牵引变电所继电保护设计与分析毕业设计.docx

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牵引变电所继电保护设计与分析毕业设计

毕业设计（论文）

题目：

牵引变电所继电保护设计与分析

摘要

随着科学技术和生产的迅速发展，电力系统的调节、控制、保护、测量等操作已日趋自动化。

这些自动化中的一个重要方面，就是在电力系统发生故障或出现不正常运行状态时，能够自动反应和处理故障。

列如：

测定故障的参数和位置，切除故障设备，投入备用设备等，这些设备称为电力系统的继电保护与自动化装置。

所谓“继电”,是指电路的相互更替和延续。

利用电路的这种相互更替和延续而构成的电力系统的保护措施称为继电保护。

继电保护与自动化技术是在近几十年来迅速发展起来的一门科学技术。

最早的保护，是反应线路短路故障而使电流增大的电流保护。

通常采用熔断器（保险丝）就是一种最简单的电流保护。

但是，随着电力系统的发展，熔断器已远远不能满足电力系统保护的要求，而出现了继电器。

用继电器反应电流的变化，并使断路器跳闸切除故障设备，起到保护作用，这就形成了所谓的“继电保护”。

继电保护是保证电力系统安全可靠运行的重要措施。

在现代电力系统中，如果没有新能良好的继电保护装置，要维持系统正常工作是不可能的。

不仅如此，继电保护技术的发展和继电保护装置的进一步完善，将有力的促进电力系统的发展。

摘要

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyandproduction,regulation,control,protection,measurementofpowersystemoperationhasbecomemoreandmoreautomation.Animportantaspectoftheseautomation,isinpowersystemmalfunctionorabnormaloperationstate,canautomaticallyrespondandhandlefailure.Suchas:

theparametersandthedeterminationofpositionoffault,thefaultequipmentputintostandbyequipmentremoval,etc.,relayprotectionandautomationdeviceforpowersystemofthesedevicescalled. 

Theso-called"relay",referstothemutualreplacementofcircuitandcontinuation.Byusingthecircuitthismutualreplacementandcontinuityandprotectionmeasuresofpowersystemstructurecalledtherelayprotection. 

Relayprotectionandautomationtechnologyisinascienceandtechnologydevelopedrapidlyinrecentdecades.Protectionmostearly,isareactionlineshortcircuitfaultandthecurrentincreaseincurrentprotection.Usuallyusethefuse（fuse）isoneofthemostsimplecurrentprotection.However,withthedevelopmentofpowersystem,thefusehasbeenfarcannotmeettherequirementofpowersystemprotection,andtheemergenceofarelay.Withthechangeofreactioncurrentrelay,andthecircuitbreakertrippingfaultremovalequipment,playsaroleinprotection,whichformedtheso-called"relayprotection". 

Therelayprotectionisanimportantmeasuretoensurethesafeandreliableoperationofpowersystem.Inthemodernpowersystemrelayprotectiondevice,ifnonewisgood,itisimpossibletomaintainthenormalworkofthesystem.Notonlythat,developmentandrelayprotectiondeviceoftherelayprotectiontechnologytofurtherimprove,willeffectivelypromotethe developmentoftheelectricpowersystem.

目录

1.牵引变电所一次设备概述3

1.1电气化铁道牵引供电系统概况3

1.2牵引变电所的分类3

1.3牵引供电系统向接触网的供电方式3

1.4牵引负荷的特点3

1.5电气主接线3

1.7主变压器3

1.8高压断路器3

1.9互感器的选择3

2.牵引变电所馈线保护3

2.1电气化铁路馈线短路的类型3

2.2馈线保护的装置3

2.3馈线保护的后备保护3

1.牵引变电所一次设备概述

1.1电气化铁道牵引供电系统概况

电气化铁道的牵引供电系统由牵引变电所（包括分区亭、开闭所、ＡＴ所）、牵引网（馈电线、接触网、钢轨和回流线）、电力机车等组成。

图1-1中所示三相牵引变电所将电力系统110kv或220kv的三相电变成两相27.5kv分别供给变电所两边的供电臂以供电力机车提供电能（如Ａ相和Ｂ相为27.5kv，Ｃ相钢轨），相邻变电所之间的供电臂为同相电。

