高速铁路at供电系统的保护配置与整定

绪论电力牵引是近现代的一种新型铁路运输形式。世界贸易博览会于1879年在德国柏林召开，会上，第一条电气化铁路得到了首次面世。在接下来的100多年里，整个国际范围内都在大力推广发展电气化铁路。在上个世纪90年代，一些国家如日本、德国已经将客运转向了高速发展，这是世界高铁发展的里程碑。而在我国，自上个世纪60年代，电力牵引在我国首次应用，截止2017年年底我国铁路总里程为127000公里，通电里程超过85,300公里。中国铁路运营里程达到12.7万公里，其中包括2.5万公里的高铁，占世界高铁总量的66.3％。铁路电气化率和双轨率分别位居世界第一和第二位。50多年来，中国电气化铁路从零开始，从低重到重载，从恒速到高速，成功走上了探索和创新的道路[1]。从"四纵四横"到"八纵八横"，从增加客流支持，适当标准和发展需求的高速铁路，它还充分利用将现有铁路连接到开发区的高速铁路网络和城际铁路。我国的《中长期铁路网规划》践行着2019，畅想着2030。1.1研究的背景及其意义飞速发展的铁路，离不开一种高效的供电方式，一个安全可靠的供电系统。供电，是列车运行的能源所在，是其命脉。高速铁路对牵引供电方式的结构、性能提出了高标准、高要求：供电容量大，供电距离长。电分段和电分相不宜过多。尽量减小对通信的影响，线路建设、运营、维护的成本不宜过高。供电方式的选择更应该由综合经济因素来决定，例如铁路，铁路电力系统，以及用于铁路内部和外部的通信线路的通信要求来确定。在正常情况下，直接供电应予采纳。繁忙的主要线路，重载地区或铁路用电力系统功率点（发电厂，变电站的区域）可以通过自耦变压器供电。随着在1984年通过了对AT供电方式的首次在中国的京秦电气化铁路投入运营以来，中国的高铁技术的飞速发展，AT供电方式的优势日益凸显。大容量电源、远距离供电、电分段和电分相的简化。以上这些独特优越的AT电源特质，多方位地削弱了对通信感应的响应，使之广受青睐。选择了AT供电方式，就要先了解何为AT供电方式。要懂得AT牵引网的阻抗如何计算，AT供电牵引变压器如何接线。如此才能懂得高速铁路AT供电系统的保护配置与整定。坚持安全、稳定性，提出方案和优化性能。使供电作为高速铁路的能源供应系统，更加可靠，能源节约，效益最大化[2]。1.2国内外研究现状在为供电模式做出选择时，电流的牵引供电系统主要采用四种模式：直接供电方式，吸入电流供应模式（BT），一同轴电缆供电模式，和自耦变压器供电模式（AT）。（1）1964年日本的第一条新干线采用的是BT供电方式，但是由于当时车辆负荷电流很大，牵引网络具有大阻抗，这极大地增加了牵引网络的电压损失。因此，1972年，日本山阳新干线开始，日本新干线开始采用AT供电模式，所有新干线都改为AT供电。方式。日本采用二重保护的馈线保护，该种保护方式一般由阻抗保护原件的电流增量型故障选择元件构成。其牵引变压器保护采用斯科特接线和变形伍德的接线的平衡变压器。对于电源模式，德国采用的是15kV、16Hz单通道AC电源系统。不同于其他国家，德国不仅拥有铁路专用电厂，电力来源也是公用电网。德国使用由Siemens公司生产的7SA518/519微机馈线保护[3]。使用纯粹的单相牵引变压器。（2）法国的TVG巴黎——东南线首次使用2×27.5kV的AT法国模式供电方式。之后在大西洋线和其他高速铁路也采用此供电方式。其接触网和负馈线传输55kV，变压器中间抽头接钢轨可获得接触网上的27.5kV电压。法国采用稍加改进的静止的距离的测量继电的馈线断路器对的保护装置。法国也采用纯单相的牵引变压器。（3）我国在既有线路上已有应用AT供电方式，在高速铁路的建设中，我国大部分高速铁路供电方式都采用法国模式。但是，在设备和技术上都处于对国外技术和设备的吸收、借鉴阶段。从实际操作的角度来看，中国提出了适合中国国情的馈线保护措施。在中国，计算机馈线保护一般分为初级保护和备份保护。牵引变压器的保护一般使用差动保护，低压过电流保护，过载信号，外壳和气体保护。1.3本文完成的主要工作区别于传统高速铁路，电力在被获取后会实现电压的转换，变成适合机车的电压。然后由这部分变电提供回路的牵引用电，为电力机车提供动力。电气化铁路的核心基础是利用电力牵引技术，通过对现代通信技术、电子技术、计算机技术、冶金技术和自动化技术的联合运用，实现高速，高效，安全的电气化铁路[4]。作为新世纪铁路发展的主流，电气化铁路具有航空、陆地等多项交通运输都无法比拟的优势，而高速铁路又是电气化铁路的先驱者，如何做好“高速铁路AT供电系统的保护配置与整定”就需要我们从基础做起，做到以下方面：充分了解高速铁路现有的各种供电方式，能通过分析指出AT供电方式的特点与优势。熟悉网络阻抗的原理、探析其发生的原因。把握供电方式与接线方法。