浅析牵引变电所继电保护毕业论文.docx

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浅析牵引变电所继电保护毕业论文

毕业论文

题目:

浅析牵引变电所继电保护

院系名称：

电气工程系

专业班级：

供用电技术3121班

学生姓名：

***

学号：

*********

指导教师：

随淼

完成日期：

年月日

摘要

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。

继电保护的正确工作不仅有力地提高电力系统运行的安全可靠性，并且正确使用继电保护技术和装置，还可能在满足系统技术条件的前提下降低一次设备的投资。

继电保护为完成其功能,必须具备以下5个基本性能。

（1）安全性：

继电保护装置应在不该动作时可靠地不动作，即不应发生误动作现象。

（2）可靠性：

继电保护装置应在该动作时可靠地动作，即不应发生拒动作现象。

（3）快速性：

继电保护装置应能以可能的最短时限将故障部分或异常工况从系统中切除或消除。

（4）选择性：

继电保护装置应在可能的最小区间将故障部分从系统中切除，以保证最大限度地向无故障部分继续供电。

（5）灵敏性：

表示继电保护装置反映故障的能力。

继电保护须具备的5个性能彼此紧密联系。

在选择保护方案时，还应注意经济性。

所谓经济性，不仅指保护装置的设备投资和运行维护费，还必须考虑由于保护装置不完善而发生误动或拒动时对国民经济所造成的损失。

关键词：

牵引变电所,继电保护,电气主接线,主变压器,馈线保护

第一章绪论

继电保护装置是一种能反映电力系统中电气元件发生故障或异常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

它的基本任务是：

（1）当电力系统的被保护元件发生故障时，继电保护装置应能自动、迅速、有选择的通过断路器将故障元件从电力系统中切除，并保证无故障部分迅速恢复正常运行状态。

（2）当电力系统的被保护原件出现异常运行状态时，继电保护装置应能及时反映，并根据运行维护条件，动作于发出信号、减负荷或跳闸。

此时一般不要求保护装置迅速动作，而是根据对电力系统及其原件的危害程度规定一定的延时，以避免不必要动作和由于干扰而引起的误动作。

继电保护的基本原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当这些信息量达到一定值时，继电保护装置启动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号从而切除系统中的故障元件。

第二章牵引变电所一次设备概述

2.1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2-1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。

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。

2.3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2-2直接供电方式

图2-3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）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2-4AT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2-5BT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。

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。

2.5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。

2.6主变压器

主变压器参数：

表2-1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

40MVA

UCGKN380/300/CS

高压断路器

高压断路器选择如下表：

表2-2高压断路器

电压等级

110kV

35kV

10kV

断路器型号

3AP1FG

VD4M1225-40

额定电流

4000A

1600A

2500A

开断电流

40kA

25kA

40kA

2.8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。

（1）110kV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；

（2）#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；

（3）10KV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

电压互感器应按下表所列技术条件选择：

表2-3电压互感器技术条件

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

第三章牵引变电所变压器保护

3.1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。

3.2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，更可与保护装置配合，快速、可带地切断各种短路故障。

隔离开关，顾名思义就是一种在需要时将电气设备、线路与电源隔离开来的开关设备，具有明显可见的、距离足够的断口，它不带灭弧装置，不能开、合负荷电流和短路电流，具体作用为：

1、将需要停电的设备、线路与电源可靠隔离，以保证检修工作的安全。

2、改变供电方式，如110KV进线互投、牵引侧高压母线的分段运行或并联运行等。

3、开、合小电流电路如风压互感器、避雷器及小容量的空载变压器等。

隔离开关按使用地点不同，有户内式和户外式两种，其区别在于户外式隔离开关可适应各种恶劣的气候条件；按工作相数不同，有三极联动，三极连动和单极三种；按操作方式不同，有电动和手动两种，尽管隔离开关的类别多种多样，但其基本组成和结构都是一样的，都由主刀闸、支持瓷瓶、底座、连杆和操作机构几部分组成。

牵引变电所互感器,牵引变电所内仅有变压器、开关等变、配电设备是远远不能满足安全、可靠、高效供电等要求的，还需要用二次设备将其有效的监控、保护起来，因此，就需要一种变换装置将主设备中的电气参数传递给二次设备，如仪表、继电器等，这种将高电压、大电流变换成低电压、小电流的设备就是互感器，变换电压的设备叫电压每感器，变换电流的设备叫电流互感器。

