牵引变电所继电保护

牵引变电所的二次保护一、系统结构：保护测控单元、当地监控单元、现场总线、视频监控单元2#主变主后主变备变保保测护护控主后主变备变保保测护护控2#主变主后主变备变保保测护护控主后主变备变保保测护护控1、1、2、3、各保护测控单元完成变电所的继电保护、测量、控制功能。间隔层网络采用双光纤以太网。调度中心通过通信

电力供电系统、电力供电系统供电系统是一个电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电气设备按照一定的技术与经济要求有机组成的一个联合系统。在电力系统中一般分为一次设备和二次设备。一次设备：一般电能通过的设备成为电力系统的一次设备。二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备成为电力系统的二次设备。供电系统在运行工作中有三种状态，即正常工作状态、不正常工作状态和故障状态。供电系统应能在各种复杂情况下的正常供电。电力系统的运行条件一般可用一下一组方程式来描述系统元件和控制的动态规律。EPGi-EPLi-EAPS=0EQGi-EQLi-EAQS=0PGi,Qgi是i个发电机其它电源设备发生的有功和无功功率。PLi、QLi分别是i个负荷使用的有功功率和无功功率。APS.AQS分别为电力系统中各种有功功率和无功功率损耗。下面是一组不等式约束的条件：SkWSkmaxUiminWUiWUimaxIlijWIijmaxfminWfWfmaxSk、Skmax一分别为发电机、变压器式用电设备的功率及其上限。Ui、Uimin、Uimax一分别为母线电压及其上、下限。Iij、lijmax一分别为输、配电线路中的电流及其上限。f、Fmin、fmax一分别为系统频率及上、下限。1、正常状态正常状态下运行的电力系统以上所有的等式和不等式条件的均满足。此时表明电力系统以足够的电功率满足负荷对电能的需求：电力系统中各发电、输电和用电设备均在规定的长期、安全工作限额内运行。2、不正常工作状态及其危害。所有等式约束条件均满足，少部分的不等式约束条件不满足，但又构不成故障的电力系统工作状态，称为不正常运行状态。如负荷超过电气设备的上限造成电流升高（又称过负荷）。系统中出现功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷引起的发电机频率升高，中性点不接地系统和非有效接地系统中的单相接地引起的非接地相对地电压的升高，如白炽灯在电压长期升高+10%时寿命缩短一半。3、故障状态及其危害电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生如短路、断线等故障。最常见同时也是最危险的故障发生各种类型的短路。如三相短路，两相短路，两相短路接地和单相接地短路，不同类型短路发生的概率是不同的。一、继电保护的任务随着自动化技术的发展，电力系统的正常运行、故障期间以及故障源的恢复过程中，许多控制操作日趋高度自动化。这些控制操作的技术与装备大致可分为两大类，其一为保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术与装备。主要进行电能生产过程的连续自动调节，其特点动作速度相对迟缓，调节稳定性高，把整个电力系统或其中一部分作为调节对象，这就是通常理解的“电力系统自动化（控制）”。其二，当电网或电气设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术与设备，其特点是动作速度快，其性质是非调节性的，这就是通常理解的“电力电流继电保护与安全自动装置”。电力系统继电保护的基本任务。1、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、保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。2、仅应电气设备的不正常运行状态、并根据运行维护条件、而动作于发生信号式跳闸。此时一般不要求迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免暂断的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动。供电系统在实际运行当中，由于受到人为的因素或大自然的原因，会发生这样那样的故障和出现不正常的运行状态。一旦发生事故即会产生如下后果。1、大电流直接接地短路，短路电流流过短路点引起电弧故障烧毁、烧坏供电设备。2、短路电流通过故障设备和非故障设备时会发热并产生电动力的作用，使设备受到机械性损坏和绝缘损伤以至于缩短设备的使用寿命。