（电气工程专业论文）牵引变电所馈线保护研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：s i n c ee n t e r i n gi n t on i n e t yy e a r s ，t h es u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m sa r eu s e dw i d e l yi nt r a c t i o ns u b s t a t i o n s ，w h i c he v o l v e w i t hr a p i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fr e l a yp r o t e c t i o n t h i s t h e s i sr e s e a r c h e st h ef e e d e rp r o t e c t i o nm o d u l eo fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m s i ta n a l y z e st h ec o m p o s i t i o no ft h et r a c t i o ns u p p l y s y s t e ma tf i r s t ，a n dt h es u p p l ys t y l eo ft h et r a c t i o ns u b s t a t i o nt oe l e c t r i c l o c o m o t i v e ，a n dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i f l e dr a i l w a y t h e t r a c t i o nl o a dh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fi m p u l s i o n ，m o b i l i t y ，t h ew i d e r a n g eo fc u r r e n tc h a n g e ，t h eh i g he x c i t a t i o nc u r r e n t ，t h ea m o u n to fh a r m o n i c c u r r e n te t c s ot h ep r i n c i p l e so ff e e d e rp r o t e c t i o na r ed i f f e r e n tt og e n e r a l t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n a c c o r d i n gt o a d a p t i v ep r i n c i p l e ，t h i s t h e s i s u t i l i z e sh i g h e rh a r m o n i cc u r r e n tt or e s t r a i nt h ed i s t a n c ep r o t e c t i o na n d t h ei n c r e a s i n go fc u r r e n tg a i np r o t e c t i o ne t c s oi t sb o r d e r so fm o v e m e n t m a yb ec h a n g e da u t o m a t i c a l l y a n dt h es e c o n dh a r m o n i ci su s e dt ob l o c k t h e s eh a v ee f f e c tt op r e v e n tt h ep r o t e c t i o nm i s so p e r a t i o nc a u s e db yf a c t o r s s u c ha se x c i t a t i o nc u r r e n ta n dr e g e n e r a t e dl o a de t c t h ed i s t a n c e p r o t e c t i o na d o p t sq u a d r a n g u l a rc h a r a c t e r i s t i c t h i st h e s i sp r o p o s e st h e m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i ct op r e v e n tm i s so p e r a t i o n k e y w o r d s ：t r a c t i o ns u b s t a t i o n ，f e e d e rp r o t e c t i o n ，d i s t a n c ep r o t e c t i o n ， h a r m o n i cc u r r e n t c i a s s n 0 ：t m 7 1 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：郝思伟导师签名：吴俊勇 签字日期：2 0 0 6 年1 1 月1 日签字日期：2 0 0 6 年1 1 月1 日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴俊勇教授的悉心指导下完成的，吴俊勇教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 吴俊勇老师及电气学院的老师们对我的关心和指导。 