（电气工程专业论文）客运专线牵引供电系统的保护配置与整定计算.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 基于实际建设中的武广( 武汉一广州) 客运专线，着重对其牵引供电系统 进行继电保护配置方案分析，并以其中一个变电所为例进行保护的整定计算。 由于客运专线列车都为动车组，负荷电流与常规机车有很大区别，加之牵引 网大都采用全并联a t 供电方式，这使供电系统的保护配置与常规的保护方式 也大为不同，必须寻求一种新的保护方案来满足客运专线继电保护的可靠性 和安全性。 文中主变保护采用了传统的保护方案，即主保护配置了差动保护、二次 谐波闭锁比率差动保护及瓦斯保护；后备保护配置了高低压侧低电压启动过 电流保护、过负荷保护、进线失压保护及温度保护。本文分析了全并联a t 供电牵引网正常及短路时的特点。结合短路分析，提出了如下的合理保护方 案：牵引网馈线保护配置一段阻抗保护、低电压启动过电流、一次重合闸； a t 所配置进线失压保护、检有压重合闸；a t 变压器配置差动保护、过流保 护、瓦斯保护及温度保护。 由于牵引网a t 所、分区所将上、下行并联起来，且本文中牵引网保护设 置为牵引网出现故障后，馈线保护立即动作断路器分断，然后a t 所分区所断 路器先后分断，把并联的网络变为不并联情况，并且阻抗保护具有很高的灵 敏度，所以只需要设置一段阻抗保护，并保护牵引网全长。为躲过a t 所、分 区所断路器同时重合闸时a t 产生的励磁涌流，防止馈线保护误动，将a t 所、 分区所检有压重合闸动作时间错开，设置了一秒的时间级差。 关键词：客运专线；全并联a t 供电；保护配置；整定计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t se s s e n t i a l a n a l y s i s o nt r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m c o n f i g u r a t i o n o f p r o t e c t i o n b a s e do nt h ea c t u a lc o n s t r u c t i o no ft h e w u h a n g u a n g z h o up a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，as u b s t a t i o ni ss e ta sa ne x a m p l ef o r t h ep r o t e c t i o nc a l c u l a t i o n b e c a u s eo ft h ep a s s e n g e rt r a i n sa r ee m u s ，t h el o a d c u r r e n ti sv a r i e df r o mt h a to ft h ec o n v e n t i o n a l1 0 c o m o t i v e s t h et r a c t i o nn e t w o r k a r ea l l p a r a l l e la tp o w e rs u p p l y , s ot h a t t h ec o n f i g u r a t i o np r o t e c t i o no ft h e p a s s e n g e rd e d i c a t e d l i n e si sd i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s an e w p r o t e c t i o np r o g r a m m ei sp r o p o s e dt o m e e tt h ep a s s e n g e rl i n eo nt h er e l a y r e l i a b i l i t y , s a f e t yr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o np r o g r a m m e ，t h em a i np r o t e c t i o n c o n f i g u r m i o nc o i n c i d e st h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，t h es e c o n dh a r m o n i c a t r e s i ar a t e d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na n dt h ep r o t e c t i o no fg a s b a c k u pp r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o n i n c l u d e st h eh ig ha n dl o wv o l t a g es i d el a u n c h e dal o w v o l t a g ec u r r e n tp r o t e c t i o n ， o v e r l o a dp r o t e