牵引供电系统保护

第一节 牵引供电系统保护特点牵引供电系统的供电对象主要是电力机车。而电力机车是移 动的、大功率的单相负荷，因此它有别于电力系统的位置固定三 相基本对称的负载。为了适应电力机车沿线路移动，牵引网的结构比电力系统馈 电线路要复杂得多。同时，其工作条件也较恶劣，因为电力机车 的受电弓与接触线一直处于快速滑动接触状态。机车通过其接触 点取流。当接触不良时将会产生火花或电弧，使接触线过热，以 致烧伤。另外，由于受电弓对接触线有迅速移动的向上压力，使 接触线经常处于振动状态，因此引起接触网机械故障的机率增 大。上述损伤及故障都可能导致牵引网短路。牵引负荷不仅是移动的，而且其大小随时都在变化，某一电 流值的持续时间往往可以秒来计算。馈线电流值的变化范围极 宽，一般在零和最大负荷电流值之间变动。牵引负荷的大小主要 与线路上的列车数量、机车功率。牵引重量、运行速度以及线路 情况等有关。根据以上特点，设计牵引网保护时应考虑以下具体问题：1、牵引网保护无论在正常或强制供电状态时，均能保证足够 的灵敏度和有选择的切除故障。2、牵引网远点短路时短路电流较小，但近点短路时短路电流又相当大，为了减小危害，仍要求牵引馈线保护速动。3、牵引馈线为长距离、重负荷线路，以距离保护作为主保护。4、由于牵引供电系统出现励磁涌流的机会较多，为了避免其 对保护的影响，一般对电流保护和距离保护均应采用二次谐波闭 锁的方法。5、牵引网的负荷阻抗角大，可达到 3040，电力系统的 负荷阻抗角通常为 25，应采用偏移平行四边形特性的阻抗保 护。第二节 牵引供电系统保护一、主变压器保护1、根据电力设计规程的规定，牵引变压器应设置如下保护1）主要保护，主要保护由瓦斯保护和差动保护构成，瓦斯保 护用于反映变压器油箱内部的短路故障，差动保护既能反映变压 器油箱内的短路故障，也能反应油箱外引出线、套管上发生地短 路故障。主保护跳闸一般启动主变备投。主变压器重瓦斯保护动作使断路器跳闸后，一般不能将变压器 投入运行，只有确认是瓦斯保护误动或经过高压试验、变压器油 化验均无异常后方可进行空载试投，若空载试投成功后可以正式 投入运行。在主变压器投入运行前，要查明保护跳闸原因，并将 故障部位处理好。一般情况下，下列故障可能引起变压器重瓦斯保护动作（1）变压器内部线圈发生匝间或层间严重短路（2）变压器油面下降太快。（3）变压器新装或大修加油后，大量气体排出使重瓦斯动作。（4）重瓦斯动作流速整定值小，在外部短路电流冲击下引起 油流涌动，使重瓦斯动作。（5）保护装置二次回路故障引起重瓦斯误动作。（6）气温骤降变压器油凝固，气温回升时引起重瓦斯动作。主变压器差动保护动作使断路器跳闸后，不能将变压器投入运 行，应对保护范围内的一次设备进行巡视检查，检查有无放电痕 迹、瓷瓶爆炸、变压器或流互喷油、油色、油位有无异常，设备 有无异味、设备附近有无异物等现象。检查流互二次回路各接线 端子有无松动，烧伤现象。微机保护的差动保护动作应校核计算 主变一、二次侧的电流。对涉及到得高压设备进行必要的高压试 验。对变压器油和油气进行化验和色谱分析。查明跳闸原因并将 故障部位处理好方可空载试投。一般情况下，下列故障可能引起变压器差动保护动作（1）差动保护范围内的高压设备发生故障。（2）变压器内部线圈发生匝间或层间短路。（3）变压器引线相间短路。（4）保护装置二次回路故障引起的差动保护误动作。（5）高、低压侧电流互感器极性接错。（6）高、低压侧电流互感器二次接线开路或端子接触不良。