吴俊勇教授在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，对于我的科研 工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在导师的帮助下，我不仅提升了专业知识 素养，也学到了做人的道理，在此向吴俊勇老师表示衷心的谢意。 在调查研究工作及撰写论文期间，还得到了济南铁路局机务处、调度所及济 南供电段同事的大力支持，他们对我的论文提出了许多宝贵的意见和建议，在此 我表示衷心的感谢。 另外也感谢我的妻子和家人，她们的理解和支持使我能够专心完成我的学业 和进行研究撰写完成论文。 感谢在毕业设计中所有帮助过我的人。 i 塞童堂本堂童些亟堂僮迨塞i !直 1 1选题目的 1 引言 我国于1 9 6 1 年8 月1 5 日宝成线宝鸡至风州段建成了第一条电气化铁路，在 近半个世纪的发展历程中，我国电气化铁路经历了从缓慢发展到快速发展的过程， 电气化铁路建设从山区走向平原，从一般线路走向繁忙的京广、京沪、陇海等主 要干线，从单线到复线，从常速到快速、高速的发展过程。特别是近几年来，为 了缓解国家经济高速发展对铁路运输带来的巨大压力，我国大力修建电气化铁路， 包括对既有线路进行电气化改造以扩大运能，胶济线、陇海线、京沪线就是在既 有线的基础上进行改造的范例。改造后的线路运能增大，列车运行速度得到了很 大的提高，对国民经济的发展起到了很大的作用。截止到2 0 0 6 年底，我国电气化 铁路里程达到2 4 4 1 3 公里，已经超过了日本、印度跃居亚洲第一位，世界第三位， 成为世界电气化铁路大国，电化率达到了3 2 ，时速1 2 0 公里及以上线路延展里 程2 2 万公里，时速1 6 0 公里及以上线路延展里程1 4 万公里，时速2 0 0 公里及以 上线路为6 8 0 9 公里，时速2 5 0 公里线路为8 0 6 公里，预计到2 0 1 0 年将达到2 6 0 0 0 公里，到那时铁路的电气化约占铁路营业里程的4 0 以上，承担我国铁路运量的 6 5 以上，可见保障电气化铁路运营的安全与可靠，对于我国国民经济的发展、铁 路乘客的安全意义十分重大。 近年来，牵引变电自动化技术迅速发展并迅速成熟，它除了完成常规的保护、 测距、控制、测量、远动等功能外，还提供故障录波、故障记录、显示谐波量等 功能，能快速处理故障，迅速恢复系统工作。它能把系统的运行状态、监测的信 息通过更清晰、简单的操作界面反映给操作人员，可以防止误动、误操作，大大 提高系统工作的可靠性、精确性，改善运行人员的工作条件，并可以实现变电所 无人或少人值班，提高运行效率。 在牵引变电所自动化系统中，牵引馈线测控保护装置是其中的一个重要单元， 在牵引变电所自动化系统中起着重要作用。这是由于牵引网的工作条件比电力网 复杂、恶劣得多，牵引网故障频繁，自2 0 0 6 年7 月份京沪线、8 月陇海线、胶济 线相继投入运行以来，截止到2 0 0 7 年7 月份，共发生故障跳闸1 0 2 4 次，平均每 天跳闸2 7 9 8 次，同时，据统计，2 0 0 6 年全路牵引供电设备发生各类故障2 0 6 件， 故障总停电时间长达3 0 1 小时。对运输程序、服务质量、社会声誉都产生十分不 利的影响。因此研究如何提高交流牵引网继电保护的快速性和可靠性，使牵引网 j t 宝窒望盔堂童些亟堂焦迨塞 ! l 直 在发生短路故障时能快速、准确地切除故障，减少故障影响范围，并通过线路重 合闸或投入备用电源尽快恢复供电，保障电力机车的正常运行，对于我国的国计 民生有重要意义。 电力机车通过受电弓从接触网取流，如果在运行过程中弓网接触不良，发生 离线现象，就要造成过热或产生电弧，使接触导线或受电弓受损伤。这些损伤或 故障可能导致牵引网短路。运行经验表明，大约7 0 的短路是由于绝缘子表面污 垢引起的。短路发生后，电弧能迅速烧掉表面的污垢，因此可以通过自动重合闸 将馈线重新接通。由于牵引网的故障几率较多，又无备用，因此加强牵引变电所 的继电保护尤其是馈线的继电保护就显得特别重要，因为馈线保护的灵敏性和可 靠性直接关系到电力机车的取流状态，从而直接影响到运输大局的好坏。 1 2国内外发展情况 继电保护的任务就是检测故障信息、识别故障信号，进而发出信号或动作于 断路器跳闸。因此故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础，不 断发掘和利用故障信息对继电保护技术的进一步发展有十分重要的意义。