（电力系统及其自动化专业论文）电铁多支路并补微机保护测控装置的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1页 第一章绪论 当今世界计算机技术、通信技术、控制理论及信息处理技术、新 材料、新工艺的高速发展和应用，使得知识、技术的更新速度明显加 快， 不同领域、 不同专业之间互相渗透、 互相融合的现象越来越普遍。 电力工业部适时地提出了抓住机遇、 迎接挑战、 开创中国电力新局面、 创一流企业、赶超世界先进水平的奋斗目标。变电所综合 自动化即为 上述奋斗目标中十分重要的组成部分之一。它涉及供电企业各个专业 和部门，包括自动化、远动、通信、继电保护、测量、计量等二次系 统的运行管理、工程及技术，甚至对一次设备也提出了新的要求。它 不仅涉及到包括变电检修、运行、调度在内的各个部门，还广泛涉及 到规划、设计、标准化、质检、生产厂家、管理体制及其他相关部门 和问题。 变电所综合自 动化 1 是将变电 所的二次设备 ( 包括控制、信号、 测量、保护、自动装置及远动装置等)利用计算机技术、现代通信技 术，经过功能组合和优化设计，对变电所执行自 动监视、测量、控制 和协调的一种综合性的自动化系统。它是变电所的一种现代化技术装 备，是自 动化和计算机、通信技术在变电所领域的综合应用，也是无 人值班变电所可靠的技术支撑和物质基础。 具体到电气化铁路而言， 目前我国电气化铁路占全部运营量的 1 / 4 左右，电气化铁路在客、货运量和运营里程中所占的比重越来越大， 在铁路运输中发挥着重要的作用。面对机遇和挑战，电气化铁路同样 责无旁贷，也在追求其技术和管理的现代化，以适应国民经济发展和 现代化建设的需要。因此牵引变电所综合自 动化也就成为其发展的必 然趋势。 本课题即为牵引变电所综合 自动化课题的一部分。其中最重要的 问题是在减员的同时保证其运行的可靠性和安全性，这就必然要求使 用可靠性高、安全性好、自动化程度高的设备。因此，并补微机保护 测控装置的研制必须围绕这三点展开。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2页 牵引负荷及其特性2 1 在交流电气化铁道中，由于电力机车中大功率半导体元件的采 同时接触网又呈感性，从而使交流电气化铁道中的牵引负荷具有 1.用 不同于一般负荷的特点，主要表现为: 1.随机波动性由于列车在运行中的加速、恒速、惰行、制动 等各种工况以及运行中坡道、弯道、站场、道岔、自然气候、司机操 作过程等因素的影响，使牵引负荷随机波动，这种波动及其发生时间 都具有随机性。牵引负荷的波动性使牵引变电所及牵引网上的电压发 生波动，还使牵引供电设备的容量利用率变低。 2. 非线性现行的电力机车多为交一一直 ( a c / d c ) 整流型的， 即用于牵引电机的直流电是经交流电全波整流得到的，这一非线性过 程决定了牵引负荷为非线性负荷。正常运行时牵引电流波形一般介于 方波与三角波之间，含有明显的谐波成分且具有谐波幅值波动大、相 位分布广的特点。牵引负荷中的谐波会对邻近电气化铁路的通讯线造 成干扰，且可以直接通达牵引变电所进入电力系统。谐波在电力系统 中的流通会引起附加发热、激发谐振、可能使继电保护发生误动作、 加强绝缘介质老化降低寿命等许多不良影响。 3.单相独立性和不对称性现行牵引变电所除纯单相接线外， 都是两相 ( 异相)供电，一条馈线的负荷可能在另一条馈线上引起电 压损失 ( 如y / 接线)而影响其电压水平，但在正常网压范围内，由 于机车自身的调节功能，其取流受到另一条馈线造成的电压损失的影 响是甚微的，故可以认为牵引变电所各供电臂的取流具有单相独立 性，即牵引变电所两供电臂的牵引负荷是相互独立的、随机波动的。 相对三相系统而言，牵引负荷具有不对称性，主要是负序。单相 独立的牵引负荷也独立地在电力系统中造成负序，即使采用三相一一 两相平衡接线，由于两臂负荷的随机独立性，也仍有随机波动的未被 平衡的剩余负序电流进入电力系统。负序电流在电力系统中会造成一 些不良影响。例如，额外占有系统及其设备的容量，造成附加网损; 引起电压不对称，降低发电机、电动机出力，严重时还会危及发电机 和电网的安全运行等。虽然随着电力系统容量的不断增大，负序威胁 西南交通大学硕士研究生学位论文第 3页 发电机及电网安全运行的可能性越来越小，但在电力系统容量薄弱区 段，或者按最小运行方式供电，或者在既有线路上开行重载列车时， 负序问题仍应受到足够重视。另外，为使电力系统经济运行和提高电 能质量，尽可能好地降低负序也是十分必要的。 1 . 2并联补偿及其综合应用2 ) 由于整流型牵引负荷功率因素低 ( 无功成分大) ，谐波含量多， 其单相独立性又通过牵引变电所在三相电力系统中造成随机波动的 负序电流，以及通过牵引供电系统对邻近通讯线感应干扰等，构成了 交流牵引供电系统的四个主要技术课题。其中通讯千扰己通过采用特 殊供电方式 ( 如b t , a t 供电方式等) 及其他措施得到缓解， 而无功、 负序、谐波对电力系统的不良影响则需要在牵引供电系统中采取技术 措施以期综合解决。并联补偿就是具有这种综合作用的技术措施。 