的仿真数据曲线特征进行分析，根据大电流脱扣保护、 a i a t + 保护的整定原则，对该地铁运行区间加以保护整定，并验证了保护配置的 正确性与合理性，提出了破出保护中存在的问题。 提出了基于电流积分值、平均值和电流突变次数自适应电流保护，并对第一种方 法进行了保护动作的校验，仿真结果证明了自适应保护的有效性。 对自适应保护的设计整定，不仅要通过仿真模型的计算确定，而且还要通过现场 直流短路试验加以验证。 硕士论文多车直流牵引供电系统继电保护研究 4 直流牵引供电系统继电保护检测电路设计 在直流牵引供电系统中，保护的主要参量有直流大电流的检测、直流电压的检测、 电流变化率的检测以及电流增量和系统阻抗的检测，如图4 1 所示。通过对这些系统 主要参数的测量，可以判断保护动作与否，从而达到牵引供电系统继电保护的目的。 隔离 4 1 直流大电流的检测 图4 1 直流牵引供电系统检测示意图 直流大电流以往是在一些电化学工业和地铁上使用，几年来，在直流输电、频率 变换等电力设备及核聚变装置的电源等各个领域都得到了广泛应用，其测量除了分流 器、电流传感器之外，还用到了使用磁放大器、霍尔元件、光等精度更高、响应速度 更快的新型电流传感器u 。 4 1 1 饱和型电流传感器 饱和型直流电流传感器( d c c t ) 主要由可饱和电抗器构成，它使用辅助交流电 源将直流电流成比例地变换为交流电流，其电路有克雷默型、磁放大器型等各种方式。 图4 2 是克雷默型的结构。 4 直流牵引供电系统继电保护检测电路设计 硕士论文 ab 图4 2 饱和型直流电流检测器的原理 环型铁心具有尖锐的磁饱和特性，当一次侧有直流电流通过时，由于可饱和电抗 器的磁饱和作用，流经二次侧的电流可以得到控制，流经二次侧的交流电流与一次侧 电流成正比。依据的标准有j r s ，按l 1 5 k a 、1 0 级和2 0 级分别作出规定，通常 制定到4 0 k a 为止。 该方式使直流主电路和测量仪器间保持绝缘，这样做有两个优点：二次侧的负载 能力强；可并联运行。 另一方面，该方式也存在如下问题：辅助电流大，是一次侧电流的1 5 次方的倍 数关系；无法辨别极性；一次侧电流突变时会产生浪涌。在小电流区内，其误差会增 大，这主要是由于铁心不具备理想特性( 磁导率无穷大和完全饱和) 造成的。而且， 在二次电流整流后的直流输出中有切口产生，并与辅助电源频率的2 倍频同步。使用 磁放大器时，没有切口产生，精度和响应特性也得到改善，而且，一次侧电流突变时 产生的浪涌也得到了抑制。为了辨识一次侧电流的极性，有采用偏置绕组方式，也有 采用将磁放大器式电流传感器结成推挽方式。特别是，有报道称使用后一种方式，其 额定输入输出为1 0 0 0 a 2 5 v ，线性度为0 0 0 1 4 ，测量滞后时间为4 p s 。 4 1 2 霍尔元件型直流电流传感器 ( 1 ) 霍尔直接式直流大电流测量原理 图4 3 是霍尔直接式直流大电流测量原理图n 副。 3 2 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 1 1 图4 3 霍尔直接式直流大电流测量原理 从图4 3 知道被测直流电流1 1 在铁心中产生一个磁感应强度 即 垦= c l ( 4 1 ) 式中 c l 常数 磁感应强度置穿过霍尔元件产生霍尔电压 u h = k h l h b l 式中 霍尔元件的灵敏度； 如霍尔元件的控制电流； e 穿过霍尔元件的磁感应强度； 将式( 4 1 ) 代入式( 4 2 ) 中得 电压u h 通过放大器a 放大后，其输出电压 噜 将式( 4 3 ) 代入式( 4 4 ) 中得 u o = 警c t i c 2 1 t ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 3 3 4 直流牵引供电系统继电保护检测电路设计 硕士论文 c 2 = 鲁q 式中g 常数 1 从式( 4 5 ) 可知道电压u 。与被测直流大电流厶成正比，将电压u 。送入3 去数字 二 电压表中达到测量直流大电流厶的目的。 ( 2 ) 霍尔直接式直流大电流测量的误差分析 五转换为霍尔输出电压，所以误差 e ( t ) = ( f ) 一v o ( t ) = u u ( f ) 一k ( f ) = ( 1 一k ) ( ，) 一k o ) = k ( f ) 】 ( 4 6 ) 式中k _ 一放大器的放大倍数 式( 4 6 ) 说明如果有效信号放大k 倍，霍尔元件的噪声、放大器本身的噪声及 其他干扰信号也同样放大k 倍。因此，放大器a 的放大倍数k 越大，霍尔直接检 测直流大电流的系统误差越大。 ( 3 ) 提高测量精度措施 霍尔元件选用线性度良好，并且是高稳定度的霍尔元件。 放大器a 选用高增益、低漂移、低噪声的放大器，如f 7 6 5 0 、f 5 0 2 7 、o p 0 7 等放大器。 电阻r 1 、r 2 选高稳定度的精密电阻，如r x 7 0 系列的精密线绕电阻或e e 系 列的精密金属膜电阻。 4 1 3 光电流传感器 光电流传感器( 光c t ) 是利用磁光学材料的磁滞转光法拉第效应原理做成的， 与铁心上绕上线圈的电流传感器比较，有着省去绝缘、小型轻量、耐噪声等特点，因 此围绕着其在电力领域中的应用，一直开展着各种研究。所谓法拉第效应，即如果将 光传播到位于磁场中的磁光学材料上时，则将产生传播光的右旋圆偏光和左旋圆偏光 成分，形成2 0 相位差，传播光为直线偏光时，其偏波面转了口角。设代表法拉第效 应大小的费尔德常数为圪，光路长度为l ，磁场强度为h ，则旋转角秒可由下式给出： 口= v , h l ( 4 7 ) 虽然几乎所有的材质都具有法拉第效应，但由于传播中一旦发生负折射p ，则9 的大小与兰学成比例减小，所以一般选用小的铅玻璃、硼硅拱顶玻璃等作为传感 p 器材料。另外，使用以铅玻璃为芯子材料的光纤维、或使用负折射率小的仿制纤维( 采 硕士论文 多车直流牵引供电系统继电保护研究 用石英作为芯子，一边拧一边加工制作) 的纤维式光电流传感器也在开发中。图4 4 表示其结构的例子。 拉第转角0 s 图4 4 光电流传感器的原理 将通有电流的导体周围绕上铅玻璃等传感纤维，当光传播时，形成对导体产生的 磁场的圆周积分，设电流为i ，纤维的匝数为n ，则有目的如下关系式： 口= 刀圪， ( 4 8 ) 光电流传感器的测定精度，目前灵敏度的误差为2 左右，分辨率在1 0 。以下。 最大电力取决于设计思想，目前试制的电流达+ _ 3 0 k a ，但是，再由现在的s i n 2 8 求出 法拉第转角秒时，如果参考c o s 2 0 求旋转角的话，可以说不存在上限。既可以测量到 数m a 级的电流。 4 2 直流电压测量原理 图4 5 是霍尔效应式实用直流电压测量电路，这是一种新的测量直流电压方法n 幻。 图4 5 霍尔效应式实用