通过分区亭可以实现越区供电或上下行并联供电。

图1-1电气化铁道牵引供电示意图

牵引变电所：

主要是将电力系统传送的220kv或110kv的三相电源转换成牵引网额定电压27.5kv单相交流电，然后向铁路沿线架设的牵引网供电。

分区亭：

主要作用是操作设置在两个牵引变电所之间连接两供电分区的开关设备，实现灵活供电，提高运行的可靠性。

开闭所：

实质上是个不进行变压的配电所，主要是将从牵引变电所牵引母线上引出的一路馈线电线按需要向分组接触网供电。

一般设置在需要送出多路馈电线的多接触网分组的枢纽站场附近。

接触网：

是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路钢轨保持一定距离的链形或单导线的输电网。

牵引电力机车能量获取是通过机车受电弓和接触网的滑动接触来实现的。

馈电线：

亦即供电线，是指连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所转换完备的牵引用电能送给接触网。

轨道：

在电气化铁道系统中，轨道除了作为列车的导轨外，还与接触网组成通道，完成导通回流的任务。

回流线：

连接轨道和牵引变电所的导线，把轨道中的回路电流导入牵引变电所。

1.2牵引变电所的分类

牵引变压所分为直流和交流两类。

直流牵引变电所的功能是把区域电网的高压电加以降压和整流，使之成为直流1500伏、750伏或城市交通用600伏电压,再送到接触网，为直流电力机车或电动车辆供电。

交流牵引变电所根据牵引变压器绕组接线不同，又分为三相、单相和三相-两相牵引变电所。

①三相牵引变电所：

变压器原边绕组通常为星形连接，副边绕组为三角形连接。

三角形的一个连接点接铁路行车轨道，另两个连接点分别接牵引变电所左右两侧的供电分区接触网。

由于两侧相位差60°,需要分段。

这种牵引变电所的优点是变压器副边保持三相，可供变电所本身和地方的三相用电；缺点是变压器的容量未能充分利用。

②单相牵引变电所：

采用1～2台单相变压器。

用一台单相变压器时，副边绕组的一端接轨道，另一端同时供给左右两侧的供电分区接触网。

为了检修方便，两供电分区采用相关分段加以隔离。

若用两台单相变压器时，其原边绕组分别接到高压三相母线中两对不同的母线上，使三相负载平衡；两个副边绕组按V形接线,公共点接轨道,其余两端分别向两侧的分区供电,并用相关分段。

单相变电所的优点是变压器容量利用较充分。

但地区负荷需专用变压器；简单的单相接线，还影响三相系统的平衡。

③三相-两相牵引变电所：

变压器原边绕组接成T形，与三相高压母线连接；副边为两相连接，共用端接轨道，另两端分别接供电分区,由于两者相位差90°，两分区也需隔开。

这种形式的牵引变电所一定程度上克服了三相和单相牵引变电所的缺点。

中国早期的牵引变电所大多采用三相牵引变电所，从80年代起出现采用三相－两相牵引变电所。

此外，欧美一些国家由于历史上的原因，还有频率为16赫或25赫的单相牵引变电所，但现在发展的主流是单相工频交流牵引制及相应的变电所。

历史上还出现过三相电力牵引及其变电所,但因三相接触网结构复杂,现在一般不用。

中国干线电力牵引采用单相工频25千伏交流电,牵引变电所把输入的110千伏三相交流电转变为25千伏单相交流电送入接触网，从而完成电力牵引的供电任务。

1.3牵引供电系统向接触网的供电方式

牵引网向电力机车的供电方式有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、自耦变压器（AT）供电、吸流变压器（BT）供电方式和同轴电力电缆（CC）供电方式等，分别如图所示：

图1-2直接供电方式

图1-3加回流线的直接供电方式

为增强直接供电方式的防干扰性能，用直接供电加回流线（负馈线）的供电方式，简称为DN（图1.3）供电方式。

为能取得最好的防干扰效果，则需研究回流线的空间布置（与接触网的磁耦合关系）和设法降低回流线～地、钢轨一地回路的自阻抗以提高回流率。

由图1-3可知，DN供电方式是由接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线NR（每隔几公里用P金属线和钢轨相连接）组成。

由于NF和钢轨并联连接，使得正常运行时钢轨中负荷电流的一部分分流到NF中去，因此，可以减少流入大地的电流，减轻对通讯的干扰危害，降低钢轨电位，减小馈电回路的阻抗。