1 . 2 . 1并联补偿 并联补偿可分为并联无功补偿 ( p r c )和并联电容补偿 ( p c c ) a 并联无功补偿允许在牵引变电所相异端口同时使用并联电抗器和并 联电容器，而并联电容补偿则仅限于使用并联电容器。并联补偿还有 可调并联补偿和不可调并联补偿之分，其中可调补偿中可光滑调节其 无功出力的称为静止补偿装置( s v s ) ， 分级可调的称为级调补偿装置。 在实际应用中，在各种并联补偿装置中，还常常在并联电容器中 串入适量的电抗器， 或者由此构成专门的滤波通路， 即兼作滤波装置， 或者用以防止谐波放大，确保装置安全运行。在静止补偿装置中还要 考虑自身谐波的滤除作用。滤波装置的种类很多，最常用的是并联型 单调谐滤波器。 1 . 2 . 2并联补偿的综合作用 牵引变电所的( 基波) 技术指标和经济性能均与无功和负序有关， 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4页 建立对无功、负序有综合补偿作用的并联无功补偿或并联电容补偿是 问题的关键。若进一步根据需要和可能利用其中的容性支路构造滤波 装置就能使无功、负序、谐波得到综合治理。总之，并联补偿对牵引 变电所技术指标和经济性能的综合作用主要体现在: ( 1 ) 补偿无功，提高功率因素; ( 2 ) 降低负序电流; ( 3 ) 吸收谐波，降低谐波对电力系统的干扰及危害; ( 4 ) 降低母线压损，提高网压水平; ( 5 ) 同时降低牵引变压器功率损失和网损( 节能) ， 提高牵引变 压器的容量利用率 ( 节容) ，并由此提高运输供电能力等。 保证并联补偿装置 ( 简称并补装置)安全可靠的运行是并补装置 继电保护的主要任务。 并补装置在运行过程中， 可发生接地短路故障， 电 容器过电压事故p 8 . 3 4 1 ， 电 容器绝缘破坏， 因 谐波引起的电 容器过热 事故， 电抗器过热事故等。 为了防止事故的发生和事故的进一步扩大， 须设置足够可靠的、性能良好的保护装置。现有的一些电气化铁道并 补保护装置配置了并补装置常用的几种保护，然而应变电所综合自动 化的发展要求，将并补装置的保护、测量、控制功能集于一体也就变 得自然而然。目前，在我国电气化铁道牵引变电所用补偿装置中，并 联电容补偿装置应用最为广泛。因此，下面各章的讨论都是基于电铁 并联电容补偿装置展开的。 1 . 3 并补保护测控装置的功能配置 这里的功能配置是在变电所综合 自动化背景下展开的。 1 .3 . 1变电所综合自 动化系统结构 变电所安全监控与综合自 动系统结构示意图见图1 - 1 。它是由 调度端协同电气主设备、线路的数据采集、控制与保护等子系统，通 过以太网及 l o n w o r k s网络构成的一体化分层分布式系统，用以执行 变电所全部控制、监视、中央信号、保护、远动和通信、管理等所有 西南交通大学硕士研究生学位论文第 5页 图 1 - 1变电所安全监控与综合自 动化系统结构示意图 功能.其中，各组成子系统和监控主机也可单独运行，执行其自身功 能( l 3 5 1 几点说明: 1 .变电所安全监控与综合自动化系统除交直流盘外，共 7 面盘， 分别为 1#主变保护、测量与控制盘、 2 # 主变保护、测量与控制盘， 馈 线保护、测量与控制盘，并联电容补偿保护、测量与控制盘 该盘上 西南交通大学硕士研究生学位论文第 6页 安装有故障测距装置， 通用测控装置， 动力变保护、 测量与控制装置) ， 当地监控盘，远程视频监控与灾害报警盘，中央信号盘 ( 该盘上还安 装有应急选线控制继电器) 。 2 .变电所安全监控与综合自动化系统由两级网络进行管理，当 地监控单元、视频监控和灾害报警单元之间通过以太网进行信息交 换，各种保护、测量、控制装置，当地监控单元之间通过 l o n w o r k s 网络进行信息交换。 3 .当地监控单元只作为远方控制失效的后备手段，不考虑双机 冗余，作为应急，可用笔记本电脑代替监控主机。 4 .保护、测量、监控装置即可集中组屏，也可分散配置。 5 .视频监控与灾害报警单元使用单独的通道传送视频信息到调 度端，遥控命令与视频监控与灾害报警单元可联动，告警信号可通过 中央信号盘指示。 6 .气象参数通过通用测控装置采集并通过l o n w o r k s 网络发布。 1 . 3 . 2井联电容补偿装置保护测控单元 一套并联电容补偿装置的保护与测控装置完成一相并补的保护、 测量与控制功能。 一、保护配置 共配置七种保护，分别为: . 电流速断保护 . 过电流保护 . 过电压保护 . 欠电压保护 . 差电流保护 . 差电压保护 . 谐波过电流保护 二、 测量功能 . 母线电压 . 并联电容补偿支路总电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第 7页 . 无功电度 三、控制功能 . 断路器控制 . 无功控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第 8页 第二章并补装置的微机保护 电气化铁道牵引变电所并联电容补偿装置的保护装置中一般都配 有以下几种保护:电流速断保护、过电流保护、谐波过流保护、差电 流保护、过电压保护、欠电压保护、差电压保护等。