（电力系统及其自动化专业论文）牵引网馈线保护整定计算软件开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h es t r u c t u r a ls t y l ea n dr u n n i n gm o d eo f t r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r ka r ev a r i o u s ， s p e c i a la n dc o m p l e x ，w h i c hc a u s et h ep r o t e c t i o ns c h e m e st ob ep a r t i c u l a ra n d c h a l l e n g i n g 1 1 1 ep r o t e c t i v es c h e m e so ft r a c t i o ne l e c t r i cs y s t e ms h o u l dn o to n l y s a t i s f yt r a d i t i o n a lt e c h n i c a ld e m a n d so fp r o t e c t i o n , b u ta l s os u i tt h er u n n i n gm o d e a n ds t r u c t u r a ls t y l eo fs p e c i f i ct r a c t i o ne l e c t r i cs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ef e e d e rl i n e p r o t e c t i o no f e l e c t r i f i e dr a i l w a vi sd i s c u s s e d , i n c l u d i n gh o w t os e l e c tt h ep r o t e c t i v e s c h e m e sa n dh o wt oc a l c u l a t et h es e t t i n gv a l u e sa c c u r a t e l y , w h i c hc a nb eu s e dt o i m p r o v ed e s i g nl e v e l ，o p t i m i z ed e s i g np l a na n dr e d u c ed e s i g nw o r k f i r s t l y , t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ep r o t e c t i v es c h e m e sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d si n t r a c t i o ne l e c t r i cn e t w o r k e s p e c i a l l y , t h i sp a p e rf o c u s e so nd i f f i c u l t yo fp r o t e c t i o n c o n f i g u r a t i o na n ds e t t i n gv a l u e sc a l c u l a t i o nc a u s e db yt h ec o m p l e x i t ya n d d i v e r s i t yo f t r a c t i o nn e t w o r k w t 1 1 j nm i sp a r t t h eq u a d r i l a t e r a li m p e d a n c ed i s t a n c e p r o t e c t i o n ，t h ea d a p t i v et h r e e - s t a g ed i s t a n c ep r o t e c t i o na n dc u r r e n tp r o t e c t i o n ， i n c l u d i n gt h e i rs e t t i n gp r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，a r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h ee x i s t i n gp r o t e c t i v ep r i n c i p l eo ff e e d e rl i n ei sg e n e r a l i z e da n d i n d u c e d t h es e t t i n g p r i n c i p l e a n dc a l c u l a t i o nm e t h o di sc o m p l e t e d t h e c a l c u l a t i o nm o d e lo fp r o t e c t i v ep a r a m e t e r si se s t a b l i s h e 也i n c l u d i n gf e e d e rl i n e i n