随着计 算机技术的发展，自适应保护技术成为继电保护发展的趋势，即实现继电保护的 智能化。 近年来，随着我国电气化铁道的迅猛发展，电气化铁道微机保护装置的研制 开发工作在许多公司、研究所开展起来。南京电力自动化设备厂、许昌继电器股 份有限公司、阿城继电器厂和西南交通大学都有产品投放市场。如w x b 6 5 型、 w x b 7 1 型、z k h 1 l 型、z k h - 3 型、w k h 3 型，w k h 一8 9 2 型等馈线保护装置、 w z b 6 1 型、w b h 8 9 2 型主变保护装置等等。目前，济南局管内陇海线采用的微 机保护是国电南自的，京沪线和胶济线采用的交大许继的。 在国际上，日本高速电气化铁路发展很快，用于切换的馈线距离保护继电器 ( 4 4 f ) 其保护区可随馈线供电状况不同而自动调整数值大小；为防止负荷中高次谐 波及励磁涌流对保护的影响，开发了高可靠性的交流电气化铁路馈线微机保护装 置。德国西门子公司开发的牵引自动化系统已在我国的哈大线上运行，其用于馈 线保护的7 s a 5 1 9 模块设有远距离保护、过电流速断保护、热过负荷保护等保护 1 】。 馈线保护装置一般设有距离保护、电流速断保护、电流增量保护、过电流保 护、一次自动重合闸和故障测距等功能 5 6 】 7 儿8 2 0 。距离保护采用四边形的动 作特性。丽电流增量保护作为最主要的后备保护，对经过渡电阻短路的故障起到 很好的作用。 2 j t 宝窒望盔堂童些亟堂焦迨塞 ! l 直 在发生短路故障时能快速、准确地切除故障，减少故障影响范围，并通过线路重 合闸或投入备用电源尽快恢复供电，保障电力机车的正常运行，对于我国的国计 民生有重要意义。 电力机车通过受电弓从接触网取流，如果在运行过程中弓网接触不良，发生 离线现象，就要造成过热或产生电弧，使接触导线或受电弓受损伤。这些损伤或 故障可能导致牵引网短路。运行经验表明，大约7 0 的短路是由于绝缘子表面污 垢引起的。短路发生后，电弧能迅速烧掉表面的污垢，因此可以通过自动重合闸 将馈线重新接通。由于牵引网的故障几率较多，又无备用，因此加强牵引变电所 的继电保护尤其是馈线的继电保护就显得特别重要，因为馈线保护的灵敏性和可 靠性直接关系到电力机车的取流状态，从而直接影响到运输大局的好坏。 1 2国内外发展情况 继电保护的任务就是检测故障信息、识别故障信号，进而发出信号或动作于 断路器跳闸。因此故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础，不 断发掘和利用故障信息对继电保护技术的进一步发展有十分重要的意义。随着计 算机技术的发展，自适应保护技术成为继电保护发展的趋势，即实现继电保护的 智能化。 近年来，随着我国电气化铁道的迅猛发展，电气化铁道微机保护装置的研制 开发工作在许多公司、研究所开展起来。南京电力自动化设备厂、许昌继电器股 份有限公司、阿城继电器厂和西南交通大学都有产品投放市场。如w x b 6 5 型、 w x b 7 1 型、z k h 1 l 型、z k h - 3 型、w k h 3 型，w k h 一8 9 2 型等馈线保护装置、 w z b 6 1 型、w b h 8 9 2 型主变保护装置等等。目前，济南局管内陇海线采用的微 机保护是国电南自的，京沪线和胶济线采用的交大许继的。 在国际上，日本高速电气化铁路发展很快，用于切换的馈线距离保护继电器 ( 4 4 f ) 其保护区可随馈线供电状况不同而自动调整数值大小；为防止负荷中高次谐 波及励磁涌流对保护的影响，开发了高可靠性的交流电气化铁路馈线微机保护装 置。德国西门子公司开发的牵引自动化系统已在我国的哈大线上运行，其用于馈 线保护的7 s a 5 1 9 模块设有远距离保护、过电流速断保护、热过负荷保护等保护 1 】。 馈线保护装置一般设有距离保护、电流速断保护、电流增量保护、过电流保 护、一次自动重合闸和故障测距等功能 5 6 】 7 儿8 2 0 。距离保护采用四边形的动 作特性。丽电流增量保护作为最主要的后备保护，对经过渡电阻短路的故障起到 很好的作用。 2 i t 塞窒逼盘堂主些亟堂焦迨塞i ! 主 1 3本课题完成的主要工作 本文是对牵引变电所的馈线保护进行了研究，电气化铁路由于其负荷具有冲 击性、电流变化范围大、谐波含量高、励磁涌流大等不同于一般负荷的特点，而 且供电方式采用单相供电，故障类型较三相故障简单，所以其保护模块的设计也 不同于一般的保护设计。 本文对电气化铁路的牵引供电系统的构成及其负荷特点进行了总结，分析了 电气化铁路直供供电方式的故障类型，在已有馈线保护原理分析的基础上，根据 自适应原理，提出了利用高次谐波对距离保护进行谐波抑制、二次谐波闭锁，可 以有效改善保护的动作性能，提高了抗误动、拒动的性能，为了消除出口金属性 短路故障的保护死区，增加了快速阻抗保护功能。对电流增量保护，也进行了改 进，使之更适应当前电气化铁路负荷的特点。 