然而， ( 1 ) 在电容器装置中，电抗器与电容器一样是对过电压、 过电流 和高次谐波十分敏感的器件18 1 ，电抗器或因使用不当，或因运行条件 恶劣，或因产品质量不良，发生损坏甚至烧毁事故屡见不鲜。从实际 运行和理论分析结果表明，对于电抗器发生匝间短路甚至线圈全部短 路 ( 此种情况极其少见) ，现有的上述保护均不起作用。因此，目前 多数电抗器是处在无保护状态下运行。 ( 2 ) 负荷侧的补偿需要量常常是变化的， 尤其在现行的无功电量 反送正计计量方式下，固定补偿方式难以满足变电所功率因素指标要 求，甚至出现负面影响。静补装置虽然补偿效果好，但造价昂贵，限 制了其在我国铁路中的实际应用。因此，结合我国国情及电力系统队 电气化铁路负荷无功电量的计量方式、电牵引负荷自身特性，可调的 多串多次电容补偿得到了较广泛的应用。并且从长远来看，它是符合 国内外科学技术的发展趋势。 对于可调多串多次电容补偿， 不同时刻， 投入系统的支路数及支路不同，这就需要保护装置能够根据支路的投 切情况作到自适应保护。 ( 3 ) 对于多串多次电容补偿， 当差流、 过流及谐波过流保护动作 后，故障可能只发生在投入运行支路中的某一支路，而保护的动作却 将整个电容补偿装置从系统中切除。这是我们不希望的。如果能根据 上述保护动作的情况作出具体到故障支路的判断，那么补偿装置仍能 工作，同时也减轻了故障后检修人员的工作量。 2 . ，现有电铁并联电容补偿装置的保护配置 我国牵引变电所安设的典型并联电容补偿装置如图2 - 1 所示。 由于制造质量不佳、自然老化和运行中的过电流、过电压，谐 西南交通大学硕士研究生学位论文第 9页 a或 s相 图2 - 1并联电容补偿装置接线图 波及环境温度过高等原因，常造成电容器内部元件损坏，如不能 将故障电容器从电网上切除，故障电容器将由于绝缘破坏而发生短 路。电容器内部短路后，由于电弧产生大量热能使绝缘油分解，产生 大量气体，箱壳内压力增大，严重时会引起猛烈爆炸。这将造成人员 伤亡，周围设备损坏，甚至发生火灾，严重威胁电网的安全运行。因 此，运行中的并联电容补偿装置必须配有完善的保护装置，以便发生 故障时能可靠地、迅速地、有选择地将其从牵引网上切除，预防事故 的发生和事故的进一步扩大。 现有的并补保护配置及逻辑如图2 - 2 示. 4 1 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0页 跳 闸 图2 一并补保护配置逻辑框图 2 . 1 . 1电流速断保护 由于断路器至电容器组之间的引线一般较长，且接近牵引母线处 的短路故障危险性较大.故设置电流速断保护，用于保护并补装置断 路器到电容器连接线的短路故障及母线的接地短路故障。电流速断保 护由 图2 - 1 中i, ， 提 供电 流 信号， 保 护的 整 定 原 则 应 考 虑: ( 1 )不因电动车组所产生的高次谐波电流而动作; ( 2 )不因并补装置投入时产生的涌入电流而动作。 动作方程: i ri , 其中:1一 并补支路总电流的基波分量 1 ,一 电 流 速 断定 值 整定范围: ( 2 - 1 ) i , ,= 时限 定值计算 s 7 , ( 4 0一9 9 9 9 ) a =o s ( 按c t一次侧计算) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1页 i ,= k , - i , 其中:k * 一 可靠系数，一般取1 .2 i n . 一 并补装置投入时的涌入电 流 ( 2 - 2 ) 2 . 1 . 2过电流保护 并联电容器的过电流和过负荷，主要是由运行电压的升高和电压 波形的畸变这两方面所引起的。国际电工委员会和我国都规定:电容 器可以允许在不超过1 . 3 倍额定电流下连续运行。 1 1 3 . 1 4 1 然而在电气化 铁道的牵引供电系统中，运行电压的升高和电压中的谐波往往是同时 存 在的 。 所以 应 设 置 过电 流 保 护( 由 图2 - 1 中 i l， 提 供电 流 信号)，在电 容器组的过电流超过允许范围时， 保护动作， 将电容器组切除。 另外， 过电流保护还可作为电流速断保护的后备保护及并补装置内部部分 接地点故障的保护。考虑到电容器制造允许的正偏差 1 0 %，过电流允 许达到1 . 4 3 倍额定电流1 1 3 1 。 所以， 保护可按1 . 31 .4 倍额定电流整定， 为躲过并补装置投入时的最大涌入电流 ( 短时间的过负荷不会造成电 容器的损坏) ，保护应延时动作。 动作方程: i - 与. . . . . . ( 2 - 3 ) 其中:i一 并补支路总电流的基波分量 i 、一 过电流定值 整定范围: i = (4 0 一 9 9 9 9 a ) 时限 =0 . 1 -2 . 5 s ( 按 c t一次侧计算) 定值计算1 5 1 ( 1 . 3 一1 .4 ) i , 其中 典型时限 并补装置的额定电流 5 s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2页 2 . 