c t i o n ，t h el i n el o s tt h ep r o t e c t i o no fp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n f o rt r a c t i o nn e t w o r k ，t h ep a p e ro ft h ee n t i r ep a r a l l e la tt r a c t i o np o w e rs u p p l y n e t w o r ka n ds h o r t - c i r c u i tt h en o r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fs h o r t - c i r c u i ta n a l y s i sa n d t h er e a s o n a b l e p r o t e c t i o np r o g r a m m e s a r ea sf o l l o w s ：t r a c t i o nn e t w o r k c o n f i g u r a t i o n f o raf e e d e r p r o t e c t i o ni m p e d a n c ep r o t e c t i o n ，l a u n c h e d a l o w - v o l t a g ec u r r e n t ，ar e c l o s i n g ；a tt a r g e t e db yt h el o s s o fp r e s s u r ei n t ot h e p r o t e c t i o no ft h es e i z u r ep r e s s u r er e c l o s i n g ；a tt r a n s f o r m e rc o n f i g u r a t i o no ft h e d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n ，o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n ，t h ep r o t e c t i o n o f g a s a n d t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n a st r a c t i o nn e t w o r kb yt h ea t , t h ed i s t r i c tw i l lb eo nt h ed o w n l i n kp a r a l l e l ，a n d a tb yt h ed i s t r i c tb yt h ec i r c u i tb r e a k e rh a sb r e a k i n gt h en e t w o r ki n t oap a r a l l e l n o n p a r a l l e li ft h ep r o t e c t i o no ft h et r a c t i o nn e t w o r ki sf a i l e d ，t h ef e e d e rc i r c u i t b r e a k e r st op r o t e c tt h ei m m e d i a t ea c t i o nb r e a k i n g ，b e c a u s eo ft h eh i g hs e n s i t i v i t y o fi m p e d a n c ep r o t e c t i o n ，as e c t i o no fi m p e d a n c ep r o t e c t i o na n dt h ep r o t e c t i o ni s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 o n l yn e e d e df o rt r a c t i o nn e t w o r kl e n g t h t oa v o i da tb yt h ed i s t r i c tb yt h ec i r c u i t b r e a k e ra tt h es a m et i m e ，a tr e c l o s i n gt h ei n r u s hc u r r e n tt op r e v e n tt h ef e e d e r p r o t e c t i o nm a l f u n c t i o n ，t h ea t , a r e as e i z e db yt h ep r e s s u r eo ft i m es t a g g e r r e c l o s i n ga c t i o n ，as e c o n dt i m ed i f f e r e n t i a li ss e tu p k e y w ord s ：p a s s e n g e r d e d i c a t e dl i n e s ；a l l p a r a l l e la tp o w e rs u p p l y ； p r o t e c t i o ns c h e m e ；s e t t i n gc a c u l a t i o n 西南交通大学 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 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：( 司吆：扛 指导老师签名： 日期： i tt - 日期： m 、 r 2 1i 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。 