牵引变电所继电保护

110kV/220kV线路保护
• 要求：
– 接地短路后备保护可装阶段式或反时限零序 电流保护，亦可采用接地距离保护并辅之以 阶段式或反时限零序电流保护。 – 相间短路后备保护一般应装设阶段式距离保 护。 – 根据稳定要求或后备保护整定配合有困难时， 应装设两套全线速动保护。
110kV/220kV线路保护
110kV/220kV线路保护
• 应该由电力系统实现 • 装设在电力系统的变电站中 • 当需要在牵引变电所构成桥路时，可能 会装设在牵引变电所中 • 由电力系统管理
110kV/220kV线路保护
• 电力系统输电线路的特点：
– 大电流接地系统：当发生单相接地故障时， 会产生很大的短路电流； – 正常运行时就有零序分量 – 非接地相电压不明显升高 – 发生故障时危害较大 – 某相故障时其他相可能有负荷存在 – 给牵引供电的线路可能存在负序电流
牵引变电所馈线保护
• 电流速断保护：
– 反应流过馈线断路器的电流 – 对近端短路灵敏 – 可能无法分别末端最小短路电流及最大负荷电流
• 最小短路电流：
– 最小短路电流是指所在地的电力系统在最小运行方 式下，即系统具有最大的阻抗值时，发生短路电流 较小的短路后的短路电流值。 该值是根据当地电力系统的相关参数计算出来的， 既与并网系统的发电容量有关，也与本地用户的用 电设备有关，还与电力系统的设备及运行方式有关。
分区所保护的特殊情况
• 当故障发生在靠近变电所母线时，由于 故障点的电流通过Z1/Z3的比例分配给 DL1/DL3，DL1分到大部分电流，DL3分 到小部分电流； • 故障点越靠近变电所母线，两个电流相 差越大 • 分区所断路器DL13流过的电流和断路器 DL3流过的电流相同
牵引变压器保护
• 变压器的主要故障：
– 油箱内故障：
• • • • 绕组相间短路 接地短路 匝间短路 铁芯烧损
– 后果严重：故障产生电弧绝缘材料气化 爆炸
牵引变压器保护
• 变压器的主要故障：
– 油箱外故障：
• • • • • 套管、引线的短路故障 外部相间短路 外部接地短路 外部接地引起的中性点电位升高 外部接地引起的过电流（直接接地系统的零序电 流）
牵引变压器保护
• 电气化铁道牵引变压器的过负荷保护
– 负荷和电力系统不同，属于间隙性负荷，有 车时负荷大，可能过负荷，无车时负荷小， 甚至为零 – 两边负荷不平均，变压器有重负荷相 – 牵引变电所的主变压器过负荷保护需要装设 两相，过负荷倍数较大
牵引变压器保护
• 接地保护
– 主要用来保护外部故障引起的变压器的过电 流 – 内部故障已经由瓦斯和差动保护实现 – 用于中性点直接接地系统
110kV/220kV线路保护
• 220KV线路保护配置原则：
– 后备保护采用近后备方式 – 联络线必须坚持两套互相独立的主保护的原 则，并且两套保护应为不同原理和不同厂家 的产品。
110kV/220kV线路保护
为保证可靠性：
– 两套全线速动保护的交流电流、电压回路和直流电 源彼此独立 – 每一套全线速动保护对全线路内发生的各种类型故 障，均能快速动作切除故障 – 两套全线速动保护应具有选相功能 – 两套主保护应分别动作于断路器的一组跳闸线圈 – 两套全线速动保护分别使用独立的远方信号传输设 备 – 具有全线速动保护的线路，其主保护的整组动作时 间应为：对近端故障不大于20毫秒；对远端故障不 大于30毫秒（不包括通道时间）
牵引变电所馈线保护
• 成套保护装置的特点：
– 安装简单，接线减少、可靠性较高 – 成套装置只有一个外壳，体积较小 – 由于设备由一个厂家提供，可能存在原理性 的不可靠现象，不适合于要求特别高的重要 设备的保护
牵引变电所馈线保护
• 对策：
– 馈线保护考虑谐波含量高的现实 – 可以适当利用谐波作为判别负荷和故障的依 据 – 需要用四边形动作特性来保障一致的躲过渡 电阻能力以及区分故障和负荷的能力
铁路供电继电保护
崔跃华
第二节 牵引变电所各种继电保护 及自动装置的实现
• • • • • 110kV/220kV线路保护 变压器保护的实现 牵引网保护 电容补偿装置及其他设备的保护 自动装置（一次自动重合闸、故障点探 测装置、进线及备用电源自动投切装置、 故障性质判定装置、自动调压装置、自 动无功补偿设备）