1 . 3差电流保护 差流保护用于并补装置接地故障的主保护，特别是对于电抗器及 最末位电容器台架主绝缘闪络或击穿时， 保护无“ 死区” 且灵敏度高。 差流保护由并补支路总电流 ( 由顶流互引入)与并补装置中各次滤波 支路电流的和电流 ( 由各次滤波支路上的底流互引入)的比较构成， 见图2 - 1 中iz o 动作方程: i , r i ,( 2 - 4 ) 其中:1 ,一 并补支路差电 流的 基 波分量 i zd一 差电流定值 整定范围: i ,= ( 2 0 一 9 9 9 9 ) a 时限 =0 一2 . 5 s ( 按 c t一次侧计算) 定值计算15: (i , 一 k t i = ( 1 + k - a f . i _ j x , i x , ) . i , ( 2 - 5 ) 其中:k * 一 可靠系数， 取1 . 3 k .一 同 型系数， 顶流互与 底流互同 型时 取0 .5 ， 不 同型取 1 a f _ 一 流互最大允许误差， 取0 . 1 i . 一 并补投入时的涌流有效值 x c一 并补装置电 容器容抗 x :一 并补装置电 抗器感抗 i 、一 并补装置额定电流 典型时限:o s 2 . 1 . 4谐波过流保护 我国现行的电力机车都是交直整流型的，这就使得牵引供电系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第招 页 的电压波形发生畸变，而电容器容抗随谐波次数的增加而降低，所以 它比其它电器更容易受到谐波的影响而损坏。谐波对电容器的危害主 要有以下几个方面: 1 .谐波含量较高，超过允许条件时，将使电容器的损耗功率大 幅度增加，而导致电容器异常发热。( 1 6 . 1 7 1 所谓允许条件， 即 在高 压并联电 容 器国 家标准g b 3 9 8 3 .2 - 8 9 中， 对 在谐波作 用下的几、u c q c 的 最大值 划定的 三个界限: i )电流界限 c-q 几一编 艺川 c一q 兰嘛 万1侣钊u. 。 。 : .f 兰.二 丫 v m n c m ) 。 ( ， ” 丫 十 2 1 ! n 2 2 1 1 n ) ( 2 - 6 ) c一心 i i )电压界限 j.二 一 、11.2 ,r2u ,n (e l +u ix 2z 即 : u 1 + y 1n -c nu ,n a211n .c .n 1.2 i n - c , i n - c- n win - , f2 ( 2 - 7 ) i i i )容量界限 . 3 5 必、 q一c 几-编 1一九 艺汹 兰嘛 c一喻 纵 ( 2 - 8 ) 、j 八j 一 q一c 、!2 月-刀 1一了幻 了lto、龟 1一刀 艺栩 十 、lesesjj lln u一认 矛!、 c一喘 即: 2 . 谐波使电 容器的局部放电 性能变劣 【 1 6 当电网存在谐波时，除了引起电容器的端电压的有效值升高外， 还同时引起电压峰值的增高。试验表明，尖顶波电压易在介质中诱发 局部放电，而且由于电压变化速率快，引起的局部放电强度也较大， 这将对电容器绝缘介质的老化起着加速作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4页 3 .谐波使电 容器寿命缩短 1 6 l i )电容器的绝缘介质的工作寿命与有机绝缘材料电老化的一般 规律相符，即 z =a u- a( 2 - 9 ) 式中:一 绝缘介质的工作寿命 u 一 电容器的工作电压 a 一 取决于介质材料与结构的指数，一般为7 - 9 由式 ( 2 - 9 )可知，当电压每升高 1 0 %，电容器的寿命就要缩短二 分之一左右。 牵 引 网 电 压 中 存 在 谐 波 ” ， 将 使 其 有 效 值 增 a u ,伊 ( az2 为 次谐波电压占基波电压的比例) 。同时，为了避免电容器投入后的谐 波放大，往往在电容器回路中串联电抗器( 设电抗率为 d ) ，则电容器 端电压的增大倍数为牵引网电压增加倍数的 ( 1 + d)倍，更不利于其 寿命。 i i )谐波的存在可能使电压呈尖顶状， 试验证明， 尖顶的畸变电压 波形对介质寿命的影响较为严重，在含有谐波的电压作用下，其每个 周波的局部放电量显著增加，从而使电容器的工作寿命相应缩短。绝 缘介质的工作寿命: 和局部放电 功率p的 关系如式2 - 1 0 所示。 z = t / b p( 2 - 1 0 ) 其中:t一 绝缘介质的固有寿命 b一 决定于绝缘材料的常数 p一 局部放电功率 i i i ) 谐波导致电容器的过电流与过负荷将加速其绝缘介质的热 老化。 电容器的介质材料通常是高分子有机物， 在电场和温度作用下， 会逐渐变质老化，直到完全失去其介电能力。电容器介质的工作温度 越高，其老化程度就越快，使用寿命就越短。 谐波过流保护就是根据流入电容器的高次谐波允许值，对并补装 置 谐 波过电 流 进 行 保护的， 由 图2 - 1 中i,， 提供电 流 信号。 