研究和对单项接线牵引变压器、Vv接线牵引变压器、YNd11接线牵引变压器、斯科特变压器的分析。研究继电保护配置与整定，牵引主变保护及其整定、馈线保护及其整定、以及高速铁路AT供电系统的保护整定实例。2AT供电方式2.1牵引供电系统和其它供电方式2.1.1牵引供电系统概述电力牵引供电系统指的是先从主电源系统或电力系统接收所需的电能，然后对之加以转化，相变或换向（电源频率交流电转换成之后提供所需的电流系统电源到电力机车负载低频交流电流或直流电压），并完成牵引电力传输，配电等功能的完整体系。牵引供电系统的性能直接影响列车的牵引功率和牵引驱动控制系统的性能[1]。在电力牵引的区段内，牵引供电是否可靠，关乎铁路运输是否可靠，牵引供电系统若因故障停止运转，那么系统所覆盖的铁路其运作也就会完全陷入瘫痪之中，给铁路交通带来麻烦和混乱，同时也会给国有经济带来巨大的损失。为了消除这个隐患，《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）规定电力牵引必须作为核心负载，牵引变电所应设置至少两个电源以满足用电需求。当其中一个电源发生故障时，另外的通道仍然可以正常供电。两个电源通常来自电力系统中的不同变电站（或发电厂）。这也符合铁路系统故障导向安全的总体要求。如果当地经济困难或者受自然条件因素的制约比较大，可同时采用来自同一所变电站的不同回路。此外，确定牵引供电模式之前，必须着重检验电源是否可靠、电源容量是否足够，牵引变电所输入线的电源电压电平是否控制为110kV或220kV[4]，满足基本要求后再来衡量是否能带来最大的经济效益，2.1.2其它供电方式简述目前，可以普遍运用在AC牵引供电系统中的电源模式主要有四种类型：直接供电模式，BT（吸变压器）供电模式，AT（自耦变压器）的电源模式和CC（同轴电缆）电源模式。综合考虑高速电气化铁路运营的需要后，确定AT电源模式为主要的应用，而用于各条线的类型则选择了对选择供电模式：AT和直接电源的组合[5]。以下是对两个电源模式的方法的分别解释：（一）直接供电方式直接供电是最简单的供电方式，在轨道上自主运行的机车由其中一条接触网和一条钢轨直接构成一个闭合的环，不增设任何能减少通信干扰的应对措施。其优点是：供电方式简易，投资是最经济，牵引阻力小，和更少的能量损失。因为轨道和接地面不绝缘，再循环的一部分电流通过所述轨道最后到达地面，从而影响了通信线路。为了加大直接供电方式对防干扰的性能，使用直接供电，再加上再循环的线被用作DN电源。所谓DN供电方法包括一个接触网络，轨道，和被沿着线路竖立的负供给线NF。因为NF和铁路的并联连接的，在进行常规操作的轨道有一部分负载电流被分流到NF，从而减少了流向大地的电流，有效避免了通信干扰，大幅度降低了钢轨电位以及再循环供给线的阻抗。此外，绝缘子一旦发生闪路情况，NF线可以立即回归短路电流，也就是所谓的保护线的特性。直接供电方式如图2-1所示：2-1直接供电方式BT供电方式牵引网络中的吸入变压器-返回线路装置的供电模式被应用在BT供电模式中。BT全称BoosterTransformer。吸气变压器的比例为1：1，并且在接触网中有一个串联的初级绕组。次级绕组在返回线路中串联连接（特别是牵引电流回流到牵引变电所）。BT供电方式如图2-2所示：2-2BT供电方式示意图CC供电方式CC供电方式，CoaxialCable是它的全称。它被定义为沿电气化铁路安装的同轴电源线。所述电缆的内导体和接触的悬架被连接到彼此，并且在正供给线上，与外导体，和轨道相连接，作为一个非正向的回应线[5]。每间隔一段距离通常会设置成一个供电分区。该供电方式具有结构简单、使用方便的优点，所以通常在距离长，面积大的隧道中使用广泛。缺点是电缆造价昂贵，所以，投入比较大。各种供电方式首先，供电系统的快速、电流的大容量、质量的优质，是实现高速电力牵引的硬性要求。其次，减少电分相和电分段的数量也是一个重要的发展目标。BT供电方式在防干扰性能方面虽然有着优越的表现，但其在供电时也存在着很大的隐患和弊端。比如在接触网导线中串入吸流变压器的时候，会伴随出现火花间隙，从而将供电臂的接触导线截断成很多段，威胁高速列车的运行安全、降低高速列车的运行速度。并且，大阻抗的牵引网，小间距的变电所，数量众多的电分相也不适合高速电力牵引。直接供电方式虽然也存在牵引网阻抗大、变电所间距小、电分相数量多的问题，但直接供电方式牵引网结构简单，一些对于电磁干扰要求不高的地区可以采用这种方式[6]。2.2AT供电方式AT供电方式是指Auto-Transformer，即自耦变压器供电方式。它是一个连接到基本网络，轨道和正馈线的电力变压器。该供电方法包括接触网络，轨道，正馈线和自耦变压器，并且在正馈线和接触网络之间的10至15km的距离内集成到自耦变压器中。为了减少通信线路中存在的电磁干扰，可以使导轨与中心冲头相连接，另一方面使正馈线和接触悬架竖立在接触网柱的场侧。