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1、高速铁路牵引供电系统保护原理,北京铁路电气化学校,2,AT(自耦变压器)供电方式,牵引电流通过电力机车后从负馈线返回。供电电压提高，更能适应大功率负荷的供电，功率输送能力强，供电距离远，可减少牵引变电所数量，减少电分相数目，机车通过分相中性段短时失电产生的速度和功率损失得到降低；有效降低对通讯线路的干扰;。,3,全并联AT供电系统,在复线AT供电方式的基础上，将上下行牵引网的接触线（T）、钢轨（R）和负馈线（F）在变电所出线处及AT所处通过横联线并联起来。上下行牵引网虽然都有各自的断路器，但在正常情况下均为一用一备运行方式，即上下行牵引网共用一台断路器。,4,SS变电所；ATP自耦变压器所；S
2、P分区所；SFSP辅助开闭所；T接触线；R钢轨；F负馈线；PW保护线；CPW辅助连接,全并联AT供电系统,辅助联接(CPW)，其作用主要是降低轨道对地电位。计算表明，在AT段中部作一处CPW可降低轨道对地最大电位2530。在AT段中段同时作一处CPW及上、下行保护线横向联接时，可降低轨道对地最大电位50左右。,5,一、电力系统构成及运行状态电力系统的构成 发电输电变电用电电力系统的运行状态短路（电压，电流）不正常运行状态,1.1 继电保护概述,6,二、继电保护的作用,定义反应电力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 作用切除故障自动、迅速、有选择地
3、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。,7,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）。基本原理提取电力系统元件在三种运行状态下的“差异”；区分出三种运行状态（故障、不正常、正常）；识别出发生故障和出现异常的元件；完成继电保护任务。,8,电流增大-过电流保护电压降低-低电压保护电流电压间的相位角会发生变化-方向保护电流电压的比值发生变化-距离保护（阻抗保护）电流差动保护非电量保护-瓦斯保护，过热保护等,9,10,电流保护原理图,11,三、对继电保护的基本要求,可靠性安全性要求继电保护在不需要它动作时可
4、靠不动作（不误动）。依赖性在保护范围内发生应该动作的故障时应可靠动作（不拒动）。提高不误动的安全性措施与提高不拒动的依赖性措施相互矛盾。,12,选择性保护装置动作时，在可能最小的区间将故障从系统中切除，最大限度的保证系统中无故障部分继续运行。只应由装在故障元件上的保护装置动作切除故障；相邻元件的保护装置对它起后备保护的作用。,13,速动性尽可能快的切除故障，以减少设备和用户在大短路电流和低电压下的运行时间，降低设备的损坏程度，提高系统运行的稳定性。需要快速切除的故障：高压输电线路上的故障（系统稳定性）；发电厂或重要用户的母线电压低于允许值（一般为0.7倍额定电压）；大容量的发电机、变压器及电动
5、机内部发生的故障；线路导线截面过小，不允许延时切除的故障；故障切除时间=保护装置动作时间+断路器动作时间,14,灵敏性对保护范围内发生故障和不正常运行状态的反应能力，一般用灵敏系数和灵敏度衡量。增大灵敏度，增大保护动作的依赖性，但有时与保护的安全性相矛盾。上述四个基本要求是评价和研究继电保护性能的基础。在它们之间，既有矛盾的一面，又要根据被保护元件在电力系统中的作用，使以上四个基本要求在所配置的保护中得到统一。,15,1.2 电流保护原理,电流速断保护限时电流速断保护过电流保护,16,一、电流速断保护（电流段）当所在线路保护范围内发生短路时，反应电流增大而瞬时动作切除故障的电流保护。,工作原理
6、：电流速断保护为了保证其保护的选择性，一般情况下速断保护只保护被保护线路的一部分。,17,整定计算,可靠性系数，一般取1.21.3,最大运行方式下的三相短路电流,整定原则：躲开下一条线路出口处的最大短路电流。,动作电流,动作时限,没有人为延时，只考虑继电保护固有动作时间,18,保护范围校验,最大运行方式下三相短路时保护范围最大，最小运行方式下两相短路时保护范围最小。,线路全长,最小运行方式下两相短路时的保护范围,19,电流速断保护的评价,优点：简单可靠，动作迅速,缺点：,不可能保护线路的全长,保护范围直接受系统运行方式变化的影响。,结论：当系统运行方式变化很大，或者被保护线路的长度很短时，速断
7、保护就可能没有保护范围，因而不能采用。,20,二、限时电流速断保护（电流段）,切除本线路上电流速断保护范围以外的故障，作为电流速断保护的后备保护。,工作原理,21,整定原则,保护范围必须延伸到下一条线路中去,动作带有一定的时限（选择性）,整定计算,动作电流：动作电流按躲开下一条线路流速断保护的动作电流进行整定。,保护范围不超出下一条线路无时限电流速断保护的范围（速动性）,可靠系数，一般取1.11.2,下一条线路电流速断保护的动作值,22,动作时限,23,被保护线路末端的最小两相短路电流,灵敏度校验,限时电流速断保护灵敏度,若灵敏度不满足要求，可采用降低动作电流的方法，使本线路限时速断保护与下一
8、线路限时速断保护配合。,24,对限时电流速断保护的评价,优点,结构简单，动作可靠能保护本条线路全长,缺点,不能作为相邻元件（下一条线路）的后备保护，只能对相邻元件的一部分起后备保护作用。,25,三、定时限过电流保护（电流段）,反应电流增大而动作，它要求能保护本条线路的全长和下一条线路的全长。作为本条线路主保护拒动的近后备保护，也作为下一条线路保护和断路器拒动的远后备保护。,M,26,动作电流：按躲开被保护线路的最大负荷电流，且在自起动电流下继电器能可靠返回进行整定。,整定原则及计算,自起动系数，取13,可靠系数，一般取1.151.25,继电器的返回系数,返回电流,27,动作时限,动作时限与电流