学位敝储繇( 习晚五一 日期：吲够 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及其意义 第1 章绪论 1 9 6 1 年8 月1 5 日，我国的第一条电气化铁路一宝成线宝鸡至凤州段顺利 建成，标志着我国交流电气化铁路的诞生 l 】。经过4 0 多年的发展，截止到2 0 0 9 年末，国内的电气化铁路运营里程将达到3 6 5 1l 万公里成为世界电气化铁路 大国。预计到2 0 1 2 年全国铁路营业里程将达到1 1 万公里，电气化率将达到 以上5 0 以上，电气化铁路运量将达到7 0 以上，电气化迅猛发展。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。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 21 8 k r n h ) 投运。2 0 0 8 年8 月1 日，全国第一条3 5 0 k m h 客运专线京津城际铁路正式运营，运 营速度达到3 5 0 k m h ，是目前世界上运营速度最高的铁路项目，标志着我国 高速铁路建设已处于世界领先水平。继京津城际铁路开通，又先后开通了合 宁、胶济、合武、石太、甬台温、温福等2 5 0k m h 客运专线。武广、郑西两 条3 5 0 k m h 客运专线将于今年底陆续开通。在建的还有京沪等高速、京石、 石郑、哈大、大西等多条客运专线，预计2 0 0 9 年底开通客运专线3 8 9 0 公里， 到2 0 1 2 年，将有1 3 万公里客运专线投入运营，其中3 5 0 k m h 客运专线有8 0 0 0 公里，2 5 0 k m h 客运专线有5 0 0 0 公里。高速电气化铁路已逐渐成为我国铁路 的主要的发展方向。 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。传统电气化铁路a t 供电系统保护的配置与 整定己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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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 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【1 5 】。 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。 ( 1 ) ( 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l 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 6 】。 变电所 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 供电方式，如图1 1 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。 ( 2 ) a t 供电方式 如图1 2 所示，每隔1 0 k m 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【6 j 。 图1 - 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 】。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 ( a 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 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1 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 l f ，主要是对导线的 过热保护，不进行重合蝌1 6 j 。 比较 寺 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。 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。 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 rr， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 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 目前在国内客运专线正在大规模兴建中，对于客运专线的整个牵引供电 系统保护还没有确切运营的保护方案，更没有实际的经验可寻。