接触网培训班牵引供电系统继电保护资料课件

牵引供电系统继电保护

西南交通大学电气工程学院牵引供电系统继电保护

西南交通大学2AT供电方式为什么能够提高供电能力供电系统为什么需要继电保护需要什么样的继电保护牵引网保护原理分析从普速牵引网理解保护配合机车带电闯分相跳闸案例分析全并联AT牵引网电流分布全并联AT牵引网保护需求变压器保护分析主要内容2AT供电方式为什么能够提高供电能力主要内容1.AT供电方式为什么能够提高供电能力？1.AT供电方式为什么能够提高供电能力？4TRnnATATFTRAT接触网钢轨正馈线直供方式AT供电方式带回流线的直供方式4TRnnATATFTRAT接触网钢轨正馈线直供方式AT供电2.供电系统为什么需要继电保护？2.供电系统为什么需要继电保护？正常运行状态：供电系统的电压和电流都在允许的范围以内，能够保持长期安全工作的状态。故障状态正常运行状态不正常运行状态在最大容量范围以内在最大工作电流范围以内在允许工作电压范围以内正常运行状态：供电系统的电压和电流都在允许的范围以内，能够保不正常运行状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。故障状态正常运行状态不正常运行状态主要有：1）负荷越限致使电流升高（过负荷）2）线路压损过大致使末端电压降低（低电压）3）再生制动或谐振致使电压升高（过电压）不正常运行状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。故障正故障状态：电气设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因而发生短路、断线等故障。故障状态正常运行状态不正常运行状态后果：短路电流以及电弧烧坏设备短路电流产生的热和电动力使设备的使用寿命缩短电压降低使电力机车或动车组停运故障状态：电气设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误9继电保护定义

反应系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护作用切除故障

自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证无故障部分迅速恢复正常运行。反应不正常运行状态

根据运行维护条件，动作于发信号或跳闸，一般不要求迅速动作（延时动作）。9继电保护定义3.需要什么样的继电保护？3.需要什么样的继电保护？

可靠性

选择性

速动性

灵敏性四项基本要求可靠性选择性速动性灵敏性四项基本要求可靠性：保护范围内部故障时必须动作（不拒动），保护范围外部故障时不动作（不误动）。

可靠性：保护范围内部故障时必须动作（不拒动），保护范围外部故选择性：跳开离故障位置最近的断路器，使停电范围尽量缩小。4处阻抗保护为主保护4处过电流保护为近后备保护3处保护为远后备选择性：跳开离故障位置最近的断路器，使停电4处阻抗保护为主保速动性：以尽可能短的时间将故障切除。故障切除时间＝保护动作时间+断路器动作时间保护动作时间

一般快速保护：60ms～120ms;

最快可达：10ms～40ms(如：超高压线路主保护)断路器动作时间一般的断路器：60ms～150ms;

最快可达：20ms～60ms速动性：以尽可能短的时间将故障切除。故障切除时间＝保护动作15定值t/s时限起动出口返回15定值t/s时限起动出口返回灵敏性：保护范围内的任何短路故障都能正确反应，常用灵敏系数来衡量。过量保护灵敏系数欠量保护灵敏系数灵敏性：保护范围内的任何短路故障都能正确反应，常用灵敏系数来4.牵引网保护原理分析4.牵引网保护原理分析（1）牵引负荷特点—单相负荷牵引负荷的单相性会在电力系统产生负序电流三相电源单相负荷一、牵引供电系统的特点（1）牵引负荷特点—单相负荷牵引负荷的单相性会在电力系统产生（2）牵引负荷特点—非线性动车组采用整流－逆变电路驱动电机工作，具有非线性特点，会产生各次谐波。动车组内部结构示意图（2）牵引负荷特点—非线性动车组采用整流－逆变电路驱动电机工（3）牵引负荷特点—移动性，电流变化范围大线路上运行的机车（动车组）数量、类型、运行工况随时都会发生变化，供电线路的牵引负荷电流随之变化。和谐号动车组（3）牵引负荷特点—移动性，电流变化范围大线路上运行的机车（（4）牵引负荷特点—冲击性B牵引供电系统一般采用换相连接牵引网采用分段供电接触网采用电分相的特殊结构——自动过分相供电分区供电臂AACCBBA电分相（4）牵引负荷特点—冲击性B牵引供电系统一般采用换相连接供（4）牵引负荷特点—冲击性（续）动车组过分相时每次合断路器相当于机车主变空载合闸，会产生励磁涌流，具有以下特点：涌流幅值可达到变压器额定电流的6倍以上；呈尖顶波且偏向于时间轴侧；含有大量二次谐波。单相变压器空载合闸励磁涌流波形（4）牵引负荷特点—冲击性（续）动车组过分相时每次合断路器相23二、牵引网自适应距离保护1.对距离保护的要求

