（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路牵引供电系统新型保护原理研究.pdf

第1 i 页 西南交通大学博士研究生学位论文 上并联电容补偿装置对变压器差动保护动作行为影响和外部原因引起变 压器差动保护误动，证明了电流差动保护的固有缺陷；建立了两种特殊接 线的三相一两相牵引变压器一s c o t t 平衡变压器和阻抗匹配平衡变压器 的电压平衡方程：以此为基础，提出了基于模型的三相一两相平衡变压器 保护原理、动作特性与动作方程；研究了基于模型的三相一两相平衡变压 器保护的整定原则与计算公式；对s c o t t 平衡变压器进行了仿真试验， 验证了基于模型的平衡变压器保护原理、动作方程、整定计算原则的正确 性。 关于变压器绕组变形在线监测，变压器绕组变形是变压器的故障隐患 之一，针对不同接线型式的牵引变压器，提出了基于在线监测短路电抗的 变压器绕组变形在线监测原理，通过数字仿真，验证了所提原理的正确性 与可行性。 关键词：高速铁路；电气化铁路；牵引供电系统；馈线保护；变压器保护 西南交通大学博士研究生学位论文第i 页 a b s t r a c t h i g hs p e e dr a i l w a y ( h s r ) i s n o tn e wi nt h ew o r l d ，b u ti ti sp l a n e do u ta t p r e s e n ti nc h i n a i ti sc e r t a i nt h a th s r w i l lb ec o n s t r u c t e di nc h i n ai nt h e n e a rf u t u r e a sas t a r to fc h i n e s eh s rc o n s t r u c t i o n ，t h eq i n h u a n g d a o s h e n y a n gh i g h s p e e dr a i l w a ys p e c i a l f o r p a s s e n g e rt r a n s p o r t h a sb e e n c o n s t r u c t e d t h em i d d l ea n dl o n gt e r mp l a no fc h i n e s er a i l w a yn e t w o r k d e s c r i b e s t h a t ：h i g h - s p e e dp a s s e n g e r - t r a n s p o r tl i n e s ( h s p t l ) b e t w e e n p r o v i n c i a lc a p i t a l sa sw e l la sl a r g eo rm i d d l ec i t i e ss h o u l db eb u i l t ，a n df o u r h s p t l sa c r o s sc h i n af r o me a s t e r nt ow e s t e r ns i d ea n df o u rh s p t l sf r o m s o u t h e r nt on o r t h e r ns i d ea sw e l la st h r e e h i g h - s p e e dp a s s e n g e r - - t r a n s p o r t s y s t e m sb e t w e e n c i t i e sa r et ob ec o n s t r u c t e db e f o r e2 0 2 0 t h e e x p e r i e n c e sf r o mr e g u l a rs p e e dr a i l w a yi n d i c a t e st h a tt h ef a u l tr a t i o s o f p o w e rs u p p l yn e t w o r k sa n dt r a c t i o nt r a n s f o r m e r si nc h i n a a r eh i g h e rt h a n o t h e rc o u n t r i e sa n dt h ew r o n g o p e r a t i o no fp r o t e c t i v ed e v i c e so f t e no c c u r si n c h i n e s ep o w e rs u p p l ys y s t e m sb yr e a s o no ft h et e c h n i c a la n dm a n a g e m e n t l e v e l s t h ef o r e i g na d v a n c e dt e c h n i q u e sc a nc e r t a i n l yb ea d o p t e dt os e r v i c e c h i n e s er a i l w a y , b u tt h ed e p e n d e n c eo nf o r e i g nt e c h n i q u e sc