（7）微机保护的差动保护平衡系数错误。2）后备保护，包括低压闭锁的高压三相过流保护，低压闭锁的低压二相过流保护，主变过热保护，过负荷保护，失压保护。 一般情况下，下列故障可能引起变压器低压闭锁过流保护动作（1）母线短路故障。（2）变压器内部故障时，主保护（差动、重瓦斯）拒动。（3）接触网线路故障，馈线保护拒动。（4）保护装置二次回路故障引起保护误动。2、变压器保护整定1）轻瓦斯保护是按气体容积进行整定，整定范围一般为250300立方厘米，通常整定在 250立方厘米。2）重瓦斯是按油气流速进行整定，整定范围为 0.6%-1.5%， 通常整定在 1 米/秒左右。3）微机保护差动保护整定， 差动动作电流按躲过最大负荷电流下的不平衡电流整定，一般 根据实际情况取 0.30.5 倍主变高压侧额定电流，大秦按 0.7 倍主变高压侧额定电流整定。比率差动电流保护装置比率差动电流保护动作方程如下式【CD JvIGDl）（3-1）IcdICD+K1（Izd-IGD1） （IGD1 WlzdvIGD2）I Icd ICD+K1（IGD2-IGD1）+K2（Izd-IGD2）（打三 IGD2）式中,Icd 差动电流cdIzd 制动电流zdICD 差动电流动作门槛定值IGD1 制动电流拐点 1 定值IGD2 制动电流拐点2定值K1 比率制动系数 1K2 比率制动系数 2装置的动作特性曲线如图 3-1所示。比率差动制动特性比率制动拐点电流 1，一般根据实际情况取 0.51 倍主变高 压侧额定电流，大秦按 1倍主变高压侧额定电流整定。比率制动拐点电流 2，一般根据实际情况取 15 倍主变高压 侧额定电流，大秦按 4倍主变高压侧额定电流整定。比率制动系数 1，一般取 40%-50%，大秦按 40%整定。比率制动系数 2，一般取 60%-70%，大秦按 60%整定。 二次谐波制动系数，按基波电流中二次谐波含量超过 15%-20% 整定，短路电流二次谐波含量低，涌流二次谐波含量较高（一般 在 20% 以上）。大秦按 15% 整定 . 当二次谐波电流大于基波电流的 15%时，比率差动保护不动作，可以躲过变压器空投时的励磁涌 流的影响。平衡系数，以高压侧为基准，按变压器变比及高低压侧流互流 互的选择进行整定。差动速断电流，按变压器空载合闸时可能出现的最大涌流的1.52 倍整定，励磁涌流的大小与变压器合闸瞬间电源电压的 初相角及铁芯中的剩磁大小有关。正常情况下（稳态）此电流很 小，一般不超过变压器额定电流 35%。当变压器空载投入或外 部故障切除后电压恢复的暂态过程中，变压器将产生很大的励磁 涌流，严重时可达到变压器额定电流的 68 倍，励磁涌流开始 瞬间，衰减很快，经 0.5-1 秒，其值不大于 0.25-0.5 倍额定电 流。由于励磁涌流仅流过变压器的电源侧，且有较高的二次谐波 含量，所以在差动回路中不能被平衡，二次谐波能闭锁，相当于 变压器差动保护范围内发生故障，比率差动保护不会动作，需设 置差动速断保护。一般情况下，差动速断电流按变压器额定电流 的 6 8 倍整定。大秦按 8 倍主变高压侧额定电流整定.4）低压闭锁的过流保护，电流按主变高、低压侧额定电流的1.5倍整定，电压按60.6V,高压侧过流延时1.5S，低压侧过流 1S。低压闭锁的高压侧过流保护要和上级地方供电保护配合。低 压闭锁的低压侧过流保护， AT 供电方式时，要考虑过流保护接 线方式，只接T线电流或T线电流、F线电流分别接线时按低压 侧额定电流的1.5倍整定，T线电流和F线电流差接时按低压侧 额定电流的 3倍整定。