1、牽引供電系統繼電保護牽引供電系統繼電保護西南交通大學西南交通大學電氣工程學院電氣工程學院2vAT供電方式為什么能夠提高供電能力供電方式為什么能夠提高供電能力v供電系統為什么需要繼電保護供電系統為什么需要繼電保護v需要什么樣的繼電保護需要什么樣的繼電保護v牽引網保護原理分析牽引網保護原理分析v從普速牽引網理解保護配合從普速牽引網理解保護配合v機車帶電闖分相跳閘案例分析機車帶電闖分相跳閘案例分析v全并聯全并聯AT牽引網電流分布牽引網電流分布v全并聯全并聯AT牽引網保護需求牽引網保護需求v變壓器保護分析變壓器保護分析主要內容主要內容1. AT供電方式為什么能夠提高供電能力？供電方式為什么能夠提高供電

2、能力？4T TR RnnATATFTRAT接觸網接觸網鋼軌鋼軌正饋線正饋線直供方式直供方式AT供電方式供電方式帶回流線的直供方式帶回流線的直供方式2.供電系統為什么需要繼電保護？供電系統為什么需要繼電保護？正常運行狀態：正常運行狀態：供電系統的電壓和電流都在允許的范圍以內，能夠保持長期安全工作的狀態。故障狀態正常運行狀態不正常運行狀態max.min.iiiUUUmax.ijijII 在最大容量范圍以內在最大工作電流范圍以內在允許工作電壓范圍以內.maxkkSS不正常運行狀態：不正常運行狀態：正常運行條件受到破壞，但還未發生故障。故障狀態正常運行狀態不正常運行狀態主要有：主要有：1）負荷越限致使

3、電流升高（過負荷 ）2）線路壓損過大致使末端電壓降低（低電壓 ）3）再生制動或諧振致使電壓升高（過電壓 ）max,ijijIIminiiUU maxiiUU 故障狀態：故障狀態：電氣設備在運行過程中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作、設計制造缺陷等原因而發生短路、斷線等故障。故障狀態正常運行狀態不正常運行狀態后果：后果： 短路電流以及電弧燒壞設備 短路電流產生的熱和電動力使設備的使用壽命縮短 電壓降低使電力機車或動車組停運9繼電保護定義繼電保護定義反應系統中電氣元件發生故障或不正常運行狀態，并動作于斷路器跳閘或發出信號的一種自動裝置 。繼電保護作用繼電保護作用切除故障切除故障自動、迅速、有選擇

4、地將故障元件從電力系統中切除，使故障元件免于繼續遭到損壞，保證無故障部分迅速恢復正常運行。反應不正常運行狀態反應不正常運行狀態根據運行維護條件，動作于發信號或跳閘，一般不要求迅速動作（延時動作）。3. 需要什么樣的繼電保護？需要什么樣的繼電保護？ 可靠性 選擇性 速動性 靈敏性四項基本要求四項基本要求v 可靠性：可靠性：保護范圍內部故障時必須動作（不拒動），保護范圍外部故障時不動作（不誤動）。 v 選擇性：選擇性：跳開離故障位置最近的斷路器，使停電范圍盡量縮小。 4 4處阻抗保護為主保處阻抗保護為主保護護4 4處過電流保護為近處過電流保護為近后備保護后備保護3 3處保護為遠后備處保護為遠后備v

5、速動性速動性：以盡可能短的時間將故障切除。以盡可能短的時間將故障切除。 故障切除時間保護動作時間故障切除時間保護動作時間+斷路器動作時間斷路器動作時間保護動作時間保護動作時間 一般快速保護：一般快速保護：60ms60ms120ms120ms; ; 最快可達：最快可達：10ms10ms40ms40ms( (如：超高壓線路主保護如：超高壓線路主保護) )斷路器動作時間斷路器動作時間 一般的斷路器：一般的斷路器：60ms60ms150 ms150 ms; ; 最快可達：最快可達：20ms20ms60 ms60 ms15定值t/s時限起動出口返回v靈敏性靈敏性：保護范圍內的任何短路故障都能正確反應：保