a nn o ts a r i s f yo u r n e e d sf o rr a i l w a yt r a n s p o r t ，e s p e c i a l l yh s r t r a n s p o r t t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e r i st o s y s t e m a t i c a l l ys t u d y t h e p r o t e c t i v ep r i n c i p l e s o ff e e d e ra n d t r a n s f o r m e ri nt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m so fh s ra n dt or e s o l v es o m e t e c h n i c a lp r o b l e m sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fc h i n e s eh s ra n dt o i m p r o v et h e p r e s e n tp r o t e c t i v ep r i n c i p l e s ，i t sf u n c t i o n sa n dr e l i a b i l i t y o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h el c a dc h a r a c t e r i s t i c s ，f a u l tf e a t u r e so f t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m s ，a n dt h eo p e r a t i o nb e h a v i o r so fc o n v e n t i o n a l f e e d e rp r o t e c t i o n ，t h r e en o v e lp r o t e c t i v ep r i n c i p l e sa r ep r o p o s e d t h e ya r e t h r e e z o n e a d a p t i v e d i s t a n c e p r o t e c t i v ep r i n c i p l e a n d a d a p t i v e c u r r e n t i n c r e m e n t p r o t e c t i v ep r i n c i p l e w h i c ha r e a u t o m a t i c a l l ya d j u s t e db yt o t a l h a r m o n i cr a t i o ( t h r ) i nf e e d e rc u r r e n t ，a sw e l la sa d a p t i v ev o l t a g ei n c r e m e n t p r o t e c t i v ep r i n c i p l ef o rw r o n g - p h a s ef a u l ta u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e db yt h r i n w r o n g p h a s e f a u l t v o l t a g e t h e r e s u l t so ff i e l d o p e r a t i o n a n d d i g i t a l s i m u l a t i o n si n d i c a t et h ec o r r e c t n e s so ft h e s ep r i n c i p l e s t h e c o u p l i n gv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt r a n s i e n ta n dp e r m a n e n tf a u l t si n 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 d o u b l e e n df e de l e c t r i cr a i l w a ya r ea n a l y z e di nd e t a i l a st h ef a u l to c c u r s ，t h e v o l t a g e o ff a u l t e df e e d e ri sd e t e r m i n e d b y t h ee l e c t r o s t a t i ca n d e l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gf r o mt h eu n - f a u l t e df e e d e r i nt h ec a s eo f t r a n s i e n t f a u l t ，t h es t