动作方程 s l , 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5页 ，32 号 ，)z 晋 ，7) ziz+ (3 i5) + (,3 ,) , 对 z ( 2 - 1 1 ) 其中:几、i , , i z d一 i ， 一 并补装置总电 流中3 , 5 , 7 次谐波分 量 谐波过电流定值 整定范围: i 、一( 4 0 一 9 9 9 9 ) a( 按c t 一 次 侧 计 算) 时限 =6 s 一6 0 0 s 定值计算i s : i, 一 1 i,k t ( 2 - 1 2 ) 其中:k * 一 可靠系数， 一般取1 .2 i n n一 电 容器允许谐波电 流值 典型时限:1 2 0 5 另外， 在谐波电流严重的情况下 ( 此电流持续时间一般很短) ， 若 持续时间达数 m i n ，甚至更长，或在某一段时间内频繁出现，则可能 导致串 联电抗器运行过热，危及电 抗器安全运行。o g l 现有的谐波过流保护都没有考虑因谐波引起的电抗器过热故障。 为了改善这种不足，谐波过流保护可采用两个整定值:一个通过电容 器允许谐波电流的到，用于保护电容器的谐波过电流;另一个通过电 抗器允许谐波电流得到，用于保护电抗器的谐波过电流。当电流中各 、 ， 、 、 ， 、 。二 、 。 二_ ，( 5 ， 、 ，( 7 ， 、 ， 二 一 二一 、 、 ，人 二一 二 伏 谓 教 分 重 仪 衣 达 八 叮 十i 二1 , i +i -1 , i阴 坦 人 了 工 还 阴 i 丝 正 但 甲 l j一 l l 3 ) 的任何一个时， 谐波过流保护动作。 并且可以根据保护动作的条件 究 竟是大于第一个整定值还是大于第二个整定值) ，提示用户保护动作 的原因是电容器谐波过流还是电抗器谐波过流。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6页 2 . 1 . 5过电压保护 电铁用并联补偿装置不仅作无功补偿用，而且还作滤波器用。在 运行中，根据无功的需要，或对某些滤波支路的维修，都涉及到补偿 装置的投切，在投切过程中，在电容器组上将产生操作过电压，从而 危及电容器的绝缘，所以要采用过电压保护措施，以保护电容器组的 安全。 当运行电压升高时，电容器的发热和温升都增加，这是由于介质 损失引 起的 有功功率损失只= c o c u 2 t a n 9 , ( 其中t a n .5 为 介质的 损耗角 正切值)随电压的平方而变化。运行电压升高后，使电容器的温度显 著增加，热平衡遭到破坏，最后导致电容器的损坏，而且电容器的寿 命也随之缩短16 . 1 4 1 。 过电 压保护用于保护并 补装置的过电 压，由 图2 - 1 中u ，提供电 压信号。 国标g b 3 9 8 3 .2 - 8 9 对电容器过电压倍数及运行时间的规定如 表2 - 1 0 13 1 所以，当并补装置的运行电压若超过了1 . 1 0 - 1 . 1 5 倍额定电 压时，过电压保护应动作，将其从牵引网上切除。另外，过电压 保护可保留一定的的动作时限，以躲过牵引网可能发生的瞬时过电 压，避免误动。电容器在短时间承受过电压是有一定裕度的，同样见 表 2 - 1 。 电容器过电压规定表 2 - 1 工 频 过电压倍数u . 1 . 1 01 . 1 51 . 2 01 . 3 0 允许时间长期 3 0 mi n / 2 4 h5 mi n / 2 4 h1 mi n / 2 4 h 谐波加工频电压不超过电容器过电流的规定 动作方程: uru , 其中:u 一 母线电压的基波分量 u ,一 过电压定值 整定范围: ( 2 - 1 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7页 u , = 1 3 k v 一 6 3 k v( 按p t 一 次 测 计 算) 时限 =0 . 1 一2 . 5 s 定值计算151: u ,= ( 1 . 1 一 1 . 1 5 ) u , , 其中:u 、一 母线额定电 压 典型时限:1 - 2 s 电容器运行电压的升高，除了牵引供电系统本身造成外 ( 负荷变 化、操作过电压等) ，更多的情况则是并联电容装置内所产生。由于 补偿装置在运行过程中绝缘击穿，电容器熔丝烧断，而使某些电容器 从补偿装置中切除，这样，剩下的电容元件所承受的电压就要增加。 这将使它们的绝缘加速老化，并可能造成电容器的电气击穿。这种电 容器运行电压过高故障的保护由电压差动保护来实现。 2 . 1 . 6欠电压保护 欠电 压保 护由 图2 - 1 中u :提供电 压 信号， 并 无 特别的 保护意 义，它是为并补装置 “ 最后投入，最先开放”的原则而设置。设置欠 电压保护的目的是: ( 1 ) 防止在无负荷时电容器和变压器同时投入。 因为在这种情况 下，变压器与补偿电容器形成串联回路 ( 即l c回路) ，将会有很大的 合闸涌流通过变压器和并补装置，使并补装置过电压、过电流。甚至 使变压器、电抗器铁芯严重饱和。这时产生的高次谐波之一，可能引 起谐振，此时由于没有抑制谐振的有功负荷，该次谐波将被放大很多 倍，给装置和系统都带来严重后果。 ( 2 ) 在电压恢复时，电容器不在投入状态。 