j e 塞銮迪丕堂童些亟堂僮迨童壅i i 垡电丕缝巫基亟蕴挂直 2 牵引供电系统及其负荷特点 2 1 电气化铁道牵引供电系统概况 电气化铁道的牵引供电系统由牵引变电所( 包括分区亭、开闭所、a t 所) 、牵 引网( 馈电线、接触网、钢轨和回流线) 、电力机车等组成。图2 一l 中所示三相牵引 变电所将电力系统1 1 0 k v 或2 2 0 k v 的三相电变成两相2 7 5 k v 分别供给变电所两边 的供电臂以供电力机车提供电能( 如a 相和b 相为2 7 5 k v ，c 相钢轨) ，相邻变电 所之间的供电臂为同相电。通过分区亭可以实现越区供电或上下行并联供电。 牵芎 1 1 0 k y 亳力秉籍】1 0 蜉 图2 - 1 电气化铁道牵引供电系统示意图 牵引变电所( t r a c t i o ns u b s t a t i o n ) ：主要是将电力系统传送的2 2 0 k v 或1 l o k v 的 三相电源转换成牵引网额定电压2 7 5 k v - i 频单相交流电，然后向铁路沿线架设的 牵引网供电。 分区亭( p o s ts e c t i o n ) ：主要作用是操作设置在两个牵引变电所之间连接两供电 分区的开关设备，实现灵活供电，提高运行的可靠性。 开闭所( s u b - p o s ts e c t i o n ) ：实质上是个不进行变压的配电所，主要是将从牵引变 电所牵引母线上引出的一路馈线电线按需要向分组接触网供电。一般设置在需要 送出多路馈电线的多接触网分组的枢纽站场附近。 接触l 网( t r a c t i o nl i n e ) ：是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路钢轨保持 一定距离的链形或单导线的输电网。牵引电力机车能量获取是通过机车受电弓和 接触网的滑动接触来实现的。 馈电线( f e e d e r l i n e ) ：亦即供电线，是指连接牵引变电所和接触网的导线，把牵 引变电所转换完备的牵引用电能送给接触网。 轨道( r a i l w a y ) ：在电气化铁道系统中，轨道除了作为列车的导轨外，还与接触 网组成通道，完成导通回流的任务。 4 i e 塞塞适盘堂童些亟堂鱼论塞奎! 垡皇丞红星基亟煎挂盛 回流线( t r a c k r a i lr e t u l t ll i n e ) ：连接轨道和牵引变电所的导线，把轨道中的回路 电流导入牵引变电所。 牵引n ( t r a c t i o n n e t w o r k ) ：是指由接触网、馈电线、轨道和回流线组成的电能传 输的网络。 2 1 1 牵引变电所的类型 目前我国采用的工频单相交流制牵引变电所按其主变压器的结线方式可分为： 三相牵引变电所、单相牵引变电所和三相二相牵引变电所。 ( 1 ) - - 相牵引变电所 三相牵引变电所主变压器采用三相三绕组油浸风冷式变压器，其线圈接线方 式为y a 1 1 高压侧额定电压为1 1 0 k v ，牵引侧额定电压为2 7 5 k v ( 高压侧为额定 电压时牵引侧的空载电压) ，比牵引网标准电压高1 0 。两台变压器并列，接法完 全相同。目前济南局京沪线的曹县变电所、陇海线的夹河寨、文庄、徐州北变电 所均采用此种接线方式。 ( 2 ) 单相牵引变电所 单相牵引变电所主变压器采用特别设计的1 1 0 k v 全绝缘单相变压器，副边额 定电压也为2 7 5 k v 。在单相牵引变电所，通常选用“v ”接线( v ) 或单相接线 田1 1 方式。“v ”接线为两台单相变压器组成，也可是一台具有两相绕组的三相三柱 式变压器组成，其一次和二次侧都联成开口三角形。此开口三角形的两个开口端 和一个公共端，在一次侧联入电力系统的三相电网，在二次侧将公共端与轨道相 联，两个开口端则分别用馈电线连入接触网的两个相邻区段。陇海线的夏邑变电 所及京沪线( 曹村变电所、济西变电所除外) 采用的是这种方式。单相接线是在 牵引变电所中采用一台或两台单相主变压器。其一次侧接入电力系统的1 1 0 k v 或 更高电压等级的电网中，二次侧作为牵引绕组一端与轨道联接，另一端连到接触 网。胶济线以及京沪线的济西变电所采用此种接线方式。 ( 3 ) 三相两相牵引变电所 牵引变电所中使用比较成熟的三相两相变压器为由两台单相变压器构成的斯 柯特变压器接线。变压器t i 接入a b 相；变压器t 2 一端接入c 相，另端接t 1 的中点。两变压器副边匝数相同，分别供应变电所两边的供电分区。 2 。1 2 牵引供电系统向接触网的供电方式 牵引网向电力机车的供电方式有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、 韭立童逢盔堂童些亟堂焦迨塞奎i f 迭虫丕红厘墓亟煎拉直 自耦变压器( a t ) 供电方式、吸流变压器( b t ) 供电方式和同轴电力电缆( c c ) 供电方式 等，分别如图所示： 牵引l 喧所 图2 - 2 直接供电方式 图2 3 加回流线的直接供电方式示意图 为增强直接供电方式的防干扰性能，用直接供电加回流线( 负馈线) 的供电方 式，简称为d n ( 图2 3 ) 供电方式。为能取得最好的防干扰效果，则需研究回流线 的空间布置( 与接触网的磁耦合关系) 和设法降低回流线地、钢轨一地回路的自阻 抗以提高回流率。 