e a d yv o l t a g ei n c l u d e st h ev o l t a g ed u et oc a p a c i t i v ea n di n d u c t i v e c o u p l i n g i nt h e c a s eo fp e r m a n e n tf a u l t ，t h e s t e a d yv o l t a g e i n c l u d e st h e i n d u c t i v ec o u p l i n gv o l t a g eo n l y b a s e do nt h ec o u p l i n gv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c s an o v e l c o u p l i n g - v o l t a g e - b a s e da d a p t i v e f a u l ti d e n t i f i c a t i o n p r i n c i p l e i s p r e s e n t e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e h i g hi d e n t i f y i n gs e n s i t i v i t y t o t r a n s i e n ta n dp e r m a n e n tf a u l t s t h e o p t i m a lo p e r a t i o ne q u a t i o n f o r i m p e d a n c e m a t c hb a l a n c e d t r a n s f o r m e ri ss t u d i e d f o r e v e r yt h r e e p h a s e t o t w o p h a s e o r f o u r p h a s e b a l a n c e d t r a n s f o r m e r ，e x c e p ti m p e d a n c e m a t c hb a l a n c e dt r a n s f o r m e r ，t h es a m e t r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o nb e t w e e np r i m a r ya n ds e c o n d a r yc u r r e n t si s p r o v e d t h i sc o n c l u s i o ni s i m p o r t a n tt os t u d ya n dm a n a g ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no f t h r e e - p h a s e t o t w o - p h a s e o r f o u r p h a s e b a l a n c e dt r a n s f o r m e r t o p r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o r m a n a g e m e n td e p a r t m e n t ，t h es e t t i n g r u l e sa r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e da n dt h es e t t i n gf o r m u l aa r eg i v e na l s o b ya n a l y z i n gt h ei m p a c to fc a p a c i t o rd i s c h a r g eo no p e r a t i o nb e h a v i o ro f d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o na n di t sm a l o p e r a t i o nc a u s e db ye x t e r n a lf a c t o r t h e d i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na r ed i s c u s s e d t h ev o l t a g e b a l a n c e d e q u a t i o n sa r ep r o p o s e df o rt w op a r t i c u l a rc o n n e c t i o nt r a n s f o r m e r s s c o t t a n di m p e d a n c em a t c hb a l a n c e dt r a n s f o r m e r s b a s e do nt h ev o l t a g e b a l a n c e d e q u a t i o n s ，an o v e lp r o t e c t i v ep r i n c i p l