55kVAT电源模式首次应用于20世纪70年代的日本新干线。1980年在中国建成的京秦线模仿了这种模式。法国和苏联在很久以前就开始采用的2×27.5kVAT供电模式，随着最近几年高速铁路的发展，才慢慢在我国推广开来，并逐渐得到了广泛应用。相较之下，2×27.5kVAT模式的供电能力不如55kVAT模式的供电能力强。两种模式虽然在性能上存在一定差异，但两者在采用过程中所带来的改良性是差不多的，都表现为电源电压的加倍以及牵引网络阻抗的降低，在一定程度上增加了电源的距离，并且对通信有着类似的效果[7]。2×27.5kVAT供电模式如图2-3所示，55KVAT供电模式如图2-4所示：2-32x27.5KVAT供电模式2-455KVAT供电模式在AT供电方法的实际生活应用之中，经常增加接地保护线PW（保护线）。在自耦变压器中，保护线连接到接触悬挂金属支撑件或双绝缘体的中心部分并连接到轨道，并且自动阻挡部分连接到轨道电路上的信号扼流线圈的中间。保护线的电位通常低于500V，并且牵引电流通常不流动。当绝缘体闪烁时，电流会出现短路现象，使得保护线充当回路，并且电流也不会经过没有信号的轨道电路，极大保障了信号电路实际操作的可靠性。除此之外，悬挂在接触网支柱顶部的保护线，发挥的作用相当于一条架空地线，屏蔽功能的增设不仅减少了对架空的通信线路的干扰，并且还具有防雷线的作用。采纳出电气接地，在轨道对地漏电阻和机车获取较大电流量的情况下，为了减小轨与轨之间的电位，还可以在AT的中间增加水平连接线CPW（ConnectorofProtectiveWire）部分，并连接Rails和保护线。在AT供电方式与变电站之间有着大间距。一方面，这可以减少电相分离的数目、降低牵引网络的阻抗、避免牵引网络的电压损失。另一方面，还提高了电源的品质，确保处于高速运行下的列车各方面的功能都能得到安全保障。针对每一种不同要求的电气化铁路系统，都有着与之高度匹配的电力系统的电源选择，这样高度的选择弹性，极大地减少了人为干扰，降低了工程造价。除此之外，AT供电在通信线路上的影响较小，这种程度相当于AT模式对到BT供电模式的作用。因此，AT电源模式是相较于高速电气化铁路牵引供电的最棒的选择。2.3AT供电方式特点与优势（1）牵引供电具有供电容量大、供电距离长、兼容功能强大的特点，在保留原有电力机车的前提下，加大了供电电压，从而不仅使得输送功率得到了提高，还使得供电距离得到了延长。此外，AT是在牵引网内，从而降低了牵引网的阻抗，并且是有利于减少压力损失和能量损失有益平行。该电源具有的直接供电方式的170％至200％的电源的距离，并且特别适用于高速和重载用途[8]。（2）降低了电分相以及电分段的数量。AT供电模式下的供电距离比较长，使得对电分相和电分段的数量要求大大降低，更加有利于机车速度的提升。（3）有效的降低了对于通信的感应影响。假设机车电流是I，则AT原边的电流为I/2,即牵引变压器次边为机车电流的二分之一。在纯粹理想条件下，流过T和AF的电流大小相等且方向相反，可有效地保护通信线路以免造成的影响。与BT的方法相比，在相同的机车电流情况下，变电站和AT最接近机车之间的电流，在接触网和正馈线电流的情况下是机车电流的二分之一。与通信线路上的干扰将大大减少。此外，机车当前的两个的AT之间的区段内，机车电流总是从两侧的左，右接触网在相反的方向供给，消除彼此的通信线路的干扰，并使得保护效果更好[10]。（4）设计、施工、运营三方面的过程没有得到简化。理论上，AT供电回路中的电流分布非常复杂，所以给实际操作也带来了难度。当电力机车绘制在任何AT部分的电流时候，除了两个相邻的自耦变压器的电源电流，对电源臂其它自耦变压器也提供到机车局部电流。机车电流由通过在电源臂和所述线圈和轨道对地链电路所有自耦变压器的正供给线形成的盘绕电路的装置返回到变电站。这样的电流分布计算是困难的，并且通常由计算机计算。复杂的供电方式结构加剧了分析计算的难度，也加大了前期设计、中期施工和后期运营维护的成本。而与此同时，有关部门也在出台更为严格的工作标准，为运行效果提出了更高要求。相对于的电源模式的选择应通过比较技术和经济因素，例如铁路，电力系统，以及用于内部和外部的铁路通信线路的通信要求来确定。在正常情况下，应采用直接供电。在繁忙的中继线，重载区段部分或其中该铁路用电力系统的电力供给不足的部分，自耦变压器供电模式可以被采用，并且相同的电气化铁路的不同部分可以采用根据不同的电源模式具体条件来做出更加合适的选择。2.4本章小结本章主要简要叙述了各种牵引供电方式的含义，原理。并着重对AT牵引供电方式进行了解析。以分析自耦变压器的供电方式为切入点，对比分析了它的优点。