由图2 3 可知，d n 供电方式是由接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线n r ( 每 隔几公里用p 金属线和钢轨相连接) 组成。由于n f 和钢轨并联连接，使得正常运 行时钢轨中负荷电流的一部分分流到n f 中去，因此，可以减少流入大地的电流， 减轻对通讯的干扰危害，降低钢轨电位，减小馈电回路的阻抗。另外，当绝缘子 闪络时，n f 线可起到回归短路电流的作用，即具有保护线( p w ) 的特性。 图2 _ 4a t 供电方式 a t ( a u t ot r a n s f o r m e r ) 供电方式，其牵引网结构较复杂，由接触悬挂t 、正馈 线f 、保护线p w ( 包括c p w 线) 、轨道大地系统r 以及每隔一定距离设置的自耦 变压器( a t ) 构成。a t 并联于接触导线和正馈线之间，a t 中点和钢轴相连，使大部 分回流流经正馈线，从而降低对邻近通信线的干扰。为尽量减小感应环的尺寸， 正馈线和接触导线架设在同一支柱上。一般情况下，正馈线与接触导线对钢轨具 有相同的电压。 6 j e 塞銮适太堂童些亟堂僮迨塞至! l 垡鱼丕筮盈墓亟堑蹙直 变电新 n i ： t r 图2 - 5 b t 供电方式 b t ( b o o s t e rt r a n s f o r m e r ) 供电方式在牵引网中设吸流变压器一回流线，可使牵 引电流沿回流线流回牵引变电所而不经过由轨道和大地。 同轴电力电缆( c o a x i a lc a b l e ) 供电方式，就是将同轴电力电缆沿电气化铁路装 设，电缆的内导体与接触悬挂相连、用作正馈线，外导体与轨道相连，用作负馈 线，每隔一定距离分成一个供电分区。结构简单，特别适宜于在长大隧道中应用。 由于电缆价格很贵，在经济上不合理，因此没有应用在实际系统中。 单线区段，对直供方式及b t 方式，交流牵引变电所设置间距为4 0 6 0 k m ， 对a t 方式可扩大到9 0 1 0 0 k m 。复线区段适当缩短具体设置要由供电计算确定。 d n 供电方式具有供电方式简单、可靠的优点，通过优化其结构和参数能保证 较好的屏蔽效果，在稳定网压、延长供电距离、节能方面也有较明显的优势，其 成本与运营维修费用均比a t 、b t 低得多。a t 方式的供电质量高，用电质量高， 是高速、重载电气化区段的首选供电方式。b t 方式相对于前两者具有劣势，现在 国际上很少采用这种方式。目前济南局管辖范围内的胶济线、陇海线、京沪线全 部采用d n 供电方式，包括最近上马的胶济客运专线也是采用d n 供电方式。 2 1 3 牵引网的供电方式 1 、单线区段： 可可 l c j j 1 ) 单边供电2 ) 双边供电 图2 - 6 单线区段供电方式 单边供电简单，独立性强，在目前的单线区段普遍采用。双边供电比单边供 电有较好的供电质量( 电压电能损失小) ，设备( 接触网导线、变压器) 负荷均匀，但 继电保护较为复杂，且有穿越电流流经接触网。由于目前主要干线全部开通了复 线，所以这种供电方式采用的以越来越少。 2 、复线区段： e 基銮望盘雯童些亟堂僮途塞奎i ! 堡电丕红霆墓鱼堑挂壶 隆!鸥 1 ) 单边分开供电 2 ) 单边并联供电 3 ) 双边纽结供电 图2 - 7 复线区段供电方式 单边分开供电简单、独立性强、不设分区亭、可用于运量小、坡道平坦且馈 电臂较短的场合。单边并联供电比分开供电有较好的供电质量，上、下行接触导 线负荷均匀，需设分区亭，目前在复线区段普遍采用。双边纽结供电比单边供电 有较好的供电质量，设备负荷均匀，但继电保护复杂，且有穿越电流流经接触网。 目前胶济线、陇海线、京沪线采用的是同相单边供电方式，在分区所实现上下行 接触网并联，并实现越区供电。 2 2牵引负荷的特点 目前我国的牵引供电制式全部为单相工频2 5 k v 交流制；牵引供电方式为直接 供电和自耦变压器( a t ) 供电方式并用；牵引变压器接线方式采用单相和平衡型；接 触导线采用铜或铜合金电车线，个别区段采用钢铝电车线；牵引供电系统远动装置， 按铁路线别、运量大小选型。牵引变电所的进线电源为来自1 1 0 k v 系统或2 2 0 k v 系统的两条独立线路，经两台变压器为牵引变电所供电。台变压器运行，另一 台备用。 j e 峦銮堑叁堂童些亟堂僮迨塞奎! ! 送电丕丝星基亟篮挂直 牵引壹电所主接线 一1 一y n d i l 接缝口9 牵引变压嚣1 2 一1 1 0k v 电压蔑慕器 扣豁w 电压置盛嚣l 一目甩电变压嚣5 一电说互感瓣1 6 - - 曩雷器 7 一所路鬻i 事一璐离开黄，争蔼f 断嚣妇，加一 引翻壤屯母缝 图2 - 8 牵引变电所接线原理图 由图2 8 可知，变压器出线一相接地，另外两相分别接牵引网馈线。由此可见， 交流牵引网为两个单相系统，其负荷特性不同于一般的电力系统负荷，具体表现 在： 1 、牵引负荷不仅是移动的，而且其大小随时都在变化，某一电流值的持续时 间往往可以用秒来计算。馈线电流值的变化范围极宽，一般是在零和最大负荷电 流值f 如数百或数千安) 之间变动。