a p e d a n c e ，t r a c t i o nl o a dc u r r e n t ，s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t ，a n ds oo n w i t ht h eu s eo f a c a d l i s pp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，b a s e do nt h eo p e ns o f t w a r ef r a m e w o r k , t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ei nt h i sp a p e ri sd i v i d e di n t o5i n d e p e n d e n ts u b p r o g r a m s m o r d e rt oi m p r o v et h ec o m p a t i b i l i t y , a l ls u b p r o g r a m sc a ne s t a b l i s ht h e i ro w n p a r a m e t e r s i n f o r m a t i o nd a t a b a s e t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eh a s f r i e n d l y m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，c a ni n q u i r yt h es i m u l a t i o np r o c e d u r ea n dp r i n ts i m u l a t i o n r e s u l ti nt h ef o r mo f c a l c u l a t i o ns h e e t f i n a l l y , t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei sa p p l i e dt oc a l c u l a t ep r a c t i c ef e e d e rl i n e p r o t e c t i o no ft r a c t i o nn e t w o r k t h ea p p l i c a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es i m u l a t i o n s o f t w a r ei sc o r r e c ta n df e a s i b l e k e yw o r d s ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y , t r a c t i o nn e t w r o f kf e e d e rl i n ep r o t e c t i o n ，s e t t i n g p r i n c i p l e ，s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，随着我国电气化铁路的发展，电气化铁路的营运里程不断增加， 特别是高速电气化铁路的发展以及铁路的大面积提速，新修和改建电气化铁 路的速度不断加快，这就要求电气化铁道牵引供电设备的技术先进性、运行 可靠性与之相适应。作为电气化铁道供电核心的牵引变电所继电保护则是重 中之重，而牵引网的保护则是其中最基本、最基础的保护，牵引网保护的抗 拒动和抗误动的能力，直接影响到电气化铁路的运营状况，给铁路企业的经 济和社会效益带来很大的影响。因此，牵引网保护的整定必须合理，规范、 准确，满足保护的速断性、可靠性、选择性、灵敏性的要求。 1 2 问题的提出以及研究的意义 电铁牵引供电系统 1 4 , 1 0 l 的供电对象是电力机车。而电力机车是移动的、 大功率的单相负荷，它有别于电力系统的位置固定三相基本对称的负载，具 有其特殊性和复杂性【7 锕。 1 牵引网的结构和牵引供电方式比电力系统馈电线路复杂，工作环境更 恶劣。机车的受电弓与接触导线一直处于快速滑动接触状态，弓网之间是复 杂的带有振动和压力的动态接触取流过程，当接触不良时，就会产生电火花 或电弧，使接触导线过热或烧伤，造成断线或短路故障，从而对继电保护动 作的可靠性要求更高。 2 ，牵引负荷不仅是移动的，而且其大小是随时变化的。牵引网的电流值 的变化范围极宽，牵引负荷的变化频率和幅度远远大于般的电力负荷。 3 整流式电力机车的电流包含有大量的高次谐波【1 2 l ，其中三次谐波成分 最高，因此必需考虑谐波分量对保护的影响。 4 电力机车空载投入接触网时，机车上变压器将产生励磁涌流，与电力 系统输电线路相比出现励磁涌流的机率大大增加。因此牵引馈线保护要考虑 励磁涌流的影响。 5 电气化铁路的牵引负荷为单相负荷，反映到三相系统中是不对称的。 在正常负荷情况下，存在着负序电流。因此，在电力系统中的负序保护，而 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在牵引供电系统中不能应用。 6 牵引网的线路阻抗较大，输送距离较长，故末端最小短路电流较小； 而馈线的最大负荷电流很大，与最小短路电流往往很接近。