3牵引网阻抗计算3.1牵引网的阻抗AT自耦变压器的供电方式的牵引网的阻抗，这并不是一个相当均匀分布的参数，的电压，以悬链线的整体的计算包括AT网络阻抗的两个部分：长电路的阻抗和所述段中的列车的阻抗，也就是所谓的单元阻抗和的线性部分，当列车在AT段的中间时，发生的牵引网络阻抗的中间。上升量的一部分之中拥有各种类型的具有不同结构的牵引网，它的阻抗值将随之改变。关于牵引网的电阻，以下着重讨论了接触网、钢轨以及大地的电阻。有色金属的电阻非铁金属线的单位长度的直流电阻，可以计算如公式3-1所示：(3-1)式中，P导线的电阻率，；S导线载流部分的标称载面积，mm2。在一个单一的工频交流电源系统，牵引网络是工频交流电流，交流电阻比直流电阻稍大，就是由于趋肤效应。因此，使用公式时，在代替金属丝材料的标准电阻之中，使用了略有增加计算值[9]。（2）铁磁材料的电阻既有钢绞线也有导轨铁磁材料。当铁磁材料的导体中流过是的交流电流时，除了集肤效应，仍然有一个滞后损耗，这也增加了导体的电阻。然而，由于铁磁材料的磁导率和有它相关的流过它的电流的幅度有联系，它是复杂的不容易精确地确定其电阻。因此，在工程计算，电阻值也直接从相关的手册中找到。（3）大地的电阻在我国的牵引供电系统是单相的供电，导电回路通过导轨和地线流回牵引变电所。然而，在地球上的当前分布是复杂的。土壤的电阻率，当前频率和其他因素都与它有关。其阻抗很难准确计算。多年来，许多人在理论分析和实验确定方面做了大量工作。实践证明，采用Carlsson公式可以很容易地解决地球的阻抗问题，满足精度要求。对于单导线以地作为回路的交流通路，可以用一个虚构的“导线—地”回路来代替，所谓“导线—地”回路是指理想化的简单情形，导线1距地面高度H，导线平直，长度无线；大地地面平坦，且尺寸无限，其大地电导率分布均匀。此时电流从一端流入导线，沿着导线另一端由大地流回，导线与位于地下的虚构导线的轴线间的距离。“导线—地”回路的等效深度，它的值与地电导率和电流的频率因素有关。根据卡尔松的推导，可以用公式3-2来计算：（3-2）其中ƒ电流的频率，Hz；б大地的电导率，。在交流电气化区段中，牵引网单位阻抗的实用计算方法，是把牵引网看成由几个“接触导线—地”回路和“钢轨—地”回路所构成的电路，然后计算牵引网的阻抗。实际情况是牵引电流通过馈线和牵引变电所的接触网络馈送到电力机车，然后电流沿着轨道，地线（和返回线路）流回牵引变电所，从而形成两个回路，即"接触导线—钢轨回路"和"接触导线—地"电路并联连接。但是，在现实生活中，上述两个循环的等价物相当于"接触导线—地"循环和"钢轨—地"循环[10]。3.2单线区段牵引网阻抗在单线电气化区段，接触网的悬挂主要有简单悬挂、链形悬挂、有加强线的单链形悬挂。虽然形式不同，但是分析和计算时都可以将之归结为“接触导线—地”环路和“钢轨—地”环路模型，并计算其自阻抗和互阻抗。简单悬挂牵引网阻抗单线牵引网采用的简单悬挂。接触网只有一条接触导线，它同大地构成一条“接触导线—地”回路，钢轨有两条，构成两条“钢轨—地”回路，因此，计算时，首先要求得“接触导线—地”回路的自阻抗，然后把两条“钢轨—地”回路归算成一条等值“钢轨—地”回路，并求得其自阻抗，最后再求得“接触导线—地”回路和等值“钢轨—地”回路的互阻抗。3-1简单悬挂示意图链形悬挂牵引网阻抗单线牵引网采用的单链形悬挂，其结构包含接触线、承力索。比简单悬挂多了一条承力索。因此“接触网—地”回路由“接触导线—地”回路和“承力索—地”回路并联而成。首先要求得“接触网—地”回路的自阻抗和等值“钢轨—地回路”的自阻抗，然后求得它们的互阻抗，最后再求单位阻抗。3.有加强线的单链形悬挂牵引网阻抗单线牵引网使用带有加强线的单链悬挂图，加强线安装在轴承电缆位置。加固线和地线形成"加强线—地"电路。因此，“接触网—地”回路由“接触导线—地”回路、“承力索—地”回路和“加强线—地”回路并联而成，需要将它们归算为“接触网—地”回路，求得“接触网—地”回路的自阻抗和等值“钢轨—地”回路的自阻抗，然后求得它们的互阻抗，最后再求单位阻抗。“接触网—地”回路的自阻抗“接触导线—地”环路、“承力索—地”环路与“加强线—地”环路各自具有不相同自阻抗，并且三个环路具有互阻抗。“加强线—地”回路的自阻抗如公式3-3所示：（3-3）式中，加强的有效电阻，Ω/km；加强线的等效半径，mm。获得“接触导线—地”环路和“承力索—地”环路的自阻抗公式。接触网的三个“导师—地”回路的互阻抗如3-4所示：（3-4）其中djeq为接触网三条导线间的几何平均距离，即公式3-5：（3-5）式中，djq接触线与加强线的中心距离；djc接触线与承力索的中心距离；dcq承力索与加强线的中心距离。3.3本章小结本章主要通过对牵引网牵引阻抗的简单公式的初步了解，对阻抗含义进行简单的剖析，对AT供电牵引供电系统的保护配置及其整定打下良好的了解及其运算基础。