母线失压后， 如果在 电容器上的残留负荷未完全释放的情形下，电压突然恢复，恢复电压 和残留电压叠加也可能会造成装置过电压。 因此，欠电压保护必须在并补装置所接牵引母线失压后，将其从 牵引网上切除。欠电压保护的启动电压应小于正常运行时，牵引母线 可能出现的最低电压值，一般取0 . 5 一 0 . 6 倍的额定电压。而欠电压保 护的动作时延应大于该牵引母线上所接馈线短路保护的最长动作时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8页 延，但又应小于变压器侧自 动重合闸的动作时延 6 1 动作方程: u-u 、一 (2 -15 ) 其中:u ,一 并 补装置 两组串 联电 容 器的 差电 压基 波分量 u 、一 差 压定 值 整定范围: u re=0 . 1 0 k v一rv 时限 =o a s 一 2 . 5 s 定值计算15 1 . i )确定电容器组中故障电容器端电压超过 1 . 1倍额定电压 时，熔断器己切除的电容器台数k e 、 ， - 一 m u - 一 : 1 .l u l . 计 算 出 k 值 。 分一 n ( m一 k ) ( 1 一 d ) + k 式中m 一 并联电容器数 n一 串联电容器数 d一 补偿度，即电 抗率。 d= x l / x c u 。 一 母 线最高电 压 u 。一 电 容器额定电 压 i i )计算差电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0页 d u _ m - (n - 1)(m - k ) un (m - k )(1- d ) + k 0一 (2 -16 ) i i i )计算定值 u u. .= kt 式中 典型时限 k *一 o as 可靠系数，取 1 . 3 一1 . 5 0 0 . 2 s 电容器内部元件损坏，可单独采用电压差动保护，也可采用以熔 断器为主保护，电压差动保护为后备的保护方式 7 1 2 . 2并补用电抗器的保护 串联电抗器 ( 以下简称电抗器)是并联电容器装置的主要组成部 分之一。 并补装置加装串 联电 抗器的 好处归纳起来主要是: 1 2 1 1 .减少电网中谐波对电容器的影响; 2 .抑制电力谐波; 3 .减少了电容器组涌流倍数和涌流频率; 4 .减少了电容器侧的短路容量; 5 .消除了电容器回路中产生谐波共振的可能; 6 .有利于开关的熄弧; 7 .限制了由于一台电容器的极间故障时，其它并联的电容器 对其短路放电，造成爆炸的危害。 然而，电抗器与电容器一样是对过电压、过电流和高次谐波十分 敏感的器件1 ) ，电 抗器或因使用不当， 或因运行条件恶劣，或因产品 质量不良，发生损坏甚至烧毁事故屡见不鲜。从实际运行和理论分析 结果表明，现有电容器装置的继电保护，对于电抗器发生匝间短路甚 至线圈全部短路，其设置的各种保护均不起作用。因此，目前多数电 抗器是处在无保护状态下运行1 8 1 。这也促使我们去寻找电抗器保护的 思路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1页 2 . 2 . 1并补装置的现有保护对电抗器故障不起作用 一、过电流与电流速断保护对电抗器故障不起作用 众所周知， 对于固定并 联补 偿而言， 在同一电 源电 压u ， 和同一电 容器组容抗x c 的情况下， 其串 接电 抗器的电 抗率d越高， 流过电容 器回路的电流i 。 将越大，反之亦然。 它们之间的关系如式2 - 1 7 所示。 u- 1 ,= ( 1 一d) xc ( 2 - 1 7 ) 可见，一旦电抗器出现线圈匝间短路越甚，其电感值随之越小， 电 抗率也越小， 则回 路电 流i c 越小。 所以 设置作为电 容器过负 荷和回 路引线短路的过电流和电流速断保护，无法对电抗器起保护作用。 同样道理，对于多组电容器可调并联补偿装置，电抗器匝间短路 或完全短路，流过补偿装置的电流变小，过电流与电流速断保护无法 对电抗器起保护作用。 二、差压保护和差流保护对电抗器故障也不起作用 从设置作为检测电容器组内部故障的电压差动保护和电流差动保 护的工作原理来看，显而易见，只要电容器组不发生故障，无论电抗 器匝间短路的程度如何，其差压或差流都等于零，即差压保护和差流 保护不会动作。 三、过电压和欠电压保护难以保护电抗器故障 过电压与欠电压保护动作与否由牵引母线电压决定，与电抗器是 否发生匝间短路故障无关。所以过电压与欠电压保护难以保护电抗器 故障。 四、谐波过流保护同样无法保护电杭器故障 谐波过流保护是通过电容器组装置总电流中各次谐波分量有效值 及含有率的大小，根据流入并补装置的高次谐波允许值，进而对装置 谐波过电流进行保护的。当串联电抗器发生匝间短路或者线圈全部短 路时，整个回路中的谐波将重新分布。为了说明谐波过流保护否能对 电抗器故障作出反应，必须求出电抗器故障状态下，并补支路总电流 能否启动谐波过流保护。为此应先明确谐波电流在回路中的分布。 众所周知，在分析研究谐波电流分布时，大都利用图2 - 3的分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2页 方法，其中并补支路的实际电路接线见图 2 - 1 ，且对于系统阻抗只计 及电力系统和牵引变压器的电抗部分。 