为此，牵引馈线 采用电流保护，不能满足灵敏度的要求，必须采用特殊办法提高馈线保护的 灵敏度。 7 在长距离的供电臂上，当线路末端发生短路时，靠近变电所的机车， 开始由于接触网电压降低，电动机转入发电机状态，经一定过渡过程再转为 电动机状态，该过程将直接影响短路电流的变化。因此，在长供电臂运输繁 忙的区段应考虑机车负荷对短路电流的影响。 除此之外，牵引网结构形式和运行方式有很多种，牵引网结构形式主要 有全补偿简单链型悬挂及弹性链型悬挂；牵引网供电方式主要有直接供电方 式、带回流线的直接供电方式、吸流变压器供电方式、自藕变压器供电方式 ( 以下简称a t 供电方式) ，从现场运营的运行方式上有上下行分开供电运行 方式，末端并联供电运行方式，全并联运行供电等。 综上所述，铁路牵引网结构形式和运行方式的多样性、特殊性和复杂性 决定了保护【9 ，”】的特殊性和复杂性，这就要求牵引供电系统的馈线继电保护技 术特性指标必须满足精度( 速动性) 和选择性、灵敏性、可靠性等的要求， 保护装置不应拒动或误动作。在设计牵引供电系统的保护时，不仅要满足常 规保护的技术条件，而且要根据牵引供电系统运行方式和牵引网结构形式的 具体情况设计保护的具体内容。 基于以上存在的问题，本课题研究主要围绕电铁牵引网馈线保护整定计 算进行分析，自动实现牵引网馈线保护整定计算是十分必要的。其研究意义 在于为设计牵引变电所馈线保护选择方案的合理性提供理论依据，为保护整 定值的准确性和统一性提供理论依据。有利于提高设计水平，优化设计，减 轻设计工作量；有利于运营管理，降低运营成本。 1 3 牵引网馈线保护的现状和发展 由于牵引网供电方式和运行方式的多样性、复杂性、故障几率高等特点， 牵引网馈线的保护整定一直是最受关注的研究对象。 继电保护技术随着电力系统和大型电力装置不断的发展而兴起”乒阍，并 与现代科技，特别是微电子学、计算机技术和现代通信技术的发展，也使继 电保护技术旧1 9 1 向前不断发展。由开始的继电器元件到晶体管集成电路保护 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 装置，又发展到微机保护和综合自动化。 我国牵引网的馈线保护的基本配置有：距离保护、电流速断、过电流( 过 负荷) 。在牵引网馈线保护的发展过程中先后经历了以电磁继电器为主元件的 电磁式继电保护，这种保护所需保护元件多，保护精度不高，可靠性较差， 易受到外界因素的于扰而出现误动和拒动，现在已经基本淘汰；在上世纪八 十年代后期出现微机保护，其主要采用单片机和3 2 位微处理机进行保护，采 用了人机界面对话方式，对各个需要设置保护的供电设备以及牵引网的各个 馈线单独设置保护装置，使保护整定更加精确，更主要的是增加了保护的内 容，丰富了保护的功能，大量的减少了继电器的使用，提高了保护的可靠性 和抗干扰能力；在此基础上，随着计算机以及网络的兴起，二十世纪九十年 代后期牵引变电所综合自动化系统逐渐成为市场的主力军，其保护功能更加 完善，馈线保护确立了以自适应三段距离保护为主保护，电流速断保护以及 过流保护、电流增量保护等为辅助保护设计理念。 随着电气化铁路的不断发展和铁路跨越式发展战略的实施，高速【6 n 】和重 载铁路已经成为现代化铁路的标志，必将会引起牵引供电系统以及牵引网馈 线保护原理研究的不断深入。 1 4 本文主要研究的内容 随着我国能源战略的转变，作为清洁无污染的电力资源将得到大力发展， 电气化铁路的蓬勃发展将成为今后铁路发展的重点。新建和改建电气化铁路 的设计成为了电气化铁路建设的先行军，设计人员肩负着为电气化铁路“多 拉快跑”做贡献的义务和责任。优化设计方案，提高设计质量，应用现代化 的设计手段，为电气化铁路安全、可靠运行创造条件、打好基础。基于以上 目标，本文在前人研究成果的基础上认真总结和归纳了牵引网馈线保护整定 原则，根据设计和现场实际运营的需求，以a c a d l i s p 编程工具开发牵引网馈 线保护整定计算程序。论文主要的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 牵引网馈线保护的整定原则。分析四边形阻抗距离保护的原理、自 适应三段式距离保护整定原则和计算方法，分析电流保护的整定原则和计算 方法。 ( 2 ) 编制牵引网馈线保护的整定计算软件。建立保护所需要的相关参数 ( 馈线阻抗、牵引负荷电流计算、短路电流计算等) 的数学模型，以a c a d l i s p 编程语言为软件开发工具，以开放式软件为总体思路，按照模块式划分独立 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 子程序，并分别建立参数信息数据库，增强软件的兼容性。能实现仿真计算 过程查询，建立良好的人机界面，对话框有输入信息参数提示和输入错误报 警，计算结果能以计算书形式打印等功能。 ( 3 ) 牵引网馈线保护整定仿真软件的应用。对仿真软件进行实际检验， 通过现场实际的使用验证软件的正确性和可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章牵引网馈线保护设置与整定计算 2 。1 电气化铁道牵引供电系统 电气化铁道牵引供电系统主要由两个部分组成，一是牵引变电所，二是 牵引网。而牵引网又由接触网、走行轨道、馈电线和回流线构成。 