4AT供电牵引变压器接线方式研究4.1单相接线牵引变压器4.1.1单相接线牵引变压器的原理单相接线的牵引变压器的原始的一边只能允许介入到三项电力系统的两相，接下来，第一级的一侧的一端连接到牵引侧的一侧。另一侧连接到导轨和接地网。牵引变电所的两个电源臂由相同的相，供电，牵引负载是相对于电力系统的纯单向负载。它的工作方式与典型的单相电力变压器相同。然而，在普通单相电力变压器的初级侧的两端，一端连接到高压。另一端接地或连接到中性点，因此只需要分级绝缘。高压连接到单相牵引变压器的高压绕组。因此它在两端具有相同的绝缘要求。使用了全绝缘的结构。所谓牵引的变压器容量的利用率和不对称系数是牵引变压器的十分重要的指标。牵引变压器的最大输出容量和它的额定容量的比值是牵引变压器的容量利用率。单相的变压器可以向负荷提供最大为的电流，那么它的输出容量和额定容量相等。所以单相接线牵引变压器的利用效率可以达到100％；4.1.2单相接线的供电方式在单相牵引变电所中，两个变压器并联连接，相同的两相通过两个变压器的高压绕组连接。牵引侧的母线通过低压绕组的一端连接。上行链路和下行链路联系网络是连接的。因此，直接连接在牵引变电所中的两个电源臂同相，由绝缘体隔开。这不仅提高了电源的灵活性，还降低了故障期间的断电程度。另一边的连接钢轨与接地网被低压绕组连接。单相接线变压器原理如图4-1所示：4-1单相接线变压器原理图在AT电源模式，则使用二次绕组的单相牵引变压器的中心抽头。变压器的初级侧连接到电力系统的两个阶段。两套55KV牵引母线分别连接到次级侧。牵引总线由馈线到电源臂供电。次级侧的绕组的中心抽头连接到使用N母线轨道。并配有放接地。所以，可以洗节省变电所中的AT，而且能增大供电利用率。4.1.3单相接线牵引变压器不对称度计算三相电流很容易被分解为正序分量、负序分量、零序分量。则如公式4-1所示：：（4-1）对于单相负荷来说,则如公式4-2所示：（4-2）对于不对称度单相负荷造成的使用电流的不对称度来显示。如果牵引变压器的初级侧是三相对称。两个供电臂的次级侧的电源因素相同，则公式4-3为：（4-3）则单相接线变压器的电流不对称度为公式4-4：（4-4）可以看出的是，单相接线变压器的单相负载是在引起电力系统正和反向电流相等。电流的部队称度是百分之一百。4.2Vv接线牵引变压器4.2.1单相Vv接线牵引变压器原理两个单相变压器的高电压侧连接分别使用不同相的电源。连接相A和相C，并将另一端连接到另一阶段。连接C相。如此变压器的高压一侧如同一个V字。两个变压器的低电压侧连接到相应的各自对应的电源臂，并且在连接到所述导轨的返回的返回线上，在此刻，低压侧也像一个V形。因此这种接线变压器被叫做单相Vv接线变压器。单相Vv接线变压器如图4-2所示：4-2单相Vv接线变压器4.2.2单相Vv接线的供电方式单相VX布线被应用于在AT牵引模式电源供电方式之中。有两个单相变压器具有二次侧中点抽头的，在单相VX布线变电站中分布。变压器的初级侧，端线分别连接到三相电力系统的三个相之中，和两组55千伏牵引母线分别由次级侧的，端线路连接，然后连接各自的馈电线供给臂通过再循环反应线。两个变压器的次级侧中点抽头是经由母线和轨道连接的，并经放电器接地。单相VX接线供电如图4-3所示：4-3单相VX接线供电4.2.3单相Vv牵引变压器的不对称计算变压器一、二次电流关系为公式4-5所示： （4-5）将、、代入上式，求得下式4-6：（4-6）电流不对称度为式4-7：（4-7）令n=Iβ/Iα,代入4-7式得出式4-8：（4-8）4.2.4单相Vv接线的优缺点变电所从两相取电是单相Vv接线的作用，不对称程度由此明显下降。但是为了达到三相对称的目的，变电所相互之间仍然需要采用换相连接。单相Vv接线变压器能够根据两个供电臂的负荷轻重，分别选择所述两个单相变压器的容量。产能利用率可达到100％。由于在变电站中的单相VV布线的布线模式中，设备是不麻烦的，简单，且输入是小的[3]。然而，正常工作时，两个单相变压器需要被放入其中，当使用固定设备的时候，仍然需要设置两个附加的变压器进行备份，这就需要大量的空间。4.3YNd11接线牵引变压器三相牵引变电所是指使用了三相YNd11接线的牵引变电器的变电所。我们国家的电气化铁道使用最多的一种变电所是三相牵引变电所。油被风侵入可以冷却的变压器被使用。该连接单位不被允许使用YNd11布线方法。大电流的接地方式被是在刚开始的一侧上的中性点使用。它属于三相-两相体系，这意味着，在初级侧使用的110kV或220千伏的三相，电压。在次级侧，电力供应到两个单相电源臂。其母线的额定电压是27.5kV，这是比牵引网络的标准的网络电压还要高出10％。移动备用与固定备用是备用方式,在生活中大多采用固定备用方式。三相YNd11牵引变压器的展开图如图4-4所示：4-4三相YNd11牵引变压器的展开图4.3.1三相牵引变压器原理该YNd11布线方法由三相牵引变压器使用。