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牵引变电所继电保护设计与分析

湖南铁路科技职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

课题_牵引变电所继电保护分析

编号＿＿＿＿＿＿＿＿

专业电气化铁道技术　　

班级　309-1班

学生姓名　王爵

指导单位湖南铁路科技职业技术学院

指导教师＿王向东

设计（论文）任务与要求:

任务:

及时认真的完成指导老师交给的论文任务，通过查找资料了解牵引变电所电气主接线和继电保护，了解继电保护分析的研究过程。

找出更有利于牵引变电所供电系统安全运行的措施。

要求：

继电保护是一种电力系统的反事故自动装置，它能在系统发生故障或不正常运行时，迅速，准确地切除故障元件或发出信号以便及时处理。

可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分，对保证电力系统安全运行，保证电能质量，防止故障的扩大和事故的发生，都有积极的作用。

设计（论文）依据的原始资料:

设置一定数量的保护装置是完全有必要的，以便在短路事故发生后一次设备尚未破坏的数秒内，切断短路电流，使故障点脱离电源，从而保护短路回路内的一次设备，同时迅速恢复系统其它正常部分的工作。

随着变电站继电保护技术进一步优化，大大提高了整个电网运行的安全性和稳定性，大大降低运行检修人员的劳动强度，继电保护技术将引起电力行业有关部门的重视，成为变电站设计核心技术之一。

设计（论文）文件的组成及要求:

　　论文首先介绍的是牵引变电所，重点介绍的是牵引变电所电气主接线和变压器，继电保护中的变压器保护和馈线保护。

继电保护是一种的反事故自动装置，它能在系统发生故障或不正常运行时，迅速，准确的切除故障元件或发出信号以便及时处理。

参考资料:

[1]杨新民.杨隽琳.电力系统微机保护培训教材.中国电力出版社

[3]王梅义.高压电网继电保护运行与设计.中国电力出版社

[4]许建安.连晶晶.继电保护技术.中国水利水电出版社

[5]王梅义.电网继电保护应用.中国电力出版社

[6]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.中国电力出版社

[7]李光琦.电力系统暂态分析.中国电力出版社

[8]成都交大许继电气有限公司.WXB.65微机馈线保护装置说明书.2004

任务下达时间:

2012年3月5日

毕业设计开始与完成任务日期:

2012年3月5日--2012年5月25日

系部专业教学指导委员会

该毕业设计（论文）选题符合本专业人才培养目标要求，同意下达任务

系部主任审批意见

同意按计划执行

签字年月日

1.牵引变电所一次设备概述

1.1电气化铁道牵引供电系统概况

电气化铁道的牵引供电系统由牵引变电所（包括分区亭、开闭所、ＡＴ所）、牵引网（馈电线、接触网、钢轨和回流线）、电力机车等组成。

图1-1中所示三相牵引变电所将电力系统110kv或220kv的三相电变成两相27.5kv分别供给变电所两边的供电臂以供电力机车提供电能（如Ａ相和Ｂ相为27.5kv，Ｃ相钢轨），相邻变电所之间的供电臂为同相电。