◆躲故障过渡电阻能力

◆负荷特性对距离保护的影响因此，在牵引网馈线保护中距离保护通常采用偏移四边形特性。23二、牵引网自适应距离保护因此，在牵引网馈线保护中距离保护242.自适应距离保护的基本思想

◆交直型电力机车负荷电流中含有丰富的奇次谐波分量； ◆电力机车通过电分相或空载投入AT，牵引网产生的励磁涌流中含有较高的二次谐波分量。基本思想：根据负荷电流中综合谐波含量，自动调节阻抗继电器的边界。242.自适应距离保护的基本思想基本思想：根据负荷电流中综25①综合谐波抑制

◆综合谐波含量定义◆自适应调节动作边界自适应阻抗继电器的动作特性图25①综合谐波抑制◆自适应调节动作边界自适应阻抗继电器的动作26②二次谐波闭锁

◆目的 为了避免电力机车通过电分相或AT供电方式下空载投入接触网产生的励磁涌流引起保护误动作。

◆判据

26②二次谐波闭锁273.距离保护的整定一、动作电抗整定

ab边按线路阻抗整定，即：二、动作电阻整定按基波最小负荷阻抗整定，即：273.距离保护的整定二、动作电阻整定28三、电流增量保护1.目的

提高躲过渡电阻能力

2.基本思想

◆负荷电流在短时间（ms级）内增量不大； ◆短路电流在短时间（ms级）内增量很大。3.电流增量定义时间间隔通常取一个或两个工频周波28三、电流增量保护时间间隔通常取一个或两个工频周波294.动作判椐◆综合谐波含量：◆谐波抑制系数：（通常取大于1的数）◆二次谐波闭锁：◆原理框图294.动作判椐◆综合谐波含量：◆谐波抑制系数：（通常取大305.动作分析◆负荷→故障

故障电流基本为纯正弦波，则=0，显然，继电器的动作量为基波电流增量。

◆负荷→负荷

负荷电流中综合谐波含量越大，继电器的动作量也就越小，继电器的动作门槛值也就越大，继电器越不容易动作。可见改进后躲过渡电阻的能力大大增强。

305.动作分析316.特点◆可按一列机车起动电流整定

机车起动电流，跟机车类型有关。典型时限：常规保护最长时限＋(0.2-0.4)s◆躲过渡电阻能力强、灵敏度高316.特点机车起动电流，跟机车类型有关。◆躲过渡电阻能力强32四、过电流保护

◆综合谐波抑制 ◆二次谐波闭锁32四、过电流保护5.从普速牵引网理解保护配合5.从普速牵引网理解保护配合34一、单线供电方式1.保护配置 ◆阻抗Ⅰ段 ◆电流速断 ◆电流增量34一、单线供电方式1.保护配置352.保护整定◆阻抗Ⅰ段电抗边按线路全长整定：电阻边按负荷阻抗整定：负荷角线路阻抗角可靠系数线路全长单位线路电抗最大负荷电流典型动作时限0.1s352.保护整定电抗边按线路全长整定：电阻边按负荷阻抗整定：36◆电流速断可靠系数最大负荷电流典型动作时限0.1s灵敏度校验：36◆电流速断可靠系数最大负荷电流典型动作时限0.1s灵敏度37◆电流增量可靠系数一列车的启动电流动作时限＝常规保护最长时限＋△T37◆电流增量可靠系数一列车的启动电流动作时限＝常规保护最长38二、单线越区供电方式1.保护配置