另外，当绝缘子闪络时，NF线可起到回归短路电流的作用，即具有保护线（PW）的特性。

图1-4AT供电方式

AT供电方式，其牵引网结构较复杂，由接触悬挂T、正馈线F、保护线PW（包括CPW线）、轨道大地系统Ｒ以及每隔一定距离设置的自耦变压器（AT）构成。

AT并联于接触导线和正馈线之间，AT中点和钢轴相连，使大部分回流流经正馈线，从而降低对邻近通信线的干扰。

为尽量减小感应环的尺寸，正馈线和接触导线架设在同一支柱上。

一般情况下，正馈线与接触导线对钢轨具有相同的电压。

图1-5BT供电方式

BT供电方式在牵引网中设吸流变压器——回流线，可使牵引电流沿回流线流回牵引变电所而不经过由轨道和大地。

同轴电力电缆供电方式，就是将同轴电力电缆沿电气化铁路装设，电缆的内导体与接触悬挂相连、用作正馈线，外导体与轨道相连，用作负馈线，每隔一定距离分成一个供电分区。

结构简单，特别适宜于在长大隧道中应用。

由于电缆价格很贵，在经济上不合理，因此没有应用在实际系统中。

单线区段，对直供方式及BT方式，交流牵引变电所设置间距为40——60KM，对AT方式可扩大到90～100KM。

复线区段适当缩短具体设置要由供电计算确定。

DN供电方式具有供电方式简单、可靠的优点，通过优化其结构和参数能保证较好的屏蔽效果，在稳定网压、延长供电距离、节能方面也有较明显的优势，其成本与运营维修费用均比AT/BT低得多。

AT方式的供电质量高，用电质量高，是高速、重载电气化区段的首选供电方式。

BT方式相对于前两者具有劣势，现在国际上很少采用这种方式。

目前济南局管辖范围内的胶济线、陇海线、京沪线全部采用DN供电方式，包括最近上马的胶济客运专线也是采用DN供电方式。

1.4牵引负荷的特点

图1-8牵引变电所主接线

由图可知，变压器出线一相接地，另外两相分别接牵引网馈线。

由此可见，交流牵引网为两个单相系统，其负荷特性不同于一般的电力系统负荷，具体表现在：

1、牵引负荷不仅是移动的，而且其大小随时都在变化，某一电流值的持续时间往往可以用秒来计算。

馈线电流值的变化范围极宽，一般是在零和最大负荷电流值（如数百或数千安）之间变动。

牵引负荷为单相移动负荷，牵引负荷的大小与线路的机车数量、机车种类、机车功率、运行速度以及线路情况等有关，其幅值、相位随时都在发生变化。

接触网发生故障的几率较电力系统输电线路要频繁得多。

2、牵引供电臂供电距离长，单位阻抗比一般输电线路单位阻抗大。

一般输电线路的单位阻抗为0.40Ω/KM，而牵引网的线路阻抗较大，一般为0.54Ω/KM左右；有吸流变压器时增大为0.82Ω/KM左右，ＡＴ供电方式时约在0.60Ω/KM以上。

由于单位阻抗大，输送距离远，故末端最小短路电流较小。

馈线的最大负荷电流很大，最小短路电流往往接近甚至小于最大负荷电流。

牵引阻抗大，相应短路电流小，有时可与最大负荷电流相比。

3、牵引负荷的变化频率及幅度远远大于一般的电力负荷。

整流式电力机车以及电动车组的电流均含有大量的高次谐波，其中的三次谐波含量最高，可达20%或30%左右。

机车在坡度较大的线路下坡运行时，将由电动机状态转入发电机状态，这种负荷称之为再生负荷，此时的高次谐波成份更高，可达40％以上，并且负荷位于第二象限，当线路上既有正常负荷又有再生负荷或涌流时，其综合负荷就会落入保护动作区使常规保护误动作。

当供电区间列车数增加时，由于不同机车的换向角可能不同，所以牵引馈线电流三次谐波含量减少，但一般仍大于10%。

即便是装有功率因数补偿装置，综合谐波含量仍不低于10%。

而牵引网短路时，机车退出了工作，由于是高压回路的单相直接接地，以及供电回路的参数电抗分量大于电阻分量等原因，所以电气化铁道供电回路故障电流的波形是不含高次谐波成份的正弦波。

4、当在接触网电压下空载投入机车牵引变压器，或馈线突然断电、机车失压后由自动重合闸动作将馈线断路器重新投入，或电力机车在运行过程中失电而又复得（如机车惰行通过电分相），或含有AT、BT的牵引网空载投入等情况下会产生励磁涌流。