本设计基于 在建的武广客运专线实际工程项目，提出以全并联a t 供电方式下的牵引系统 保护配置方案，并对其中一个牵引变电所和供电臂进行整定计算。 本课题在现有技术的基础上，主要研究以下几个问题： ( 1 ) 客运专线牵引供电系统的构成 ( 2 ) 动车组负荷电流特性 ( 3 ) 提出保护配置方案 ( 4 ) 进行保护定值计算和校核 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章电气化铁道牵引供电系统 2 1 国内电气化铁道牵引供电系统概述 电气化铁道的牵引变供电系统主要由牵引变电所( 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) 、电力机车组成【2 】，如图 2 一l 所示三相牵引变电所两边的供电臂为电力机车提供电能( 如a 相和b 相 为2 7 5 k v ，c 相接钢轨) ，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e g t 2 1 。 11 0 k v 电力系 11 0 k v 电力系 统 统 图2 - 1 牵引供电系统结构图 牵引变电所：主要是将电力系统传送的2 2 0 k v 或1 1 0 k v 的三相电源转换 成牵引网额定电压2 7 5 k v 工频单相交流电，然后向铁路沿线架设的牵引网供 电。 分区亭：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：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。 接触网：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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 馈电线：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：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。 回流线：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。 牵引网：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 。2 牵引供电系统主要供电方式 电气化铁路的三种主要供电方式为：直接供电方式、吸流变压器( b o o s t e r t r a n s f o r m e r ，以下简称b t ) 带回流线供电方式，即b t 供电方式；采用自耦 变压器( a u t ot r a n s f o r m e r ，以下简称a t ) 供电方式，即a t 供电方式【2 】。 直接供电方式最简单、投资少、运营和维护方便；但是供电能力有限， 且对临近通讯线路干扰最为严重。为保留直接供电方式的优点克服其不足， 在其结构上增设与轨道并联的架空回流线，发展出带回流线的直接供电方式。 带回流线的直接供电方式一定程度上改善了对临近通讯线路的屏蔽效果，使 得牵引网阻抗和轨道电位都有所降低，但是其供电能力并没有本质的提高。 直接供电方式主要应用于世界各国的普通电气化铁道供电，但是当面对重载 和高速的情况时，其局限性仍然突出。 b t 供电方式是为了减少直接供电方式对周围通讯线路的干扰而提出来 的一种供电方式，通过在接触网中串联吸流变压器将在钢轨中回流的电流吸 上到回流线中流通来减少对通讯的干扰。b t 供电方式需要在接触网中增设开 口以串联吸流变压器，从而将使得牵引网阻抗增加、牵引网电压损失和电能 损失增大；同时，由于开口使得接触网产生电分段绝缘间隙，不利于线路的 高速运行此种供电方式主要在日本和我国早期的牵引网中有应用目前新修的 线路很少应用。 a t 供电方式是通过在牵引网中增设正馈线和自耦变压器，将牵引供电电 压提高一倍，从而使得牵引网的载流能力大大增加，同时减少对通信线路干 扰的一种供电方式。a t 供电方式不仅是电气化铁路减轻对通信线路的干扰影 响的有效措施之一，而且是对牵引供电系统有较好的经济技术指标的措施， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 已被许多发展电气化铁路的国家研究和采用。在日本，a t 供电方式成为国家 标准牵引供电方式，我国北京一秦皇岛、大同一秦皇岛、郑州武昌等电气 化铁路，也采用了a t 供电方式。 目前世界各国电气化高速铁路主要采用的是直接供电方式( 包括直供加 回流线供电方式) 和a t 供电方式两种【2 】。 此外，供电方式根据线路分段情况又可分为：单线区段和复线区段，且 具体供电方式也有所不同。 单线区段的供电方式包括单边供电和双边供电。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) ，设备负荷均匀，但继电保护较为复杂，且有穿越电流流经接 触网。 复线区段的供电方式包括单边分开供电、单边并联供电、双边纽结供电。 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。 