（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路at牵引供电系统的保护配置与整定.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t h eh i g h - s p e e di np a s s e n g e rt r a n s p o r tr a i l w a y si sad e v e l o p m e n to r i e n t a t i o ni n t h ew o r l d i th a sm a n ye x c e l l e n c e s ，s u c ha sh i g h e r - s p e e d ，s t r o n g e rc a r r y i n g ，b e t t e r s a f e t y , f e w e ro c c u p i e dp l a c ea n ds oo n r u n n i n gs a f e l ya n dr e l i a b l yi sp r e c o n d i t i o n o fe n s u r i n gt r a i ns a f ei nt h eh i g h - s p e e dr a i l w a ya tt r a c t i o ns y s t e m t h ep r o t e c t i o no f t h ep o w e rs u p p l ys y s t e mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l et oe n s u r et h es y s t e mf e e d i n gt h e t r a i ns a e f l ya n dr e l i a b l y t h eh i g h s p e e d - r a i l w a y sm o s t l ya d o p t sa l l p a r a l l e la tt r a c t i o np o w e rs u p p l y c o m p a r i n gw i t ht h er e u g l a r - s p e e dr a i l w a y , h s rh a sh i h g e rs p e e d ，m o r ep o w e ra n d t h ea c - d c a cl o c o m o t i v e sa n de m u ( e l e c t r i cm u l t i p l eu n i t s ) a r ea d o p t e d t h e s e c h a r a c t e r i s t i c sw i l lb r i n gf o r w a r dn e wd e m n a d st ot h ep o r t e c t i o no ft h es y s t e m t o e n s u r et h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo p e r a t e ss a f e l y , m a k i n gt h es t u d yo np r o t e c t i o n s c h e m ea n ds e t t i n gc a l c u l a t i o no fa th i g h s p e e dr a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mi so fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ed i f f e r e n c e so ft h em a i nc o n n e c t i o nt y p e sa n d o p e r a t i n gm o d e sb e t w e e nt h eh i g h - s p e e dr a i l w a ya tp o w e rs u p p l ys y s t e ma n dt h e t r a d i t i o n a la tt r a c t i o nl b o w e rs u p p l ys y s t e m , a sw e l la st h ec h a n g i n go ft h et r a c t i o n n e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n ds h o r t c r c u i t i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s f o rt h ea l l p a r a l l e l e dn e t w o r k s o nt h eb a s i so fa n a l y s i n gt h ep r o t e c t i o np r i n c i p l ea n dp r o t e c t i o n f u