9、大小无关，为此称为定时限。,28,灵敏度校验,作本条线路主保护或后备保护（近后备）,作为下一条线路后备保护（远后备）,29,评价,优点：结构简单，工作可靠。不仅能作为本线路的近后备（有时作为主保护），而且能作为下一条线路的远后备。,缺点：越靠近电源端其动作时限越大，对靠近电源端的故障不能快速切除。,30,1.3 距离保护原理,一、问题的提出高压长距离重负荷输电线路，负荷电流大，线路末端短路时，短路电流的数值和负荷电流相差不大，故电流保护不能满足灵敏度的要求；电流速断保护受电网运行方式的影响，保护范围不稳定，甚至无保护范围。距离保护是反应保护安装处至故障点的距离（阻抗大小）而确定动作时限的一种保
10、护装置（阻抗保护）-牵引网的主保护。,31,二、距离保护的工作原理,A,B,C,Z,正常情况下：测量阻抗,d,故障时：测量阻抗,1,2,3,4,32,距离保护的实质是用测量阻抗 与被保护线路的整定阻抗 比较。当短路点在保护范围以外时，即 时，继电器不动作；当短路点在保护范围以内时，即 时，继电器动作。,Z,1,2,3,4,33,距离保护分为三段式：,段：Zset.3=(0.80.85)ZAB 瞬时动作,段：Zset.3=Krel(ZAB+KbraZact.2),段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性 后备保护,主保护,三、距离保护的整定,34,四、距离保护的时限特性,距离保护的动作时间 t 与保护安
11、装处到故障点的距离 l 之间的关系称为距离保护的时限特性,=t2t,=t”2t,35,五、阻抗继电器动作特性,1、全阻抗继电器,2、方向阻抗继电器,全阻抗继电器,方向阻抗继电器,36,方向阻抗继电器的死区及消除死区的方法,当在保护安装地点正方向出口处发生相间短路时,故障环路的故障电压将降低为零,此时任何具有方向性的阻抗继电器将因加入的电压为零而不动作,从而出现保护装置的死区。,为减少和消除死区，可采用以下方法：,记忆回路,装设辅助保护（主要为电流速断保护）,37,3、偏移特性阻抗继电器,4、四边形特性阻抗继电器,偏移特性阻抗继电器,四边形特性阻抗继电器,38,电压回路断线闭锁振荡闭锁当电力系统
12、失去同步而发生振荡时，电流、电压将在很大范围内作周期性变化，阻抗继电器的测量阻抗也将随之变化，这就可能引起保护装置误动作。电弧电阻对保护的影响在短路点一般都有过渡电阻，其中主要是电弧电阻。它的存在使短路电流减小，阻抗增大，阻抗角变小，对于阻抗继电器有时会影响到保护的正确动作。一般采用偏移阻抗继电器提高躲负荷能力,六、影响距离保护的因素及防止措施,39,1.4 牵引网馈线保护,一、牵引供电系统的特点单相、移动、冲击性负荷；负荷电流变化范围大；负荷电流中的谐波含量高（20%30%），在再生工况下更高（可达40%以上）；空载投入机车牵引变压器、含有AT或BT的牵引网空载投入时，将产生励磁涌流；供电臂
13、供电距离长，单位阻抗大；牵引网结构复杂，接触网机械故障的机率增大。因此，与电力系统中的线路保护相比，牵引网馈线保护有其特殊性。,40,二、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。,41,2.自适应距离保护的基本思想相控整流电力机车负荷电流中含有丰富的奇次谐波分量（三次谐波为最多），而牵引网短路电流接近于正弦波，因此可利用三次谐波的含量区分正常工作与故障状态；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接近故障电流，但其中含有较高的二次谐波分量，因此可利用二次谐波区分励磁涌流和故障电流。
14、,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。,42,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,43,二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,44,3.距离保护的整定一、ab边的整定 ab边按线路阻抗整定，即：,二、bc边的整定按基波最小负荷阻抗整定，即：,45,三、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,46,4.动作判椐,综合谐波
15、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,47,5.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。,48,6.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,49,四、过电流保护综合谐波抑制二次谐波闭锁,50,五、反时限过负荷保护常用的三种反时限特性一般反时限,甚反时限,极度时限,特点：近处故障时动
16、作时限短，远处故障时动作时间自动加长。,51,1.5 牵引变压器保护,一、差动保护1.作用保护变压器内部、套管以及引出线上的多相短路，同时也可以保护单相层间短路和接地短路。,2.原理外部故障 流入继电器的电流,，继电器不动作。,内部故障 流入继电器的电流,，继电器动作。,52,二、低压启动过电流保护1.作用变压器差动保护近后备 馈出线保护的远后备2.整定,可靠性系数,变压器额定电流,返回系数,最小负荷电压按额定电压的60%70%整定。,53,1.高压侧低压启动过电流保护原理框图,54,2.相低压启动过电流保护原理框3.相低压启动过电流保护原理框图,55,三、反时限过负荷保护一般反时限特性：甚反