2 3 a t 供电方式下的牵引变电所电气主接线 电气化铁路牵引变电所的接线，主要是指主变的接线。在我国，由于a t 供 电方式供电臂加长两侧负荷加大，负序电流也相应增大，因此主要采用五种 接线方式【3 1 。 ( 1 ) 单相接线 单相接线采用副边绕组带中点抽头的单相牵引变压器，如图2 - 2 所示，原 边绕组接入三相电力系统的a 、b 相。副边绕组出线端子a 、x 分别接到两组 5 5 k v 牵引母线上。两组牵引母线分别通过馈电线向变电所两侧供电臂的牵引 网供电。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 t r f t r f 图2 2 单相接线旧1 单相接线的优点是牵引变压器的容量利用率可达1 0 0 ，主接线简单，设 备少，占地面积小，投资省等。其缺点是不能供应地区和牵引变电所三相负 荷用电；对电力系统的负序影响最大；对接触网的供电不能实现双边供电。秦 皇岛北牵引变电所采用此种接线方式。 ( 2 ) 三相变两相接线方式 三相变两相接线方式很多，我国应用最多的是斯科特( s c o o t ) 接线，如 图2 3 所示。 a b c t r f 图2 3 斯科特接线旧1 图中，卜为三相送电线路；2 一为斯科特接线牵引变压器；3 一为自耦变压器； 4 一为a t 供电方式牵引网( 其中t 为接触网、r 为轨道、f 为正馈线) 。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 缘器两端的电压较高，加重绝缘负担。我国的北京一秦皇岛、大同一秦皇岛大 部分、郑州武昌等a t 供电方式牵引变电所就采用这种接线方式。 ( 3 ) 三相三绕组十字交叉接线 三相三绕组十字交叉接线如图2 4 所示。 t r f t r f 图2 - 4 十字交叉接线。 该牵引变压器有一个y n 接线原边绕组，有两个容量相同、电压相等分别为 d l l 和d l 接线的副边绕组。两个副边绕组对顶( c 1 、a 2 ) 接成十字交叉方式，副边 端子b 2 、a 1 年l l b l 、c 2 分别接到两组5 5k v 牵引母线上副边对顶端子c l 、a 2 ( 十字 交叉点) 接到n 母线上。其优点是低压侧保持三相，有利于供应牵引变电所自用 电和地区三相电力；能很好地适应山区单线电气化铁路牵引负载不平衡的特 点。主要缺点是牵引变压器的容量不能得到充分利用。我国首次研制，并在大 同一秦皇岛线两个牵引变电所采用。 ( 4 ) v 接线 此类牵引变压器通常有二种结构方案，一是取消b 相绕组的三相变压器 结构：一是由两台单相变压器组成的结构，如图2 - 5 所示。综合分析采用第 二种双铁芯共箱体结构优于第一方案，此结构优点如下：、适应左、右牵引 接触网不等容的要求；、左、右牵引接触网可分别单独调压；、容量利 用率1 0 0 ；、抗短路能力强，运行方便可靠。由此可知w 接线方式优越 性很多，特别是运行效果显著，适合我国国情。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 abc ll u ，i n 厂 互巧互最 图2 5v v 接线 cba 图2 - 6v x 接线 ( 5 ) v ，) ( 接线 v x 接线牵引变压器是三绕组变压器，每相有两个次边绕组，次边绕组 的匝数是州接线牵引变压器的两倍，如图2 6 所示。连接接触网的次边绕 组是t 绕组，接正馈线的次边绕组是f 绕组。v x 接线是将v 接线和a t 方式纯 单相接线的技术进行整合，在变压器的设计和制造方面比斯科特、十字交叉接 线都要简单。其优点主要是容量利用率为1 0 0 ，而且可以供给所内及地区三相 负荷。主要缺点是当一台牵引变压器故障时，另一台进行跨相供电，中间需要 一个倒闸过程。在我国准东线周家湾一西营子段电气化铁路福兴诚牵引变电所 中首次得到了应用。在北京一上海高速铁路的设计中也采用这种接线方式【3 】。 2 4 客运专线牵引供电系统概况 2 4 1 客运专线列车负荷的特点 客运专线列车有动力分散型( 电动车组) 和动力集中型( 机车牵引) 两种 l 4 】。客运专线是铁路客运大动脉，其突出特点是牵引网供电臂长度一般约为 2 0 3 0 公里，阻抗较大并且列车速度高、密度大、列车功率大。目前，在各国 中列车最高运营速度已达3 0 0 3 5 0 ，伴随速度的提高，列车功率也显著 增加( 见图2 - 7 ) 。列车功率最大已达1 8 0 0 k w 左右，列车电流最大达9 0 0 a 以 上。列车密度大也是客运专线的特点之一，目前最小列车运行间隙已达3 分 钟以内。 客运专线一般为高中速列车混跑、负荷大和行车密度高的客运专线( 在远 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 期将逐步过渡到全高速列车) ，高速列车采用大功率交一直一交动车组，中速列 车也以交一直一交动车组为主，少量采用机车牵引方式。又由于牵引负荷是移 动负荷，频繁运行在起动、调速、再生制动等工况下，运行情况复杂，因此 牵引变电所测得的电气参数有很大的差异，这将使牵引网馈线保护整定困难， 容易误动。 4 0 0 1 0 0 o 单位重量牵引功率 ( k w ，t ) 图2 7 牵引功率和列车速度的关系曲线 高速列车牵引负荷的主要特点如表2 1 所示。 