◆阻抗Ⅰ段 ◆阻抗Ⅱ段 ◆电流速断 ◆过电流 ◆电流增量38二、单线越区供电方式1.保护配置392.保护整定◆阻抗Ⅰ段电抗边按线路全长L1的85%整定：电阻边按负荷阻抗整定：负荷角线路阻抗角线路全长单位线路电抗最大负荷电流◆阻抗Ⅱ段电抗边整定按线路全长（L1+L2）整定：电阻边按负荷阻抗整定典型动作时限0.1s典型动作时限0.4s392.保护整定电抗边按线路全长L1的85%整定：电阻边按负40◆电流速断 电流速断按分区所SP处最大短路电流整定。SP处短路时的最大短路电流典型动作时限0.1s40◆电流速断SP处短路时的最大短路电流典型动作时限0.1s41◆过电流过电流定值按躲过最大负荷电流整定。可靠系数最大负荷电流典型动作时限0.4s灵敏度校验：41◆过电流可靠系数最大负荷电流典型动作时限0.4s灵敏度校42◆电流增量一列车的启动电流动作时限＝常规保护最长时限＋△T42◆电流增量一列车的启动电流动作时限＝常规保护最长时限＋△43三、复线供电方式1.保护配置变电所SS处D1、D2分区所SP处D3◆阻抗Ⅰ段 ◆正向阻抗Ⅰ段◆阻抗Ⅱ段 ◆反向阻抗Ⅰ段◆电流速断 ◆电流速断◆过电流

◆电流增量

◆电流增量43三、复线供电方式1.保护配置442.变电所保护整定◆阻抗Ⅰ段电抗边按线路全长L的85%整定，考虑上行互感：电阻边按负荷阻抗整定：负荷角线路阻抗角线路全长单位线路电抗最大负荷电流◆阻抗Ⅱ段电抗边整定按线路全长2L整定：电阻边按负荷阻抗整定单位上下行线路互感典型动作时限0.1s典型动作时限0.4s442.变电所保护整定电抗边按线路全长L的85%整定，考虑上45◆电流速断 电流速断按躲过分区所SP处最大短路电流整定。◆过电流SP处短路时的最大短路电流典型动作时限0.1s典型动作时限0.4s可靠系数最大负荷电流45◆电流速断◆过电流SP处短路时的最大短路电流典型动作时限46◆电流增量一列车的启动电流动作时限＝常规保护最长时限＋△T46◆电流增量一列车的启动电流动作时限＝常规保护最长时限＋△473.分区所保护整定◆正反向阻抗Ⅰ段电抗边按线路全长L整定：电阻边按负荷阻抗整定：负荷角线路阻抗角线路全长单位线路电抗最大负荷电流典型动作时限0.1s473.分区所保护整定电抗边按线路全长L整定：电阻边按负荷阻48◆过电流