n c t i o n so ft r a d i t i o n a la tt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m , n o t i n gt h a tan u m b e ro f p r i n c i p l e si si m p r o v e dt ot h ep r o t e c t i o n ，p r o t e c t i o ns c h e m ew h i c hi sa d a p t e dt o h i g h s p e e da tr a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi ss e l e c t e d i nt h i sp a p e r , t h ea n a l y s i so na l l p r o t e c t i o n sa n dc o - o r d i n a t i o na m o n gt h e s e v a r i o u sp r o t e c t i o n so fs e l e c t e dh i g h s p e e dr a i l w a ya tt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m i sg i v e n t h es e t t i n gp r i n c i p l e so fp r o t e c t i o n si sd e t e r m i n e d ，a sw e l la st h ec a l c u l a t i n g f o r m u l ao fa c t i o nv a l u e sa n dt h er a n g ef o ra c t i o nt i m e f i n a l l y , t h ew ，h o l e p r o c e s so fs e t t i n gc a l c u l a t i o no fap a s s e n g e rl i n e i n a c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a lp a r a m e t e r so f a tt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sg i v e n k e yw o rd s ：h i g h - s p e e d r a i l w a y s ；a tt r a c t i o ns y s t e m ；p r o t e c t i o ns c h e m e ；s e t t i n g c a c 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 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：鹑莨 日期：瑚7 口6 谚 指导老师签名：y u1 日期：h 哆易易 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彭砖 日期：卅口6 口专 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景及其意义 电力牵引作为一种新型有轨运输动力的形式，。自上个世纪6 0 年代在我国 首次运用，至今国内的电气化铁路总里程已突破两万公里。电气化已然成为铁 路牵引动力的发展方向。其中，高速铁路具有速度快、运能大、安全好、占地 少、节省能源、利于环保和经济效益显著等一系列优点，在世界范围内得到了 广泛的运用【l j 。2 0 0 3 年1 0 月，我国第一条高速铁路秦沈高速铁路( 试验 最高时速3 2 1 8 k i n h ) 投运。2 0 0 8 年，全国第一条城际高速铁路京津城际 铁路正式运营。2 0 0 9 年4 月，刚刚通车的合武高速铁路，还有正在修建的还 有武广、京沪等高速铁路，这些都意味着高速电气化铁路已逐渐成为我国铁路 的发展方向。 牵引供电系统的保护作为保障牵引网高效、安全、可靠供电的基础，历来 在电气化铁路的建设中得到了广泛的重视。今天，高速铁路的发展意味着对于 牵引供电系统的可靠性有了更高的要求。1 9 8 4 年a t 供电方式首次被我国的京 秦电气化铁路所采用，如今它已成为了我国高速铁路优先选择的供电方式，其 中具有受流大、供电区段长、适应高速、可靠性更高等特点的全并联a t 供电 方式更受到人们青睐【2 圳。传统电气化铁路a t 供电系统保护的配置与整定已得 到大量的研究与发展，然而，对于我国正刚刚起步的高速铁路来讲，其具有特 殊性。a t 牵引供电系统的结构、接线方式、所采用的装置、线路阻抗以及发 生故障时的电流分布与阻抗特性等都与常规铁路有很大的区别，高速铁路所采 用的a t 牵引供电系统与传统的a t 牵引供电系统也存在一定的差别。从而， 并不能简单的将过去的保护方案直接应用到高速铁路中去。