2 1 1 牵引网的结构和功能 接触网是电力机车的取流系统，它沿着铁路轨道连续架设，由锚段关节 首尾重叠连接而成。接触网通过与运行机车的受电弓机械接触，将电能传递 给电力机车。 轨道除了作为列车走行的导轨外，还具有把牵引电流经轨道送回牵引变 电所构成牵引回路的功能。 馈电线是指从牵引变电所馈出母线和接触网间的连接导线。由于馈电线 执行向牵引网馈电的任务，故必须经过具有保护作用的断路器才可工作。 回流线是指钢轨连向牵引交压器“回流端”的连接导线，回流线不必经 过断路器。 2 1 2 牵引网的特点 电铁牵引供电系统的供电对象是电力机车。而电力机车是移动的、大功 率的单相负荷，它有别于电力系统的位置固定三相基本对称的负载，具有特 殊性和复杂性。 牵引网结构形式和运行方式有很多种，牵引网结构形式主要有全补偿简 单链型悬挂及弹性链型悬挂；牵引网供电方式主要有直接供电方式、带回流 线的直接供电方式、吸流变压器供电方式、自藕变压器供电方式( 以下简称 a t 供电方式) ，从现场运营的运行方式上有分开供电运行方式，末端并联供 电运行方式，全并联供电运行方式等。 牵引网的结构和牵引供电方式比电力系统馈电线路复杂，工作环境恶劣。 机车的受电弓与接触导线一直处于快速滑动接触状态，弓网之间是复杂的带 有振动和压力的动态接触取流过程，当接触不良时，就会产生电火花或电弧， 使接触导线过热或烧伤，造成断线或短路故障，从而对继电保护动作的可靠 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 性要求更高。 牵引负荷不仅是移动的，而且其大小是随时变化的。牵引网的电流值的 变化范围极宽，牵引负荷的变化频率和幅度远远大于一般的电力负荷。 综上所述，牵引网结构形式和运行方式的多样性、特殊性和复杂性决定 了保护的特殊性和复杂性，这就要求牵引供电系统的馈线继电保护的技术特 性指标必须满足精度( 速动性) 和选择性、灵敏性、可靠性等的要求，保护 装置不应拒动或误动作。在设计牵引供电系统的保护时，不仅要满足常规保 护的技术条件，而且要根据牵引供电系统运行方式和牵引网结构形式的具体 情况设计保护的具体内容。 2 2 牵引网馈线保护设置和原理 2 。2 。1 牵引网保护的设置 由于牵引网具有特殊性、复杂性和多样性的特点，所以牵引网馈线保护 具有特殊性，因此，针对牵引网馈线保护【”】的特殊性，在设计牵引网保护时 应考虑以下具体问题和措施： 1 牵引网保护无论在正常、或强制供电状态( 如某一部分牵引网退出 工作，或者某相邻变电所停止供电) 时，均能保证足够的灵敏度和 有选择的切除故障。 2 牵引网远点短路时短路电流较小，但近点短路时短路电流又相当大， 为减小危害，仍要求牵引网馈线保护快速动作。 3 由于牵引网馈线为长距离、重负荷线路，故虽属3 5 k v 电压等级， 仍应以距离保护作为主保护。为提高距离保护的灵敏性，一般采用 四边形特性方向阻抗继电器，近年来，由于保护采用综合自动化或 微机保护，多边形特性阻抗继电器应用较多。 4 由于牵引供电系统出现励磁涌流的机会较多，为避免对其保护的影 响，一般对电流保护和距离保护均应采用二次谐波制动p j 的方法。 5 由于牵引负荷包含大量高次谐波【1 2 】，使波形畸变，造成保护的误动 作，在馈线保护开发时，要考虑谐波抑制。 6 牵引负荷中高次谐波可能会导致保护误动，但由于牵引网短路时机 车被旁路，所以短路电流基本为正弦波，因此根据谐波成分的大小 可以区分负荷电流和故障电流。一般利用电流中的三次谐波成分作 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 为制动电流，以防止大负荷时电流保护的误动作。 7 为提高馈线保护的灵敏度，还可以选择其它原理构成的保护装置。 如按电流持续时间的反时限电流保护；根据故障后短时间内电流增 量( 么i ) 大于正常负荷时短时间内电流增量所构成的电流增量保护； 根据故障时短路电流的变化率大于负荷电流变化率所构成的微分电 流保护。 在牵引网馈线保护中，通常设置距离保护和电流保护两个主要内容。在 一般情况下，牵引网发生短路故障后，总是伴随着电流的增大，电压的降低， 或者其它电气量的改变。电流保护的原理就是根据故障时牵引网的电流变化 来实现保护功能的。 电流保护【扯2 2 1 根据不同的原则一般分为电流速断保护、限时电流速断保 护和过电流保护。通常情况下，常常将这三种电流保护组合在一起，构成阶 段式电流保护。在具体应用时，可以只采用速断加过流保护，或限时速断加 过流保护，也可以三者同时采用。 电流保护的主要优点是简单、经济及工作可靠。但是由于电流保护整定 值的选择、保护范围以及灵敏度等方面都直接受电网接线方式及系统运行方 式的影响。所以，在3 5 干伏电压以上的复杂电网中，很难满足选择性、灵敏 性及快速切断故障的要求，必须采用性能更加完善的保护装置，距离保护基 本能适应这种要求。 牵引网的距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离( 或阻抗) ， 并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置的主要元件为距 离( 阻抗) 继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测量出保护安装处 至短路点间的阻抗值，即测量阻抗。当短路点距离保护安装处近时，其测量 阻抗小，动作时间短：当短路点距离保护安装处远时，其测量阻抗大。