通过分区亭可以实现越区供电或上下行并联供电。

图1-1电气化铁道牵引供电示意图

牵引变电所：

主要是将电力系统传送的220kv或110kv的三相电源转换成牵引网额定电压27.5kv单相交流电，然后向铁路沿线架设的牵引网供电。

分区亭：

主要作用是操作设置在两个牵引变电所之间连接两供电分区的开关设备，实现灵活供电，提高运行的可靠性。

开闭所：

实质上是个不进行变压的配电所，主要是将从牵引变电所牵引母线上引出的一路馈线电线按需要向分组接触网供电。

一般设置在需要送出多路馈电线的多接触网分组的枢纽站场附近。

接触网：

是一种悬挂在电气化铁道线路上方，并和铁路钢轨保持一定距离的链形或单导线的输电网。

牵引电力机车能量获取是通过机车受电弓和接触网的滑动接触来实现的。

馈电线：

亦即供电线，是指连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所转换完备的牵引用电能送给接触网。

轨道：

在电气化铁道系统中，轨道除了作为列车的导轨外，还与接触网组成通道，完成导通回流的任务。

回流线：

连接轨道和牵引变电所的导线，把轨道中的回路电流导入牵引变电所。

牵引网：

是指有接触网、馈电线、轨道和回流线组成的电能传输的网络。

1.2牵引变电所的分类

牵引变压所分为直流和交流两类。

直流牵引变电所的功能是把区域电网的高压电加以降压和整流，使之成为直流1500伏、750伏或城市交通用600伏电压,再送到接触网，为直流电力机车或电动车辆供电。

交流牵引变电所根据牵引变压器绕组接线不同，又分为三相、单相和三相-两相牵引变电所。

①三相牵引变电所：

变压器原边绕组通常为星形连接，副边绕组为三角形连接。

三角形的一个连接点接铁路行车轨道，另两个连接点分别接牵引变电所左右两侧的供电分区接触网。

由于两侧相位差60°,需要分段。

这种牵引变电所的优点是变压器副边保持三相，可供变电所本身和地方的三相用电；缺点是变压器的容量未能充分利用。

②单相牵引变电所：

采用1～2台单相变压器。

用一台单相变压器时，副边绕组的一端接轨道，另一端同时供给左右两侧的供电分区接触网。

为了检修方便，两供电分区采用相关分段加以隔离。

若用两台单相变压器时，其原边绕组分别接到高压三相母线中两对不同的母线上，使三相负载平衡；两个副边绕组按V形接线,公共点接轨道,其余两端分别向两侧的分区供电,并用相关分段。

单相变电所的优点是变压器容量利用较充分。

但地区负荷需专用变压器；简单的单相接线，还影响三相系统的平衡。

③三相-两相牵引变电所：

变压器原边绕组接成T形，与三相高压母线连接；副边为两相连接，共用端接轨道，另两端分别接供电分区,由于两者相位差90°，两分区也需隔开。

这种形式的牵引变电所一定程度上克服了三相和单相牵引变电所的缺点。

中国早期的牵引变电所大多采用三相牵引变电所，从80年代起出现采用三相－两相牵引变电所。

此外，欧美一些国家由于历史上的原因，还有频率为16赫或25赫的单相牵引变电所，但现在发展的主流是单相工频交流牵引制及相应的变电所。

历史上还出现过三相电力牵引及其变电所,但因三相接触网结构复杂,现在一般不用。

中国干线电力牵引采用单相工频25千伏交流电,牵引变电所把输入的110千伏三相交流电转变为25千伏单相交流电送入接触网，从而完成电力牵引的供电任务。

1.3牵引供电系统向接触网的供电方式

牵引网向电力机车的供电方式有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、自耦变压器（AT）供电、吸流变压器（BT）供电方式和同轴电力电缆（CC）供电方式等，分别如图所示：

图1-2直接供电方式

图1-3加回流线的直接供电方式

为增强直接供电方式的防干扰性能，用直接供电加回流线（负馈线）的供电方式，简称为DN（图1.3）供电方式。

为能取得最好的防干扰效果，则需研究回流线的空间布置（与接触网的磁耦合关系）和设法降低回流线～地、钢轨一地回路的自阻抗以提高回流率。

由图1-3可知，DN供电方式是由接触网、钢轨、沿全线架设的负馈线NR（每隔几公里用P金属线和钢轨相连接）组成。

由于NF和钢轨并联连接，使得正常运行时钢轨中负荷电流的一部分分流到NF中去，因此，可以减少流入大地的电流，减轻对通讯的干扰危害，降低钢轨电位，减小馈电回路的阻抗。