因此，如何利用已 发展成熟的保护原理与装置，针对高速铁路( 全并联) a t 牵引供电系统与传 统的a t 牵引供电系统的不同点，修正与完善原有的保护配置方案，并得出合 理的保护整定计算原则，是有利于我国高速铁路的发展的，也具有重要的理论 和实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 供电方式研究现状 交流牵引供电系统可采用的供电方式主要有4 种：( 带回流线的) 直接供 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电方式，吸流变压器( b t ) 供电方式，a t 供电方式和同轴电缆供电方式。其 中b t 供电方式虽在通信线路的防干扰方面性能较好，但由于串入的吸流变压 器伴随着火花间隙，使得接触线在机械上和电气上有断口，大大影响高速列车 运行的安全性及列车速度；并且其供电距离短，供电质量差，牵引网能耗大。 因此不适合高速电力牵引：而同轴电缆供电方式则需要沿线埋设同轴电缆，工 程造价高，也不宜采用。在高速铁路中主要采用的是a t 供电方式，个别线路 采用的是a t 和直接供电相结合的供电方式。 ( 一) ( 带回流线的) 直接供电方式 直接供电方式是一种最简单的供电方式，如图1 一l 所示。在线路上机车供 电由接触网1 和钢轨2 直接构成回路，对通信干扰不加特殊防护措施。其特点 是：供电方式简单，投资最省，牵引阻抗较小，能损也较低。但由于钢轨与大 地不是绝缘的，一部分回流由钢轨流入大地，从而其抗干扰能力差而没能得到 普遍应用。 变电所 2 图1 - 1 直接供电方式 对直接供电方式采取增加回流线的措施以后，就形成了带回流线的直接供 电方式，如图1 一l 所示，其屏蔽效果显著提高。该供电方式基本继承了直接供 电方式的各特点，同时还具有供电可靠性高、稳定网压、延长供电距离、节能 等优点。 ( 二) a t 供电方式 如图1 2 所示，每隔1 0 k i n 左右在接触网与正馈线之间并联接入l 台自耦 变压器，其中性点与钢轨相接。电力机车由接触网1 受电后，牵引电流一般由 钢轨2 流回，由于自耦变压器的作用，从钢轨流回的电流，经自耦变压器绕组 和正馈线a f 流回变电所。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 舡 图l - 2a t 供电方式 高速电力牵引的速度快、电流大、要求供电系统的供电质量高，并且要求 尽量减少电分相、电分段的数量。而a t 供电方式变电所间距大，一是可以大 大减少电分相的数量，并且牵引网阻抗小，能显著减小牵引网电压损失，改善 供电质量，保证列车高速运行；二是可以密切配合电力系统向电气化铁道供电 的电源选择，以降低工程造价【5 】o 另外，a t 供电方式对通信线路的影响较小， 与b t 供电方式相当。因此，对于高速铁路牵引供电，a t 供电方式是一个很 好的选择。本文就是以a t 供电方式下的牵引供电系统为基础，研究其保护配 置与整定计算的。 1 2 2 牵引供电系统保护研究现状 自1 9 6 4 年日本开通世界上第一条高速铁路以来，经过几十年的实践和发 展，各国高速铁路的牵引供电系统都有了很大的发展，达到了很高的水平，而 且各自具有特色。以下主要介绍日本、德国、法国以及国内高速铁路牵引供电 系统继电保护的配置原理。 ( 1 ) 馈线保护 目前日本交流电气化铁道的馈线保护一般由阻抗保护元件和电流增量 ( i ) 型故障选择元件构成，构成了构成二重保护。广泛使用的阻抗保护元件 是微机型距离继电器，其动作特性为平行四边形特性，并可通过高次谐波的含 量大小可自动切换动作范围。另外，增加了接触导线温升检测元件，具有报警 功能。利用变压器空载激磁涌流和负荷电流中的高次谐波，还研制了高速动作 的高次谐波抑止式i 型故障选择装置，原理框图如图l 一3 所示。图中5 0 f 是i 型故障选择装置，另外还设有过电流元件5 1 f ，主要是对导线的过热保护，不 进行重合闸。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 占 甲 图1 - 3 交流i 型故障选择装置原理框图 德国高速铁路牵引网采用的微机馈线保护装置是s i e m e n s 公司生产的 7 s a 5 1 8 5 1 9 ，在我国的广深高速铁路和哈大线的接触网馈线中也采用了这种保 护装置。其主要的保护配置原理是：具有组合特性的两段阻抗保护；电流速断 保护；过电流后备保护；断路器失灵保护；反映负荷电流的接触导线温度保护 及自动重合闸装置等【6 】。 法国使用的馈线断路器的保护装置是一种稍加改进的静止距离测量继电 器，这种保护装置基本上有三个阻抗保护区段：保护i 段为瞬时动作，保护馈 线长度的8 0 8 5 ；保护i i 段和i i i 段为延时保护，用于被保护区段的末端， 作为相邻供电区段故障的后备保护【7 】。 我国电气化铁路较国外有很大的差异。从实际运营需求出发，主要致力于 微机型继电保护的研究和应用，提出了一些适合我国电气化铁路的馈线保护措 施。目前，我国的微机型馈线保护配置一般分为主保护与后备保护。其中主保 护主要有自适应三段阻抗保护和电流速断保护，后备保护主要有过电流保护和 i 电流增量保护。且传统a t 供电系统保护的配置一般为：在牵引变电所设置 三段阻抗保护、电流速断保护、电流增量保护；在开闭所进线方向设一段阻抗 保护，馈线方向设二段阻抗保护；在分区所上、下行各设置正反向二段阻抗保 护。 ( 2 ) 牵引变压器保护 日本高速铁路牵引主变压器多采用斯科特接线或变形伍德桥接线的平衡 变压器，德国与法国高速铁路则主要采用的是纯单相的牵引变压器。由于高速 铁路的电源线路是高压系统，主变压器容量大，保护设备也较多。各国变压器 保护的保护配置大体相同，只是由于采用的变压器类型不同，部分保护的保护 原理有所不同。一般设有差动保护、过电流保护、失压保护、过负荷保护、瓦 斯保护、压力保护、过热保护、油面过低保护和断路器缺相保护等。 我国针对牵引变压器一般主要采用的是差动保护、低电压启动的过电流保 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 护、过负荷信号保护、碰壳保护及瓦斯保护，并且对中性点接地的变压器还设 置了零序过电流的接地保护。 1 3 本课题的研究内容 a t 牵引网的短路类型有接触线一钢轨、正馈线一钢轨、接触线一正馈线、 接触线一保护线、正馈线一保护线以及异相短路六种形式。前五种短路归结为 接地短路，接地短路采用三段阻抗保护作为主保护，电流速断保护作为辅助保 护。而对异相短路，阻抗保护不再适用，有文献提出了自适应电压增量保护。 电气化铁道发生高阻接地故障时，是依赖微机进行复杂计算构成多特征量组合 的新型高阻接地保护，在阻抗保护的基础上，增加电流增量保护作为后备保护 p j 。对于现在的高速铁路全并联a t 牵引供电系统而言，a t 所的并联使得牵引 网的线路拓扑发生了变化，动车组的使用也使得负荷特性发生了改变，传统的 保护配置与整定值已不能完全适用。 本课题在现有技术的基础上，主要研究以下几个问题： ( 1 ) 分析比较传统铁路a t 牵引供电系统与高速铁路a t 牵引供电系统的区 别。 ( 2 ) 理解并掌握传统铁路a t 牵引供电系统的保护配置方法以及整定计算 原则。 ( 3 ) 考虑其他一些影响保护配置方案的因素，如常规保护方案在实际运行 中发生的保护不正确动作，越区供电的影响等。 ( 4 ) 综合考虑所有因素，对原有的保护配置加以改进或提出更好的保护配 置，并给出保护整定计算原则。 ( 5 ) 针对一条实际的高速铁路，对其a t 牵引供电系统进行保护配置与整 定计算，验证方案的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章传统a t 牵引供电系统及其保护配置 2 1 电气化铁道a t 牵引供电系统 电气化铁道的牵引供电系统由牵引变电所、牵引网等组成，如图2 1 所示。 牵引网由馈电线、接触网、钢轨和大地、回流线构成，图2 1 中三相牵引变电 所将电力系统1 1 0 k v 或2 2 0 k v 的三相电变成单相2 7 5 k v 分别供给变电所两边 的供电臂以给电力机车提供电能，相邻变电所之间的供电臂为同相供电【9 jo _ 通 过分区亭可以实现越区供电或上下行并联供电。 1 1 c 或2 2 0 k v 电力系统1 1 c 或2 2 0 k v 电力系统 图2 1 电气化铁道牵引供电系统不意图 2 1 1 供电接线方式 a t 供电方式的典型供电臂是由变电所( s s ) 、a t 所( a t p ) 、分区所( s p ) 构 成，于是采用图2 - 2 所示的接线方式：在s s a t p s p 的供电臂中，牵引网仅在 供电臂末端的分区所进行上下行并联，而在供电臂中间的a t 所不进行并联。 若供电臂较长，为减小故障下的停电范围，在变电所和分区所之间设置开闭所。 其中，d l 表示断路器。 d l ：骱踊器 图2 - 2a t 所不并联供电接线示意图 2 1 2 主接线及其运行方式 ( 1 ) 牵引变电所 传统的a t 牵引供电系统牵引变电所的主接线图如图2 3 所示。为了研究 方便，这里给出的是简化的主接线示意图。图中只画出了隔离开关、断路器等 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 与继电保护动作有关的设备，并且将正馈线与接触线、钢轨简化为一条线表示， 后面的a t 所与a t 分区所主接线图也采用这种简化方法。 # 阜嘉， ：釜# 线i ili i 7 、 、 0、量 l l 晒徊 i 霹l 觋习 l _ _ 一 叫 盯 t 盯 t 。o，o，o 一，o l 线以下为上下行接触网 网 下行 上行电分相上行 下行 图2 - 3 牵引变电所主接线简化示意图 牵引变电所的主接线中高压侧接线应根据电力系统供电方式决定，一般采 用线路变压器组接线方式，进线电源为1 1 0 k v 的电压等级。主变压器多采用斯 科特( s c o o t ) 接线变压器，固定备用，以提高供电可靠性。另外，牵引变 电所中还装设有并联补偿装置，馈线断路器采用的是5 0 的备用方式【l0 1 。 s c o o t 接线是日本时牵引供电系统中主要应用的接线方式，在我国传 统a t 牵引供电系统中应用较多。如图2 - 4 所示，l 为三相送电线路，2 为斯科 特接线牵引变压器，3 为自耦变压器，4 为a t 供电方式牵引网，。t 为接触网， r 为轨道，f 为正馈线。s c o o t 接线作为三相变二相接线方式中的一种，其 优点是当两供电臂电流相等且功率因数相同时，原边三相电流对称，变压器容 量能全部利用，可产生三相对称电压提供牵引变电所的自用电。