6、護范圍內的任何短路故障都能正確反應，常用靈敏系數來衡量。，常用靈敏系數來衡量。1.3 1.5senK保護范圍末端金屬性短路時故障參數的最保護裝置動作參數的整定值小值1.3 1.5senK保護范圍末端金屬性短路時故障參數保護裝置動作參數的的最小值整定值過量保護靈敏系數過量保護靈敏系數欠量保護靈敏系數欠量保護靈敏系數4. 牽引網保護原理分析牽引網保護原理分析（1）牽引負荷特點）牽引負荷特點單相負荷單相負荷牽引負荷的單相性牽引負荷的單相性會在電力系統產生負序電流會在電力系統產生負序電流三相電源單相負荷一、牽引供電系統的特點一、牽引供電系統的特點（2）牽引負荷特點）牽引負荷特點非線性非線性動車組采用整

7、流逆變電路驅動電機工作，動車組采用整流逆變電路驅動電機工作，具有非線性特點，會產生各次諧波。具有非線性特點，會產生各次諧波。動車組內部動車組內部結構示意結構示意圖圖（3）牽引負荷特點）牽引負荷特點移動性，電流變化范圍大移動性，電流變化范圍大線路上運行的機車（動車組）數量、類型、運行工況隨時線路上運行的機車（動車組）數量、類型、運行工況隨時都會發生變化，供電線路的牽引都會發生變化，供電線路的牽引負荷電流隨之變化。負荷電流隨之變化。 和諧號動車組（4）牽引負荷特點）牽引負荷特點沖擊性沖擊性B B 牽引供電系統一般采用換相連接牽引供電系統一般采用換相連接 牽引網采用分段供電牽引網采用分段供電 接觸網

8、采用電分相的特殊結構接觸網采用電分相的特殊結構自動過分相自動過分相供電分區供電分區供電臂供電臂A AA AC CC CB BB BA A電分相電分相（4）牽引負荷特點）牽引負荷特點沖擊性（續）沖擊性（續）動車組過分相時每次合斷路器相當于機車主變空載合動車組過分相時每次合斷路器相當于機車主變空載合閘，會產生勵磁涌流，具有以下特點閘，會產生勵磁涌流，具有以下特點： 涌流幅值可達到變壓器額定電流的6 6倍以上； 呈尖頂波且偏向于時間軸側； 含有大量二次諧波。單相變壓器空載合閘勵磁涌流波形單相變壓器空載合閘勵磁涌流波形00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-10

9、000100020003000400023二、牽引網自適應距離保護二、牽引網自適應距離保護1. 對距離保護的要求對距離保護的要求躲故障過渡電阻能力躲故障過渡電阻能力負荷特性對距離保護的影響負荷特性對距離保護的影響因此，在牽引網饋線保護中因此，在牽引網饋線保護中距離保護距離保護通常采用通常采用偏移四邊形特性。偏移四邊形特性。242. 自適應距離保護的基本思想自適應距離保護的基本思想交直型電力機車負荷電流中含有豐富的奇次諧波分交直型電力機車負荷電流中含有豐富的奇次諧波分量；量；電力機車通過電分相或空載投入電力機車通過電分相或空載投入AT，牽引網產生，牽引網產生的勵磁涌流中含有較高的二次諧波分量的勵

10、磁涌流中含有較高的二次諧波分量?；舅枷耄夯舅枷耄焊鶕摵呻娏髦芯C合諧波含量，自動調節阻抗繼電器的邊界。25綜合諧波抑制綜合諧波抑制綜合諧波含量定義綜合諧波含量定義23571IIIIKI11zdzdRRK 11zdzdXXK 自適應調節動作邊界自適應調節動作邊界自適應阻抗繼電器的動作特性圖26二次諧波閉鎖二次諧波閉鎖目的目的為了避免電力機車通過電分相或為了避免電力機車通過電分相或AT供電方式下空載供電方式下空載投入接觸網產生的勵磁涌流引起保護誤動作。投入接觸網產生的勵磁涌流引起保護誤動作。判據判據 221IKI273.3.距離保護的整定距離保護的整定一、動作電抗整定一、動作電抗整定 abab