另外，当绝缘子闪络时，NF线可起到回归短路电流的作用，即具有保护线（PW）的特性。

图1-4AT供电方式

AT供电方式，其牵引网结构较复杂，由接触悬挂T、正馈线F、保护线PW（包括CPW线）、轨道大地系统Ｒ以及每隔一定距离设置的自耦变压器（AT）构成。

AT并联于接触导线和正馈线之间，AT中点和钢轴相连，使大部分回流流经正馈线，从而降低对邻近通信线的干扰。

为尽量减小感应环的尺寸，正馈线和接触导线架设在同一支柱上。

一般情况下，正馈线与接触导线对钢轨具有相同的电压。

图1-5BT供电方式

BT供电方式在牵引网中设吸流变压器——回流线，可使牵引电流沿回流线流回牵引变电所而不经过由轨道和大地。

同轴电力电缆供电方式，就是将同轴电力电缆沿电气化铁路装设，电缆的内导体与接触悬挂相连、用作正馈线，外导体与轨道相连，用作负馈线，每隔一定距离分成一个供电分区。

结构简单，特别适宜于在长大隧道中应用。

由于电缆价格很贵，在经济上不合理，因此没有应用在实际系统中。

单线区段，对直供方式及BT方式，交流牵引变电所设置间距为40——60KM，对AT方式可扩大到90～100KM。

复线区段适当缩短具体设置要由供电计算确定。

DN供电方式具有供电方式简单、可靠的优点，通过优化其结构和参数能保证较好的屏蔽效果，在稳定网压、延长供电距离、节能方面也有较明显的优势，其成本与运营维修费用均比AT/BT低得多。

AT方式的供电质量高，用电质量高，是高速、重载电气化区段的首选供电方式。

BT方式相对于前两者具有劣势，现在国际上很少采用这种方式。

目前济南局管辖范围内的胶济线、陇海线、京沪线全部采用DN供电方式，包括最近上马的胶济客运专线也是采用DN供电方式。

1.4牵引网的供电方式

1.4.1单线区段

（1）单边供电

（2）双边供电

图1-6电线区段供电方式

单边供电简单，独立性强，在目前的单线区段普遍采用。

双边供电比单边供电有较好的供电质量（电压电能损失小），设备（接触网导线、变压器）负荷均匀，但继电保护较为复杂，且有穿越电流流经接触网。

由于目前主要干线全部开通了复线，所以这种供电方式采用的以越来越少。

1.4.2复线区段

（1）单边分开供电

（2）单边并联供电

（3）双边钮结供电

图1-7复线区段供电方式

单边分开供电简单、独立性强、不设分区亭、可用于运量小、坡道平坦且馈电臂较短的场合。

单边并联供电比分开供电有较好的供电质量，上、下行接触导线负荷均匀，需设分区亭，目前在复线区段普遍采用。

双边纽结供电比单边供电有较好的供电质量，设备负荷均匀，但继电保护复杂，且有穿越电流流经接触网。

目前胶济线、陇海线、京沪线采用的是同相单边供电方式，在分区所实现上下行接触网并联，并实现越区供电。

1.5牵引负荷的特点

图1-8牵引变电所主接线

由图可知，变压器出线一相接地，另外两相分别接牵引网馈线。

由此可见，交流牵引网为两个单相系统，其负荷特性不同于一般的电力系统负荷，具体表现在：

1、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用秒来计算。

馈线电流值的变化范围极宽，一般是在零和最大负荷电流值（如数百或数千安）之间变动。

牵引负荷为单相移动负荷，牵引负荷的大小与线路的机车数量、机车种类、机车功率、运行速度以及线路情况等有关，其幅值、相位随时都在发生变化。

接触网发生故障的几率较电力系统输电线路要频繁得多。

2、牵引供电臂供电距离长，单位阻抗比一般输电线路单位阻抗大。

一般输电线路的单位阻抗为0.40Ω/KM，而牵引网的线路阻抗较大，一般为0.54Ω/KM左右；有吸流变压器时增大为0.82Ω/KM左右，ＡＴ供电方式时约在0.60Ω/KM以上。