e ，a n di t so p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d o p e r a t i o ne q u a t i o n a r e p r o p o s e d ，a n d t h e s e t t i n g r u l e sa n df o r m u l aa r e o b t a i n e d a sa ne x a m p l e ，t h es i m u l a t i o nt e s ti sc a r r i e do u tf o ra7 5 m v a s c o t tb a l a n c e dt r a n s f o r m e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v e t h a ta b o v e p r o t e c t i v ep r i n c i p l e sa r ec o r r e c ta n dc a nb ea p p l i e dt ot r a c t i o nt r a n s f o r m e r s n o v e lo n l i n e m o n i t o r i n gp r i n c i p l e s f o r w i n d i n g s d e f o r m a t i o na r e p r e s e n t e db yo n l i n ec a l c u l a t i n g s h o r tr e a c t a n c ef o rd i f f e r e n tc o n n e c t i o n t r a n s f o r m e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec o r r e c t n e s so ft h e p r o p o s e d p r i n c i p l e sa n d t h ea p p l i c a b i l i t yi nt r a c t i o nt r a n s f o r m e r s k e y w o r d s ：h s r ；e l e c t r i cr a i l w a y ；p o w e rs u p p l ys y s t e m s ；f e e d e rp r o t e c t i o n t r a n s f o r m e r p r o t e c 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学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文授予 1 保密口，在 2 不保密曰， 年解密后适用本授权书； 适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名 日期：训年月【目 ， 特教师繇锄讥 日期：1 田降印月l ”日 ， 趴 彻 豸 西南交通大学 学位论文创新性申明 本人郑重申明：所提交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。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或成果。对本论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。本人完全意识到本申明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下； 针对牵引网馈线保护在牵引重负荷、再生制动负荷和励磁涌流等工况下 的误动，基于这些工况下谐波含量高较的特点，提出了以馈线电流中综合谐波 含量为控制量的三段自适应距离保护原理( 第2 2 1 节) 。 在认真研究异相短路故障时常规原理保护动作行为和异相短路故障特性 的基础上，提出了自适应电压增量的异相短路故障保护原理( 第2 2 2 节) 。 为了克服a t 牵引供电系统正馈线( f ) 或接触导线( t ) 断线接地故障时 常规原理馈线保护拒动，兼顾其它供电方式下发生高阻接地故障时保护拒动， 提出了自适应电流增量保护原理( 第2 2 _ 3 节) 。 针对复线电力牵引网故障线路对非故障线路耦合电压的特征，提出了基 于耦合电压的自适应故障性质识别原理( 第2 3 节) 。 以s c o t t 平衡变压器、阻抗匹配平衡变压器的电压平衡为基础，首次将 基于模型的变压器保护原理应用于特殊接线的三相一两相平衡变压器，给出了 保护动作特性、动作方程、整定计算原则与公式( 第4 3 、4 4 节) 。 根据不同接线( 含形和不含形绕组) 的牵引变压器，提出了基于两次 电压、电流测量在线计算短路电抗的变压器绕组变形在线监测原理( 第5 3 节) 。 学位论文作者虢虿溅 日期：们、f 年1 月、v 日 西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 研究意义 高速铁路在世界上已不是一个新鲜事物，但在中国还处在筹划阶段。 在不久的将来，势必会出现中国的高速铁路，秦沈客运专线的建成就是一 个很好的前奏。