11、邊按線路阻抗整定，即：邊按線路阻抗整定，即：二、動作電阻整定按基波最小負荷阻抗整定，即：minminminmax(cossin /)zdfLFfkFRZtgUZK ILXKXkzd028三、電流增量保護三、電流增量保護1.1.目的目的提高躲過渡電阻能力提高躲過渡電阻能力2.2.基本思想基本思想負荷電流在短時間（負荷電流在短時間（msms級）內增量不大；級）內增量不大；短路電流在短時間（短路電流在短時間（msms級）內增量很大。級）內增量很大。3.3.電流增量定義電流增量定義qhIII時間間隔通常取一個或兩個工頻周波294. 4. 動作判椐動作判椐1111 (1)AghqAhhhZDIIK K

12、IIIK K IKI 23571IIIIKI綜合諧波含量：諧波抑制系數：AK（通常取大于1的數）二次諧波閉鎖：221IKI原理框圖305.5.動作分析動作分析負荷負荷故障故障故障電流基本為純正弦波，則故障電流基本為純正弦波，則 =0，顯然，繼電器的動，顯然，繼電器的動作量為基波電流增量。作量為基波電流增量。 負荷負荷負荷負荷負荷電流中綜合諧波含量越大，繼電器的動作量也就越負荷電流中綜合諧波含量越大，繼電器的動作量也就越小，繼電器的動作門檻值也就越大，繼電器越不容易動小，繼電器的動作門檻值也就越大，繼電器越不容易動作?？梢姼倪M后躲過渡電阻的能力大大增強。作?？梢姼倪M后躲過渡電阻的能力大大增強。

13、1111 (1)AghqAhhhZDIIK K IIIK K IKI K316.6.特點特點可按一列機車起動電流整定可按一列機車起動電流整定 .maxzdkFIKI機車起動電流，跟機車類型有關。典型時限：常規保護最長時限(0.2 -0.4)s 躲過渡電阻能力強、靈敏度高32四、過電流保護四、過電流保護綜合諧波抑制綜合諧波抑制二次諧波閉鎖二次諧波閉鎖5. 從普速牽引網理解保護配合從普速牽引網理解保護配合34一、一、單線供電方式1.保護配置阻抗段電流速斷電流增量變電所 分區所 D L 352.2.保護整定保護整定阻抗阻抗段段電抗邊按線路全長整定：0XLKXkZD電阻邊按負荷阻抗整定：minmaxs

14、incosFFZDFkFLURKItg負荷角線路阻抗角可靠系數線路全長單位線路電抗最大負荷電流典型動作時限0.1s36電流速斷maxFkzdIKI可靠系數最大負荷電流典型動作時限0.1s靈敏度校驗：.min1.2d SPmzdIKI37電流增量maxFkzdIKI可靠系數一列車的啟動電流動作時限常規保護最長時限常規保護最長時限T38二、二、單線越區供電方式1.保護配置阻抗段阻抗段電流速斷過電流過電流電流增量 SS SP L1 L2 D1 D2 392.2.保護整定保護整定阻抗阻抗段段電抗邊按線路全長L1的85%整定：電阻邊按負荷阻抗整定：minmaxsincosFFZDFkFLURKItg負荷

15、角線路阻抗角線路全長單位線路電抗最大負荷電流0185. 0XLXZD阻抗段電抗邊整定按線路全長（L1+L2）整定：120()ZDkXK LL X電阻邊按負荷阻抗整定典型動作時限0.1s典型動作時限0.4s40電流速斷電流速斷按分區所電流速斷按分區所SPSP處最大短路電流整定。處最大短路電流整定。max.2 . 1SPdzdIISP處短路時的最大短路電流典型動作時限0.1s41過電流過電流定值按躲過最大負荷電流整定。過電流定值按躲過最大負荷電流整定。maxFkzdIKI可靠系數最大負荷電流典型動作時限0.4s靈敏度校驗：.min1.2d SPmzdIKI42電流增量maxFkzdIKI一列車的啟

16、動電流動作時限常規保護最長時限常規保護最長時限T 43三、三、復線供電方式 SS L SP D1 D2 D3 1.保護配置變電所SS處D1、D2 分區所SP處D3 阻抗段 正向阻抗段 阻抗段 反向阻抗段 電流速斷 電流速斷 過電流過電流 電流增量 電流增量442.2.變電所保護整定變電所保護整定阻抗阻抗段段電抗邊按線路全長L的85%整定，考慮上行互感：電阻邊按負荷阻抗整定：minmaxsincosFFZDFkFLURKItg負荷角線路阻抗角線路全長單位線路電抗最大負荷電流阻抗段電抗邊整定按線路全長2L整定：電阻邊按負荷阻抗整定)15. 185. 0(85. 0120XXLXZD單位上下行線路互