动作 时间长。这样就保证了有选择性地切除故障。 2 2 2 牵引网馈线保护的原理 作为牵引网馈线的主保护是距离保护 2 3 , 2 4 1 ，电流保护作为后备保护和辅 助保护，下面就距离保护和电流保护原理分别讨论。 2 2 2 1 牵引网的距离保护 牵引网距离保护的主要元件是阻抗继电器，主要以四边形特性阻抗继电 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 器为主要保护元件。四边形特性阻抗继电器的最大优点是灵敏度高。目前， 广泛应用于我国及日本等国的电气化铁路及电力系统的保护中。常见的四边 形特性阻抗继电器有方向性四边形特性阻抗继电器、平行四边形偏移特性阻 抗继电器。 1 四边形特性方向阻抗继电器 四边形特性方向阻抗继电器的四边形的形状可由不同的方式构成，其问 题的关键在于如何实现各种折线和直线特性。 ( 1 ) 由两个限制方向的两向量比较器组合而成的原理 j x i 、b i湃 0 彳一 ( a ) 己 j x f 幺筠i d c ( b ) r j x 。 ir 裔s 0 t ( c ) 图2 - 1 由两个限制方向的两向量比较器组合而成的四边形 如图2 1 ( a ) 所示的继电器特性，即由两组折线a o c 和a b c 通过与 门组合而成。当测量阻抗落于折线a o c 以上方向，同时又落于a b c 以下方 向时，即落于四边形a b c o 内部时继电器起动。折线a o c 的坐标( 或位置) 是由z ，和整定角属确定的aa o 与z i ，o c 与互的相位差角为+ - - b o ，如图2 - 1 ( b ) 所示，当乙落后于a o c 折线以上方向时，则夹角z j a z ，必然小于i 属 l ，故可以利用比较相位差的方法构成a o c 。为了从电路上便于实现，将z ，、 互形成为两个电压，即 、 f u ，= i ，z 1 西：z ；，：u ， ( 2 - 1 ) 当、呸的相位差角等于i - + ai 时，即为边界o a 或d c ；而当 i i f 磊f 时，z ，落于动 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 作方向以外，故其动作条件为： m i s 慨i ( 2 - 2 ) 折线a b c 的坐标( 或位置) 是由一z ，和整定角确定的。一乙与b a 和 b c 的相位差分别为。a 8 c 折线下方为动作方向，其上方为非动作方向， 如图2 - 1 ( c ) 所示。当z ，落于其下方时，则向量一z ，和乙一z 2 的夹角k i 小于 整定角慨l ；当z 落于b a 和b c 直线上时，则其夹角等于i 孱i ；当乙落于非 动作方向时纠 k i 。敌同样用比较两个电压相位的方法可得到折线a b c , 即 髂未叱一呸 c 2 。， u - i z ? 一l z 2 = u i f z 2 其动作条件为 陋人u l s k f ( 2 - 4 ) ( 2 ) 由两个限制方向的多向量比较器组合而成的原理 ( q )( b ) ( c ) 图2 - 2 由两个限制方向的多向量比较器组合而成的四边形 如图2 - 2 ( a ) 所示的继电器特性，可由2 - 2 ( b ) 、( c ) 两组折线通过与门 组合而成。每组折线均采用多向量相位比较原理构成。图2 - 2 ( b ) 所示折线 由以下三个电压构成 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 i u l 2 i z l 一i z i = i z i u i = 磁 ( 2 5 ) l u 3 2 一i z j = 也 当z ，落于动作方向内部时，以上三个电压中任意相邻两个向量问的夹角 都小于1 8 0 。；当z ；落于任边界上时，则有一对相邻向量之间的夹角等于 1 8 0 。；当z ；落于动作范围以外时，则有一对相邻向量之问的夹角大于1 8 0 。 因此，通过多向量相位比较电路可以判定测量阻抗是否落于动作区内。同理， 对于图2 - 2 ( c ) 所示折线可以由以下四个电压确定 f “= 喀 唔2 必 ( 2 6 ) l 以。忍一q = 呜 同样，比较其中任意相邻两个向量之间的相位角或者小于1 8 0 。，或者大 于1 8 0 。用以判断测量阻抗z ；落于何方，以决定继电器动作与否。 2 平行四边形偏移特性阻抗继电器 平行四边形偏移特性继电器，它可以由不同方法构成。 ( 1 ) 由三个两向量比较器组合而成 一r qz qf 。 确“j j 沙l 、= 厂一 一 2 r 图2 - 3 偏移平行四边形的构成 如图2 3 所示，偏移平行四边形的位置由三个顶点a 、d 、c 的坐标和a b 、 b c 的方向而定。图中a b d c i r ，即与r 轴平行；图中b c a d i z a ，即与 压平行。顶点a 、c ，d 的坐标分别由磁、吗、i z 3 确定，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 f 么= 亿口一巩 呸= 豫一弦 ( 3 7 ) i 弦= 一碣一磁 式中。乙、一z 二、r 、一墨由继电器电压形成回路的参数确定。 四边形的a b 边反应x 值，可称为x 边；b c 边反应r 值，可称为r 边；乙 直接反应四边形的偏移度。因此，偏移平行四边形的构成可概括为三个要素， 即x ，r 和偏移度。 