由于单位阻抗大，输送距离远，故末端最小短路电流较小。

馈线的最大负荷电流很大，最小短路电流往往接近甚至小于最大负荷电流。

牵引阻抗大，相应短路电流小，有时可与最大负荷电流相比。

3、牵引负荷的变化频率及幅度远远大于一般的电力负荷。

整流式电力机车以及电动车组的电流均含有大量的高次谐波，其中的三次谐波含量最高，可达20%或30%左右。

机车在坡度较大的线路下坡运行时，将由电动机状态转入发电机状态，这种负荷称之为再生负荷，此时的高次谐波成份更高，可达40％以上，并且负荷位于第二象限，当线路上既有正常负荷又有再生负荷或涌流时，其综合负荷就会落入保护动作区使常规保护误动作。

当供电区间列车数增加时，由于不同机车的换向角可能不同，所以牵引馈线电流三次谐波含量减少，但一般仍大于10%。

即便是装有功率因数补偿装置，综合谐波含量仍不低于10%。

而牵引网短路时，机车退出了工作，由于是高压回路的单相直接接地，以及供电回路的参数电抗分量大于电阻分量等原因，所以电气化铁道供电回路故障电流的波形是不含高次谐波成份的正弦波。

4、当在接触网电压下空载投入机车牵引变压器，或馈线突然断电、机车失压后由自动重合闸动作将馈线断路器重新投入，或电力机车在运行过程中失电而又复得（如机车惰行通过电分相），或含有AT、BT的牵引网空载投入等情况下会产生励磁涌流。

励磁涌流的幅值可达650－－800A，从而使馈线电流可达很高的数值。

励磁涌流的波形呈尖顶波且偏向于时间轴的一侧，故励磁涌流中含有大量的二次谐波。

由于励磁涌流不属于故障两牵引网中出现涌流的几率和其幅值都比较大，因此在牵引馈线保护中应保证在此情况下不误动。

5、为了适应机车沿线路移动，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，因为机车的受电弓与接触导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，使接触导线过热，以致烧伤。

另外，由于受电弓对接触导线有迅速移动的向上压力，使接触导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，从而对继电保护动作的可靠性要求相对要高。

牵引网短路电流的数值主要取决于电力系统的供电方式和容量、牵引变电所的总容量、牵引网的供电方式、故障点的距离以及所采用的接触悬挂型式和钢轨型号等。

1.6电气主接线

电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离刀闸、线路等。

它们的连接方式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。

一般在研究主接线方案和运行方式时，为了清晰和方便，通常将三相电路图描绘成单线图。

在绘制主接线全图时，将互感器、避雷器、电容器、中性点设备以及载波通信用的通道加工元件（也称高频阻波器）等也表示出来。

对一个电厂而言，电气主接线在电厂设计时就根据机组容量、电厂规模及电厂在电力系统中的地位等，从供电的可靠性、运行的灵活性和方便性、经济性、发展和扩建的可能性等方面，经综合比较后确定。

它的接线方式能反映正常和事故情况下供送电情况。

电气主接线又称电气一次接线图。

1.7电气主接线应满足以下几点要求：

运行的可靠性：

主接线系统应保证对用户供电的可靠性，特别是保证对重要负荷的供电。

运行的灵活性：

主接线系统应能灵活地适应各种工作情况，特别是当一部备检修或工作情况发生变化时，能够通过倒换开关的运行方式，做到调度灵活，不中断向用户的供电。

在扩建时应能很方便的从初期建设到最终接线。

经济合理：

主接线系统还应保证运行操作的方便以及在保证满足技术条件的要求下，做到经济合理，尽量减少占地面积，节省投资。

1.8电气主接线应满足下列基本要求：

①牵引变电所、铁路变电所电气主接应综合考虑电源进线情况（有无穿越通过）、负荷重要程度、主变压器容量和台数，以及进线和馈出线回路数量、断路器备用方式和电气设备特点等条件确定，并具有相应的安全可靠性、运行灵活和经济性。