励磁涌流的幅值可达650－－800A，从而使馈线电流可达很高的数值。

励磁涌流的波形呈尖顶波且偏向于时间轴的一侧，故励磁涌流中含有大量的二次谐波。

由于励磁涌流不属于故障两牵引网中出现涌流的几率和其幅值都比较大，因此在牵引馈线保护中应保证在此情况下不误动。

5、为了适应机车沿线路移动，牵引网的结构比电力系统馈电线路要复杂得多。

同时，其工作条件也较恶劣，因为机车的受电弓与接触导线一直处于快速滑动接触状态，机车通过其接触点取流。

当接触不良时将会产生火花或电弧，使接触导线过热，以致烧伤。

另外，由于受电弓对接触导线有迅速移动的向上压力，使接触导线经常处于振动状态，因此引起接触网机械故障的机率增大。

上述损伤及故障都可能导致牵引网短路，从而对继电保护动作的可靠性要求相对要高。

牵引网短路电流的数值主要取决于电力系统的供电方式和容量、牵引变电所的总容量、牵引网的供电方式、故障点的距离以及所采用的接触悬挂型式和钢轨型号等。

1.5电气主接线

电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。

它们的连接方式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。

一般在研究主接线方案和运行方式时，为了清晰和方便，通常将三相电路图描绘成单线图。

在绘制主接线全图时，将互感器、避雷器、电容器、中性点设备以及载波通信用的通道加工元件（也称高频阻波器）等也表示出来。

对一个电厂而言，电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等，从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面，经综合比较后确定。

它的接线方式能反映正常和事故情况下供送电情况。

电气主接线又称电气一次接线图。

1.6电气主接线应满足以下几点要求：

运行的可靠性：

主接线系统应保证对用户供电的可靠性，特别是保证对重要负荷的供电。

运行的灵活性：

主接线系统应能灵活地适应各种工作情况，特别是当一部备检修或工作情况发生变化时，能够通过倒换开关的运行方式，做到调度灵活，不中断向用户的供电。

在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。

经济合理：

主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术条件的要求下，做到经济合理，尽量减少占地面积，节省投资。

1.7主变压器

主变压器参数：

型号

接线组别

额定电压

容量

分接开关型号

XXZ9-4000/110

Yn-Yn-d11

110/38.5/10.5KV

40MVA

UCGKN380/300/CS

1.8高压断路器

高压断路器选择如下表：

电压等级

110kV

35kV

10kV

断路器型号

3AP1FG

ZN91-40.5

VD4M1225-40

额定电流

4000A

1600A

2500A

开断电流

40kA

25kA

40kA

1.9互感器的选择

1、电流互感器主要参数的选择：

互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等一次设备获取电气一次回路信息的传感器。

互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100、100/

V）和小电流（5、1A）。

电流互感器的二次侧绝对不能够开路。

电压互感器的二次侧绝对不能够短路。

电流互感器一次电流选择应遵循以下原则：

①一次电流应满足负荷要求,并在标准值中选取。

②一次电流应使在正常运行情况下，二次输出电流满足保护装置和测量、计量仪表准确度要求。

⑴110kV线路独立电流互感器的选择：

LB6—110W，额定电流比2*600/5、2*300/5；准确次级10P20，0.2；

⑵#1主变三侧电流互感器：

110KV侧：

LRB-110额定电流比600/5；准确次级10P20,0.5；

35KV侧：

LDJ1-40.5/300额定电流比1200/5；准确次级5P10；

LZZBJ9-35额定电流比800/5；准确次级10P20,0.5；

10KV侧：

LZZBJ9-10额定电流比2500/5；准确次级5P20,0.5；

⑶10KV线路及电容器电流互感器：

LZZBJ9-10，额定电流比600/5；准确次级10P20,0.5。

2、电压互感器参数的选择

⑴电压互感器应按下表所列技术条件选择：

项目

参数

技术条件

正常工作条件

一次回路电压、二次电压、二次负荷、准确度等级

承受过电压能力

绝缘水平、泄露比距

环境条件

环境温度、相对湿度、海拔高度、最大风速、污秽

⑵电压互感器选择结果：

型号

额定电压（KV）

初级绕组

次级绕组

剩余电压绕组

TYD110/

-0.02H

110/

0.1/

0.1/

0.1

JDZX9-35W2

35/

0.1/

0.1/

:

0.1/3

JDZX16-10G

10/

0.1/

0.1/

:

0.1/3

2.牵引变电所馈线保护

2.1电气化铁路馈线短路的类型

电气化铁路由于是单相供电，因此短路的方式较一般三相供电方式简单，可以分为如下几种：

2.1.1单相短路：

（1）一线接地：

供电系统的带电部分同大地（接地线、水泥支柱、铁塔等接地部分）之间的绝缘破坏，流过故障电流。

（２）两线短路：

同一相供电系统带电部分的导体之间，以及和回流线导体之间的绝缘破坏，流过故障电流。

2.1.2两相短路：

供电系统不同相之间的带电部分绝缘破坏。

除以上的故障种类之外，有时也可能出现这些故障同时发生的情况。

又可以根据是否经过渡电阻短路，分为金属性短路和经过渡电阻短路。

短路时如果电力机车继续从牵引网上取流，则与过渡电阻并联，相当于减小了过渡电阻，对保护安装处来说，可以按有过渡电阻来分析。

在分析与推导牵引供电系统短路故障的数学模型时，常常考虑变电所主变的型式、接线方式以及牵引网的具体结构和供电形式等的影响。

在此抛开这些因素的影响，把短路时的电牵引供电系统等效为如下的短路计算模型：

2.2馈线保护的装置

2.2.1距离保护

距离保护是反映被保护线路始端电压和线路电流比值而工作的一种保护，这个比值被称为测量阻抗Zj，（Zj，＝Uj/Ij）．在线路正常运行时的测量阻抗称为负荷阻抗，其值较大；当系统发生短路时，测量阻抗等于保护安装处的线路阻抗，其值较小：

而且故障点越靠近保护安装处，其值越小。

当测量阻抗小于预先设定的整定阻抗时，保护动作。

由于它是反映阻抗参数而工作的，故有时又称之为阻抗保护。

由于距离保护既反应被保护线路故障时电压的降低，又反应电流的升高，采用方向阻抗继电器时还可反应相角的变化，因此其灵敏系数较高，在牵引网保护中作为主保护。

距离保护的动作元件是反应阻抗下降而动作的阻抗继电器。

阻抗继电器可用比较保护安装处母线电压及短路电流的方法实现。

测量阻抗：

Zj=ZdNl/Ny,式中Zd表示一次短路阻抗；Nl表示电流互感器变比；Ny表示电压互感器变比。

动作判据：

Zj>Zzd.

2.2.2牵引网通常采用的距离保护特性

采用圆特性的阻抗继电器，因其保护范围由牵引网的最小负荷阻抗所限定，对于运量大、距离长的牵引网，满足不了灵敏系数的要求。

从图2-1可以看出四边形特性阻抗继电器不仅在阻抗继电器中躲开负荷的能力最强，而且其躲开过渡电阻的能力也较强，所以在牵引网馈线保护中普遍采用。

传统的电铁馈线保护都是由四边形阻抗继电器作为主保护，这种配置对于一般的牵引供电系统均能满足要求，但随着电气化铁道的高速发展，有的电力机车上加装了兼作滤波的功率补偿装置，有的电力机车上采用了再生制动方式，如进口的8K机车和国产的SS5型机车，作为牵引供电系统负荷的电力机车对馈线保护的动作特性具有直接的影响，对于牵引负荷和再生负荷较重，行车密度和牵引吨位较大的高速重载线路，对于现存的馈线保护都存在着躲负荷能力差的问题，此问题对于BT方式供电的线路尤为突出，因为在同样重负荷的情况下，BT线路的单位阻抗要比AT线路高3～4倍，所以这是一个函待解决的问题。

图2-1不同特性的灵敏度及躲开弧光电阻能力比较

晶闸管相控电力机车是由可控开放角的变化改变整流电压而实现调速的，其特点是功率因数低，电力机车经常运行在起动、调速、再生制动等工况下，以及降弓通过电分相再合闸引起励磁涌流，因此，供电臂内多列电力机车运行于不同的工况，牵引网馈线负荷电流及其相位角的变化范围很大。

电机车起动电流Iq约为额定电流的数倍，设供电区列车平均有效电流为Ip，供电区（单线或复线）内列车数为ｎ，假定牵引状态下功率因数角妒的变化不计。

一列车起动，另一列车过电分相后空载合闸，产生励磁涌流Iu，负荷最大值和Iu分别为：

式中Ku为涌流倍数，r为涌流衰减时间常数，Ile为机车变压器原边额定电流。

电力车再生制动工况下，据实测数据，约为110°—120°，功率因数为（0.4—0.5），此时再生电流Ib反送回牵引网或牵引机车吸收，供电臂内最大