5）过负荷保护整定，电流按主变高压侧额定电流的 1.5 倍整 定， 60S 报警， 90S 跳闸。6）失压保护，电压按采集电压（线电压或相电压）的 1/2 整 定。二、电容补偿装置保护1、牵引负荷的功率因数一般较低，由电力机车的功率因数及 接触网与牵引变电所变压器的感抗所决定，在这种情况下，要提 高牵引供电系统的功率因数，就必须提高电力机车本身的功率因 数以及在牵引变电所内或接触网其它地点安装无功功率补偿装 置。全所停电时，一般情况下应将所有馈线开关断开，母线来电 后，负荷为零，母线电压较高，电容器若不事先断开，在较高的 电压下突然充电，由可能造成电容器严重喷油或鼓肚。同时因为 母线没有负荷，电容器充电后，大量无功向系统倒送，时母线电 压更高，此时，即使是将各路负荷送出，负荷恢复到停电前还需 一段时间，母线很可能维持在较高的电压水平上，超过了电容器 允许连续运行的电压值（电容器长期运行电压一般不超过额定电 压的 1.1 倍）。此外，空载变压器投入运行时，其充电电流在大 多数情况下以三次谐波为主，这时，如果电容器电路和电源侧阻 抗接近于共振条件，其电流可达电容器额定电流的 2-5倍，持续 时间 1-30秒，可能引起过流保护动作。，鉴于以上原因，停电时 必须先将电容器断开，来电待馈线送出后，再投入电容器。电容器允许长期运行电流一般不超过额定电流的 1.3倍 电容器断路器保护跳闸后，一般不准强送送电（失压保护除 外），必须检查保护动作情况并进行分析判断，检查断路器、电 流互感器，电力电缆等设备情况，对电容器逐个放电后检查电容 器、电容器保险的运行情况。查明原因并将故障部位处理好后方 可试投电容器。2、电容补偿装置保护1）电流速断保护，按躲过并补支路投入或电容器单独投入时 的最大涌流整定，用于保护补偿装置断路器到电容器组连线之间 的短路故障，不因负荷产生高次谐波电流而动作。IsD=KkXJ2Ie （l+JXc/ XL） ,Kk取 1.2, Ie额定电流。I =6.5ISDe大秦线按额定电流的4倍整定。延时0.1S2）过电流保护，按大于电容器允许长期运行电流整定，用于 补偿装置内部部分接地故障，用延时躲过合闸涌流。I=KkXIeKk取 1.4, Ie额定电流。大秦线按额定电流的 1.4 倍整定。延时 0.5S3）差电流保护Icd1=KkXk 心 CTXImax/ nLHtxKk-可靠系数,取 1.3。k CT同型系数，上下CT相同取0.5,不同取1.0tx CT-CT最大允许误差，一般为0.1Imax =（i+ 50DIC式 3 81h 1q hr 2 gh gqK I /1式 39h1 2 1式中：Kh2 增量保护谐波加权系数，通过定值整定；hr2Kh1 二次谐波闭锁系数，通过定值整定；h150IDC 增量保护电流定值；I1h、I1q 故障前后两时刻基波电流；1h 1qIgh、Igq 故障前后两时刻三次、五次谐波电流之和；I1、I2 故障后基波、二次谐波电流。定值整定：Izl= Kk xIqdKk可靠系数取1.3 Iqd机车启动电流4) 馈线过电流保护机车在线路上行驶时，负荷电流经常变化，即在任一电流值 下运行的时间都很短。而故障电流只要一产生，就一直持续到故 障切除后才完结。因此根据电流持续时间的不同可以鉴别故障。 根据这一原理采用具有阶梯特性的三段过电流保护。保护根据实 际的负荷电流时间曲线进行整定。