3、电力系统中电压下降。影响铁路供电的正常工作，使铁路运输不能正常运行。继电保护是一种能反应供电系统故障和不正常状态，并能及时的使断路器跳闸或发出信号的自动化设备。（1）自动、迅速有选择地切除故障组件，使无故障部分恢复正常运行，故障部分设备避免进一步的毁坏。（2）发现供电系统的不正常状态，根据运行维护条件动作于信号，减负荷或跳闸。二、继电保护的基本要求继电保护在经济上、技术上一般应满足五个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性、可靠性、和经济性。1、选择性：是指当保护装置动作时，仅将故障组从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。2、速动性：快速地切断故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在低电压情况下的工作时间，减小故障组件的损坏程度，因此，在发生故障时，力求保护装置能迅速动作切断故障。3、在一些情况下，供电系统允许保护装置切除故障时带有一定的延时。所以继电保护的速动性应根据供电系统的具体要求来确定。以下情况要求快速动作。（1）影响系统运行的稳定性，必须快速切除高压输电线路上的故障点。（2）导致线路、母线电压低于允许值（一般为额定电压的70%）的故障（3）大容量的发电机、变压器、电动机内部发生故障（4）供电线路发生大电流直接接地短路故障（5）可能危及人身安全，对通讯系统或铁道信号系统有强烈干扰的故障故障切除时间的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。一般快速保护的动作时间为0.06〜0.12s，最快的可达0.01〜0.04s，一般的断路器的动作时间为0.06〜0.15s，最快的可达0.02〜0.06s。4、灵敏性：是指对于供电系统保护范围内发生故障或不正常运行状态时的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是，在事先规定的保护范围内部发生故障时，不论短路点的位置在何处，短路的类型如何，以及短路点有无过度电阻，都应做出快速的正确反应。衡量保护装置的灵敏性的重要指标是灵敏系数。5、可靠性：保护装置在规定的保护范围内，发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作；而在不该动作的情况下，则不应勿动。一般来说，保护装置的组成组件的质量越高，接线越简单，保护装置的工作就越可靠。同时，精细的制造工艺，正确的调整试验，良好的运行维护以及丰富的运行经验，都是可靠性的保证。为了确保继电保护的可靠性，就必须考虑继电保护或断路器拒绝动作的可能性，所以必须设有除主保护以外还应该设有后备保护。6、经济性：应从国民经济的整体利益出发，按被保护设备在整个供电系统中所处的作用和地位来选择继电保护方式。三、继电保护的基本原理电力系统发生故障时会引起阻抗变小、电流增加和电压降低，以及电流、电压间相位角的变化等。因此，利用发生故障时的这些基本参数与正常运行时的参数比较，就可以构成不同原理的继电保护。正常运行时各变电所母线上的电压一般都在额定电压±5%〜±10%范围内变化，且靠近电源端母线上的电压略高。短路后，各变电所母线电压有不同程度的降低，离短路点越近，电压降得越低，短路点的相同或对地电压降低到零。利用短路时电压幅值的降低，可以构成电压保护。同样：线路始端的电压与电流之比反映的是该线路与供电负荷的等值阻抗及负荷阻抗角（功率因数角）。其数值一般较大，阻抗角较小。短路后，线路始端的电压与电流之比反映的是该测量点到短路点之间线路的阻抗。其值较小，如不考虑分布电容时一般正比于该线路段的距离（长度），阻抗角为线路阻抗角，较大。利用测量阻抗幅值的降低和阻抗角的变大，可以构成距离（低阻抗）保护。如果发生的不是三相对称短路，而是不对称短路，则在供电网络中会出现某些不对称分量，如负序式零序电流和电压等，并且其幅值较大。而在正常运行时系统对称，负序和零序分量不会出现。利用这些序分量构成的保护，一般都具有好的选择性和灵敏性。1、保护装置的构成一般继电保护装置由测量比较元件、逻辑判断元件和执行输出元件三部分组成。元件逻辑判断元件元件逻辑判断元件元件信号2、测量比较元件：测量比较元件用于测量通过被保护电力元件的物理参量、并与其给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应该启动。根据需要继电保护装置往往有一个或多个测量比较元件。