其缺点是变压 器制造难度大，造价较高；变电所主接线复杂，设备较多；中性点难以引出， 无三角形绕组回路，电压波形较差；原边接点的电位随负载变化而产生漂移； 分相绝缘器两端的电压较高，加重绝缘负担等众多缺附1 1j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 a b c t r f 图2 - 4 斯科特接线 在a t 供电方式下，因s c o o t 接线主变压器次边绕组不能获得与地电连 接( 通过火花间隙) 的中性点，故在牵引变电所出口处每路馈线t ，f 的断路 器后面设置一台自耦变压器( a t ) 、其容量与线路牵引网所设a t 容量相同。 使列车在邻近牵引变电所的a t 段内运行时，仍能产生吸流效应。若主变压器 次边绕组具有可以接地运行的中性点或变压器内部带有自耦变压器及输出端 子，则可不另设a t 。 ( 2 ) a t 所和a t 分区所 传统a t 所的主接线方式如图2 5 所示，a t 分区所的主接线方式如图2 - 6 所示1 1 2 j 。 图2 5传统的复线a t 所的主接线简化示意图 图2 - 6 传统的复线a t 分区所的主接线简化示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 此时，在a t 所和。a t 分区所上下行分别接有不同的自耦变压器，其电压 为5 5 k v ，两个出线端子分别经过隔离开关( 或断路器) 跨接于接触线和正馈 线之间。其中性点经中性线、电流互感器、隔离开关与钢轨、接触网保护线相 连，接触网与钢轨之间电压为2 7 5 k v 。两台自耦变压器必须同时运行，没有 备用。因此，上下行任一线路出现故障时，对另一条线路没有任何影响。 2 2a t 供电方式牵引网阻抗及其特性 2 2 1a t 牵引网的结构 最基本的牵引网是由馈电线、接触网、轨道和大地、回流线构成的，传统 a t 牵引供电系统一般采用单线或两端并联的复线a t 牵引网。 单线a t 牵引网由接触网、轨道和正馈线构成，如图2 7 ( a ) 、伯) 所示。 ( b ： 图2 7 单线a t 牵引网 复线a t 牵引网在单线a t 牵引网的基础上增加了保护线、横向联接线、 辅助联接线和( 复线) 横向联接线。如图2 - 8 ( c ) 、( d ) 所示。 s s t pa a t ps p ( d ： 图2 - 8 双线a t 牵引网 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 我国a t 供电方式电气化铁路采用( b ) 、阳) 两种方式，在a t 处采用横向联 接线实现轨道( r ) 、保护线( p w ) 和a t 中点的连接。其中保护线与轨道并联可 避免接触网支柱的接地部分直接与轨道相连，也为发生短路故障时的牵引网短 路电流提供了一条良好的金属通路。在正常运行情况下，保护线没有牵引电流 通过，保护线的设置对a t 网络中的电流分布和主要牵引供电参数也无明显影 响。为降低轨道对地电位，可在a t 段中部对保护线和轨道辅助联接( c p w 、) ； 在双线区段，还可将上、下行牵引网中的保护线实行横向联接( c b ) 【l 3 1 。 2 2 2a t 牵引网的阻抗 a t 供电方式的牵引网阻抗不是一种均匀分布参数，归算到接触网电压的 a t 网络阻抗由两部分组成：长回路阻抗和列车在段中阻抗，即为线性部分的 单位阻抗和列车处于a t 段中间而出现的牵引网阻抗中的增量部分【1 4 j 。其中具 有不同结构的牵引网，其阻抗值也会随之变化，从而导致阻抗特性的变化。以 下就单线、两端并联的复线的阻抗计算及其特性分别进行介绍。 ( 1 ) 单线a t 牵引网阻抗 单线a t 牵引网的简化等值电路如图2 - 9 所示，假设计算距离牵引变电所，。 处的牵引网总阻抗，则可按z 1 、z ，和z ，的等值阻抗经串、并联后求得为【l 5 】： z 。= z l 乙+ ( z 2 + z 3 ) d 。貉”) ( 2 _ 1 ) 式( 2 1 ) 中，右端第二项为图2 - 9 中的a b 段与b e 、d e 段并联后的阻抗；右端第 三项为图2 - 9 中的a f 段与e g 段并联后的阻抗。将上式进行整理化简得 孕l 卜爱卜 ( 2 2 ) 其中，z l ：i 1 、z r + z 盯一z 豫一z 盯) ；z 2 ：z 胄+ 昙( 乙一3 z 豫一z r f + z 矿) ； z ，= 1z ，_ 乙) + 1 z 豫一z 灯) ； 乙= z l + 箍， 为长回路阻抗； z 2 = 乏三，为段中阻抗。乙为接触网自阻抗，磊为钢轨自阻抗，z 为正 馈线自阻抗，为接触网与正馈线间互阻抗，乙f 为轨道和正馈线间互阻抗， 为接触网与轨造间的互阻抗。艺为列车在段中至订点的长度，见为列车所 在a t 殷长序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 g o 卜一d d 月 图2 - 9 单线a t 牵引网简化等值电路 ( 2 ) 两端并联的a t 牵引网阻抗 双线上、下行并联供电的等值a t 网络如图2 1 0 ，双线并联供电牵引网的 阻抗为【1 3 j ： 乙电2 l 2 - l t “( 卜麦卜 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，( 型) 为列车电流分配系数，其它各阻抗的含意与算式，均与单 线区段a t 网络牵引网阻抗算式相同。 