表2 - 1 高速列车牵引负荷的丰要特点 列车运行最高速度( k m h ) 3 0 0 u l l3 5 0 l ( m ，l | 列车传动方式 符负荷电流( a )单车甲均电流为5 8 0 a 左右单车甲均电流为7 7 0 a 左右 列车平均带电概率 0 9 6 左右 列车单位能耗列车平均单位能耗为5 3 7 左 列车平均单位能耗为5 3 7 左右 ( k w h 1 0 4 k m ) 右 电制动方式 再生制动 功率冈数o 9 5 左右 谐波含量单次谐波含量低，但频谱较宽 追踪运行间隔( m i n )按3 m i n 设计，近期4 m i n 使用 2 4 2 客运专线牵引供电系统的特点 国内客运专线正线普遍采用2 2 7 5 k v ( a t ) 供电方式，牵引变压器采 用单相接线或者v x 接线，外部电源采用2 2 0 k v 或3 3 0 k v ，接触网标称电压 2 5 k v ，长期最高电压2 7 5 k v ，短时( 5 r a i n ) 最高电压2 9 k v ，设计最低工作电 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 压2 0 k v ( 电压质量2 0 2 9 k v ) ；牵引变电所设两台牵引变压器，二者互为备用； 2 2 7 5 k v 设备对2 0 0 2 5 0 k m h 的铁路一般采用户外布置方式，对 3 0 0 - 3 5 0 k m h 铁路一般采用户内布置方式； a t 所、分区所两台断路器内侧设两台自耦变压器，互为备用。 牵引变电所均按无人值班，有人值守设计，a t 所、分区所均按无人值班 设计。 牵引供电系统相对于大型电网来说是一个规模比较小的供电系统，但是由 于客运专线本身的特殊性及重要性，就使牵引供电系统相对于普速铁路具有了 新的特点，这主要表现在以下几个方耐5 j ： 、电气化客运专线机车牵引电流大，牵引供电系统供电能力强；、供 电臂中负荷电流波动大；、列车速度高、列车通过供电臂时间短，负荷持续 时间短；、牵引供电系统应适应高速列车采用再生制动工况；、列车运行 密度大、速度快，安全性要求高。 2 4 3 客运专线牵引供电系统构成 ( 1 ) 外部供电电源电压客运专线a t 方式牵引变压器的容量与既有铁路 直供方式引变电所相比有大幅的增加，达5 0 一7 5 m v a ；同时为了减少接触网电 分相，牵引变压器采用单相接线是有效措施之一。对于大容量的单相负荷，电 力系统只有采用高压或超压供电才能承受单相牵引负荷的影响，目前1 1 0 k v 供 电己不能满足需要，因此采用2 2 0 k v 或3 3 0 k v 供电电压是适宜的。 ( 2 ) 馈线设备传统的a t 牵引变电所馈线设备由断路器、隔离开关、避 雷器等单体设备组成，户外布置，日本在个别变电所、分区所采用g i s 。随着 3 5 k v 电压等级的户内开关柜，特别是g i s 开关柜技术的日渐成熟和a t 牵引变 电所馈线电压由5 5 k v 改进为2 2 7 5 k v ，户p 马g i s 开关柜型式的馈线设备已在 国外采用，牵引变电所因此更加小型、简单和便于维护。 ( 3 ) 二次设备主要配备基于保护、控制、监视、测量为主要功能的全所 自动化系统、基于无人值班和安全防护的安全监控系统和与全线综合调度系统 接口的牵引供电调度系统【5 】。 2 4 4 全并联a t 牵引供电方式的特点 客运专线的牵引负荷大、列车运行密度高，使牵引网电压损失过大，因此， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 全并联a t 供电方式受到青睐。 全并联a t 供电方式，如图2 - 8 ( 图中省略了与钢轨并联的保护线) 所示。 在同一方向的上、下行接触网各由一台断路器供电，且上、下行接触网在每个 a t 所都进行一次横向电连接，从而减少接触网单位长度阻抗，减少电压损失 和增强线路的载流能力，改善供电质量，并且对周围线路的干扰能力更小。但 是由于上下行的并联，使得线路的拓扑结构较a t 供电或简单并联供电方式要 复杂得爹2 7 j 。 t ， r ， f t 2 r 2 f 2 图2 8 全并联a t 供电系统不意图 国内的秦沈客运专线、京津城际高速、京沪高速客运专线、武广线、郑 西线、石太线等客运专线均按全并联a t 供电方式设计。相对于传统的l 2 7 5 k v 直接供电方式，2 2 2 7 5 k v 制式的全并联户a t 供电方式有以下优点 【6 】： 、对相同的牵引负荷，使牵引网的电压损失减小3 倍，从而提高牵引网 的效率；、对相同的牵引负荷和相同的受电弓上的压降情况下，可以将牵引 变电所的数量减少一半，并因此减少分区和分相点；、对相同的牵引变电所 数量，使运能增大一倍；、考虑到现有高压线路，可以更好布置牵引变电所 的所址；、减小对临近住宅和铁道场所的电磁和通信干扰；、不用将a t 变压器侧的接触导线断开，而吸流变压器供电方式中每一个吸流变压器的分段 对接触线和受电弓都是一系列的电气和机械缺点，特别是在高速的情况下。与 不并联的a t ，供电方式相比，在相同的负载条件下，可以减少牵引网电能损 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 失大约1 0 。同时，由于在每一a t 站都进行了并联，负荷电流在上下行牵引 网进行了均分，使得线路运行更加均衡，大大提高了供电的可靠性和带负载能 力及减少对周围通讯的干扰。 