常用的测量比较元件有：被测电气量超过给定值动作的过量继电器。如过电流继电器、过电压继电器、高固波继电器等，被测电器量低于给定值动作定量继电器，如低电压继电器，阻抗继电器，低固波继电器等。被测电压、电流之间相位角满足一定值而动作的功率方向继电器等。3、逻辑判断元件逻辑判断元件根据测量比较元件输出逻辑信号的性质、先后顺序、持续时间等，使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是否应该使断路器跳闸，发生信号或不动作，并将对应的指令传给执行输出部分。4、执行输出元件执行输出元件根据逻辑判断部分传来的指令，发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的动作信息，发出警报或不动作。四、继电保护及其分类继电保护一般由三个组成部分：感受元件、比较元件、执行元件。感受元件一将感受到的能使保护装置产生反应变化情况的物理量。比较元件一将感受元件送来的物理量与预先给定的(整定值)进行比较，比较的结果向执行元件发出指令。执行元件---按来自比较元件的命令自动完成继电保护装置所担负的任务继电器的分类按原理分为一电磁型、感应型、整流型、极化型，晶体管型、集成电路型等。按反映的物理量的性质分：电流、电压、功率、阻抗、高次谐波等。按作用来分：时间、中间、信号等。继电保护装置的分类：继电保护装置通常有以下几种：按保护反映的物理量的不同分为：电流保护装置、电压保护装置、距离保护装置、高频保护装置和瓦斯保护装置等。

非电量保护：重瓦斯、轻瓦斯、油位、温度一段、温度二段、压力释放五、牵引供电常用的继电保护装置电流速断保护过电流保护失压保护过负荷保护主变差动保护过、失电压保护差流保护差压保护谐波过电流保护10・自动重合闸零序过电流保护零序过电压保护三段距离保护电流增量保护（1）三段距离保护电流速断保护过电流保护失压保护过负荷保护主变差动保护过、失电压保护差流保护距离保护的基本原理距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离，并根据距离的远近而确定是否动作的一种保护装置。该装置的主要元件为距离（阻抗）继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值，词阻抗为测量阻抗。当短路点距离保护安装处近时测量阻抗小，当短路点距离保护安装处远时测量阻抗大。牵引供电距离保护通常是单相式阻抗距离保护，也就是指只有一个相电压uk和一个相电流IK，的阻抗继电器，UK和ik的比值就是测量阻抗zk.。ZK=UB*nTA/【BC*nTVub为保护装置的一次侧电压，即母线电压IBC为保护装置的一次侧电流，馈线电流nTV为电压互感器上的变比如图20所示当k点短路时，保护1测量的阻抗是ZK，保护2测量的阻抗是Zk+ZAB。为了保证选择性可以整定保护1的动作时间比保护2的时间短。这样当保护1动作时保护2不动作。下面以保护2为例，距离保护一般都设三段，第一段保护时间最短，保护范围只是AB段的80%，第二段动作时间比第一段高出一个△，保护距离不应超过下一级保护距离一段保护范围。距离二段在本段末端的灵敏系数灵敏系数二保护装置的动作阻抗/保护范围末端发生金属性短路时故障阻抗的计算值7Z二段K-7%BK一般要求大于1.25为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离1、二段的后备保护，还应装设距离保护第三段。对于采用交----直电力机车牵引的电气化铁道，尤其是对于重载线路，牵引重负荷与再生电流叠加和牵引重负荷与励磁涌流叠加都导致常规阻抗保护的误动作，同时，无论机车上是否装有功率因数补偿装置，牵引网负荷电流中总是或多或少地存在谐波分量，本装置就是利用负荷电流中的综合谐波含量作为控制量，自适应地调节阻抗继电器的动作边界。下面是国电南京自动化股份有限公司的三段微机距离保护三断式自适应保护动作特性曲线如常规阻抗继电器的动作边界为Zzd，则自适应阻抗继电器的动作边界为Zzd=1/1+K235*Zzd式中K235=(l2+l3+【5)/l1为综合谐波含量下面以装置采用的偏移平行四边形特性的阻抗继电器一段为例加以说明。1、AB边的调节原则整定当保护范围末端短路时，继电器应能可靠动作，即：X=K*X式中K---为可靠系数，取1.1~1.2zdkxlkxi保护范围末端短路电抗调节为了避免被保护线路上同时存在多列车分别工作在牵引、再生或启动工况下继电器误动作，利用上述工况下谐波含量自动调节其动作边界，即Xd=1/1+K23*XL2、BC边的调节原则(1)整定BC边的整定是按基波最小负荷阻抗整定的，即R=K*Z*(cosW-sinW/tg。)