为了确定测量阻抗z ，是处于平行四边形内部或外部，可采用两电压向量 相位比较的办法。以下按三个要素分析。 ( a ) x 边确定示意图；c o ) r 边确定示意图；( c ) 偏移度确定示意图 图2 4 偏移平行四边形的构成的三要素 1 ) x 边( a b ) 如图2 - 4 ( a ) 所示，x 边的高低由乙的k 值确定。当z ，落于x 边以下 时，可得到 a u = 【，f 一= u j - 6 飓一亿。 ( 2 8 ) 若以a u 为基准，则履引前a u ；当z ，落于x 边上时，则u 与腰同相 位；当z 落于z 边外部( 以上) 时，则a u 引前于髓，故根据a u 与豫的相 位关系，即当皿引前时，继电器动作：z r 滞后时，不动作；两向量重合时为 边界。若采用腰与一u 比较相位，则其结论是相同的。 2 ) r 边( b c ) 如图2 _ 4 ( b ) 所示，r 边的左右位置由异值确定。当z 落于r 边动作范 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 围以外时，可得到 u = u ，一五l = u ，一i r + 亿： ( 2 9 ) 若以玩为基准，则a u 引前腰；当z ，落于r 边上时，则u 与玩同相 位；当z ，落于r 边外部时，则u 滞后于z 乙，同理，当a u 引前时继电器动 作。滞后时不动作，同相位时为边界。 3 ) 偏移度确定 如图2 - 4 ( c ) 所示，偏移度由乙= 一置一z o 确定。当z ，落于偏移度以内 时，可得到 a u = ( ，一z z j = ，+ 现+ 应毫 ( 2 1 0 ) 若以侬为基准，则a u 引前上r ；当z ；落于边界上时，则a u 与豫同相 位；落于边界外时，a u 滞后于腰。与前面分析的结论一致。 3 偏移平行四边形特性阻抗继电器的整定 偏移平行四边形特性阻抗继电器的整定分为两种情况：一种是作为线 路保护呈纵长特性时的整定方法；另一种是作为保护安装地点近端短路为躲 过过渡电阻影响的呈横长特性时的整定方法。 ( 1 ) 纵长特性时的整定方法 x 丁一 缮- 7 , , , 1 l 么旦 丢砩，止血一f 1 r 图2 - 5 纵长特性整定示意图 如图2 5 所示为纵长特性整定方法示意图。 1 ) x 边( a b ) 的整定 a b 边的整定原则是：当保护范围末端短路时，继电器应能可靠动作。因 此，应根据线路的电抗值确定，即 x产kxxxl(2-11) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 式中，k ，为可靠系数，一般可取为1 2 ； x ，为被保护线路的电抗值。 作为三段距离保护时，置。的取值与一般距离保护的整定原则相同，但第 m 段仍按线路电抗整定。 2 ) r 边( b e ) 的整定 b c 边的整定原则是：正常情况下出现最小负荷阻抗时继电器不应动作。 如图2 5 所示，当负荷阻抗角为及妒时，其最小负荷阻抗值相等，但垆时 易使阻抗继电器误动作，因此应按功率因数差时( 时) 的最小负荷阻抗整 定b c 边。b c 边或称r 边，应由横轴上的r ，值确定其位置，故可根据最小负 荷阻抗时的电阻值r ：整定，即： 碍2 訾( c o 眵一孑 ( 2 1 2 ) 1，m旺5v d 尼= 二l( 2 1 3 ) x r 式中，趸。为可靠系数，可取为1 。l ；为功率因数差时的负荷阻抗角；伊为 b c 边的倾斜角，由阻抗继电器的电抗变参数确定，一般与线路阻抗角相近。 ( 2 ) 横长特性时的整定方法 i 一 二一磊一-一r ，i “q |么矽一铲” 、l 0r p 一 图2 6 横长特性整定示意图 如图2 - 5 所示为纵长特性整定方法示意图。 1 ) x 边( a b ) 的整定 整定原则是，正常情况下出现最小负荷阻抗时，阻抗继电器不应误动。 如图，当负荷阻抗角为及妒时，其最小负荷阻抗值相等，但功率因数时 的最小负荷阻抗最易使阻抗继电器误动，因此应根据妒时的电抗值z 确定a b 边的整定值五。即 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 z = 二尘巴s i n 矽 ( 2 1 4 ) j ，m 。 v z ：垒 ( 2 1 5 ) 1 k e 式中。k 。为可靠系数，可取为1 1 。 2 ) r 边( b c ) 的整定 矗边主要用于防止出线过渡电阻时保护拒动。因此应根据最大过渡电阻 整定，由于故障点的电弧难以预计，一般按线路上高压电气设备外壳的接地 电阻整定，即 恐= k r 毽 ( 2 - 1 6 ) 式中，k x 为可靠系数，一般可取为1 2 ；r g 为高压电气设备外壳接地电阻。 在复线电气化铁路上，若采用分区亭将上、下行线路串接的单边供电方 式，或者单线双边供电方式时，馈线处测到的过渡电阻可为实际值的两倍， 因此，其整定电阻为 跫= 2 玉0 毽 ( 2 - 1 7 ) 4 牵引网自适应三段距离保护的原理 在实际应用当中，牵引网保护通常采用自适应三段距离保护 3 甜。 ( 1 ) 保护原理 自适应三段距离保护的理论基础是：相控整流电力机车负荷电流中含有 丰富的奇次谐波分量，而电力机车通过电分相或空载投入a t 牵引网产生的励 磁涌流中含有丰富的二次谐波分量；为了改善电气化铁路的功率因数，电力 机车上设有三次、五次谐波滤波支路，使得某次谐波的含量降低；电力机车 上的滤波支路在实际运行中，经常不投入，所以单一考察某次谐波含量的大 小困难且无意义。 