变压器的初级侧连接成为一个星型，和隔离开关非间接接地是中性点。通常，隔离开关被断开，并且当所述变压器被断电，才能有很短的时间被关闭。连接到次级侧上的三角形，在低电压侧的一个角部连接到所述铁道和接地网，另两个角部被连接至27.5千伏的两相母线。供电臂作为电源则负责为两侧供电，两臂之间存在角度为60°的电压相位差[3]。因此，变压器导线连接的两个相邻接触网段必须经过分相器的处理才能正常使用。负载绕组由ax和cz的次级绕组构成;自由相绕组是by绕组，大写字母是初级侧的符号，小写字母是次级绕组的符号。这样分开设置，目的是使操作起来更能加直观。以原边、副边对应的绕组相互平行为目的，统一规定副边绕组的c端子连接钢轨与接地网。除此之外，原边、副边每相绕组的同名端都画在同一侧。4.3.2三相牵引变压器绕组的电流分布以求解三相牵引变压器绕组的电流为目的，第一步是要在展开图上表明电压电流的方向。在标注方向的时候，要按照电压电流的规格化方向，是变压器原边绕组的电压、电流使用的电动机惯例定向。即牵引变压器吸收电来自电力系统；非主边绕组电压、电流使用发电机惯例定向。牵引变压器成为次边负荷的电源；从电源吸收正功率的是假定负荷。大写的下标是一次侧的电气量，如果假设两供电臂负载相同并且是感性负载，则供电臂电流分别滞后对应电压θ角，两供电臂电流之间的夹角是120°[10]。假设电力系统的三相电压正序对称，阻抗平衡，将电力系统的电源电压与短路阻抗、牵引变压器的绕组漏抗归算到二次侧，得到的是牵引变压器的等效电路。根据叠加原理求解，能够得到次级侧的三相绕组电流、、与电源臂电流之间的、的关系如式4-9所示：（4-9）以为基准量，则,由于比滞后120°，所以。则上式可以变为式4-10：（4-10）由式4-10可以看到，臂绕组电流，其中I为供电臂电流，或者供电臂电流是臂绕组电流的1.13倍。臂绕组电流。可见臂绕组ca和bc的电流比绕组ab要大的多。因此，习惯上称臂绕组ca、bc称重负荷臂绕组，绕组ab称为轻负荷臂绕组。4.4斯科特接线牵引压器一般来说，电气化铁路牵引负荷在实现正常运行后，是不会产生零序分量的。但是，由于它具有单相供电的特点，所以在牵引供电过程中会产生一定的负序分量。与此同时，铁路牵引负荷虽然处于平衡的状态，但总体看上去并不对称。在具体操作中，如果不能合理地消除电力系统中的这些不对称性，不但变压器会受到影响，电动机乃至整流设备也将在工作中出现极大的误差。此外，改变牵引变电所换接顺序，制造特殊的三相-两相平衡变压器也不失为行之有效的方法。而相对于三相的系统，如果三相电气相量的大小是相等的，相位差互相差120°，那么这就是对称的三相系统。相对于两相的系统，假设两相电气相量的大小是一样的，彼此的相位差互相差90°，那么这个系统是对称的两相体系。假设设计制造这种变压器，它的原边是对称的原边，同样，副边也是对称的两相的系统。如此，这整个系统就是对称的系统。根据这个原理设计制造了斯科特变压器。4.4.1斯科特接线变压器原理斯科特变压器，能够当做两个单相变压器按照一定接线方式连接而成。一台单相变压器的原边绕组两端引出，分别接到三相电力系统的两相，被称作M座的变压器，其绕组一次侧绕组匝数是，二次侧绕组的匝数是。第二台单相变压器是T座变压器，它的一次侧绕组由一端引出，接到三相电力系统的一相，而另外一边连接M座的变压器一次侧绕组的中点O。它的一次侧绕组匝数是，它的二次侧绕组和M座变压器的二次侧绕组匝数是。这种接线型式把相位互差120°的三相对称电压变换成输出两个数值相等的而且相位差是90°的两相对称电压和，分别向变电所的左右两个臂供电，当它的两臂负荷电流相等时，原边三相电流相等。在实际生活中，通常把两台单相变压器绕组装配在一个铁芯上，而且安装在一个油箱内[10]。与其它接线形式变压器一样，每个变压所都设有运行变压器和备用变压器。为了用于适配到AT模式电源供电为目的，变电站的输出电压为55KV，两个自耦变压器的两个端点分别连接到两个输出电压，以及接地的中间抽头连接到所述导轨可以获得2×27.5千伏的电压，并且在接触网和正馈线上建立连接。4.4.2斯科特变压器的电压电流关系①电压关系如果电力系统三相电压对称，意味着线电压、、大小是一样的，相位差互相之间是120°，即是等边三角形。的BC边是电压，同样是M座变压器的一次侧绕组电压，则。其高AO是T座变压器一次侧绕组电压，则,其数值是线电压的的倍，则。则，两变压器原边电压相互垂直，而且超前90°。M座变压器的变比,T座变压器的变比为式4-11：,，（4-11）因此，，所以二次侧电压超前90°而且二者大小相等。斯科特变压器电压关系如图4-5所示：4-5斯科特变压器电压关系②电流关系由上述可得，，其两臂功率因数相等时，那么两臂电流为。