牵引变电所馈线保护
• 引进了成套保护装置的概念
– 晶体管成套保护装置包括了：
• • • • • • • • • 电流元件及延时元件 阻抗Ⅰ、Ⅱ段及其延时元件 一次自动重合闸 分合闸控制 电流元件及其延时元件 阻抗Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段及其延时元件 一次自动重合闸 故障点探测装置 分合闸控制
– 微机成套保护装置包括了：
• 牵引变压器的作用：
– 将系统的220kV/110kV变换成电力机车需要 的电压等级（27.5kV） – 将单相负荷较为均衡地分配给电力系统的三 相 – 一定程度地限制短路电流
牵引变压器保护
• 电力机车/电动车组的工作电压：
– 网压在29～31kV时功率线性下降至零； – 网压在22.5～29kV范围内发挥额定功率； – 网压在22.5～19kV时功率线性下降至额定功 率的84％； – 网压在19～17.5kV时功率线性下降至零。 – 超过31kV，电压过高可能危害元器件 – 低于17.5kV，辅助机组等可能不正常工作
– 瓦斯（气体）继电器：
• • • • 保护变压器油箱内部的各种故障 容量>800kVA的油浸式变压器装设 轻瓦斯继电器动作于信号 重瓦斯继电器动作于跳闸
牵引变压器保护
• 瓦斯保护的特点：
– – – – – – 结构简单 经济 灵敏度高 可以反应油箱内部所有故障 大量气体产生时动作迅速 不能反应油箱外部故障，不能作为变压器保 护的唯一保护，是变压器保护的重要保护
tgα=1/8
α3
α2
牵引变电所馈线保护
• 改进的多边形动 作特性阻抗继电 器：
– 将左边移动到87o – 可以降低机车变 压器空投时励磁 涌流的影响
jX Zset
R
牵引变电所馈线保护
• ZKH-2型晶体管成套保 护装置中阻抗元件的动 作特性
jX Zset
– 四边形动作特性，比园 特性的灵敏度高； – 躲过渡电阻的能力较强； – 不需要专用的断线闭锁
牵引变压器保护
• 电流速断保护：
– 利用检测电流大小原 理构成的保护 – 电流>整定值跳闸 – 不能区分D2/D3故障 – 必须与过流保护配合 – 大容量变压器需要差 动保护以提高动作速 度
牵引变压器保护
• 差动保护
– 利用流入变 压器及流出 变压器的电 流差原理构 成 – 保护变压器 内部、引线 等故障
–简单可靠
牵引变压器保护
• 外部短路时，有 电流流入变压器， 也有电流流出变 压器 • 内部短路时，没 有电流流出变压 器 • 原理简单，接线 比较方便
牵引变压器保护
• 原副边电流 大小不同 • 原副边电流 相位不同 • 多卷变压器
牵引变压器保护
• 过负荷保护
– 过负荷可能造成电压降低、变压器过热从而 引起寿命下降 – 过负荷时发出警报，让值班人员采取措施减 负荷 – 简单的电流继电器+延时继电器构成 – 复杂一点的采用反时限电流继电器，电流越 大动作时间越短
牵引变电所馈线保护
• 最小短路电流的计算条件：
– 系统最小运行方式 – 线路末端发生两相短路 – 考虑一定的过渡（电弧或其他）电阻
• 最大负荷电流的获取方法
• 实测电流
– 最大负荷
• 根据牵引计算获得
牵引变电所馈线保护
• 阻抗保护
– 利用测量装置安装点的视在阻抗的大小并判 定运行状态的保护 – Z=U/I
牵引变电所馈线保护
• 保护对象：接触网、电力机车等 • 特点：
– – – – – – 悬挂低：导线高度5-6m 扰动大：受电弓在下面运行，扰动较大 线路阻抗大：达到0.6Ω/km左右 移动负荷，故障率高 谐波含量较高 负荷电流较大，最大负荷电流超过1000A
牵引变电所馈线保护
• 馈线负荷的特点：
• 220KV线路保护配置原则：
– 220KV线路保护应按加强主保护简化后备保 护的基本原则配置和整定。 – 对220KV线路，为了有选择的快速切除故障， 防止电网事故扩大，保证电网安全、优质、 经济运行，一般情况下，应按要求装设两套 全线速动保护，在旁路断路器带线路运行时， 至少应保留一套全线速断保护运行。