l ， 二| 、 5 厶 旷 d 、i ， 咿 笮! h ：! 彳 图2 1 0 双线a t 并联网络的等值电路 2 2 3a t 牵引网牵引负荷与短路参数的特点 ( 1 ) 交流牵引负荷的特点 牵引负荷是移动的，负荷电流变化剧烈且变化范围很大，最大负荷电流 也很大。当一个供电臂上有几列列车运行时，其馈线电流达到6 0 0 8 0 0 a 。当 采用双机牵引或三机牵引时，馈线电流可超过1 0 0 0 a 怕】。 交一直型电力机车负荷的非线性决定了牵引负荷电流中含有丰富的谐波 成分。且电力机车在运行过程中，频繁在起动、牵引调速、再生制动等工况之 间转换，各种工况下，牵引变电所感知的电气参数有很大的差异【1 7 】。 在接触网电压下空载投入电力机车变压器、自耦变压器时会产生激磁涌 流，幅值可达5 0 0 - - 6 0 0 a 。由于涌流不属于故障，所以保护装置不应发生误动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 2 ) 交流牵引网短路参数的特点 牵引网结构复杂，工作条件恶劣，因而发生短路故障的概率较高。而交 流牵引网由于是长距离、大阻抗、重负荷线路，其短路参数的特点是：供电臂 较长，牵引网单位阻抗大；短路电流的相位角主要由牵引网的参数决定，一般 为6 5 。左右，与负荷功率因数角相差很大，对构成保护装置有利；远点短路时 的短路电流的数值与最大负荷电流接近，要求采用高灵敏度的保护装置；而近 点短路时，短路电流的数值又相当大，为避免烧坏接触线扩大事故范围，要求 保护装置快速动倒1 8 】。 传统a t 牵引供电系统中，上下行在a t 所不并联。在这种供电方式下变 电所短路阻抗特性如图2 1 1 所示，t - f 线短路阻抗特性基本为线性关系，f p w 线短路阻抗和t - r 短路阻抗特性为一系列递增的鞍形曲线。一般f p w 线短路 阻抗最大。 一- 1 f一 1 - r 一一 f p w 图2 - 11 牵引变电所馈线短路阻抗特性 a t 分区所短路阻抗特性如图2 1 2 所示，t - f 线短路阻抗特性基本为线性 关系，f p w 线短路阻抗和t - r 短路阻抗特性在分区所至a t 所区间为一系列 递增的鞍形曲线，在a t 所至变电所区间为一系列上扬的非线性曲线。 一1 - f 一 1r f p w 图2 1 2a t 分区所馈线短路阻抗特性 距离 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 馈线保护配置 2 3 1 牵引变电所馈线保护 ( 1 ) 阻抗保护 针对交流牵引网远点短路时的短路特性，可知反应电流值变化的电流保 护灵敏系数低，一般不宜作为牵引变电所的牵引馈电线的主保护。而采用方向 阻抗继电器的阻抗保护，能反应被保护线路的电压、电流及其相位角三个特征 参数的变化，灵敏度系数较高【1 引，因此可采用其作为牵引变电所的牵引馈电线 的主保护。 此时，一般采用四边形阻抗继电器作为主保护，相对于与圆特性的阻抗 元件，其保护范围不受牵引网的最小负荷阻抗所限定，在阻抗继电器中躲负荷 最强，躲过渡电阻的能力也比较强，能够满足灵敏系数的要求。 ( 2 ) i 电流增量保护 阻抗保护为了躲过线路的最大负荷，所以一般整定值比较小。但在a t 供 电牵引网中时常会发生接地电阻较大的线路短路故障i 例如断线接地故障。它 是一种高阻接地故障，与一般的短路故障有所不同，它在变电所馈线保护安装 处测量的阻抗要比一般的短路故障的测量阻抗高，在距离较远的地方可以达到 3 , - - , 4 倍 2 0 】。因此，常规原理的继电保护装置可能发生拒动，降低了供电系统 的可靠性。 此时，利用短路时电流瞬间增大特性的i 电流增量保护可作为馈线保护 的近后备保护。其原理是通过比较正常状态下的负荷电流和高电阻故障电流随 时间变化的分量i 的不同来检测出故障【2 l 】。正常情况下，由于电力机车电路 中的大电感的作用，机车电流在短时间的电流增量不会很大，因此该保护不会 在机车启动时发生误动。 i 电流增量保护的主要优点是选择能力比普通电流保护高，其整定值除 了反应稳态最大负荷以外，还同时反应短时间内电流的增量，大大延长了保护 范围。其主要缺点是动作时间较长，保护必须保证在出现激磁涌流时不发生误 动而增加的动作延时。也可增加谐波制动环节来改善i 电流增量保护的性能 _ 扩大保护范围、缩短保护延时等。如增加高次谐波抑制电路来避免机车通 过无电区后负荷电流的i 可能引起的保护误动作，增加二次谐波闭锁电路来 避免机车过无电区后重新受电时，变压器产生的激磁涌流可能引起的误动作 【1 8 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 3 ) 电流速断保护 由于牵引变电所在牵引供电系统中的重要性，针对近点短路时的短路特 性，当系统发生严重的故障时，为了快速切除故障，设置了电流速断保护。该 保护在系统发生极端短路故障时，保护装置可以快速出口。因此，其整定值一 般较高。为了躲过最大负荷电流和激磁涌流，可利用高次谐波进行抑制。 