假设以，，当两个负荷臂电流相等的时候，则。根据KCL电流方恒和变压器的磁势平衡原理，可以得出下面的公式4-12：（4-12）根据上式，能够得到原边三相电流，即式4-13：（4-13）当负载电流大小相等的时候，初级侧三相电流不仅是数值相，且相序相差120°。4-6斯科特变压器电流关系与供电接线4.4.3斯科特变压器的优缺点在斯科特变压器之中是无中性点的，所以它更适合牵引变压器在满足在中性点不接地的要求，交通繁忙，两个供电臂的负载电流几乎相等的牵引变电所。它的优点在于所述M和T座的两种供电臂的负载电流是一样的时候。功率因数也是一样的。初级侧三相电流是对称的斯科特布线变压器。其容量利用率是高的，并且能够用逆斯科特接线变压器将对称两相电压变成对称三相的电压。这就解决了所用的电和地区供电问题,对接触网的供电可以实现两边供电。它的缺点:工业制造比较困难,成本高。而牵引变电所的主要布线复杂，设备需求多，工程造价大，维护工程量大。此外，它的初级侧T接地，并且该点随负载和漂移而变化。在严重的情况下，零序电流流过电网，这可能导致电力系统零序电流继电保护失灵。相对相邻的并联通信线路可能引起干扰，并且可能导致牵引变压器绕组的电压不平衡，并增加绕组的绝缘，负担。所以,斯科特需要使用全绝缘。斯科特变压器是一种三相-两相的平衡变压器，由它的电力系统能够造成的负序电流较小，并且容量利用率较高，所以北京-秦皇岛、郑州-武昌等繁忙的干线上被使用。4.5本章小结本章主要对牵引变压器的各种接线方式进行分析、连线图示等进行了解。着重对斯科特变压器的接线方式的电压电流关系进行图示分析。并对其的优缺点进行剖析。5继电器保护配置与整定5.1继电保护概述能够反映故障或在电力系统中的电组件的非正常操作时，并且在断路器跳闸时进行工作，或者发出信号的装置被称为中继保护装置[10]。继电保护装置的作用是故障时跳闸，且非正常运行时发出信号，其内容如下：①能够保护电力系统和设备的安全在故障时，当被保护的电力系统原件发生故障的时候，能够由这个原件的继电保护装置快速且正确的为脱离故障原件最近的断路器发出跳闸的命令，所以故障原件能够基石从电力系统之中断开，用最大的限度降低对电力系统原件本身的破坏，减少了对电力系统安全供电的作用。②能够反映电气设备非正常工作时的状态,此外，也可以根据异常操作的状态和在其中设备被操作和维护的情况的信号。允许反映的异常运行状况继电保护装置进行一定的延时动作。5.1.1对继电保护的基本要求可靠性、选择性、快速性和灵敏性是继电保护装置的必须满足的基本要求，如此4项是继电保护的“四性”。可靠性任何电气设备都是不得擅自在没有继电保护状态下运行的，对于继电保护装置性能而言，最根本的要求是可靠性。可靠性，即在此保护装置规定的保护范围之内发生了应该动作却发生故障的时候，它不能拒绝动作。然而，在任何其他的保护装置不应该动作的情况下，则不该错误动作。简而言之，该动作就动作，不该动作就不动作。选择性继电保护的选择性要求在故障时停电的范围应该是最小的，一般情况下，相应的断路器应通过最靠近故障点的保护装置被切断，从而使停电范围减小尽可能。为了确保系统上的无故障的那一部分仍然能够安全的运行，在故障设备或者线路本身的保护装置、断路器拒绝动作的时候，才能被许可由临近的设备保护。线路保护装置或者断路器失灵保护装置来切除故障。快速性快速性要求能够快速消除故障，为提高系统的稳定性，降低故障设备与线路的损坏程度，降低故障的涉及范围，为了增加自动重合闸、备用设备的自动投入的效果。灵敏性对于保护范围内发生故障或者不正常运行状态的反映能力是灵敏性的含义，对于保护装置而言拥有一定的灵敏系数是必要的。它需要按照最不利保护的动作运行条件来校验[10]。5.2牵引主变保护及其整定在牵引变电所之中有一个重要的设备是牵引主变压器，无论牵引主变压器安全与否起着保证牵引供电系统的安全性和可靠性运行的重要作用。所以，有必要根据变压器的容量和重要性能良好，运行可靠，来安装保护装置。油箱的内部和外部故障是变压器故障两种表现形式。内部故障是匝之间的绕组，短路的相-相短路，和所述铁芯的燃烧破损。外部故障的绝缘套管和引出的线上的相间故障。此外，该变压器还可能泄漏油，以使油面高度下降，因为过电流引起的外部短路或长时间超负荷使变压器绕组过热，绕组绝缘加速老化，从而导致内部故障和缩短使用寿命由此造成的非正常工作。5.2.1差动速断电流保护此保护依据公式5-1：(5-1)在上式之中，为差动电流，指差动速断电流保护的整定值。因为当差动电流大于最大可能激磁涌流时，立刻出现出口跳闸的情况。然而变压器空载合闸的时候，激磁涌流最大能够达到变压器的额定电流的20倍。即一定要躲过变压器的最大的不平衡的电流和变压器的合闸激磁涌流。如此，差动速断电流保护的整定公式为式5-2：（5-2）在上式之中，k值一般取7~20。