②具有一级电力负荷的牵引变电所，向运输生产、安全环卫等一级电力负荷供电的铁路变电所，城市轨道交通降压变电所（见电力负荷、电力牵引负荷）应有两回路相互独立的电源进线，每路电源进线应能保证对全部负荷的供电。

没有一级电力负荷的铁路变、配电所，应有一回路可靠的进线电源，有条件时宜设置两回路进线电源。

③主变压器的台数和容量能满足规划期间供电负荷的需要，并能满足当变压器故障或检修时供电负荷的需要。

在三相交流牵引变电所和铁路变电所中，当出现三级电压且中压或低压侧负荷超过变压器额定容量的15%时，通常应彩三绕组变压器为主变压器。

④按电力系统无功功率就地平衡的要求，交流牵引变电所和铁路变、配电所需分层次装设并联电容补偿设备与相应主接线配电单元。

为改善注入电力统的谐波含量，交流牵引变电所牵引电压侧母线，还需要考虑接入无功、谐波综合并联补偿装置回路（见并联综合补偿装置）。

对于直流制干线电气化铁路，为减轻直流12相脉动电压牵引网负荷对沿线平行通信线路的干扰影响，需在牵引变电所直流正、负母线间设置550Hz、650Hz等谐波的并联滤波回路。

⑤电源进（出）线电压等级及其回路数、断路器备用方式和检修周期，对电气主接线形式的选择有重大影响。

当交、直流牵引变电所35kV～220kV电压的电源进线为两回路时，宜采用双T形分支接线或桥形接线的主接线，当进（出）线不超过四回路及以上时，可采用单母线或分段单母线的主接线；进（出）线为四回路及以上时，宜采用带旁路母线的分段单线线主接线。

对于有两路电源并联运行的6kV～10kV铁路地区变、配电所，宜采用带断路器分段的单母线接线；电源进线为主备时，分段开关可采用隔离开关。

无地方电源的铁路（站、段）发电所，装机容量一般在2000kV·A以下，额定电压定为400V或6.3kV，其电气主接线宜采用单母线或隔离开关分段的单母线接线。

⑥交、直流牵引变电所牵引负荷侧电气接线形式，应根据主变压器类型（单相、三相或其他）及数量、断路器或直流快速开关类型和备用方式、馈线数目和线路的年运输量或者客流量因素确定。