式中kZ1min是基波最小负荷阻抗W一功率因I数差时的负荷阻抗角O---BC边的倾斜角，即线路阻抗角，范围为60〜80(2)调节为了避免重负荷时继电器误动，BC边按下式调节R=K*Z*(cosW-sinW/tg9)*(1+K235)显1然：当被保护线路发生短路故障时，由于其电流接近正弦波，自适应阻抗继电器的动作边界不会变；再生、牵引、机车启动及过分相等工况下，动作边界自动缩小，并且负荷电流中综合谐波含量越大，阻抗继电器的动作边界越小，从而大大地提高了阻抗继电器躲过牵引重负荷、再生负荷、启动电流及励磁涌流的能力。试验注意事项1、电压与电流相位2、负荷角度的取值3、低压通电4、一点接地六、主变差动保护一、差动保护的基本原理：主变差动保护是变压器的主保护，主要是在变压器内部故障时保护动作。退出主变运行。正常运行时主变高低压两侧的额定电流不同，为了使差动保护正常的工作，就需要适当选择主变两侧电流互感器的变比，在正常运行时，主变两侧流互二次电流相等。相位相差180度，功率方向一测为正，一测为负。此时差动保护不动作。在变压器外部发生短路或过负荷时，两侧电流互感器二次电流的幅值和相位关系与正常运行时相同，差动保护不动作。当变压器内部发生短路时，由于两侧电流向故障点提供短路电流，故有高低压两侧的电流差值大于正常的整定值，这时保护动作。从而切除故障。二、引起差动保护装置误动的因素由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流变压器的励磁电流仅流经变压器的某一侧，因此，通过电流互感器反应到差动回路中不能被平衡，在正常运行时，此电流很小，一般不超过额定电流的2%〜10%。在外部故障时，由于电压低，励磁电流就减小，它的影响就更小。

2①m+①s图7-2变压器励磁涌流的产生及变化曲线（a）稳态情况下，磁通与电压的关系；（b）在u=0瞬间空载合闸时，磁通与电压的关系；（c）变压器铁芯的磁通曲线；（d）励磁涌流的波形但是当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值较大的励磁涌流。这是应为在稳态工作情况下，铁芯中的磁通应滞后于外加电压90度，如图7-2（a）所示，如果空载合闸时，正好在电压瞬时值u=0时接通电路，则铁芯中应该具有磁通-①m。由于铁芯中的磁通不能突变，将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为+①m。经过半个周期以后，铁芯中的磁通就达到2①m。如果铁芯中还有剩磁中s。则总磁通将为2①m+①s，如图7-2（c）所示。此电流就称为变压器的励磁涌流Ipsu，其数值最大可达额定电流的（6〜8倍），同时包含有大量的非周期分量，如图7-2（d）所示。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、电源的容量的大小、回路的阻抗，以及变压器容量的大小和铁芯的性质等都有关系。如果正好在电压瞬时值最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流，对三相变压器而言，无论在任何瞬间合闸，至少有两相出现不同程度的励磁涌流。表7-1所示的数据，就是几次励磁涌流实验数据的分析。表7-1励磁涌流试验数据举例励磁涌流（%）例1例2例3例4基本波100100100100二次谐波36315023三次谐波76.99.410四次谐波96.25.4-五次谐波5---直流66806273（1）包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧;

(2)包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主;在差动保护中防止励磁涌流影响的方法有：(1)鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别(2)利用二次谐波制动等由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流由变压器两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流由于两侧电流互感器的型号不同，它们的饱和特性、励磁电流也就不同，因此在差动回路中所产生的不平衡电流也就较大。此时应采用电流互感器的同型系数K=1，电流互感器变比误差也要考虑进去。由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流。