定义综合谐波含量为： 置。：生生生兰z( 2 1 8 ) 。 j l 式中，厶、厶、厶、分别为测量电流中基波、二、三、五、七次谐波电流。 阻抗继电器的动作方程按式( 2 1 9 ) 实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 肛壶如 x 面1 x 。 式中，r 、x 分别为阻抗继电器的测量电阻和电抗；尼。、五。分别为阻抗继 电器的电阻和电抗整定值。 牵引负荷电流中含有丰富的奇次谐波含量，正常运行时墨 o ，相当于自 动收缩阻抗继电器的动作边界；当a t 牵引网空载投入( 相当于自耦变压器空 载投入) 和电力机车通过电分相引起励磁涌流时，墨 o ，亦相当于自动收缩 阻抗继电器的动作边界。例如，当瓜= 1 0 时，阻抗继电器的动作边界自动 缩小1 0 ；当疋= 3 0 时，阻抗继电器的动作边界自动缩小2 3 。当发生常 规短路故障时，b 。0 ，阻抗继电器的动作边界不变。 阻抗继电器的整定计算仍然按常规方式进行，不会导致整定计算困难； 阻抗继电器的动作边界根据实时检测到的综合谐波含量的大小自动收缩，无 须在运行现场进行谐波含量调查与整定。 为了避免电力机车通过电分相或a t 供电方式下空载投入接触网产生的 励磁涌流引起保护误动作，利用二次谐波进行闭锁，如式( 2 - 2 0 ) 所示。 1 5 1 , 秭( 2 - 2 0 ) ( 2 ) 动作特性 国内牵引网馈线保护的阻抗元件一般采用图2 7 所示的动作特性( 图中 箭头方向为动作边界随综合谐波含量由小到大的收缩方向) ，本文也基于这两 种动作特性给出实际的动作方程。 图2 7 ( a ) ( b ) 所示的动作特性实现表达式分别如式( 2 - 2 1 ) 和( 2 - 2 2 ) 所示。 - r o r 仍+ 壶 ( 2 _ 2 1 ) 爿。鲥s 壶如 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 n z d 0 一r _ r l | 1i | r t i：积他 f 卫 - x _ _ g l , 。 一 ( a ) 足 ( a ) 平行四边形( b ) 多边形 r 图2 7 三段自适应阻抗继电器动作特性 0l + 疋“ 【一a t g q 口2 x 0 o r( 2 - 2 2 ) r1 p 雕高 1 。 1 l x e t g 口o , 鲫x c t g o l + 意 2 2 2 2 牵引网的电流保护 牵引网的自适应三段距离保护作为主保护时，由于阻抗继电器是方向性 保护元件，可能会存在着保护的“死区”，所以应设辅助保护，通常辅助保护 采用电流保护，以便在死区内发生故障时，由辅助保护将故障切除。为了加 强馈线保护，电流保护既做为消除死区的保护，又作为馈线的后备保护，因 此，要求电流保护能保护全长。 1 电流速断保护 由于牵引负荷电流的最大值可能与馈线末端的最小短路电流相接近，甚 至大于后者，所以电流保护的灵敏度一般不能满足要求。因此，应采用三次 谐波制动的电流保护，以提高灵敏度，保护线路全长。为了抵制励磁涌流使 电流保护误动，应采用二次谐波制动的电流保护，即： 屯= m a x ( k , , j ? 益，一) ( 2 - 2 3 ) 式中，舞) n 为分区亭处最小短路电流；，一为馈线最大负荷电流；k x 为 可靠系数。 根据电牵引负荷的特点，用于牵引馈线的电流保护应同时具有二次及三 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 次谐波制动环节，此时电流保护的启动值可根据保证最小短路电流时的灵敏 度系数整定，即： - l = 纽豇 ( 2 - 2 4 ) ” k x 式中，置。为可靠系数。 2 过电流保护 过电流保护整定值按接触网承受过负荷的能力整定。即可按下式整定。 i q 一= k q i f 一( 2 - 2 5 3 电流增量保护 根据故障后短时问内电流增量，大于正常负荷时短时间内电流增加的 特点所构成的电流增量保护。 电流增量整定值，。可按一台机车起动电流整定： “= k x 越f 。 q 一2 6 ) 其中， c , 为可靠系数，取1 2 ：，一为一台机车起动电流；跟机车类型有 关，一般在2 0 0 a 左右。 如果机车未装滤波装置，三、五次谐波电流含量较大，可采用带谐波制 动的电流增量保护，使a l z d 降低到1 0 0 a 左右，从而提高高阻故障的检测能 力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章牵引网馈线保护整定计算程序模块设计 本章对牵引网馈线保护的设置和整定原则以及整定计算方法进行了归纳 和总结，就牵引网馈线保护整定仿真计算程序的整体设计思路和子程序模块 设计进行详细论述。 3 1 牵引网馈线保护整定仿真计算程序的整体设计思路 牵引网馈线保护整定“仿真计算程序的整体思路是将该程序设计为一 个开放式的平台，各子程序模块相互独立，每个模块能完成各自的设计任务。 整个程序含五个子程序模块，即牵引网阻抗计算模块、短路电流计算模块、 最大负荷电流计算模块、牵引网电压损失计算模块、牵引网馈线保护整定计 算模块。以下是牵引网馈线保护的计算程序方框图3 - 1 。 根据图3 1 的仿真计算程序方框图，可以将整个程序分为4 个基础计算 子程序部分和1 个整定计算程序。下面具体介绍各个子程序模块的设计。 