硷 x i i _ i _ ( a )系统接线示意图( b ) 等值回路图 图2 - 3 谐波分析 设该并补装置选用2 ) 单台容量1 0 0 k v a r 、 额定电 压1 1 k v的电容器， 其基波容抗为 1 2 1 0 0。装置的其它参数由表2 - 2 给出， 。并设从并补 端口 看进的 等效系统阻 抗x ， 为7 .5 4 0 ， 为计算简便起见， 不 妨设牵引 负 荷中 基波分量为 i o o a ， 各次谐波含量a 。 分别为a , = 0 .2 1 , a , = 0 . 1 0 , a ,= 0 . 0 6 ，即几 = 2 1 a , i ,=i o a , i ,= 6 a . 并补装置各支路主要参数表 2 - 2 滤波支 路的次数 电 容 器 串数x并数 x c ) d ( )x ( ) 35x51 2 1 0q0 . 1 31 5 7 3 54x41 2 1 0q0 . 0 67 2 . 6 74 x31 6 1 3 . 300 . 0 34 8 . 3 9 9 表中x (. ) , d (m ) . x (m )c l分别表示m次谐波滤波支路的 基波容抗值、 电抗率和基波电抗值。 通过下面 ( 1 ) , ( 2 ) 步可求出谐波电流在并补装置中分配， 第 ( 3 ) 步结果则可以说明谐波过流保护也不能动作于电抗器故障。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3页 ( 1 )计算n 次谐波下并补支路总的阻抗弋 ( 2 ) 由图2 - 3 ( b ) 计算n 次谐波下注入并补支路的谐波电流i c i c . = 1 n x s n x : 十 x ( 3 ) 假定系统中其他设备一切正常， 计算电抗器正常运行工况、 电 抗 器 匝 间 短 路 工 况 和 电 抗 器 完 全 短 路 工 况 下 的 ( 5 _、 ，( 7 _、 ，。 。 、纯 二、盛 *，。 二 二 _ 、 1- 1 。 二 ，二二、二 、 1_ 1 c 3+ ; j c 5 + i ; j c 7 ， mn ti ff p x u v e 1 * j 7 w j 7 r 力) rl甲 i 寺= i , / c u t 衣z -3 / - 式 的 值 ， ” 计 了一 几 + (1 ,) + i 3 i,)20 ( 4 )根据第 ( 3 )步计算得到的结果，得出结论。 将上文实际参数参与仿真计算，所得最终结果见表 2 - 3 . 电 抗器 各 工况 下的i x yc , 表 2 - 3 电抗器 工况 电 抗 率id (3), 。 ， 。 ， i s o , 正 常( 0 . 1 3 , 0 . 0 6 , 0 . 0 3 )4 3 . 3 4 4 匝 间 短 路 1 0 . 1 2 , 0 . 0 6 , 0 . 0 3 8 7 . 4 2 4 8 1 0 . 1 3 , 0 . 0 5 , 0 . 0 3 5 4 . 6 9 8 4 1 0 . 1 3 , 0 . 0 6 , 0 . 0 1 3 6 . 3 7 3 3 在其他设备一切正常的假设前提下，电抗器正常时，则所有设备 均正常，谐波过流保护当然不会动作，这就说明谐波过流的整定值必 然大于4 3 . 3 4 4 .从表 2 - 3中可以看出，当并补装置七次谐波滤波支路 中 的电 抗 器发 生匝 间 短路 或完 全短路 时，编 小 于4 3 .3 4 4 ， 即 必 然小 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4页 于谐波过流的整定值，谐波过流保护不会动作。而表中列出的其它情 形 虽 然有l x e s r 大于4 3 .3 4 4 . 但仍 然 不能 保 证 谐 波过流 一定 会动 作。由 此得出结论:谐波过流无法保护电抗器故障。 2 . 2 . 2电抗器专用保护的设想 基于并补装置现有的现有保护都不能动作于电抗器故障，为了及 早发现电抗器故障并及时切除并补装置，避免事故扩大酿成大害，考 虑设置电抗器专用保护是十分必要的。从准确可靠与经济实用的要求 出发，提出采用以下三种保护方式的设想: ( 1 )设置烟火报警器 8 1 在户内电 抗器室，或在电容器室中靠电抗器的近处装设具有高灵 敏度的烟火报警器，一旦电抗器发生匝间短路出现烟气或烟火时，报 警器动作报警或同时动作切除并补装置 对于无人值守牵引变电所尤 为重要) 。此种保护适用于户内安装的干式电抗器。 c 2 )设孟电抗器端电压保护 采用专用的电压互感器跨接于电抗器的两端，检测电抗器的端电 压变化，如端电 压降低到一定限值， 保护动作切除并补装置 8 1 当电抗器以上线路发生短路或电压互感器回路断线时，电抗器压 互二次侧电压下降为零，也会导致电抗器端电压保护动作。为了避免 这种误动作，必须对这些情况实行有效的闭锁。可以采取保守的解决 办法:只要检测到 “ 电抗器端电压”变为零，就发出报警信号 ( 发信 号的时延应大于电抗器以上，线路短路保护的最大动作时延) ，并动 作于跳闸。