17、感02ZDkXKL X典型動作時限0.1s典型動作時限0.4s45電流速斷電流速斷按躲過分區所電流速斷按躲過分區所SPSP處最大短路電流整定。處最大短路電流整定。過電流max.2 . 1SPdzdIISP處短路時的最大短路電流典型動作時限0.1s典型動作時限0.4smaxFkzdIKI可靠系數最大負荷電流46電流增量maxFkzdIKI一列車的啟動電流動作時限常規保護最長時限常規保護最長時限T473.3.分區所保護整定分區所保護整定正反向阻抗正反向阻抗段段電抗邊按線路全長L整定：電阻邊按負荷阻抗整定：minmaxsincosFFZDFkFLURKItg負荷角線路阻抗角線路全長單位線路電抗最大負

18、荷電流0ZDkXKL X典型動作時限0.1s48過電流按躲過1列機車最大負荷電流整定：.max1.2ZDJCII1列車最大負荷電流電流增量maxFkzdIKI一列車的啟動電流典型動作時限0.1s動作時限常規保護最長時限常規保護最長時限T6.機車帶電闖分相跳閘案例分析機車帶電闖分相跳閘案例分析產生原因：產生原因：u帶電闖分相拉弧帶電闖分相拉弧u過分相系統故障過分相系統故障后果：異相短路后果：異相短路異相短路相量圖異相短路相量圖故障阻抗在故障阻抗在第第2 2、4 4象限象限, ,距離保護拒距離保護拒動動。距離保護動作特性距離保護動作特性母線對地電母線對地電壓高于低壓壓高于低壓定值，定值，過電過電流

19、保護拒動流保護拒動。饋線低壓啟動過電流保護框圖饋線低壓啟動過電流保護框圖2014年11月21日20時58分，某變電所2號饋線、6號饋線同時跳閘，電流速斷保護動作，重合失敗。其中2號饋線電流2498A、電壓23.1Kv，故障點3.03Km；6號饋線電流2470A、電壓17.4Kv。原因：HXD3-0504號機車帶電過分相，造成器件式分相3根絕緣同時擊穿，2、6號饋線相間短路后同時跳閘。2012年3月8日20時01分40秒, 變電所張莊上行供電臂和濟西上行供電臂跳閘，重合閘成功，電流速斷元件動作，張莊上行供電臂一次電壓23575.75V，一次電流3344A，故障測距2.15公里；濟西上行供電臂一次

20、電壓23086.25V，一次電流3176A，故障測距5.11公里。原因：DH51002次電力機車雙弓通過分相時引起相間短路跳閘。2013年年7月月21日日11時時13分分（1）11時13分01秒715毫秒，211DL過流出口，重合閘失敗。饋線電壓：35744V,T線電壓17817V，F線電壓17971V。饋線電流：3625A，T線電流3525A，F線電流100A。阻抗角167.6度。故標裝置測距2.75kM。（2）11時13分01秒718毫秒，213DL阻抗1段出口，重合閘失敗。饋線電壓：42097V,T線電壓20996V，F線電壓21133V。饋線電流：3550A，T線電流3425A，F線電

21、流125A。阻抗角359.7度。故標裝置測距0 kM。2011年12月17日18時14分03秒，變電所214斷路器跳閘，重合失敗。電流速斷，阻抗1段動作。電流=2027.5安，電壓=19.459千伏，阻抗=8.46歐，相角=67度，故標=17.08km。與次同時，分區亭241斷路器跳閘。原因：11082次機車帶電過分相時電弧將分相第三節（東側）承力索復合絕緣子燒傷拉斷，承力索下垂刮壞后續27032次機車受電弓，是造成這次事故的主要原因2015年4月24日07時10分，變電所213開關跳閘，重合失敗，距離I段保護動作，跳閘參數：I=1720.4A、U=14.89kv、L=0.79km、阻抗6.2

