变压器馈线保护

继电保护原理课程设计报告
专业：电气工程及其自动化
班级：电气1705班
姓名：王素云
学号：201709904
指导教师：陈晓婧
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2020年7月17日
目录
1 设计原始资料 (2)
2设计的课题内容 (2)
2.1馈线保护的特殊问题 (3)
2.2本设计的保护设计 (3)
2.2.1自适应距离保护原理 (3)
2.2.2电流速断保护 (4)
2.2.3电流增量保护 (5)
3 保护的配合及整定计算 (6)
3.1主保护的整定计算 (6)
3.1.1变电所牵引馈线的主保护 (6)
3.1.2分区所牵引馈线的主保护 (7)
3.2后备保护的整定计算 (7)
3.2.1变电所牵引馈线的后备保护 (7)
3.2.2分区所牵引馈线的后备保护 (7)
4原理图的绘制 (7)
5结论 (10)
1设计原始资料
某牵引变电所甲采用直接供电方式向复线区段供电，牵引变压器类型为110/27.5kV，三相平衡接线，两供电臂电流归算到27.5kV侧电流如下表所示。

线路阻抗为0.4Ω/km。

2设计的课题内容
复线单边供电时，为了使牵引网减小正常运行时的电压损失、增大线路容量、减小电能损失、消除电力机车跨越车站接触网渡线时分段处产生电弧的可能，在复线区段采用上、下行线路并联供电方式，如图1所示。

即在一般情况下，断路器QF3、QF4闭合，隔离开关QS1、QS2断开，上、下行线路在分区所并联。

图中α表示本变电所的一个端子，β表示相邻下级变电所的一个端子。

图1复线单边供电图
为了保证在上(或下)行线路故障时不影响下(或上)行线路的正常供电，所以，并联供电方式的馈线保护在变电所与分区所处均应设置保护，以缩小停电范围。

而变电所处α、β端子的保护类似，我只选α端子的保护进行整定计算，5、6处的保护相同，可只整定其中一个(例如5)。

2.1馈线保护的特殊问题
(1) 牵引负荷不仅是移动的，而且其大小随时在变化。

馈线电流变化范围大，一般在轻负荷和最大负荷电流值(数百至数千安)之间变动;
(2)供电臂供电距离长，单位阻抗较大。

一般直接供电方式牵引网的单位阻抗为0.4/km，线路阻抗角为65°，单位互阻抗为0.129/km，故末端最小短路电流可能接近最大负荷电流;
(3)整流型电力机车的负荷电流中含有大量高次谐波;
(4)会产生励磁涌流，含有大量的二次谐波。

2.2本设计的保护设计
变电所牵引馈线的保护5主保护采用距离保护I、II段、电流速断保护;后备保护采用电流增量保护;分区所牵引馈线保护4主保护采用距离保护I；后备保护采用电流增量保护。

2.2.1自适应距离保护原理
距离保护反映的是故障点至保护安装处的距离(阻抗值)，具有较高的灵敏度。

由于多边形特性具有更高的灵敏性和躲过渡电阻能力。

因此，在馈线保护中，一般采用多边形特性作为距离保护的动作特性。

根据牵引负荷的特点，为了提高距离保护的躲负荷能力，需要在距离保护中增加自适应判据。

而电力机车上设有谐波滤波支路，因此，可以根据馈线中综合谐波含量的大小来自动调节距离保护的动作边界，如图2所示。

则自适应距离保护的动作方程为:
{0≤R m≤1
1+KΣ
R set
-R m tanφ
2
≤X m≤0
或{
0≤X m≤1
1+KΣ
X set
R m ctgφ
1
≤R m≤X m ctgφ
L
+1
1+KΣ
R m
(1)
在式(1)中，R set为电阻边整定值; X set为电抗边整定值; φ
1为躲涌流偏移角;φ
2
为容性阻抗偏移角; φ
L
为线路阻抗角。

R m、X m分别为考虑谐波抑制后的测量电阻
和测量电抗，其计算公式如下:
{R m =(1+K h K Σ)R
X m =(1+K h K Σ)X
(2)
在式(2)中, K Σ为综合谐波含量，等于(I 2+I 3+I 5)/I 1；I 1 、I 2、I 3、I 5分别为基波、二次、三次、五次谐波分量， K h 为谐波抑制加权系数。

(2)自适应距离保护整定原则 电抗边按被保护线路阻抗正定，即
X set =K rel ∙X 1∙L
式中，K rel ——可靠系数，取0.8~0.85。

X 1——每千米牵引往阻抗， L ——接触网长度，km 。

电阻边R set 与负荷有关，即
R set =Z L.min (cos φL +sin φL
tan φL
)
式中，Z L.min ——最小负荷阻抗；
φL ——负荷阻抗角。

2.2.2电流速断保护
当TV 发生断线时牵引网发生短路故障，距离保护将拒动，故可配置电流保护作为辅助保护。

为了区分故障电流、负荷电流及励磁涌流，可利用综合谐波含量来区分负荷电流和故障电流，利用二次谐波来区分励磁涌流和故障电流。

电流速断保护动作方程为:
{I 1-KI Σ≥I set I 2
I 1
< K 2.set 式中，I Σ——综合谐波电流;
K ——综合谐波加权系数; I set ——电流速断保护整定值;
K 2.set ——二次谐波含量整定值,这里选取在15%~20%之间; I 1、I 2——分别为基波和二次谐波电流。