由于电流速断保护的保护范围很短，它只能作为阻抗保护的辅助后备保 护，以更好的实现继电保护的功能。 ( 4 ) 自动重合闸 由于牵引供电系统的馈线故障多为瞬时性故障，在保护跳闸之后进行重合 闸即可恢复正常供电。因此，为了保障牵引供电系统的供电可靠性，馈线保护 装置可设置一次自动重合闸。当馈线发生瞬时性故障时，经过重合闸整定时间， 装置发出重合闸命令，系统恢复正常运行；当发生永久性故障时，重合闸后， 可由低电压启动的过电流保护或阻抗保护进行跳闸，保证快速切除故障线路。 重合闸失败后，装置应闭锁自动重合闸或手动重合闸功能。 2 3 2a t 所和a t 分区所的馈线保护 ( 1 ) a t 所 在a t 所上下行馈线分别直接接入两段母线上，且每段母线接有不同的自 耦变压器压器。此时，在a t 所无断路器，没有设置馈线保护装置。若任一馈 线发生故障，由相应的变电所馈线保护反应，切除遍变电所相应的出口断路器。 ( 2 ) a t 分区所 当上下行线路在a t 分区所未进行并联，a t 分区所无断路器，则同a t 所 一样，a t 分区所不设置保护装置。 当上下行线路在a t 分区所并联，则当接触网发生短路故障时，应解除上 下行线路在a t 分区所的并联关系，则应针对a t 分区所采用的不同并联方式 对其保护配置进行研究，总结为如下三种情况： 若上下行线路通过电动隔离开关并联，因隔离开关不能带电进行分合闸， 则线路故障由牵引变电所切除，此后a t 分区所负荷开关检失压分闸。同时在 a t 分区所不能设置检有压自动重合闸功能。 若上下行线路通过负荷开关并联，因负荷开关不能分断短路电流，则同采 用电动隔离开关并联相同，线路故障由变电所切除，此后a t 分区所负荷开关 检失压分闸 2 2 】。并且由于牵引变电所设置了自动重合闸功能，对应的a t 分区 所应设置检有压自动重合闸功能。当变电所重合闸成功后，线路电压恢复，则 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 a t 分区所可检测到线路电压并进行重合闸。 若上下行线路通过断路器并联，如图2 - 6 所示，则可对a t 分区所设置馈 线保护装置。对并联断路器配置正反向阻抗保护，并可选配电流速断保护和i 电流增量保护。则无论上行或下行线路发生短路故障，并联断路器均可跳闸。 同样应对a t 分区所设置检有压自动重合闸功能。 2 4 变压器保护配置 变压器的故障分为内部故障和外部故障。其中内部故障是指变压器油箱内 所发生的故障，如线圈的相间短路、一相接地短路、线圈层间短路、匝间短路 及铁芯烧坏等；外部故障则是指变压器油箱外所发生的故障，如套管故障、引 出线上的故障等。 变压器的不正常工作状态则是指外部短路或过负荷引起的过电流、过电流 或冷却系统异常引起的过热及漏油引起的油面异常降低等 2 3 】。 2 4 1 牵引变压器的保护配置 ( 1 ) 差动保护 通常会在变压器电源侧加装电流速断保护，但由于电流速断保护的保护范 围很短，需要同过电流保护配合使用，对供电系统的安全运行影响较大，不适 合对容量大且十分重要的主变压器进行保护。为此，可装设差动保护作为牵引 变压器的主保护。 以单相接线牵引变压器为例介绍差动保护的基本原理，如图2 1 3 所示。 ( a ) 外部短路( b ) 内部短路 图2 - 1 3 变压器差动保护原理 正常运行或保护范围外部短路，即毛点故障时，彳= 0 ，则e = e 。+ 流过 继电器的电流l = e z = o ，继电器不动作； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 保护范围内部短路，即乞点故障时。流过继电器的电流厶= 正+ e ，数值 很大，继电器动作【2 4 l 。 一般来说，运用差动保护理论能可靠地区分保护范围外部和内部故障，并 具有相当高的灵敏度，这也是牵引变电所主变压器采用差动保护的原因。但实 际中不平衡电流有时可能很大，可能会引起差动保护的误动。其中，实际采用 的电流互感器电流比与计算值不同、变压器两侧电流互感器型式的不同、变压 器调压等，都是产生不平衡电流的原因。由于牵引变电所主变压器的进出线具 有两个不同的电压等级，则当空载牵引变压器突然合闸时或者牵引变压器外部 短路故障被切除而牵引变压器端电压突然恢复时，可能会产生很大的冲击激磁 电流，这是产生不平衡电流的最主要原因。为克服激磁涌流的影响，过去通常 采用的办法是利用速饱和变流器不易传变非周期分量，而易传变周期分量n - 次侧的特点，阻止涌流传到继电器中去。 ( 2 ) 低电压启动的过电流保护 过电流保护作为保护变压器负荷侧母线短路引起的变压器过电流，这是主 保护。同时它可作为变压器差动保护的近后备保护和馈线保护的远后备保护【2 5 2 6 】 0 由于过电流保护的动作电流必须要躲开变压器正常运行时的最大负荷电 流，而保护范围末端的最小短路电流比较小，则过电流保护往往不能满足要求， 则一般而言需要采用低电压启动的过电流保护。它的动作电流可按躲过变压器 的额定电流来整定，其值比较小，故灵敏系数能提高，容易满足要求。 其中低压侧低电压启动的过电流保是低压侧母线短路的主保护，同时也作 为馈线保护的远后备保护；高压侧低电压启动的过电流保则是主变差动保护的 近后备保护，同时也作为低压侧低电压启动的过电流保的远后备保护。 ( 3 ) 过负荷保护 对于变压器过负荷这种不正常的工作状态，应装设过负荷保护。 