牵引负荷为单相移动负荷，牵引负荷的大小与线 路的机车数量、机车种类、机车功率、运行速度以及线路情况等有关，其幅值、 相位随时都在发生变化。接触网发生故障的几率较电力系统输电线路要频繁得多。 2 、牵引供电臂供电距离长，单位阻抗比一般输电线路单位阻抗大。一般输电 线路的单位阻抗为o 4 0 f l k m ，而牵引网的线路阻抗较大，一般为o 5 4 f l k m 左右； 有吸流变压器时增大为o 8 2 f l k m 左右，a t 供电方式时约在o 6 0 f l k m 以上。由于 单位阻抗大，输送距离远，故末端最小短路电流较小。馈线的最大负荷电流很大， 最小短路电流往往接近甚至小于最大负荷电流。牵引阻抗大，相应短路电流小， 有时可与最大负荷电流相比。 3 、牵引负荷的变化频率及幅度远远大于一般的电力负荷。整流式电力机车以 及电动车组的电流均含有大量的高次谐波，其中的三次谐波含量最高，可达2 0 9 a e 立窑重盔堂童些亟堂僮迨塞空l 堡垒丕堑丛基亟蓝挂盛 或3 0 左右。机车在坡度较大的线路下坡运行时，将由电动机状态转入发电机状 态，这种负荷称之为再生负荷，此时的高次谐波成份更高，可达4 0 以上，并且 负荷位于第二象限，当线路上既有正常负荷又有再生负荷或涌流时，其综合负荷 就会落入保护动作区使常规保护误动作。当供电区间列车数增加时，由于不同机 车的换向角可能不同，所以牵引馈线电流三次谐波含量减少，但一般仍大于1 0 。 即便是装有功率因数补偿装置，综合谐波含量仍不低于1 0 。而牵引网短路时， 机车退出了工作，由于是高压回路的单相直接接地，以及供电回路的参数电抗分 量大于电阻分量等原因，所以电气化铁道供电回路故障电流的波形是不含高次谐 波成份的正弦波。 4 、当在接触网电压下空载投入机车牵引变压器，或馈线突然断电、机车失压 后由自动重合闸动作将馈线断路器重新投入，或电力机车在运行过程中失电而又 复得( 如机车惰行通过电分相) ，或含有a t 、b t 的牵引网空载投入等情况下会产生 励磁涌流。励磁涌流的幅值可达6 5 0 - - 8 0 0 a ，从而使馈线电流可达很高的数值。励 磁涌流的波形呈尖顶波且偏向于时间轴的一侧，故励磁涌流中含有大量的二次谐 波。由于励磁涌流不属于故障两牵引网中出现涌流的几率和其幅值都比较大，因 此在牵引馈线保护中应保证在此情况下不误动。 5 、为了适应机车沿线路移动，牵引网的结构比电力系统馈电线路要复杂得多。 同时，其工作条件也较恶劣，因为机车的受电弓与接触导线一直处于快速滑动接 触状态，机车通过其接触点取流。当接触不良时将会产生火花或电弧，使接触导线 过热，以致烧伤。另外，由于受电弓对接触导线有迅速移动的向上压力，使接触 导线经常处于振动状态，因此引起接触网机械故障的机率增大。上述损伤及故障 都可能导致牵引网短路，从而对继电保护动作的可靠性要求相对要高。牵引网短路 电流的数值主要取决于电力系统的供电方式和容量、牵引变电所的总容量、牵引 网的供电方式、故障点的距离以及所采用的接触悬挂型式和钢轨型号等。 2 3 电气化铁路的主要负荷一电力机车的模型及分析 目前我国电气化铁路上运行较多的交直型电力机车为韶山系列机车，2 0 0 7 年4 月份后引进了动车组。这些机车按照调压方式的不同，可以分为机车变压器抽头 调压( 主要是5 5 1 型) 、晶闸管控调压( 例如5 5 3 型4 0 0 0 系列、5 5 4 型、5 5 7 型和5 5 8 型等) 以及两种调压相结合的方式( 例如s s 3 a 型) 。变压器抽头调压机车大多采用二 极管整流( 更早的机车采用引燃管整流) ，整流电压的大小是借助于机车主变调压开 关换接变压器抽头来实现，输出的脉动直流电压不能平滑调节。晶闸管相控调压 机车则是随着可控硅元件的发展才出现的，这种机车采用晶闸管整流，整流电压 0 j e 塞銮道盘堂童些亟堂焦迨塞空i l 毯血丕红丞基亟煎挂盛 的大小由晶闸管的控制角实现平滑调节。 电力机车的调速与整流电路有很大关系。交直型机车采用晶闸管整流相控实 现平滑无级调速，可以更好地利用轮轨粘着力获得机车在工作范围任意的牵引力 和机车速度。在半相控整流控制方式及大电感带反电势负载时，晶闸管整流输出 电压玑的平均值为： = 层j 也s i n n 咄棚= n 兕，2 1 + c 了o f “ 其中以一机车主变二次侧电压有效值：旷晶闸管整流桥控制角，o a 1 8 0 。 可见，仅仅通过调整控制角a 即可改变机车直流牵引电机的端电压从而实现机车 平滑调速。 牵引供电网络一机车系统数学模型如图2 - 9 所示， 一 ：t2【d c “2 ，约为 1 1 0 。1 2 0 。，功率因数为一( 0 4 o 5 5 ) ，此时再生电流，。反送回牵引网或为牵 引机车吸收。 2 4电气化铁路馈线故障类型 2 4 1 短路的类型 电气化铁路由于是单相供电，因此短路的方式较一般三相供电方式简单，可 以分为如下几种： l 、单相短路： ( 1 ) 一线接地：供电系统的带电部分同大地( 接地线、水泥支柱、铁塔等接地部分) 韭塞童适盍堂童些亟堂僮迨塞至! ! 堡垒丕统霆墓鱼盈挂盛 之间的绝缘破坏，流过故障电流。 ( 2 ) 两线短路：同一相供电系统带电部分的导体之间，以及和回流线导体之间的 绝缘破坏，流过故障电流。 2 、两相短路：供电系统不同相之间的带电部分绝缘破坏。 除以上的故障种类之外，有时也可能出现这些故障同时发生的情况。 又可以根据是否经过渡电阻短路，分为金属性短路和经过渡电阻短路。短路 时如果电力机车继续从牵引网上取流，则与过渡电阻并联，相当于减小了过渡电 阻，对保护安装处来说，可以按有过渡电阻来分析。 在分析与推导牵引供电系统短路故障的数学模型时，常常考虑变电所主变的 型式、接线方式以及牵引网的具体结构和供电形式等的影响。在此抛开这些因素 的影响，把短路时的电牵引供电系统等效为如下的短路计算模型： 由图2 1 0 可以列回路方程： ( 气+ ) o + ( l s + ) 詈2 2 s i n ( o 瞳+ a o ) 令r = + ，l = + 可得电流瞬时值为： 台= 叫i s i n ( , a + a o - 历- h 叫m 一历一f 形； 其中户= 留( r a l i r ) ，f = l r = t g - l f l o g , i l o 短路时刻负载电流，为故障电流瞬 时值。 稳态故障电流有效值：，d = e s ( z 5 + z d q ) 。 互 ： z 由 变电所 i 。j i i q 图2 1 0 牵引供电系统短路计算等效电路图 2 4 2 直供式牵引网短路故障类型 z 。：= z ：三相供电系统的等效阻抗( 归算至牵引网侧) ；乙牵引变压器等效阻抗 ( 归算至牵引网侧) ；瓦牵引网短路等效阻抗；乙牵引变电所等效阻抗；z 牵引网等效 1 2 j e 夏窑重丕堂童些亟堂僮迨塞奎5 i 垡生丕统蕉基鱼萤挂直 单位阻抗；t 为整个供电臂的长度；易为短路点至牵引变电所的距离。 1 、单相牵引网接地故障 ( 1 ) 单线：一般供电方式下单线牵引网稳态故障电流为： 西5 亏手忑夏了e 甄；k 根据变压器的型式不同取值，一般取k = l 。 图2 - 1 1 直供式单线牵引网示意图 直供式：2 2 8 l d 。 ( 2 ) 复线：般供电方式下单线牵引网稳态故障电流为 j d3 亏i i 乏手e 巧两5k 根据变压器的型式不同取值，一般取k = l 。 图2 一1 2 复线牵引网示意图 上、p 仃牵引恻中的故障电流分别为： 埘一老c ；- v t ? 1 一等t 直供式：z , o = z + ( 2 l ，一l ) + z ，l 】4 么，其中乙为互感阻抗。 2 、异相牵引网短路和异相牵引网短路接地故障 异相牵引网短路和异相牵引网接地短路故障形式，在我国比较少见，一般只 考虑在变电所的出口处发生即z 女= 0 。 i 立塞逼太堂童些亟堂焦迨塞奎i l 然鱼歪丝丛基鱼堑挂盛 ( 1 ) 异相牵引网短路故障 此故障下，一殷供电方式牵引网稳态故障电流为： j d = 丐审翔k 1e ；t 。，乞根据不同的变压器取不同的值。 a ) 异相牵引网短路故障 w 异彳甘牟引嘲恕跆联地政障 图2 - 1 3 异相短路故障 ( 2 ) 牵引网短路接地故障 此故障情况下的稳态故障电流因牵引主变的型式不同而不同 牵引主变为单相牵引变压器( v v ) 。一2 乏j 是万； 牵引主变为三相牵引变压器( y ，1 1 ) 。一= 乏j 丢； 牵引主变为阻抗匹配平衡变压器( w ) 。m2 矗，印2 焘 e 塞銮适鑫堂童些亟堂焦迨塞缝缮埕塑鲢蟹董 3 1距离保护 3 1 1 距离保护定义 3 馈线保护的配置 距离保护是反映被保护线路始端电压和线路电流比值而工作的一种保护，这 个比值被称为测量阻抗z ，( z ，= u ，1 1 ，) 在线路正常运行时的测量阻抗称为负荷阻 抗，其值较大；当系统发生短路时，测量阻抗等于保护安装处的线路阻抗，其值较 小：而且故障点越靠近保护安装处，其值越小。当测量阻抗小于预先设定的整定阻 抗时，保护动作。由于它是反映阻抗参数而工作的，故有时又称之为阻抗保护。 由于距离保护既反应被保护线路故障时电压的降低，又反应电流的升高，采用方 向阻抗继电器时还可反应相角的变化，因此其灵敏系数较高，在牵引网保护中作 为主保护。 距离保护的动作元件是反应阻抗下降而动作的阻抗继电器。阻抗继电器可用 比较保护安装处母线电压及短路电流的方法实现。测量阻抗：z ：z ，n ，n ，式中 j 口 y 乙一次侧短路阻抗；，电流互感器变比：m 电压互感器变比。动作判据： z i x 2 ，约为1 1 0 0 1 2 0 a ，功率因 1 6 t 峦銮逗盍堂童些亟堂僮途塞丝线堡量笪醒重 数为一( o 4 o 5 ) ，此时再生电流厶反送回牵引网或为牵引机车吸收，供电臂内最大 负荷电流为： 。 ，加= i f m a x + i b ； i b = ，曰z ( e b + ) ； 以偏移平行四边形阻抗动作特性为例，在最大负荷电流与励磁涌流或再生制 动电流叠加情况下，当满足下式时，阻抗保护可能误动作，如图3 - 2 所示。 负荷十冉生区 疑鬻警乏 ：。： ： 7 7 二 2 a r g ( u m , i 向) ( 巧一弩) ； 驴卧乙 妒加= a r g ( d 。