22、567.32。07時21分強送成功。同時,相鄰變電所211開關跳閘，重合失敗，電流速斷保護動作，跳閘參數：I=1576A、U=13.431kv、L=19.65km、阻抗6.2561.6。07時18分強送成功。原因：HX1D3006號機車通過分區所下行接觸網七跨關節式分相中性區時，燒斷中性區承力索及吊弦，造成關節式分相處接觸網設備嚴重損壞。7. 全并聯全并聯AT牽引網電流分布牽引網電流分布59對牽引網對牽引網AT變壓器：變壓器：12TFNIII60問：問：TF故障時是否存在鋼軌地回路電流？故障時是否存在鋼軌地回路電流？61變電所變電所t1122dTFTFIIIIIAT所、分區所所、分區所1122

23、TFTFIIII1122dTFTFIIIII故障時如何根據電流分布判斷故障類型和區段？故障時如何根據電流分布判斷故障類型和區段？62案例案例163第第1AT段段TR故障故障（9.98km）64案例案例265第第1AT段段FR故障故障（9.98km）66案例案例367第第1AT段段TF故障故障（9.98km）68案例案例469第第2AT段段TR故障故障（18km）70案例案例571第第2AT段段FR故障故障（18km）72案例案例673第第2AT段段TF故障故障（18km）8. 全并聯全并聯AT牽引網保護需求牽引網保護需求75一、高鐵牽引供電系統一、高鐵牽引供電系統京津城際示意圖京津城際示意圖7

24、6二、高鐵牽引網故障分析二、高鐵牽引網故障分析77-a：正常運行時發生故障-b：重合閘于永久故障時，所有AT所斷開-a：越區供電時發生故障-b：越區供電時重合于故障，所有AT所斷開高鐵高鐵牽引網故障情況牽引網故障情況78京津城際饋線保護配置與整定原則：正常運行與京津城際饋線保護配置與整定原則：正常運行與越區供電采用越區供電采用1套定值。套定值。三、三、全并聯AT供電牽引網保護配置與整定計算京津城際饋線距離保護示意圖京津城際饋線距離保護示意圖79京津城際的饋線保護模式探討：京津城際的饋線保護模式探討：u優點：一套定值，越區供電時無需改變定值優點：一套定值，越區供電時無需改變定值u缺點：正常運行時

25、末端較大范圍需要阻抗缺點：正常運行時末端較大范圍需要阻抗3段保護，動段保護，動作速度慢。作速度慢。建議配置原則：建議配置原則：正常運行與越區供電時采用不同的保護配置正常運行與越區供電時采用不同的保護配置與整定。與整定。80正常供電方式正常供電方式D3D3、D4D4、ATAT所饋線保護配置：所饋線保護配置： 失壓保護失壓保護 線路有壓自動合閘線路有壓自動合閘 D1D1、D2D2保護配置：保護配置：阻抗阻抗1 1段段電流速斷電流速斷電流增量電流增量自動重合閘自動重合閘81(1)(1)阻抗阻抗1 1段：段：電抗邊整定（按供電臂最大短路電抗整定）：電抗邊整定（按供電臂最大短路電抗整定）：.max*ZD

26、kdXKX電阻邊整定（按躲開最大負荷整定）：電阻邊整定（按躲開最大負荷整定）：minmaxsincosFFZDFkFLURKItg0.1ts時限（與機車保護和自耦變壓器保護配合）82(1)(1)阻抗阻抗1 1段：段： 當靠近保護安裝處故障時，另一條非故障線路測量阻當靠近保護安裝處故障時，另一條非故障線路測量阻抗非常大，需要故障線路先跳，非故障線路才能跳閘。也抗非常大，需要故障線路先跳，非故障線路才能跳閘。也可以通過聯絡信號使兩線路同時跳閘。可以通過聯絡信號使兩線路同時跳閘。83(1)(1)阻抗阻抗1 1段：段： 求供電臂最大短路電抗需要考慮下圖中的幾種情況求供電臂最大短路電抗需要考慮下圖中的幾

27、種情況時的最大阻抗：時的最大阻抗：84(2)(2)電流速斷電流速斷（按躲開最大負荷電流整定）（按躲開最大負荷電流整定）： 電流速斷保護原理框圖電流速斷保護原理框圖maxFkzdIKI0.1ts時限整定計算：整定計算：85maxFkzdIKI0.20.4ts時限常規保護最長時限（）(3)(3)電流增量（按躲開電流增量（按躲開1列機車啟動電流整定）列機車啟動電流整定）： 電流增量原理框圖電流增量原理框圖動作方程：動作方程：整定計算：整定計算：1111 (1)AghqAhhhZDIIK KIIIK K IKI 86(4)(4)失壓保護：失壓保護：(5)(5)線路有壓自動合閘：線路有壓自動合閘：min