其保护原理是：正常时变压器不过负荷，电流值较小；而当变压器过负荷 时电流值增大，从而超过整定值，引起电流继电器动作，启动时间继电器，经 过一定的延时，使得延时闭合的常开触电闭合，发出预告信号。 ( 4 ) 瓦斯保护 由于牵引变电所的牵引变压器和动力变压器都是用变压器油作为绝缘和 散热的，因此可设置瓦斯保护。其保护原理是：当变压器内部故障时，由于短 路电流和电弧的作用，故障点附近的绝缘物和变压器油分解而产生气体，利用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 气体的变化从而使保护动作【2 3 1 。若气体发生的变化轻微，可导致轻瓦斯保护动 作，发出警告信号；若气体发生的变化很大，可导致重瓦斯保护动作，将直接 致使连接变压器的断路器跳闸。该保护能够反应变压器油箱内部的一切故障， 与差动保护一同作为牵引变压器的主保护。 ( 5 ) 零序过电流保护 牵引变压器的接地保护通常采用零序过电流保护，用来保护变压器具有接 地中性点侧的线圈内部及其引出线上的接地短路的，同时可以作为防止相应母 线和线路接地短路的后备保护。但由于瓦斯保护与差动保护已能保证变压器线 圈内部及其引出线上的接地短路被快速的切除，因此接地保护主要是用来保护 外部接地短路引起的过电流的【l 。该保护一般接在变压器中性点接地线的一台 电流互感器上。 2 4 2 自耦变压器压器的保护配置 自耦变压器经隔离开关直接接入2 2 7 5 k v 牵引网的接线，除变电所外 a t 的保护不直接动作于跳闸，只发送信号。在隔离开关内侧设置了快速短路 接地装置，当a t 故障，保护动作于信号的同时使快速短路接地装置快速动作， 造成死接地故障，使相应的馈线保护动作，跳开相应的馈线断路器，然后打开 a t 的隔离开关，将其撤离牵引网，恢复供电【27 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章高速铁路a t 牵引供电系统及其保护配置 3 1 高速铁路a t 牵引供电系统 3 1 1 供电接线方式 全并联供电方式指在s s - a t p s p 的供电臂中，牵引网不仅在供电臂末端的 分区所进行上下行并联，而且在供电臂中间的a t 所也进行上下行并联。供电 接线方式如图3 1 所示。 d l d l 上行 ”i上：j 、： d l ：研蹈器 图3 - 1a t 所并联供电接线示意图 3 1 2 牵引变电所进线电源电压等级 过去我国牵引供电系统的电源电压等级一直采用l1 0 k v ，均保证了安全、 可靠供电。对于高速电气化铁路，由于牵引功率更大，如果仍采用l1 0 k v 供 电，就很难满足供电要求，电力网的运行指标也会恶化。由于牵引负荷电流大， 波动比较剧烈，谐波含量丰富，并且属于单相负荷，为了增大电网对谐波、负 序的承受力，减小对其他负荷的谐波、负序影响，减小牵引变电所母线电压的 波动，降低输电线路损耗，保证输电线路的动态、静态稳定，应尽可能选用更 高的电压等级，如2 2 0 k v t 制。 3 1 3 牵引变电所的主接线及其运行方式 牵引变电所的典型主接线形式一般如下图3 2 所示。 正常运行时，两路2 2 0 k v 进线互为热备用，2 2 0 k v 进线隔离开关1 0 1l 和 1 0 2 1 均合闸。跨条隔离开关1 0 0 1 分闸、1 0 0 2 合闸。两台2 2 0 2 2 7 5 k v 牵引 变压器一台运行，一台为备用。假设1 撑进线电源供电，牵引变压器l b 运行， 则断路器1 0 1 合闸，1 0 2 分闸。 若牵引变电所故障退出运行，该变电所内不同相位的馈线分别由相应侧的 相邻牵引变电所对其越区供电。如图所示，馈线断路器2 0 1 、2 0 2 、2 0 3 、2 0 4 均处于分闸状态，而同一供电臂上下行之间通过闭合隔离开关3 0 0 9 、3 0 1 0 实 现供电臂末端的并联。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图3 - 2 牵引变电所主接线简化示意图 变电所采用的是双t 接线，与线路变压器组接线方式相比，当运行的牵引 变压器1 b 出现故障或检修时，通过主变压器的保护装置和备用电源自投装置 动作( 或人工操作) ，其不仅可以实现垂直供电运行，还能够交叉供电运行， 从而增加了供电的可靠性。其中，垂直供电运行的操作过程为：依次将其牵引 变压器1 b 前的断路器1 0 1 分闸，使之退出运行，备用牵引变压器2 b 前的断 路器1 0 2 合闸，投入运行。交叉供电运行的操作过程为：依次将其牵引变压器 l b 前的断路器1 0 1 和进线隔离开关1 0 1 1 分闸，使之退出运行，将跨条隔离开 关1 0 0 1 和备用牵引变压器前的断路器1 0 1 合闸，投入运行。但在实际工程中， 考虑到双t 接线会增大牵引变电所的面积，且增加了投资。而一般情况下，线 路变压器组接线方式也能够满足供电可靠性，故对牵引变电所一次侧接线方式 还需依实际情况考虑。 主变压器的接线方式对牵引变电所主接线的影响较大。高速铁路牵引负荷 是单相、剧烈变化的负荷，牵引主变压器的选择除了应满足容量大、并列运行、 能耗小和过负荷能力强等要求之外，还应遵循有利于改善牵引变电所高压侧的 负序、提高牵引变压器容量利用率和降低牵引变压器