17、时限特性：极度反时限特性：,防止变压器的过负荷运行，牵引变压器由于各相牵引负荷不等因此过负荷信号应装在两重负荷相上。,56,四、非电量保护,1.瓦斯保护变压器内部故障时，由于短路电流和电弧的作用使附近的绝缘物分解而产生气体，同时由于气体的上升会引起油流的变化，利用这个特点构成瓦斯保护。2.压力保护当变压器内部出现严重故障时，压力释放装置使油膨胀和分解产生的不正常压力得到及时释放，以免损坏油箱，造成更大的损失。3.温度保护非电量保护在变压器的继电保护配置中有着不可替代的作用，是对常规配置的模拟量保护的重要补充。,57,1.1 客专牵引供电系统,1.客运专线牵引供电系统,京津城际示意图,58,1.
18、2 客专牵引供电系统运行方式,59,运行工况：,-a：正常运行-b：正常运行，所有AT所断开-a：越区供电-b：越区供电，AT所断开,60,距离保护电流保护电流增量保护,2.牵引网保护配置与整定计算,61,一、AT供电方式简介,对牵引网AT变压器：,62,63,64,接触线与正馈线截面相等对称悬挂,65,AT牵引网阻抗曲线,TR或FR故障无法用电抗法测距,66,AT供电方式常采用吸上电流比测距原理,67,京津城际短路阻抗曲线,68,京津城际短路电流曲线,69,京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。,二、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
19、,70,京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。,71,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,72,(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（按躲开最大负荷电阻整定）：,（与机车保护和自耦变压器保护配合）,73,(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：,74,(2)电流速断（按躲开最大负荷电流整
20、定）：电流速断保护原理框图,整定计算：,75,(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：,76,(4)失压保护：,(5)线路有压自动合闸：,77,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）,78,合武线分区所主接线图,79,武广线分区所主接线图,80,(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）,81,(2)阻抗2段：,
21、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）：,82,(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,(4)电流增量：,过电流定值按躲过最大负荷电流整定,时限0.2s,(4)过电流：,83,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）,84,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,3.变压器保护配置与整定计算,85,京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
22、般采用1套主保护1套后备保护。,86,V/X变压器组差动保护原理接线图,平衡关系:,(1)差动保护:,87,平衡关系:,(1)差动保护:,单相三绕组变压器差动保护原理接线图,88,差动电流:,制动电流:,比率制动特性,89,整定原则：IDZ整定考虑不平衡与励磁电流引起的误差。K1考虑了流互和抽头导致的误差。K2考虑了外部故障时大电流导致的流互饱和误差。ISD按躲过励磁涌流整定。二次谐波闭锁15-20,比率制动特性,90,(2)低压启动过电流保护:,电流按整定电压一般牵引网额定电压的60%70%整定高压侧低压启动过电流保护原理框图,91,(2)低压启动过电流保护:,相低压启动过电流保护原理框相低
23、压启动过电流保护原理框图,92,三、反时限过负荷保护一般反时限特性：甚反时限特性：极度反时限特性：,93,(4)非电量保护,瓦斯保护变压器内部故障时，由于短路电流和电弧的作用使附近的绝缘物分解而产生气体，同时由于气体的上升会引起油流的变化，利用这个特点构成瓦斯保护。压力保护当变压器内部出现严重故障时，压力释放装置使油膨胀和分解产生的不正常压力得到及时释放，以免损坏油箱，造成更大的损失。温度保护非电量保护在变压器的继电保护配置中有着不可替代的作用，是对常规配置的模拟量保护的重要补充。,94,差动保护碰壳保护非电量保护,自耦变压器保护保护配置,95,整定原则:按躲过最大不平衡电流整定。接触网对地和负馈线对地故障时最大故障电流的10为最大不平衡电流。动作电流为0.125*Is.c max out动作延时0ms采用二次谐波闭锁励磁涌流，定值为15,(1)差动保护:,平衡关系:,96,与牵引变压器类似,(3)非电量保护:,根据经验值，取额定电流的10动作延时0ms,(2)碰壳保护:,