3 2 牵引网阻抗计算子程序模块设计 牵引网阻抗是供电臂的电压损失计算、电能损失计算、短路电流计算以 及馈线距离保护整定计算的基本参数，牵引网阻抗计算的准确与否直接影响 到距离保护的整定计算数值和速断电流保护定值的准确性。 牵引网阻抗计算相对比较复杂，它与接触网线材的选择、悬挂方式、线 路的形式( 单线、复线) 以及土壤情况等有关系，这些因素直接影响牵引网 阻抗的值。 在我国牵引供电方式有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、b t 供 电方式、a t 供电方式等，随着电气化铁路的发展、相关光纤通信的发展、信 号轨道电路的形式的完善，并且结合在运营中的不断实践，牵引网的供电方 式也在不断的改进。目前，牵引网的供电方式基本以带回流线的直接供电方 式和a t 供电方式为主的格局，即高速和重载铁路以a t 供电方式为代表，而 常规铁路以带回流线的直接供电方式为主。因此，牵引网阻抗计算主要以上 述两种供电方式的牵引网为基础进行。 下面分单线和复线的情况来建立牵引网阻抗计算模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图3 - 1 牵引网馈线保护仿真计算程序方框图 3 2 1 单线牵引网阻抗计算模型 单线牵引网中各并联导线可以归算成条等值导线，同大地看作成为一 个导线地回路，线路轨道的各并联轨道也可归算成一条等值轨道，同大地 组成轨道一地回路。假设牵引电流只在导线一地回路中流通，由于互感的影 响，在轨道一地回路中产生感应电流，牵引网等效电路如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第20 页 厂乙2 、 图3 - 2 单线牵引网等效电路 两个回路的电压平衡方程式为： 血= l l z ，+ 1 2 2 1 2 ( 3 1 ) 0=iizn+izz2(3-2) 根据以上两式可推出牵引网的等值阻抗为： z ，= 譬= z j 一鲁 ( 3 - 3 ) i s l l l z ， k 5 3 ) 式中，a u 表示每公里牵引网的电压降，刁乃z 。分别表示接触导线一地回路 和轨道地回路的单位自阻抗和两者的单位互阻抗。因此，只要求得：，z 2 乃： 三个参数就可以根据式3 3 求得牵引网的等值阻抗。而z ，乃z t 2 这三个参数是 由牵引网的线材、悬挂方式、土壤地质等情况决定的，下面给出三种悬挂方 式下各参数的算法； 1 简单悬挂 z j = + 0 0 5 + j o 。t 4 5 g ( q 屉m ) ( 3 - 4 ) 式中，为牵引网导线有效电阻，哎，为牵引网导线的当量半径，这两个参数 都由牵引网的线材来决定。d 。是等效地回线入地的深度，一般情况下 d g = 9 3 0 m 。 乃2 3 + 0 0 5 + j o 1 4 5 辔惫q 砌 。q 式中，为轨道的有效电阻，r c ，为轨道的当量半径，d s 为两轨道的中心距 离。 西南交通大学硕士研究生学位论文第21 页 z j 2 = o 0 5 + j o 1 4 5 t g 鲁q 砌竹( 3 - 6 ) 式中，d 。，为接触线与等值轨道的平均中心距离。 将以上三式代入式( 3 3 ) 就能求得简单悬挂方式下的牵引网阻抗。 2 链形悬挂 对于链形悬挂较简单悬挂要复杂，多了一条承力索。接触线、承力索 分别与地构成接触线一地回路，承力索一地回路。每个回路各有不同的自阻 抗，两个回路阀相互有互阻抗。 ( 1 ) 接触网一地回路的自阻抗 接触网一地回路由接触线一地回路和承力索一地回路并联而成。 1 ) 接触线一地回路的自阻抗为 z 。r j + o 0 5 + j o 1 4 5 l g 老( f 2 k m ) ( 3 7 ) 式中，为接触线的有效电阻，为接触线的等效半径。 2 ) 承力索一地回路的自阻抗为 z 。= + o 0 5 + j o 1 4 5 t g 责，上( t l k m ) ( 3 8 ) 式中，为承力索的有效电阻，么为承力索的等效半径。 3 ) 接触线一地回路与承力索一地回路相互的互阻抗为 z ，c = o 0 5 + j o 1 4 5 l g 老q 砌 ( 3 9 ) 式中，d 。为接触线与承力索的平均中心距离。 9 d ，c = h 一t ( 3 - 1 0 ) ) 其中，h 是链行悬挂结构高度，一般取1 l o o m m 1 5 0 0 r a m ；，：! 是承力索弛度， 一般取6 0 0 m m 7 0 0 m m 。 4 ) 接触网一地回路的自阻抗 接触网一地回路的自阻抗为： 1 毛2 + 丁i 广一( q 砌，) ( 3 一1 1 ) 二一_ = 一 z i z kz c z c 式中，2 广z c 、z 缸分别为导线地回路与承力索一地回路的自阻抗和两回路 的互阻抗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第22 页 ( 2 ) 接触网一地回路和等值的钢轨地回路间的互阻抗 接触网一地回路和等值的钢轨一地回路间的互阻抗为： z w = 0 0 5 + j o 1 4 5 1 9 老( f l k m ) ( 3 1 2 ) 式中 d 。= x - 瓦j ：d c , = ( r a m ) ( 3 - 1 3 ) 3 ) 链形悬挂牵引网单位阻抗 根据公式( 3 3 ) ，链形悬挂牵引网单位长度阻抗为： 7 2 z = z w 一等 ( 3 “) 式中，z g 可由式( 3 g