，j 加) - 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( 相当于自藕变压器空载投入) 和电力机 车通过电分相引起励磁涌流时，k ， o ，亦相当于自动收缩阻抗继电器的动作边界。 当发生短路故障时，短路电流中也存在一定的谐波含量，只是较负荷电流小的多， 可以设定短路故障时的综合谐波含量为j ，当琏 j 匕时，应停止边界的收缩。 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，无需在运行现 场进行谐波含量实验与整定。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，可以利用二次谐波进行闭锁，如式 所示： j e 立銮通太堂主些塑堂焦迨塞堡缮送丝曲蟹董 冰： 其中k ：为二次谐波闭锁门槛值，当1 2 与。的比值大于k ：时，闭锁保护。 2 、动作特性与整定原则 国内牵引网馈线保护的阻抗元件一般采用图3 - 3 所示的动作特性，本文基于这 两种动作特性给出实际的动作方程。 设保护测量电压、电流分别为u 、i ，表达式为： 0 s + j y c ；l s + j i c ； 设测量阻抗为：z ；j ：矗+ j ； 肚蒂h 2 带 其中：l ，屹一基波电压正弦、余弦分量；，l 一基波电流正弦、余弦分量； r 、x 一测量电阻和电抗。实现图3 - 3 ( a ) ( b ) 所示动作特性的表达式分别如 a ) 弛吼一心r s 仍+ 志如； 一x a x - 而1 石d b ) o 艇l + 1 - - l 。r , a , - r 嘲，2 x 茎o ； 和。x 壶如，撇邪艇盟慨+ 壶如 。x 矿 a b _ - i i ；| 、i ， r 。 d ：c 一 一x tr “ ( a ) 平行四边形 1 9 j e 塞銮重盔堂童些亟堂鱼迨童篮线堡塑鲍酲量 at x t 弋l 弘、 o、卜il ： ( b ) 多边形 图3 - 3 自适应阻抗继电器的动作特性 以多边形( b ) 为例进行整定，平行四边形的整定与此类似： 其中妒。一躲涌流偏移角；仍一阻抗元件容性偏移角；吼一线路阻抗角；j 匕 一阻抗元件边电阻整定值；x 二一阻抗元件边电抗整定值； ( 1 ) a b 边z 。的整定是以末端短路电抗值为整定依据的： z 嘲2 k k z o l ； 其中峰一可靠系数；z o 一单位电抗；接触网长度。 为避免保护线路上同时存在多列车分别工作在牵引、再生或启动工况下继电 器误动作，可以自适应调节其动作边界： z 一= 丧z 。三 距离保护i 段动作阻抗，按躲开下一元件始端短路的条件来选择。距离保护i i 段作为开闭所i 段的后备保护来整定。距离保护段按线路的最大短路阻抗进行整 定。具体可根据不同的接线方式按上述原则来具体整定。 ( 2 ) b c 边z 。的整定是按基波最小负荷阻抗整定的，当线路上出现最小负荷阻 抗时，即负荷电流最大( 。) ，变电所母线电压最低( ，劬) ，且负荷功率因数角妒最 坏时，可整定为： z = z ，自( c o s s i n o t g o ) ； ，u f z 2 聒7 躲重负荷可以调节为： z = z ，m ( c o s s i n q ) t g o ) ( 1 + 巧) 其中k 。可靠系数，0 一线路阻抗角即b c 边的倾斜角。 确定母线最低电压目前有两种基本方法，一种是估计法，即根据经验和线路 i e 壅銮适盔堂童些亟堂焦途塞焦缮堡塑的醒重 最大负荷电流的估计值确定；另一种是实测法，根据实际测量出的线路最大负荷电 流值确定。这两种方法取得的母线最低电压一般不低于2 0 k v 。 估计法是设计新线时常用的方法，用该方法确定的母线最低电压误差较大。 实测法是供电系统运行中修改保护整定值的一种方法，利用该方法确定误差较小， 但也有局限性，例如在开闭所单进线供电时，母线最低电压就很难测量出来。因 为初步选择开闭所最低电压一般不低于2 0 k v ，当通过单进线的负荷电流很大时， 进线保护中馈线方向的阻抗保护就会因过负荷而动作跳闸，使开闭所母线失压， 测量仪器指示值为零。 影响负荷阻抗整定值z 。不准确的主要因素为母线最低电压，如选择不准确， 将导致z 。值不正常，从而造成在负荷电流大时阻抗保护误动作。 图3 4 为单线供电等效电路系统，从图中可以看出，变电所母线电压【l 与系 统阻抗z ，、变压器阻抗z 。和负荷电流，有关。从电工原理得变电所母线电压： 图3 - 4 单线供电等效电路系统图 m i 。2u 一乇。 & ( 乙+ z 6 ) 开闭所母线电压以与z j 、乙、线路阻抗乙和负荷电流，有关，从而得 u k m i n 2 u i b m 忸b k k 继x + z b ) 一kk lf m 醯孑d 由以上两式可以确定变电所最低母线电压。和开闭所母线最低电压以。， 而且明确了最低母线电压与阻抗和负荷电流的关系。 四边形阻抗保护负荷边阻抗整定值z 。与线路阻抗整定值z 。存在明显区别， 线路阻抗整定值z ，。只与本线路阻抗有关，与其他参数无关。而负荷边阻抗整定值 z 。不仅与最大负荷电流，一的大小有关，还与最低母线电压值l ，n 血和系统阻抗 值z 有关。 3 、拒动动作行为分析 以偏移平行四