国家发展和改革委员会 2 0 0 4 】1 5 9 号文件一中长期铁路 网规划( 简称：规划) 批准：“为满足快速增长的旅客运输要求，建立 省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运 通道以及三个城际快速客运系统。建设客运专线1 2 万公里以上，客车速 度目标值达到每小时2 0 0 公里及以上。“四纵”客运专线包括：北京一上 海，北京武汉广州一深圳，北京沈阳一哈尔滨( 大连) ，杭州一宁 波一福州一深圳客运专线。“四横”客运专线包括：徐州一郑州一兰州， 杭州一南昌一长沙，青岛一石家庄一太原，南京一武汉一重庆成都客运 专线。三个城际客运系统包括：环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角 洲地区城际客运系统，覆盖区域内主要城镇”。从规划可以看出：至 2 0 2 0 年，中国铁路将形成以高快速客运专线为主干网络的客运系统。 高速铁路的牵引动力一般为电力牵引。列车速度快、行车密度大要求 供电容量大、供电可靠性高。高速铁路牵引供电系统一般采用2 2 0 k v 进线 电源，牵引变压器容量达8 0 一1 0 0 m v a ，三相不平衡增大，为了减小高速 铁路对电力系统和通信系统的影响，三相两相平衡变压器将成为牵引变 压器的选择重点，a t 供电方式将成为牵引网的选择重点。 牵引供电系统的保护是保障牵引网高效、安全、可靠供电的基础。以 高速铁路牵引供电系统为研究对象，从理论上系统研究牵引网新型馈线保 护原理、新型变压器保护原理无疑具有重要的理论和实际意义。 同时，常速电气化铁路牵引供电系统保护误动和拒动的现象时有发 生，如何利用各种现代技术，完善牵引供电系统保护原理与功能，提高其 可靠性与可用性也是当务之急。 本文依托国家“十五”攻关项目一“秦沈客运专线牵引变电所综合自 动化系统设各研制”和铁道部科技开发计划重点项目一“牵引变电所安全 监控及综合自动化系统成套技术研究”，针对高速铁路牵引供电系统保护 原理开展应用基础理论研究。 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 1 2 牵引供电系统 牵引供电系统由牵引变电所、牵引网、电力机车负荷组成，如图1 1 所示。 图1 1 牵引供电系统组成示意图 r 尺 尸 p r 尺 f p 作为电力系统的一个大宗终端用户，具有很多独特的特点l l - 2 ，主要 表现在： 就牵引变电所来说，由于牵引负荷为单相负载，为了尽可能使两供电臂 的单相负荷变换到三相电力系统保持对称与平衡，合适的牵引变压器接线 方式是重要的。目前，牵引变压器的接线有纯单相接线、y n ，d 1 1 接线、 v v 接线、s c o t t 平衡接线 2 - 3 、l e b l a n c 平衡接线 4 - 6 、阻抗匹配平衡接 线 7 - 14 1 等多种型式，以及正在研究的三相变四相平衡接线【”。”，牵引变压 器的多样性决定了其保护的多样性。国外高速铁路牵引变压器多采用 s c o t t 平衡变压器、单相变压器。单相三绕组变压器和具有自主知识产 权的阻抗匹配平衡变压器将是我国高速铁路牵引变压器的可能选择方案。 无论采用何种接线型式的变压器，其容量将大为增大，相应地，空载投入 产生的励磁涌流中的二次谐波含量将减少；为了改善功率因数，牵引变电 所低压母线接有大容量的并联电容补偿装置，当牵引变压器内部故障时， 并联电容补偿装置中的电容器势必会对故障点放电，将会影响到变压器差 动保护的正确动作。因此，研究新型的变压器保护原理是必要的。 就牵引网来说，由于牵引供电系统供电方式有直接供电方式、吸流变 压器供电方式，自耦变压器供电方式，且运行方式复杂、故障类型较多； 电力机车为移动负荷，接触网的故障几率较电力系统要高得多；牵引网单 位长度的阻抗较高【ls l ；电力机车通过变电所、分区所进入另一带电供电臂 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 相当于电力机车上变压器进行一次空载合闸，a t 供电系统送电相当于该 供电臂所有自耦变压器都进行一次空载投入，都将产生励磁涌流；这些因 素决定了牵引网馈线保护具有特殊性 1 8 - 1 9 。另一个值得关注的问题是，牵 引变电所左、右两侧的上、下行供电臂之间一般通过电分相相连接，当电 力机车司机不按操作规程降弓运行、带电通过电分相时，将引起异相短路 故障【2 玑2 1 ，国内尚未设置专门的异相短路故障保护。因接触网故障几率高、 牵引网最小短路电流可能小于最大负荷电流等原因造成馈线保护误动作 的纠正就要靠自动重合闸来完成了，因此，具有牵引网瞬时性与永久性故 障识别能力的智能重合闸就十分必要了1 2 2 - 2 3 。国外高速铁路牵引供电方式 各有不同，由于a t 供电方式( 图1 1 ) 供电电压高、接触网单位长度阻抗 小、接触网电压损失和能耗小、以及对通信线路干扰小，直供+ 回流线供 电方式结构简单、投资小等特点，因此，这两种供电方式将是我国高速铁 路可能选择的供电方式。 就电力机车负荷来说，目前国内的电力机车多为交一直型电力机车， 也有少量的交一直一交电力机车在试用之中。交一直型电力机车负荷是 个非线性负荷，富含谐波分量是其共性 24 1 ，但因各种电力机车变流方式的 不同，机车上是否安装有并联电容补偿与滤波装置，将直接影响负荷电流 中谐波含量的大小。