按躲过1列机车最大负荷电流整定：1列车最大负荷电流◆电流增量一列车的启动电流典型动作时限0.1s动作时限＝常规保护最长时限＋△T48◆过电流1列车最大负荷电流◆电流增量一列车的启动电流典型6.机车带电闯分相跳闸案例分析6.机车带电闯分相跳闸案例分析（1）问题提出产生原因：带电闯分相拉弧过分相系统故障后果：异相短路（1）问题提出产生原因：（2）仿真分析异相短路相量图故障阻抗在第2、4象限,距离保护拒动。距离保护动作特性（2）仿真分析异相短路相量图故障阻抗在第2、4象限,距离保护（2）仿真分析母线对地电压高于低压定值，过电流保护拒动。馈线低压启动过电流保护框图（2）仿真分析母线对地电压高于低压定值，过电流保护拒动。馈线案例1:直供牵引所异相短路2014年11月21日20时58分，某变电所2号馈线、6号馈线同时跳闸，电流速断保护动作，重合失败。其中2号馈线电流2498A、电压23.1Kv，故障点3.03Km；6号馈线电流2470A、电压17.4Kv。原因：HXD3-0504号机车带电过分相，造成器件式分相3根绝缘同时击穿，2、6号馈线相间短路后同时跳闸。案例1:直供牵引所异相短路2014年11月21日20时582012年3月8日20时01分40秒,变电所张庄上行供电臂和济西上行供电臂跳闸，重合闸成功，电流速断元件动作，张庄上行供电臂一次电压23575.75V，一次电流3344A，故障测距2.15公里；济西上行供电臂一次电压23086.25V，一次电流3176A，故障测距5.11公里。案例2：直供牵引所异相短路，注意电流差168A原因：DH51002次电力机车双弓通过分相时引起相间短路跳闸。2012年3月8日20时01分40秒,变电所张庄上行供电臂2013年7月21日11时13分（1）11时13分01秒715毫秒，211DL过流出口，重合闸失败。馈线电压：35744V,T线电压17817V，F线电压17971V。馈线电流：3625A，T线电流3525A，F线电流100A。阻抗角167.6度。故标装置测距2.75kM。（2）11时13分01秒718毫秒，213DL阻抗1段出口，重合闸失败。馈线电压：42097V,T线电压20996V，F线电压21133V。馈线电流：3550A，T线电流3425A，F线电流125A。阻抗角359.7度。故标装置测距0kM。案例3：全并联牵引所异相短路2013年7月21日11时13分案例3：全并联牵引所异相短路2011年12月17日18时14分03秒，变电所214断路器跳闸，重合失败。电流速断，阻抗1段动作。电流=2027.5安，电压=19.459千伏，阻抗=8.46欧，相角=67度，故标=17.08km。与次同时，分区亭241断路器跳闸。案例4：分区所异相短路时，保护拒动原因：11082次机车带电过分相时电弧将分相第三节（东侧）承力索复合绝缘子烧伤拉断，承力索下垂刮坏后续27032Ｊ次机车受电弓，是造成这次事故的主要原因2011年12月17日18时14分03秒，变电所214断路器2015年4月24日07时10分，变电所213开关跳闸，重合失败，距离I段保护动作，跳闸参数：I=1720.4A、U=14.89kv、L=0.79km、阻抗6.25∠67.32°Ω。07时21分强送成功。同时,相邻变电所211开关跳闸，重合失败，电流速断保护动作，跳闸参数：I=1576A、U=13.431kv、L=19.65km、阻抗6.25∠61.6°Ω。07时18分强送成功。案例5：分区所异相短路时，保护拒动原因：HX1D3006号机车通过分区所下行接触网七跨关节式分相中性区时，烧断中性区承力索及吊弦，造成关节式分相处接触网设备严重损坏。2015年4月24日07时10分，变电所213开关跳闸，重合7.全并联AT牵引网电流分布7.全并联AT牵引网电流分布59对牵引网AT变压器：59对牵引网AT变压器：60问：TF故障时是否存在钢轨－地回路电流？60问：TF故障时是否存在钢轨－地回路电流？61变电所AT所、分区所故障时如何根据电流分布判断故障类型和区段？61变电所AT所、分区所故障时如何根据电流分布判断故障类型和62案例162案例163第1AT段TR故障（9.98km）63第1AT段TR故障64案例264案例265第1AT段FR故障（9.98km）65第1AT段FR故障66案例366案例367第1AT段TF故障（9.98km）67第1AT段TF故障68案例468案例469第2AT段TR故障（18km）69第2AT段TR故障70案例570案例571第2AT段FR故障（18km）71第2AT段FR故障72案例672案例673第2AT段TF故障（18km）73第2AT段TF故障8.全并联AT牵引网保护需求8.全并联AT牵引网保护需求75一、高铁牵引供电系统京津城际示意图75一、高铁牵引供电系统京津城际示意图76二、高铁牵引网故障分析76二、高铁牵引网故障分析77Ⅰ-a：正常运行时发生故障Ⅰ-b：重合闸于永久故障时，所有AT所断开Ⅱ-a：越区供电时发生故障Ⅱ-b：越区供电时重合于故障，所有AT所断开高铁牵引网故障情况77Ⅰ-a：正常运行时发生故障高铁牵引网故障情况78京津城际馈线保护配置与整定原则：正常运行与越区供电采用1套定值。三、全并联AT供电牵引网保护配置与整定计算京津城际馈线距离保护示意图78京津城际馈线保护配置与整定原则：正常运行与越区供电采用179京津城际的馈线保护模式探讨：优点：一套定值，越区供电时无需改变定值缺点：正常运行时末端较大范围需要阻抗3段保护，动作速度慢。建议配置原则：正常运行与越区供电时采用不同的保护配置与整定。79京津城际的馈线保护模式探讨：建议配置原则：80正常供电方式D3、D4、AT所馈线保护配置：◆失压保护◆线路有压自动合闸