2 4 5 客运专线继电保护系统 ( 1 ) 牵引供电系统保护系统现状 牵引供电系统的保护系统一般是根据牵引供电系统所采用的供电制式及 供电网络结构来配置。虽然现有的保护配置与保护配合关系基本上能满足目前 牵引供电系统运行的要求，但还存在以下不足【4 】： 、对自耦变压器的故障缺乏足够的保护。虽然部分自耦变压器的故障可 以由距离保护检测到，但距离保护使断路器跳闸后又启动了重合闸，这对自耦 变压器而言是有害的，且距离保护的动作时间也比较长；、保护的速动性比 较差。由于要与机车的保护进行配合，因此保护动作后至少延时0 1 s 。这将随 着电力工业的发展、电网规模的扩大以及短路容量的大幅提高，这一问题会越 来越突出；、短路时对主变冲击时间较长，冲击较大，尤其是在近端短路时 更是如此。 ( 2 ) 客运专线保护的基本要求 由于客运专线列车运行速度快、运输效率高、牵引负荷大、供电臂中负荷 突变率快，因此为了保证高速客运专线牵引供电系统高效、可靠、安全地运行， 它的保护必须满足以下要求 4 】： 、设备集成化高、自动化功能强、监控对象多：、设备的联动、联锁、 自动组态控制功能都要纳入集成监控系统：、为缩短停电时间、减少停电范 围，所内程序控制功能需大大加强：、为提高系统的保护能力，自耦变压器 应设有更加可靠的保护，同时对断路器应设置失灵保护；、应采用更加准确、 更加可靠、更加灵敏的新式保护( 如高阻保护) 。 2 5 武广客运专线牵引供电系统 2 5 1 武广线概述 武汉至广州铁路客运专线是国家“十一五”重点建设项目，是条全国铁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 路网规划中极其重要的南北大动脉，为京广客运专线的南段。武广客运专线北 起武汉市的新武汉站，途经过咸宁、赤壁、岳阳、长沙、株洲、衡阳、郴州、 韶关、花都，南至广州新广州站，全长9 6 8 k m ，投资总额1 1 6 6 亿元。设计时速 3 5 0 k m h ，最高时速3 2 0 k m h 。客运专线的目的是为了缓解京广线的巨大客运压 力专线建成后，武汉到广州的时间由原来的1 1 小时缩短至l j 4 d , 时，长沙到广州 的时间由8 4 , 时缩短n 3 d , 时。武广客运专线将首次采用一系列国内先进技术， 其特点如下【7 j ： ( 1 ) 列车速度快，线路设计目标速度达到3 5 0 k m l 】；行车密度高，远期高 峰小时追踪间隔为3 分钟；机车功率大，在2 0 m w 以上；牵引变电站负荷大， 远期短时最大功率达到1 6 0 m w 左右； ( 2 ) 采用动力分散型交流传动机车，具有以下特点：、功率因素高，功 率因数的目标值牵引时接近1 ；、谐波含量低，动力分散型交流传动机车采 用了p w m 调制技术，主元件性能有较大改善，且各单元之间可采用不同相位， 保持一定的相角差来补偿一部分谐波，高、低次谐波含量均比直流传动小； ( 3 ) 武广客运专线牵引站全部采用单相变压器，牵引供电系统采用a t 供 电方式。由于从电网两相受电，且牵引站负荷较大，负序问题突出； ( 4 ) 为限制负序，减小对电网的影响，采用了牵引变电站轮换接线方式， 牵引站相序按照( a b ) 一( - c a ) 一( - b c ) 一( a b ) 轮换。 2 5 2 变电所电气主接线 武广线牵引变电所高压侧采用“双t 型接线，主变均采用由两台单相 双绕组牵引变压器并联构成的v v 接线方式，容量为2 x ( 4 0 + 4 0 ) m v a ， 如图2 - 9 所示，采用固定备用运行方式。在电气化铁道中，主变选型对工程投 资影响甚大，单相牵引变压器具有利用率最高、经济性最佳和最适于列车高 速运行等特点，为客运专线所采用。 2 5 3 牵引网供电方式接线 牵引网采用了全并联a t 供电方式如图1 - 2 所示。此种供电方式的优点已由 本章2 4 中给出，这里不再赘述。其中与钢轨并联的保护线的设置主要是为了 避免将接触网支柱的接地部分直接与轨道相连，以提高信号轨道电路的工作可 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 靠性。当牵引网发生短路故障时，又可为短路电流提供一条良好的金属通路， 便于继电保护动作。 2 5 4a t 所和分区所接线 a t 所采用a t 变压器采用电动隔离开关控制，并设置一主一备，a t 所接线 图如图2 一1 0 所示。分区所a t 接线与a t 所类似，但比a t 所在母线上多了隔离开 关。 图2 9 牵引变电所电气主接线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 1 a t 蛰仙越洲 图2 1 0a t 所电气接线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章牵引供电系统的保护配置 3 1 主变电量保护的基本原理 3 1 1 差动速断保护基本原理 ( 1 ) 差动保护原理 差动保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其他元件的保护配 合，可以无延时地切除区内各种故障，具有独特的优点，因而被广泛地用作变 压器的主保护 5 1 。 k d ( a ) 正常运行或外部故障时( b ) 内部故障时 k d 图3 - 1 变压器差动保护单相原理接线图 如图3 - 1 所示为双绕组单相变压