一般宜采用单母线分段的接线，当馈线数在四回路以上时，应采用单母线分段带旁路母线的接线。

1.9主变压器

主变压器参数：

型号

接线组别

额定电压

容量

分接开关型号

XXZ9-4000/110

Yn-Yn-d11

110/38.5/10.5KV

40MVA

UCGKN380/300/CS

1.10高压断路器

高压断路器选择如下表：

电压等级

110kV

35kV

10kV

断路器型号

3AP1FG

ZN91-40.5

VD4M1225-40

额定电流

4000A

1600A

2500A

开断电流

40kA

25kA

40kA

1.11互感器的选择

1、电流互感器主要参数的选择：

互感器是电力系统中测量仪表、继电保护等一次设备获取电气一次回路信息的传感器。

互感器将高电压、大电流按比例变成低电压（100、100/

V）和小电流（5、1A）。

电流互感器的二次侧绝对不能够开路。

电压互感器的二次侧绝对不能够短路。

电流互感器一次电流选择应遵循以下原则：

①一次电流应满足负荷要求,并在标准值中选取。

②一次电流应使在正常运行情况下，二次输出电流满足保护装置和测量、计量仪表准确度要求。

⑴110kV线路独立电流互感器的选择：

LB6—110W，额定电流比2*600/5、2*300/5；准确次级10P20，0.2；

⑵#1主变三侧电流互感器：

110KV侧：

LRB-110额定电流比600/5；准确次级10P20,0.5；

35KV侧：

LDJ1-40.5/300额定电流比1200/5；准确次级5P10；

LZZBJ9-35额定电流比800/5；准确次级10P20,0.5；

10KV侧：

LZZBJ9-10额定电流比2500/5；准确次级5P20,0.5；

⑶10KV线路及电容器电流互感器：

LZZBJ9-10，额定电流比600/5；准确次级10P20,0.5。

2、电压互感器参数的选择

⑴电压互感器应按下表所列技术条件选择：

项目

参数

技术条件

正常工作条件

一次回路电压、二次电压、二次负荷、准确度等级

承受过电压能力

绝缘水平、泄露比距

环境条件

环境温度、相对湿度、海拔高度、最大风速、污秽

⑵电压互感器选择结果：

型号

额定电压（KV）

初级绕组

次级绕组

剩余电压绕组

TYD110/

-0.02H

110/

0.1/

0.1/

0.1

JDZX9-35W2

35/

0.1/

0.1/

:

0.1/3

JDZX16-10G

10/

0.1/

0.1/

:

0.1/3

2牵引变电所变压器保护

2.1继电保护系统

①监视电力系统的正常运行，当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响。

当系统和设备发生的故障足以损坏设备或危及电网安全时，继电保护装置能最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响。

（如：

单相接地、变压器轻、重瓦斯信号、变压器温升过高等）。

　②反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同发出信号，提示值班员迅速采取措施，使之尽快恢复正常，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。

反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。

　③实现电力系统的自动化和远程操作，以及工业生产的自动控制。

如：

自动重合闸、备用电源自动投入、遥控、遥测等。

2.2继电保护的基本属性

继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求：

这四“性”之间紧密联系，既矛盾又统一。

（1）动作选择性：

指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护来切除故障。

上、下级电网（包括同级）继电保护之间的整定，应遵循逐级配合的原则，以保证电网发生故障时有选择性地切除故障。

切断系统中的故障部分，而其它非故障部分仍然继续供电。

（2）动作速动性：

指保护装置应尽快切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用设备自动投入的效果。

（3）动作灵敏性：

指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数（规程中有具体规定）。

通过继电保护的整定值来实现。

整定值的校验一般一年进行一次。

（4）动作可靠性---指继电保护装置在保护范围内该动作时应可靠动作，在正常运行状态时，不该动作时应可靠不动作。

任何电力设备（线路、母线、变压器等）都不允许在无继电保护的状态下运行，可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。

牵引变电所外部电源牵引供电系统一般又由铁路以外的容量较大的电力系统供电。

电力系统有许多种电等级网络和设备，其中110KV及以上电压等级的输电线路，用区域变电所中的变压器联系起来，主要用于输送强大电力，利用它们向电气化铁路的牵引变电所输送电力，供电牵引用力。

为了保证供电的可靠性，由电力系统送到牵引变电所高压输电线路无一例外地为双回线。

两条双回线互为备用，平时均处于带电状态，一旦一条回路发生供电故障，另一条回自动投入，从而保证不间断供电。

牵引变电所主接线牵引变电所（包括分区亭、开闭所，AT所等），为了完成接受电能，高压和分配电能的工作，其电气接线可分为两大部分：

一次接线（主接线）和二次接线。

牵引变电所变压器牵引变电所内的变压器，根据用途不同，分为主变压器（牵引变压器）、动力变压器、自耦变压器（AT）、所用变压器几种；根据接线方式不同，又有单相变压器、三相变压器、三相-二相变压器等。

尽管变压器的类型、容量、电压等级千差万别，但其基本原理都是一样的，其作用都是变换电压，传输电能，以供给不同的电负荷。

牵引变电所断路器,是牵引变电所内最为重要的电气设备之一，其工作最为繁重，地位最为关键（结构最为复杂，它依靠本身所具有的强大的灭弧能力，不但可以带负荷切断各种电气设备和牵引网线路，更