D1、D2保护配置： ◆阻抗1段 ◆电流速断 ◆电流增量 ◆自动重合闸80正常供电方式D3、D4、AT所馈线保护配置：D1、81(1)阻抗1段：电抗边整定（按供电臂最大短路电抗整定）：电阻边整定（按躲开最大负荷整定）：（与机车保护和自耦变压器保护配合）81(1)阻抗1段：电抗边整定（按供电臂最大短路电抗整定）：82(1)阻抗1段：

当靠近保护安装处故障时，另一条非故障线路测量阻抗非常大，需要故障线路先跳，非故障线路才能跳闸。也可以通过联络信号使两线路同时跳闸。82(1)阻抗1段：当靠近保护安装处故障时，另83(1)阻抗1段：

求供电臂最大短路电抗需要考虑下图中的几种情况时的最大阻抗：83(1)阻抗1段：求供电臂最大短路电抗需要84(2)电流速断（按躲开最大负荷电流整定）：电流速断保护原理框图整定计算：84(2)电流速断（按躲开最大负荷电流整定）：整定计算：85(3)电流增量（按躲开1列机车启动电流整定）：电流增量原理框图动作方程：整定计算：85(3)电流增量（按躲开1列机车启动电流整定）：动作方程：86(4)失压保护：(5)线路有压自动合闸：86(4)失压保护：(5)线路有压自动合闸：87越区供电方式D1、D2保护配置：◆阻抗1段◆阻抗2段◆电流速断◆过电流◆电流增量◆自动重合闸D5、D6保护配置：◆阻抗1段◆电流速断◆电流增量◆自动重合闸（与正常供电时D1、D2相同）87越区供电方式D1、D2保护配置：D5、D6保护配置88合武线分区所主接线图88合武线分区所主接线图89武广线分区所主接线图89武广线分区所主接线图90(1)阻抗1段：电抗边整定按分区所SP处短路电抗的85％整定：电阻边整定（按躲开最大负荷整定）：（与机车保护和自耦变压器保护配合）90(1)阻抗1段：电抗边整定电阻边整定（按躲开最大负荷整定91(2)阻抗2段：电抗边整定按越区时最大短路电抗整定：电阻边整定（按躲开最大负荷整定）：91(2)阻抗2段：电抗边整定电阻边整定（按躲开最大负荷整定92(3)电流速断：电流速断按分区所SP处最大短路电流整定

与正常供电方式下的整定相同(5)电流增量：过电流定值按躲过最大负荷电流整定时限0.4s(4)过电流：92(3)电流速断：电流速断按分区所SP处最大短路电流整定93馈线保护配置及整定越区供电方式

D3、D4、D7、D8、所有AT所馈线保护配置：◆失压保护◆线路有压自动合闸（与正常供电时D3、D4相同）93馈线保护配置及整定D3、D4、D7、D8、所有AT所馈线9.变压器保护分析9.变压器保护分析95一、牵引变压器保护保护配置差动保护低压启动过电流保护过负荷保护非电量保护95一、牵引变压器保护差动保护96京津城际变压器保护示意图京津城际一组V/x变压器组采用2套主保护及3套后备保护，国内厂商一般采用1套主保护1套后备保护。96京津城际变压器保护示意图京津城际一组V/x变压器组采用297V/X变压器组差动保护原理接线图平衡关系:1.差动保护:97V/X变压器组差动保护平衡关系:1.差动保护:98平衡关系:

单相三绕组变压器差动保护原理接线图98平衡关系:单相三绕组变压器差动保护原理接线图99