带负荷调整变压器的分接头，电力系统中常采用带负荷调整变压器分接头来调整输出电压，实际上改变分接头就是改变变压器的变比，如果差动保护已按照某一变比调整好(利用平衡线圈)，则当分接头改变时，就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路。此时不可能再用重新调整平衡线圈的匝数的方法来消除这个不平衡电流，这是因为变压器的分接头在经常的改变，而差动保护的电流回路在带电的情况下不能改动的。因此，对由此而产生的不平衡电流，应在差动保护装置整定值中考虑。微机型比率差动原理动作量【。司「应根据制动电流Ir的计算值按图7-5的折线特性来计算。图7-5图7-5I为差动电流I为制动电流分别如下式计算I=1i1=li-iI"dd.MNI=lil=li+iI「为变压器一次侧电流；飞为变压器二次侧电流。正常情况下，由于i和i大小相等方向相反，所以i为零。op(IVI)M、差动保护的启动电流op(IVI)op.min,r、r1,、IN(K(I-I)+I(IVIVI)op1rr1op.minr1rr2(K(I-I)+K(I-I)+I(I>I)式中I为制动电流幅值;rI为差动电就幅值rr1rdI.为不带制动时差动电流的最小动作值；Kop'K分别为第二段和第三段折线的斜率且K>K1；22.-、1；r2；II分别为第一折点和第二折点对应的制动电流IVI“4：2励磁涌流鉴别原理r1r2；变压器空载合闸和突然失去负荷时所产生的励磁涌流特别严重，差动保护必然采取措施防止误动，一般有下面两种方法：(1)二次谐波制动。保护利用三相差动电流中的二次谐波分量作为励磁涌流闭锁判据。动作方程如下：I>KII”为aEC三相差动电流中各自的二次谐波电流,K为二次谐波系数，op.2Iop.1为对应的三相基波差动电流动作值闭锁方式为“或”门出口，即任何一相涌流满足条件，同时闭锁三相保护。(2)波形比较制动。图7图7为励磁涌流波形，波形比较间断角闭锁原理判据为Vmset；Q<Qset其中5roa分别为励磁涌流波形宽度和间断角，6广3600-ao,6①set和aset分别为波形整定和间断角整定(一般取5wset=1400左右，aset=650左右)。两式同时满足才认为有励磁涌流出现，应输出闭锁保护。差动速断保护当变压器内部发生不对称短路时，差动电流中会产生较大的二次谐波分量，使纵差保护被制动，直到二次谐波衰减后才能动作，这将会延误保护动作时间，造成严重后果。因此提出加速差动出口的方法，即当任一相差动电流大于差流速断整定值时，瞬间动作出口，其判据为INKI式中:差。p动作电流,，In为变压器额定电流，％为大于2的加速系数。(1)平衡系数KPH:由变压器高低压侧额定电流及流互变比决定。对平衡变压器：低压侧额定电流n匕*1.44KPH=高压侧额定电流n，*-"3H对Y/A-11变压器：低压侧额定电流气*1KPH=高压侧额定电流nL*"3对V/V变压器：低压侧额定电流气kph=高压侧额定电流£对SCOTT变压器：低压侧额定电流n匕*2KPH=高压侧额定电流n"3注：nn分别为低、高压侧流互变比晨通电试验差动回路一点接地电流速断保护电流速断保护：对线路上故障电流很大，瞬时启动电流保护称速断保护。它的特点是:保护动作没有延时，能快速的切除线路故障。但是它的选择性、和灵敏性差，且不能保护线路的全长。图4-1电流速断保护动作特性分析现在来分析电流速断保护的整定计算原则。根据电力系统短路分析，当电源电势一定时，短路电流的大小决定于短路点和电源之间的总阻抗Z,三相短路电流可表示为。rE^表示系统等效电源的相电势Z表示短路点至保护安装处之间的阻抗/表示保护安装处至系统等效电源之间的阻抗在一定的系统运行方式下，E和Z等于常数，此时I将随Z的增大而①skk减小，因此可以经计算后绘出I=f(L)的变化曲线，如图4-1所示。当系统运行方式及故障类型改变时，I都将随之改变。对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式，称为系统最大运行方式；而短路电流为最小时的方式，则称为系统最小运行方式。对不同安装地点的保护装置，应根据网络接线的实际情况选最大或最小运行方式。在最大运行方式下三相短路时，通过保护装置的短路电流为最大；而在最小运行方式下两相短路时，则短路电流为最小。这两种情况下短路电流的变化分别如图4-1中的曲线I和II所示。为了保证电流速断保护装置的选择性，以保护1来讲，其启动电流iop.1必须整定得大于C母线上短路时可能出现最大短路电流，即在最大运行方式下变电所母线上三相短路时电流Ik,c.max亦即Iop4>Ik,c.max引入可靠系数K‘nri=1.2~1.3，上式可写为Io