另外，电力机车运行于再生制动、牵引运行工况的负 荷特征也不相同。这些因素也会直接影响牵引网馈线保护的构成原理。 综上所述，尽管电气化铁路在我国已经运营了四十多年，牵引供电系 统保护仍然存在安全性与可靠性的问题，总结经验、检讨教训，继续开展 牵引供电系统保护的深入研究是十分必要的。目前，根据国家批复的规 划5 51 2 s ，重载、高速铁路，城际快速客运通道是未来十几年铁路建设的重 点。这将使牵引变压器型式更加多样化、容量更大，牵引负荷变化更加剧 烈，再生制动更加频繁且再生制动电流更大，常规原理的保护不一定能完 全适应新的运行要求，因此，系统研究高速铁路牵引供电系统的保护原理， 为我国高速铁路建设储备技术将更为必要。 1 2 国内外研究现状 自电气化铁路出现以来，牵引供电系统的保护原理一直是最受关注的 研究领域，世界各国的牵引变电所主接线型式、牵引变压器的接线方式、 供电方式、接触网的悬挂方式、电力机车的变流与控制模式各有不同，牵 引供电系统的保护也就各有不同。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 。2 1 牵引供电系统馈线保护研究现状 国外研究情况 国外电气化铁路，尤其是高速铁路牵引供电系统保护的研究，以日本、 德国、法国和英国为代表 2 。日本新干线的牵引变压器采用s c o t t 平衡 变压器较多，供电方式多采用4 丁供电方式 2 7 】。德国i c e 电气化铁路的牵 引变压器多采用单相变压器，对于复线牵引网一条供电臂的两个方向共用 一台断路器【2 ”3 0 i ，如图1 2 所示。英国、法国t g v 高速电气化铁路的牵 引主变压器多采用单相变压器，供电方式多采用直接供电+ 回流线的方式 或a t 供电方式【3 1 ”】。下面就国外高速铁路牵引供电系统馈线保护原理作 一简要介绍。 s s - 变电所s p - 分区亭s 一车站 图1 2 德国典型的牵引网结构型式 ( 1 ) 可切换型距离保护原理 文献 3 和 2 7 提出了一种可切换型牵引网馈线距离保护的概念。其理 论基础是故障电流中基本不含高次谐波，而负荷电流中含有相当成分的高 次谐波。其特点是根据测量电流中高次谐波的含量大小自动切换距离元件 的动作特性，当高次谐波含量较小时，距离元件的动作范围较大，当高次 谐波含量较大时，距离元件的动作范围较小，如图1 3 所示。定义等效三 次谐波含量为 置，：竺! 垒生墨( 1 - 1 ) 。 l 式中，、，、j ，分别为馈线电流中的基波、二次、三次和五次 谐波电流；k ，为二次谐波增益系数，一般取0 1 之间的值。 对于交一直型电力机车，负荷电流中含有丰富的奇次谐波电流，因电 力机车上通常装有三次谐波滤波支路，三次谐波含量将大为降低，增加5 次谐波电流能提高检测灵敏度。为了防止机车变压器空载投入或a t 牵引 网空载投入产生的励磁涌流而造成馈线保护误动作，在切换系数中增加了 2 次谐波电流。 西南交通大学博士研究生学位论文 第5 页 切换判据如式( 1 2 ) 所示。 k 3 k 3 z d = 5 1 5 ( 1 - 2 ) 当满足式( 1 2 ) 时，图l 一3 中的距离元件按“小”边界动作，当不满 足式( 1 - 2 ) 时，阻抗元件按“大”边界动作。 l o c - t t 小动作电 j ；c 元件c - 电流速断元件 5 1 t 一揍触导缄温升控测元件 图1 3 保护范围切换型距离继电器原理框图 ( 2 ) 高次谐波抑制式i 型故障选择原理 随着列车牵引重量和运行速度的提高，负荷与故障的区分越来越困 难，同时，保护原理的双重化是提高可靠性的一种有效措施，因此，文献 【3 和【2 7 1 提出了高速动作的高次谐波抑制式i 型故障选择装置，与可切 替型距离继电器共同构成牵引网馈线的双重保护。 高次谐波抑制式i 型故障选择原理的理论基础是负荷电流在一定时 间内的变化量比负荷电流的最大值要小得多，而故障电流在一定时间内的 变化量比负荷电流的变化量要大得多：牵引负荷富含奇次谐波、励磁涌流 中富含二次谐波，而故障电流基本不含高次谐波。高次谐波抑制式i 型 故障选择判据如式( 1 3 ) 所示。 f l 一世。3 b a r z d 隆 ( 1 弋) 式中，u ，为基波电流增量；a ，为三次谐波电流增量；，。为电流增量整 定值；足。为三次谐波抑制系数，取k 。= 3 3 3 ；“j ，分别为基波、二次 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 谐波电流；k 2 z f ) 为二次谐波闭锁系数。 考虑上述措施后的高次谐波抑制式交流i 型故障选择原理框图如图 1 - 4 所示。对三次谐波含量为1 5 的负荷电流，基波电流以5 0 的比例进 行抑制，若负荷电流中三次谐波含量达3 0 ，完全抑制。 图1 4 交流，型故障选择装置原理框图 6 l j ) ( 3 ) 带谐波抑制的过电流元件的距离保护原理 文献 3 i 】一 3 3 】给出了一种带谐波抑制过电流元件的距离保护原理，其 理论基础也是利用电气化铁路负荷电流中的综合谐波含量，保护动作特性 如图l 一5 所示。 