5.2.2反时限过负荷保护反时限过负荷保护是为了防止牵引变压器的过负荷运行。一般情况下由反时限、非常反时限、极度反时限3种特性。一般反时限的特性表现为式5-3：（5-3）在式5-3中，I代表测量电流值，代表启动的电流整定值，代表了时间常数的整定值。非常反时限特性表现为式5-4：（5-4）极度反时限特性表现为式5-5：（5-5）5.2.3非电量保护因为非电量保护反映是变压器内部的故障造成的，它的各种形式的保护整定值会随着变压器材料、容量等参数的改变而变化。在实际生活之中，生产商会依据各种不一样的变压器的实际制作状况，给出一个较准确的参考整定值。5.3馈线保护及其整定常用的牵引馈线保护由主保护和后备保护两种。在主保护之中，距离保护是反映被保护线路始端电压与测量阻抗的一种保护。当测量阻抗小于预先设定的整定阻抗时，保护动作。因为它是反映阻抗参数工作的，所以称之为阻抗保护。而在常规的AT牵引供电系统之中，阻抗保护设置的原理分为两部分：阻抗保护和三级阻抗保护，根据变电站和分区之间是否有开/关，以及越区"电源下的阻抗保护应保护在开关或变电站的另一侧。在高速铁路AT牵引供电系统之中，正常供电时应只设置一段阻抗保护，越区供电时应设置两端阻抗保护。5.3.1低电压启动的过电流保护当馈线近点短路时，针对过大短路电流为目的，按躲过的馈线最大负荷电流进行整定，所以此时的整定计算公式是5-6:(5-6)此时，，。因为牵引变电所的主保护包括低电压启动的过流保护和I段阻抗保护，所以它的动作时间和阻抗保护是相同的，一般情况下不超过0.1s。5.3.2自动重合闸在AT所和分区所失压保护动作之后,自动重合闸开始动作。经过一段时间的设置后，其动作时间和牵引变电所备份的动作时间限制相互匹配。同时，当手动开关处于故障线路时，保护不会重新闭合，保护应具有重合闸充电时间，并设置重合闸的充电时间。因为无论是AT和分隔已经停止运行时，上行和下行线路都在非平行操作的状态。如果线路故障依旧，则故障馈线重合闸是失败和馈线重合器必须被锁定[3]。5.3.3电流增量保护当前电流增量是一个固定值，如此可以根据一台机车的启动电流来整定表现为式5-7：（5-7）可靠系数，一般取1.2；一台机车启动电流，和机车的类型有关。在高速铁路的运行过程中，一般使用一直一交类型的电力机车。在此应该按照这种类型的机车启动的电流来进行设定。因为电流的增量保护是作为后备的保护措施，其动作的时间就应该比主保护多一个时间级的差。5.4高速铁路AT供电系统的保护整定实例已知在上海铁路局徐州段某牵引变电所，该变电所采用的牵引变压器是两台单相变压器组成的V/X接线变压器，它的220kV侧的公用相是B相。对该变电所进行牵引变压器的保护整定计算。参数如下表所示：表5-1牵引变电器保护整定计算的已知参数α方向β方向变压器高压侧容量（kVA）220KV测流互变比27.5KV测流互变比220KV测流互接线系数27.5KV测流互接线系数220KV测压互变比27.5KV测压互变比27.5KV母线最高电压（V）27.5KV母线最低电压（V）27.5KV母线短路电流（A）馈线末端最小短路电流（A）50000800250011200028028000250001280097005000080025001120002802800025000128007700由前文公式5-7可以求得主、次级侧的额定电流，如下表：表5-2牵引变压器一、二次侧额定电流的计算结果α方向β方向220KV一次侧额定电流（A）220KV一次侧额定电流(A)27.5KV一次侧额定电流(A)198.44386.78765.26198.44386.78765.26续表5-2α方向β方向220KV一次侧额定电流(A)220KV一次侧额定电流(A)27.5KV一次侧额定电流(A)0.280.560.380.280.560.38由整定计算公式，考虑到采集220kV的侧电流的电流互感器的比率，修正可以求出实际上的整定计算公式。取220kV侧的额定电流值,。在牵引网的馈线保护的整定计算中，上海铁路局徐州段的某变电所的各实际参数如下表所示：表5-3牵引变电所所馈线保护整定计算已知参数馈线名称馈线A下行馈线A上行馈线B下行馈线B上行馈线最大负荷电流（A）馈线末端最小短路电流（A）27.5kV母线电压（V）馈线流互变比27.5kV压互变比负荷阻抗角线路阻抗角1263974026000154028019.4851864974026000154028019.4852421.6787426000154028019.4852383787426000154028019.485续表5-3馈线名称馈线A下行馈线A上行馈线B下行馈线B上行AT区段馈线单位电抗（Ω/km)AT区段1各馈线长度（km）AT区段2各馈线长度（km）列车启动电流（A）0.141515.624.068600.141515.624.06