第1讲牵引供电系统保护原理

牵引供电系统保护原理西南交通大学电气工程学院2一、电力系统构成及运行状态①电力系统的构成发电→输电→变电→用电②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3二、继电保护的作用①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②作用◆切除故障自动、迅速、有选择地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。4◆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）。③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。5三、对继电保护的基本要求①可靠性◆安全性要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作（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。6②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。7③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8④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。91.2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10一、电流速断保护（电流Ⅰ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：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。ABC12D1d2d11整定计算)3(max..''1.cdKdzIKI可靠性系数，一般取1.2～1.3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0s't没有人为延时，只考虑继电保护固有动作时间12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。min%100%(15%~20%)bABLLL线路全长最小运行方式下两相短路时的保护范围13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，速断保护就可能没有保护范围，因而不能采用。14二、限时电流速断保护（电流Ⅱ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ABC12D保护2电流速断保护1电流速断保护2限时电流速断t'2t''2t''1t'1tltt15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）'.nextdzKdzIKI可靠系数，一般取1.1～1.2下一条线路电流速断保护的动作值16动作时限ttt'QF2QF1171lmK保护范围末端金属性短路时故障参数的最小值保护装置动作参数的整定值被保护线路末端两相短路时流过限时电流速断保护的最小短路电流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线路限时速断保护配合。''''''.,dzKdznextIKItttnext本18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。19三、定时限过电流保护（电流Ⅲ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。M20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maxfImaxfhzq'Khh'dzIKKKKII自起动系数，取1～3可靠系数，一般取1.15～1.25继电器的返回系数maxzqfzqIKIzq'''khIKI21动作时限动作时限与电流大小无关，为此称为定时限。tttQFQF'2'122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）2.1'.min.)(dzdlmIIK下一末远23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。ABC12Dtt3t1t5tltMM3452ttt4t241.3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。因此，电压、电流保护作为主保护一般只适应于35kV及以下电压等级电网；对于110kV及以上电压等级的复杂电网，线路保护常采用距离保护。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护装置（阻抗保护）。25二、距离保护的工作原理kIkUABCZkkfhkUZZI正常情况下：测量阻抗d故障时：测量阻抗kddUZZI残1234fhZ26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。ksetZZsetZkZksetZZkIkUZ123427AB321ZZZC距离保护分为三段式：Ⅰ段：Z’set.3=(0.8~0.85)ZAB瞬时动作Ⅱ段：Z’’set.3=Krel(ZAB+KbraZ’act.2)Ⅲ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28四、距离保护的时限特性距离保护的动作时间t与保护安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=t’2＋Δt=t”’2＋ΔtAB321ZZZCt’3t”3t”’3t’2t”2t’1t”’2保护3的Ⅰ段保护3的Ⅱ段保护3的Ⅲ段lt29五、阻抗继电器动作特性1、全阻抗继电器RjXkZKZset2、方向阻抗继电器RjXoZset12setZZK12KsetZZ全阻抗继电器方向阻抗继电器303、偏移特性阻抗继电器RjXoZsetZko‘setZ'ooZZk－Zoo’RjX85º70ºZkABCO4、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31◆电压回路断线闭锁◆振荡闭锁当电力系统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32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）331.4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。34二、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jXOabcZzdZlminRgRjXO再生负荷R涌流涌流+重负荷再生负荷+重负荷牵引负荷误动区因此，在牵引网馈线保护中距离保护通常采用偏移四边形特性。352.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；◆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中含有较高的二次谐波分量。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。36①综合谐波抑制◆综合谐波含量定义23571IIIIKI11zdzdRRK11zdzdXXK◆自适应调节动作边界自适应阻抗继电器的动作特性图37②二次谐波闭锁◆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221IKI383.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：maxminmaxmax)/sin(cosFkFfLfzdIKUZtgZRLXKXkzd039三、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qhIII时间间隔通常取一个或两个工频周波404.动作判椐1111(1)AghqAhhhZDIIKKIIIKKIKI23571IIIIKI◆综合谐波含量：◆谐波抑制系数：AK（通常取大于1的数）◆二次谐波闭锁：221IKI&t△ZDI2/I1≥KYL信号跳闸△I≥I△ZD◆原理框图415.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。1111(1)AghqAhhhZDIIKKIIIKKIKIK426.特点◆可按一列机车起动电流整定.maxzdkFIKI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43四、过电流保护◆综合谐波抑制◆二次谐波闭锁信号跳闸1212/zdIKIIIIKt44五、反时限过负荷保护常用的三种反时限特性◆一般反时限0.020.14101GFGFTtII◆甚反时限13.5101GFGFTtII◆极度时限280101GFGFTtII特点：近处故障时动作时限短，远处故障时动作时间自动加长。451.5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220JIII，继电器不动作。◆内部故障流入继电器的电流22JdIIII，继电器动作。46二、低压启动过电流保护1.作用◆变压器差动