文献 3 1 卜 3 3 对该原理没有给出详细说明，根据理论分析，其基本 原理如下： 三段距离保护原理：当谐波抑制的过电流元件没有输出信号时，按照 如图卜5 所示的常规i 、i i 、i i i 段距离保护动作特性进行动作判断；当谐 波抑制的过电流元件有输出信号时，按照延伸边界的i 、i i 、i i i 段距离保 护动作特性进行动作判断( 图卜5 中虚线) ，以提高距离保护躲电弧电阻 的能力。需要说明的是，为了兼顾未专门设置保护的丌闭所之后供电线路 故障后速动，距离i 段的动作边界可以由远方控制设备控制延伸至ix 段； 为了避免带串联电容补偿装嚣的接触网在串补装置出口处发生故障时馈 线保护误动，设有反向i i i 段距离保护。 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 山谐波过流兀件确 。j x ，i 一一 遴 上 ，一一 一一- ，二二j 二二：二2 j | z 崩 鬻吵 ，7 r 耖 j 一一，一尹 ， 躲负荷阻抗的正谐波过流元件控制的覆盖视 常电阻整定边界在故障电阻的延伸电阻边界 图卜5 带谐波抑制过电流元件的阻抗动作特性 谐波抑制的过电流元件：动作方程如式( i - 4 ) 所示，逻辑框图如图 1 6 所示。 i l 一目k( i 4 ) 图1 6 综台谐波抑制的过电流元件逻辑框图 出 口 实时检测馈线电流中的综合谐波电流( 含二、三、五、七、九次谐波) ， 并与馈线电流基波值相比较，如不满足式( 1 4 ) ，距离保护按照常规的i 、 i i 、i 段动作特性进行动作判断；若满足式( 1 - 4 ) ，一方面，使距离保护 按照i 、i i 、i i i 段的延伸边界进行动作判断，另一方面，延时t o 后，若仍 然满足式( 1 - 4 ) ，则直接出口动作于断路器跳闸。 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 ( 4 ) 接触导线温度保护原理 由于高速铁路负荷电流大，实时监视接触导线的温度对于防止接触导 线熔断事故是重要的，因此，国外都设有接触导线温度保护3 。2 7 3 0 。3 2 】。虽 然各国用于接触导线温度检测的数学模型略有不同，但都是通过测量馈线 电流来计算接触导线温度的。典型的计算模型为 r， r一盟 乃2 = 乃。+ l 乃( 了一) 2 一乃1 | | 1 一p 7 l ( 1 5 ) l h a 酽 j il 式中，乃为当施加电流，。时的稳态温度：i 。馈线额定电流；k ，为与接触 网悬挂有关的系数，例如链形悬挂世，= 2 ；f 为接触网的时间常数；i 为在 时间t 和f ，间隔内的馈线电流；乃，测量的外界温度，有置于室外g p s 内 的温度计测量；正为t ，时刻考虑外界温度后的导线温度；乃为t ，时刻考虑 外界温度后的导线温度；乃，= 互一疋。为t 。时刻的导线温度；乃：= 正一l 。 为t 时刻的导线温度。 通过上述概要性的介绍，可以得出： 结论1 1 ：对于高速铁路牵引网馈线保护，比较重视利用电力机车负 荷电流中的高次谐波含量来区分正常负荷与短路电流；由于某次谐波含量 可能较低，综合谐波含量仍然维持在较高水平，通常采用综合谐波含量作 为抑制量；不同电力机车、不同线路的综合谐波含量各不相同，综合谐波 抑制元件的整定需要现场实验的支持。 因此，充分利用电力机车负荷的非线性特征，研究能实时检测负荷电 流中谐波含量的大小来自动调节保护的动作边界，又无须现场实验来支持 保护整定计算的馈线保护原理是本文的研究目的之一。 国内研究情况 我国电气化铁路较国外有很大不同，牵引供电系统馈线保护的研究也 有其独特的特点。自上世纪九十年代以来，主要致力于微机型继电保护的 研究与推广应用，提出了自适应距离保护的概念【3 “” ，利用负荷电流中的 综合谐波成分来提高保护的灵敏度；对a t 牵引网正馈线断线接地故障进 行了故障特征与保护动作行为分析 4 0 l ：对牵引供电系统的异相短路故障进 行了故障分析，初步提出了一些异相短路故障的保护原理，但没有进行深 入的仿真试验或现场实验验证 2 “ ；对瞬时性与永久性故障识别技术，初 步提出了复线电力牵引网故障性质的识别原理 2 2 之3 ；由于我国牵引网故障 几率较高，对故障测距十分重视，先后提出了直接供电方式、b t 供电方 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 式和a t 供电方式的故障测距原理【4 1 4 ”。 可以看出，国内研究从不同的需要出发，充分注意到了牵引供电系统 馈线保护、故障性质识别与故障测距之重要与存在的问题，提出了一些解 决问题的措施，为我国牵引供电系统保护做出了积极贡献，但系统的理论 研究不够深入，尚未能提出全面的解决方案。基于此，本文力求有所突破。 1 2 2 变压器保护的研究现状 变压器是变电所重要、最昂贵的设备，因此，变压器保护是最受重视 的，牵引供电系统也不例外。目前，我国牵引变压器保护无一例外地采用 了二次谐波制动的比率电流差动保护原理f 4 ”4 ”。运行现场对电流差动保护 的误动多有反映，已经引起运行管理部门和研究部门的关注。随着重载、 高速、快速客运通道的建设，牵引变压器容量将达到8 0 1 0 0 m v a ，并联电 容补偿装置的容量也将增大，其它原理的牵引变压器保护已经逐步成为研 究热点 s o - 5 2 。 变压器保护的关键是如何区分励磁涌流和内部故障电流，目前采用的 方法【53 】有电流波形特征识别法、感应电压差动法、磁通特性识别法、等值 电路参数鉴别法、基于变压器回路方法的算法、差有功法、基于模糊逻辑 的多判据法等。