本保护一般作为牵引馈线的后 备保护。三段过流保护均可以选择谐波抑制和二次谐波闭锁功 能，具体功能同电流速断保护，馈线过电流保护整定一般按最大负荷电流的 1.2倍整定Igl= （1.2xIfmax） /Kk Kk-可靠系数取 0.95）馈线电流速断保护： 当系统发生严重故障时为消除阻抗保护动作死区，设置该保 护，对重负荷线路可以选择低电压闭锁、二次谐波闭锁、谐波抑 制特性。一般按保护范围末端最大短路电流整定。Isd= Kk （Umin/ n YH） /（XxL）Kk-可靠系数取1.2X线路单位电抗，L供电臂长度为消除阻抗保护动作死区，保护供电臂近端短路大电流故障， 可按额定电流的3倍整定，5A流互系统为15A。6）PT 断线报警及闭锁阻抗保护PT断线告警，在保护未启动的情况下，装置设有PT断线告警 的功能，可以通过控制字投退。投入 PT 断线后，检测到电压低 于30V、电流大于0.25A （额定电流为5A）或0.05A （额定电流 为1A），延时3S告警，点亮面板告警灯。只有当电压恢复到大 于30V时，告警自动解除，面板告警灯熄灭，告警返回。判据为：U0.05 In式 314PT断线闭锁距离保护。当保护未启动时，如果发生了 PT断线 则闭锁距离保护；保护启动后，PT断线闭锁距离保护的判据与保护未启动时的判据不一样：IXI+IRIvlO （额定电流为5A）或IXI+IRIV50 （额定电流为1A）式3 15I74PTBLC式 316式中74PTBLC为PT断线闭锁电流定值，可以整定。阻抗保护的动作是当测量到阻抗值Z （Z=U/I）等于或小于整 定值时动作，即测量到电压降低，电流增大，相当于阻抗 Z 减小, 当 Z 等于或小于整定值时阻抗保护动作。线路突然失压、电压互 感器二次回路断线（电压消失），线路上还有机车取流，会造成 阻抗保护误动作，设置PT断线闭锁距离保护。PT 断线闭锁距离保护功能应检测线路电流的大小，当线路发 生接地短路故障时，电压降低，电流为短路电流，这时也会达到 PT断线的判据条件，此时应不能闭锁距离保护，即PT断线闭锁 电流定值小于短路电流值。7）馈线重合闸一般情况下，重合闸的条件为：重合闸功能投入，断路器在合位，重合闸充电完成保护跳闸从保护跳闸后开始计时，到重合闸延时时间后，发出重合闸 命令。分区所、开闭所检有压重合闸，到重合闸延时时间时检是 否有压，有压则发重合闸命令，无压则不发重合闸命令。变电所 重合闸延时应与电力机车保护相配合，一般为2S。变电所断路 器重合成功，为保证分区所、开闭所检有压重合闸成功，可将分 区所、开闭所检有压重合闸延时设为 3S。当断路器在分位，手合（遥合）断路器于故障线路时，加速 跳闸，不发重合命令。有的综自厂家（南自）还设有手合（遥合）闭锁功能，当馈 线发生永久性故障时，断路器重合保护装置加速跳闸后（重合失 败），启动手合（遥合）闭锁功能，闭锁手合（遥合）断路器。有的综自厂家（南自）还可设置大电流闭锁重合闸，当保护 跳闸时，装置检测到的跳闸电流若大于大电流闭锁重合闸电流定 值，则不启动重合闸。牵引变电所馈线保护设置大电流跳闸不启 动重合闸功能，虽对变电所馈线跳闸后恢复送电有一定影响，但 可以减少大电流对主变压器等一次设备的冲击。变电所馈线设置大电流跳闸不启动重合闸功能，应考虑将分 区所重合检有压取消，这样当变电所上行馈线断路器不重合时， 可由分区所并联断路器重合由下行馈线向上行线路试送电，这也 符合接触网抢规第 14 条的规定。