28、/zdFkUUK0.2 0.4ts時限變電所保護最長時限（-）0.2 0.4ts時限變電所保護最長時限（-）minzdFkUUK87越區供電方式越區供電方式 D1D1、D2D2保護配置：保護配置： 阻抗阻抗1 1段段 阻抗阻抗2 2段段 電流速斷電流速斷 過電流過電流 電流增量電流增量 自動重合閘自動重合閘D5D5、D6D6保護配置：保護配置： 阻抗阻抗1 1段段 電流速斷電流速斷 電流增量電流增量 自動重合閘自動重合閘（與正常供電時（與正常供電時D1、D2相同）相同）88合武線分區所主接線圖合武線分區所主接線圖89武廣線分區所主接線圖武廣線分區所主接線圖90(1)(1)阻抗阻抗1 1段：段：

29、電抗邊整定電抗邊整定 按分區所按分區所SP處短路電抗的處短路電抗的85整定：整定：電阻邊整定（按躲開最大負荷整定）：電阻邊整定（按躲開最大負荷整定）：minmaxsincosFFZDFkFLURKItg0.1ts時限（與機車保護和自耦變壓器保護配合）.10.85ZDd SPXX91(2)(2)阻抗阻抗2 2段：段：電抗邊整定電抗邊整定 按越區時最大短路電抗整定：按越區時最大短路電抗整定：電阻邊整定（按躲開最大負荷整定）：電阻邊整定（按躲開最大負荷整定）：minmaxsincosFFZDFkFLURKItg0.4ts時限.maxZDKdXK X92(3)(3)電流速斷：電流速斷：電流速斷按分區所

30、電流速斷按分區所SPSP處最大短路電流整定處最大短路電流整定 .maxzdkd SPIK I0.1ts時限與正常供電方式下的整定相同與正常供電方式下的整定相同maxFkzdIKI0.20.4ts時限常規保護最長時限（）(5)(5)電流增量：電流增量：過電流定值按躲過最大負荷電流整定過電流定值按躲過最大負荷電流整定maxFkzdIKI時限0.4s(4)(4)過電流：過電流：93饋線保護配置及整定饋線保護配置及整定l越區供電方式越區供電方式 D3D3、D4D4、D7D7、D8D8、所有、所有ATAT所饋線保護配置：所饋線保護配置： 失壓保護失壓保護 線路有壓自動合閘線路有壓自動合閘（與正常供電時（

31、與正常供電時D3D3、D4D4相同）相同）9. 變壓器保護分析變壓器保護分析95一、牽引變壓器保護一、牽引變壓器保護保護配置保護配置l差動保護差動保護l低壓啟動過電流保護低壓啟動過電流保護l過負荷保護過負荷保護l非電量保護非電量保護96京津城際變壓器保護示意圖京津城際變壓器保護示意圖京津城際一組京津城際一組V/x變壓器組采用變壓器組采用2套主保護及套主保護及3套后套后備保護，國內廠商一般采用備保護，國內廠商一般采用1套主保護套主保護1套后備保護。套后備保護。97 V/X變壓器組差動保護原理接線圖平衡關系:1. 1. 差動保護差動保護: :ph10101k11ABCIIIII981ABphBAIIIKIII平衡關系: 單相三繞組變壓器差動保護原理接線圖99差動電流:制動電流:CDACDBCDC1I1I1IAphBphCphIIkIIkIIIk比率制動特性CDACDBCDC11I211I211I2AphBphCphIIkIIkIIIk100整定原則：整定原則：IDZ整定考慮不平衡與勵磁整定考慮不平衡與勵磁電流引起的誤差。電流引起的誤差。K1考慮了流互和抽頭導致考慮了流互和抽頭導致的誤差。的誤差。K2考慮了外部故障時大電考慮了外部故障時大電流導致的流互飽和誤差。流導致的流互飽和誤差。ISD按躲過勵