电流波形特征识别法：该方法直是人们研究的热点， 以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据，已运用的有二次谐波 制动原理1 5 4 。5 8 1 、间断角原理1 5 9 、采样值差动原理【6 0 “ 、波形对称原理 6 2 - 6 4 、波形叠加原理 6 5 、波形相关性分析法6 6 柳】、波形拟合法 6 8 】、小 波变换方法【6 ”7 3 蝽口神经网络方法【7 4 。引。这些原理或方法都是以励磁涌流波 形存在间断角这一特征为理论基础，实际上都是间断角原理的衍生、改进 或推广。由于变压器励磁涌流的波形特征随着接入系统的电压和等值阻 抗、合闸初相角、剩磁大小和方向、三相绕组接线方式和中性点接地方式、 三相铁心结构、铁心材料和组装工艺、磁滞回线和局部磁滞环等的不同而 改变，所以，“任何以涌流波形特征为依据的防止空载投入误动的措施均 不能保证变压器差动保护不误动，差别仅是误动次数的多少而已”【7 ”。正 因为如此，人们首先想到的是何不添加其他信息来丰富识别励磁涌流与内 部故障的方法? 自然就产生了基于电压和磁通的相关方法 7 8 】。磁通特性 识别法：该方法的基本思想是利用内部故障和励磁涌流时变压器磁链一差 流( y i a ) 曲线的差别一变压器发生励磁涌流时，( 矿一i d ) 曲线为变压器 的空载磁化曲线，发生内部故障时，( y i 。) 曲线将偏离磁化曲线，且故障 越严重则偏离越严重【7 。如果( y i 。) 位于磁化曲线上，则该不平衡电流 第1 0 页西南交通大学博士研究生学位论文 为励磁涌流，否则为内部故障电流。实际上，由于变压器剩磁的不确定， 在励磁涌流情况下得到的( y 一屯) 曲线也将偏离磁化曲线，进而导致误判， 若采用d g 击。则能克服这一缺陷。这是因为，正常负荷时，d g 吼较大 且为常数，内部故障时，d i p 吼较小且为常数，励磁涌流时，d y 反。交 替变化。文献 8 0 提出了一种通过检测瞬时励磁电感基频分量的“有”或 “无”来区分励磁涌流和内部故障的方法。其理论依据是：励磁涌流时， 变压器铁心工作于非线性区，瞬时励磁电感剧烈变化；内部故障时，铁心 工作在线性区，瞬时励磁电感为常值。文献 8 1 从变压器励磁涌流的产 生是由于变压器励磁阻抗变化的观点出发，提出了一种利用测量阻抗变化 来区分励磁涌流与短路电流的方法。其理论依据是：正常情况下，励磁阻 抗很大；励磁涌流时，在一个周波内，变压器铁心周期性地进入或退出饱 和区，励磁阻抗变化很大；内部短路故障时，励磁阻抗很小。电压电流 波形结合识别法：文献 8 2 基于在正常运行、励磁涌流、过励磁状态下， 变压器原、次边的感应电压比等于匝比，而内部故障时，变压器原、次边 的感应电压比不再等于匝比的思想，提出了感应电压差动的保护原理。文 献 8 3 8 4 引入电压波形，利用电压波形在任何状态下为连续波形，而电 流波形在故障状态n f 连续而励磁涌流时不连续的特征，比较两者的相似度 或变化趋势来构成变压器保护原理。等值电路参数鉴别法：文献 8 5 提 出了一种基于变压器导纳型等值电路的参数鉴别方法，其理论基础是：三 绕组变压器的绕组间的互导纳与变压器运行状况无关，是一个常数。而自 导纳与变压器的运行状况相关，对于内部故障和励磁涌流，它们表现出极 大的不同。基于变压器回路方程的算法 8 6 。8 8 】：该方法将变压器看成一个 “黑箱”，基于变压器原、副边的互感磁链平衡方程与原、副边电压关于 电流和互感磁链的方程，消去互感磁链，得到只包含原、副边电压和电流 的线性模型。在正常运行、励磁涌流和外部故障时，“黑箱”结构未变， 该线性模型始终满足；在内部故障时，由于“黑箱”结构的改变，该模型 将不再满足。差有功法【5 2 】【”】：正常运行时变压器消耗有功非常小，励 磁涌流时，由于绕组存储磁能，第一个周期流入变压器的有功较大，但第 二个周期之后变压器消耗的有功却非常小，然而当变压器绝缘损坏时，电 弧放电发热将消耗大量的有功。通过检测变压器消耗有功的大小，即差有 功，可判别变压器是否发生内部故障。基于模糊逻辑的多判据法m 0 3 ： 现有励磁涌流识别算法各有特点，该方法借助模糊逻辑隶属度和权重的概 念，综合各种判据的优点，使各判据之问取长补短，弥补严格依照精确定 量判别涌流的不足。 西南交通大学博士研究生学位论文第11 页 结论卜2 ：变压器保护的关键是正确识别励磁涌流与内部故障，基于 电流波形特征的识别法因影响励磁涌流的因素较多，难免存在误动，因此， 引入电压或磁链信息的保护原理越来越受到重视。 基于此，本文将基于变压器回路方程的算法引入特殊接线的三相一两 相牵引变压器中，开展相应的研究。 1 3 本文的主要工作 高速铁路建设是规划明确的铁路发展战略，电力牵引是高速铁路 牵引动力的必然选择，牵引供电系统保护是高速铁路安全、可靠运营的保 障，因此，开展高速铁路牵引供电系统保护原理的研究是十分必要的，具 有重要的理论意义和实用价值。本文研究的总体目标体现在如下两个方 面：首先，随着我国电气化铁路的蓬勃发展和高速铁路建设的启动，新型 供电方式和牵引变压器不断涌现，必须提出适应于我国高速铁路牵引供电 系统实际的新型保护原理，研制相应的保护装置；其次，应用现代技术手 段，完善常速牵引供电系统的保护原理和功