– 整流型机车：谐波含量较大，奇次谐波较多， 一般3次谐波含量占到10~13%以上，严重情 况达到30%以上，功率因数较低 – 可控硅整流型机车：谐波含量特别是高次谐 波含量更大，功率因数较低 – 新型交流传动机车/电动车组：低次谐波含 量较低，高次有一定的升高，功率因数较高
牵引变电所馈线保护
• 困难和特征：
牵引变压器保护
• 变压器的不正常运行状态：
– 过负荷
• 过负荷引起温度上升，绝缘加速老化。 • 六度法则：变压器油温超过设计最高温度，每升 高六度，则寿命下降一半 • 牵引负载过负荷和欠负荷转换频繁，要求变压器 有较强的过负荷能力
– 油位降低
• 变压器油主要用于绝缘及散热
牵引变压器保护
• 各种变压器保护
– 最大负荷电流和最小短路电流接近，电流保护的灵 敏度不够 – 机车主变压器的励磁涌流较大，可能造成阻抗元件 的误动作 – 故障频发，对保护的可靠性要求较高 – 瞬时性故障较多，一次自动重合闸有重要作用 – 保护对象无备用，需要精度较高的故障点探测装置
牵引变电所馈线保护
• 馈线保护的发展
– 60年代初，用电磁型保护，效果不好 – 70年代初，开始研究晶体管保护，包括 DTK-1的园特性距离保护及其具有四边形动 作特性的ZKH-1型成套保护装置 – 80年代开始研制集成线路型保护装置和危机 保护装置 – 90年代开始推广微机保护装置 – 现在开始使用综合自动化系统
– 为了方便，一般把测量阻抗和整定阻抗放在 放在阻抗平面上
牵引变电所馈线保护
• 在Zset范围的园内部为阻抗继电器的动作 区，测量阻抗落入此范围内阻抗继电器 动作，在此外面阻抗继电器不动作； • 实际上由于互感器、继电器等误差，动 作区要适当扩大，扩大的范围约为115120%
牵引变电所馈线保护
• 阻抗继电器的特点：
R
牵引变电所馈线保护
• WXB-71型微机保护中 的阻抗元件的动作特性：
– 具有一致的躲过渡电阻 能力 – 不需要专用的断线闭锁 – 机车主变空投时影响较 小 – 整定简单 jX Xset
Rset R
分区所保护的特殊情况
• 分区所的接线
Z1 DL1 变 电 所 母 线 Z3 上行 分 区 所
DL13 DL3 下行
– 利用阻抗，可以不受系统运行方式的影响， 不存在最小系统、最小短路电流等等的限制， 灵敏度比较高 – 需要引入母线电压和馈线电流，相对电流保 护比较复杂
牵引变电所馈线保护
• 多边形阻抗继电器：多边型阻抗继电器 反应故障点过渡电阻能力强、躲过负荷 能力好，因此在微机保护中应用的相对 广泛 • 微机保护能够利用自身的运算优势，合 成理想的多边形动作特性，保证灵敏度 指标
变压器保护
• 保护变压器内部故障及其不正常运行状 态 • 牵引供电系统的变压器主要有：
– – – – 主变压器：容量15-75MVA 动力变压器 自耦变压器（Auto-Transformer，AT） 吸流变压器（Booster Transformer，BT）
• AT、BT的保护放在牵引网的保护中
牵引变压器保护
• 原理：零序电流保护
牵引变压器保护
牵引变压器保护
• 主变压器保护的其他保护
– 低电压保护（启动元件） – 高压侧过电流保护 – 低压侧过电流保护
• 主变压器保护的特点
– 主变压器价格昂贵，地位重要 – 较少出现故障 – 对保护可靠性要求极高
动力变压器保护
• 动力变压器容量较小，一般不设置差动 保护、瓦斯保护。容量大于规定要求 （瓦斯800kVA，差动10MVA）的也要设 置 • 通常设置电流速断保护、过流保护、负 序电压保护
牵引变电所馈线保护
• 四边形阻抗继电器
α3 α2
牵引变电所馈线保护
• 四边形阻抗继电器：
– 测量阻抗落入动作区 内，保护动作 – 没有方向性 – 对于微机保护来说构 造简单
动作方程： X set 2 X m X set1
Rset 2 Rm Rset1
ห้องสมุดไป่ตู้引变电所馈线保护
• 方向多边形阻抗 继电器： α4 • 为了减小过渡电 阻对阻抗保护的 影响，各边都采 α1 用了倾斜角，特 性如图所示