如果底流互中有电流，则提示电流速断 ( 或过流、差流) 保护拒动; 如果底流互中没有电流， 则进一步提示压互可能发生断线. 电抗器端电压保护的启动电压应小于正常运行时，电抗器可能出 现的最低端电压值。保护动作的时延应大于电抗器以上，线路短路保 护的最长动作时延。 动作方程: u- 变小。 这 就可以 保 证阻 抗保护的保护范围局限在电抗器上。 由于随着谐波次数的增加电抗器阻抗将变大，故采用高次谐波阻 抗保护的灵敏度要高于基波阻抗保护。当实测到高次谐波阻抗小于电 抗器完好时的对应次谐波阻抗时，保护动作。 另外，电抗器的端电压及流过其中的电流要随母线电压和牵引负 荷的波动而波动，再计及压互和流互及a / d转换等各个环节的误差， 得到的阻抗也是波动的。为保证保护动作的可靠性，在确定高次谐波 阻抗保护的谐波次数时，应满足电抗器的该次谐波阻抗稳定性最好。 选定谐波次数之后，为了保证保护可靠动作，在定值计算时，还应引 入可靠系 数k k ， 可取1 . 1 0 为确定谐波阻抗保护的次数，2 0 0 0 年 1 月2 5日在石板滩牵引变 电所对2 2 2 并补中串联电抗器 ( 电抗率为 1 3 %，主要滤3 次谐波)进 行了实测，实测数据见表2 - 4 . 石板滩并补用串联电抗器的u . .了 。 表 2 - 4 硕 霹 黔 35791 1 1 u 1 . 5 55 . 01 . 54 . 66 . 1 5 i d 2 0 . 19 . 51 . 6 53 . 83 . 7 2 u , 2 . 2 51 . 92 . 21 . 81 . 5 5 人 2 1 . 23 . 62 . 41 . 10 . 5 3 u ; 1 . 1 53 . 30 . 43 . 61 . 3 i u 1 3 . 36 . 00 . 42 . 90 . 6 4 u ; 1 . 82 . 92 . 21 . 71 . 5 i u 1 7 . 95 . 62 . 41 . 20 . 9 5 u ; 0 . 61 . 20 . 5 51 . 20 . 1 i d 6 . 52 . 60 . 6 51 . 0 50 . 2 6 u ; 0 . 7 53 . 01 . 7 51 . 12 . 2 5 i d 4 . 45 . 71 . 7 50 . 7 51 . 5 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 7页 u . i l n 分别表示母线电 压 n次 谐波电 压分 量和流经电 抗器的n 次谐波电流分量。 对表中数据进行处理，求得各个时刻各次谐波阻抗，然后对每一 次谐波阻抗都去掉最小值和最大值 ( 认为是坏值) ， 并求其平均值 ( 期 望值)及方差。方差较小则对应次数的谐波阻抗越稳定。计算结果见 表 2 - 5 . 石板滩并补用电抗器测量阻抗及方差表 2 - 5 ta 咒 357 91 1 去坏值后 各测量阻抗 7 . 0 83 5 . 0 9 6 0 . 6 18 0 . 7 01 1 0 . 8 1 5 . 7 63 5 . 1 96 1 . 1 18 2 . 7 61 4 4 . 4 4 6 . 7 03 4 . 5 26 1 . 1 19 4 . 4 41 1 1 . 1 1 6 . 1 53 5 . 0 96 6 . 6 79 7 . 7 81 0 0 . 0 0 阻抗平均值 6 . 4 23 4 . 9 76 2 . 3 78 8 . 9 21 1 6 . 5 9 方 差 d 0 . 1 70 . 0 54 . 1 23 5 . 7 51 8 5 . 7 5 从表中可以看出5 次谐波阻抗的方差值最小， 也即其稳定性最好. 所以建议对于该串联电抗器宜采用5 次谐波阻抗保护。 动作方程: x u , -3 时， 认为本支路无 电 流， 处 于退出 状态，w , = 1 e 其实，上述自 适应整定技术不仅仅可以应用于分支路可调补偿， 而且对于某支路故障， 在短期内退出运行， 只留完好支路投入的情况， 一样可以自动修正整定值，无需手动修改. 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1页 图2 - 1 2自 适应保护软件实现流程 图 2 - 1 3 琳的计算流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2页 2 . 5 . 4分支路可调补偿下的故障支路识别 2 . 5 . 4 . 1谐波过流保护的分支路实现 在第三节中讨论了多支路的谐波过流分支路实现，其前提是各支 路全部投入运行，或更确切地说投入运行的各支路参数是己知并且固 定的。在分支路可调补偿下，投入运行的支路有多种组合。若对第三 节中的分支路实现不作任何修改，那么，当只投入一条支路或两条支 路时保护仍然按三条支路进行分流，很可能造成分支路谐波过流保护 拒动。因此讨论分支路可调补偿下的谐波过流分支路实现是必要的， 总的思路是未投入运行的支路不进行分流。具体实现的流程图见图 2 - 1 40 自 适应投入? y 计算 w w 2 . w 3 k = 2 2 巩+ 2 巩+ 巩 根据k 值