电流速断保护的原理框图如图2所示。

图2 电流保护原理框图
在复线末端（分区所）并联运行方式下，电流速断保护按躲开末端（分区所）短路时的最大短路电流进行整定，即
I set=K rel∙ I k.max(3)
式中，K rel——可靠系数，可取1.2；
I k.max——分区所处的最大短路电流。

2.2.3电流增量保护
当牵引网发生高阻接地故障时，故障电流可能小于最大负荷电流，导致距离保护和电流速断保护拒动。

此时应该设置电流增量保护，电流增量保护的原理框图如图3所示。

图3电流增量保护原理框图
动作方程为：
{
∆I≥∆I set I2
I1
≥ K2.set
其中，电流增量为
∆I=I1-I1'-K h(I2+I3+I5-I2'-I3'-I5')
式中，I1、I1′——分别为当前和一周波前馈线基波电流；
I2、I3、I5——分别为当前二、三五次谐波电流；
I2'、I3'、I5'——分别为一周波前二、三、五次谐波电流；
K h ——加权抑制系数； ∆I set ——电流增量保护整定值；
电流增量保护的定值可按一列机车的启动电流进行整定，即
∆I set = K rel·ΔI ss (4)
式中，K rel ——可靠系数，可取1.2；
ΔI ss ——一列电力机车的启动电流，跟机车类型有关，一般在200A
左右。

3 保护的配合及整定计算
3.1主保护的整定计算
3.1.1变电所牵引馈线的主保护 (1)距离I 段保护的整定
距离I 段按线路全长L 的85%整定，即K rel Ι取0.85。

于是由式(1)得电抗边的整定值为：
X 1.set Ι=K rel Ι
L (x 0+x 12)
=0.85×20.4×(0.4+0.13) =9.19(Ω)
式中：x 0牵引网单位自阻抗的电抗分量；
x 12上下行供电臂的单位自阻抗的电抗分量; L 牵引变电所到分区所之间的供电臂长度。

电阻边R set 按负荷阻抗正定。

动作时限取0.1s 。

(2)距离П段保护的整定
距离二段与分区所的距离一段配合。

K rel Π取0.8。

于是电抗边整定为：
X 1.set Π=0.8×[(0.4+0.13) ×20.4+8.6]=15.53 (Ω)
电阻边按负荷阻抗整定。

时限与分区所处的距离一段保护实现配合，∆t=0.5，则动作时限可取0.6s 。

灵敏度校验：
K sen =
X 1.set ΠX L
=15.53
(0.4+0.13)×20.4=1.73>1.25
满足要求。

(3)电流速断的保护整定 由式(2)得电流速断的整定值为：
I set =1.2×874=1048.8 (A)
整定时限取0.1s 。

3.1.2分区所牵引馈线的主保护
分区所处设置方向距离I 段保护，分别与变电所处的保护配合实现对上、下行线路的保护。

二者的整定值相同，只是方向不同而已。

于是，由式(1)得 电抗边X I 4.set 整定为:
X 4.set Ι=K rel Ι
L(x 0+x 12)=0.85×20.4×(0.4+0.13)=9.19 (Ω)
电阻边R set 按负荷阻抗整定。

整定时限取0.1s 。

3.2后备保护的整定计算
3.2.1变电所牵引馈线的后备保护
电流增量保护一般作为牵引网发生高阻接地故障时的保护，作为后备保护。

由式(3)得电流增量整定值为:
∆I 5.set =1.2×200=240(A) 整定时限可取0.1s 。

3.2.2分区所牵引馈线的后备保护
由式(3)的分区所的电流增量保护整定值为： ∆I 4.set =1.2×200=240(A) 整定时限可取0.1s 。

4原理图的绘制
TV
跳闸
B C
图4距离保护和电流保护的原理框图
I set
图5电流增量保护原理框图
控制母线
熔断器
距离保护
电流保护
QF1跳闸
QF2跳闸
信号回
路速断
距离电流增量
图6直流回路原理框图
跳闸TV
B
C
图7交流回路原理框图
5结论
本次课程设计主要针对牵引馈线保护进行了相关介绍和整定计算。

由于交流电气化铁路供电系统是一个单相系统，牵引负荷具有冲击性、移动性、电流变化范围广、励磁涌流大、高次谐波含量高等不同于一般负荷的特征，因此其馈线保护的原理相对于一般变电所来说有所不同。

通过分析其负荷特征，得出了自适应距离保护、电流速断保护及电流增量保护等几种适用于馈线保护的保护原理，最后，根据题设中的相关已知条件，分别对不同的保护进行整定计算。

从保护的配置可以看出:在一般情况下，采用距离I、II保护和电流速断保护作为主保护，已基本能够满足保护要求；但当牵引网发生高阻接地故障时，故障电流可能小于最大负荷电流，导致距离保护和电流速断保护拒动，为此可设置电流增量保护，作为后备保护。

至此，整个馈线保护基本完成。

在这次课程设计中，由于以前未曾接触过馈线保护，所以在设计过程中遇到了很多麻烦。

通过查阅课外书，请教老师，结合所学继电保护知识，在与同学的交流合作下终于完成了本次课程设计，也学习到了不少新知识。

参考文献
[1] 张保会,电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,2005.
[2] 王瑞敏,电力系统继电保护[M].北京:科学技术出版社，1994.
[3] 谭秀炳,铁路电力与牵引供电系统继电保护[M].成都:西南交通大学出版社,2007.
[4] 吴必信,电力系统继电保护.北京:中国电力出版社，1998.
[5] 许建安,继电保护整定计算.北京:中国水利水电出版社，2000.
[6] 王维俭,电力系统继电保护基本原理.北京:清华大学出版社，1992 .。