互感器作用如下：

1）将高电压、大电流变换成低电压、小电流，以供仪表、继电器等二次设备使用。

2）将高电压与低电压可靠地隔离开来，以保障二次设备及人身的安全。

3）将电压互感器二次输电压统一规定为100V，电流互感器二次输出电流统一规定为5A，便于设备设计和制造的标准化，并降低生产成本，牵引变电所等级一般为1.5级。

并联电容补偿装置有两种形式的电力负荷枣有功负荷和无功负荷，前者做功后者不做功。

对电力系统来说，其供电能力即容量是一定的，为有功功率和无功功率之和，无功份量所占比重大了，势必造成有功输出减少、降低电力系统的容量和利用率，对经济运行极为不利。

因此总希望无功份量越小越好，即有功负荷所占总负荷的比值。

牵引用电为感性负荷，利用感性负载和容性负载相位相反，互相抵消的原理，牵引变电所采用了并联电容补偿装置，以弥补牵引负荷带来的无功损失。

3.3变压器保护配置原则：

变压器是电力系统的重要电气设备之一。

它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。

因此必须根据变压器的容量及重要性装设性能良好、动作可靠的保护装置。

变压器的故障可以分为油箱内部故障及油箱外部故障两种。

油箱内部故障包括绕组的相间短路、匝间短路以及铁心的烧损等；油箱的外部故障主要是绝缘套管和引出线上的相间故障及单相接地故障。

此外，变压器还可能出现异常运行状态，主要有：

漏油造成油位下降；由于外部短路引起的过电流或长时间过负荷，使变压器绕组过热，绕组绝缘加速老化，甚至引起内部故障，缩短变压器的使用寿命。

3.4主变参数：

型号：

SSZ9-40000/110；

变比：

110±8*1.25%/38.5±2*2.5%/10.5kV；

接线组别：

Yn,yn0,d11；

额定电流：

209.9/599.8/2199.4A；

容量：

S=40MVA，

短路阻抗：

Uk1-2%=10.41%；Uk1-3%=17.53%；Uk2-3%=6.49%；

零序阻抗：

Z0=45.8Ω；

计算得：

X1=0.2681；X2=0.0788；X3=0.3003；X0=0.3463；

3.5主变保护计算：

1，差动保护计算：

高压侧：

600/5（表计400/5）；中压侧：

1200/5（表计800/5）；低压侧：

2500/5。

差动电流起动值Iqd：

取变压器额定电流的50%。

速断动作电流ISD：

躲变压器励磁涌流，取8Ie。

二次谐波制动系数：

取。

比率差动制动系数：

取。

CT断线报警门槛值:

0.1Ie.

平衡系数计算:

区外故障时的最大不平衡电流计算:

Ibp=Kk*（Ktx*Δfi*Idmax+ΔU1*Idmax+Δfi*Idmax）

=1.3*（0.1*4198/240*1.155+0.1*1351/120*1.65）

Ir=0.5*（1351*1.65/120+4198*1.155/240）A=19.4A=6.716IeKbl=（1.75-1.875）/（6.716-3）=-0.034<1所以，落在制动区；

区内故障灵敏度计算:

落于动作区内

Iop=（0.99-0.5）*0.55+0.5=0.77AKlm=2.57满足要求

2、后备保护计算：

（二）110kV侧后备CT：

600/5

复合序电压闭锁过流：

75V6V

Idz=（1.25/0.85*210）/120=3.86A取4A

秒跳1#主变三侧开关。

过负荷保护：

Idz=（1.05/0.85*210）/120=3.24A取

零序电流保护CT：

200/5停用。

（三）35kV侧后备CT：

1200/5

复合序电压：

75V、6V

电流：

Idz=1.25/0.85*600/240=3.68A取3.7A

2秒跳35kV侧开关

过负荷定值：

Idz=1.05/0.85*600/240=3.09A取

（四）35kV侧方向后备保护CT：

1200/5

本保护仅在110kV侧停电，35kV送10kV负荷时投入，考虑联络线输送限额为300A。

有：

Idz=1.25/0.85*300/240=1.84A取秒跳三侧

（五）10kV侧后备CT：

2500/5

复合序电压：

75V、6V

Idz=1.25/0.85*2199/500=6.5A取秒跳本侧开关

过负荷定值：

Idz=1.05/0.85*2199/500=5.4A取

3.6变压器的保护

3.6.1瓦斯保护

在油浸式变压器油箱内发生故障时，由于故障点的局部高温是变压器油温升高油内空气被排出形成上升起泡，若故障点产生电弧，则变压器油和其他绝缘材料分解出大量气体，这些气体自油箱流向油枕上部，故障越严重，产生的气体越多，流向油枕气流速度越快。

利用这种气体实现的保护称为瓦斯保护。

瓦斯保护的测量元件是气体继电器。

气体继电器安装在变压器油箱与油枕间的连接管上。

为使气体能够顺利进入瓦斯继电器和油枕，变压器的顶盖与水平面之间夹角应有1％～1.5％的坡度。

连接管道应有2％～4％的坡度。

以保证气体继电器可靠灵敏的工作。

当变压器内部发生轻微故障时，产生少量气体，汇集在气体继电器上部，迫使气体继电器内油面下降，使开口油杯露出水面，因物体在气体中比在油中受到的浮力小，因此开口杯失去平衡，绕轴落下，永久磁铁随之落下，接通干簧触点，发出轻瓦斯动作信号。

当变压器漏油时，同样由于油面下降而发出轻瓦斯信号。

当变压器内部发生严重故障时，油箱内产生大量气体，变压器油箱和油枕之间连接导管中出现强烈的油流，当油流流速达到整定速度值时，油流对挡板冲击力克服弹簧的作用力，挡板被冲动，永磁铁靠近干簧触点，干簧触点闭合，发出跳闸脉冲，断开变压器各电源侧的断路器。

3.6.2定时限过电流保护

定时限过电流保护是指这种保护的动作时限，经整定计算确定后，即有专门的时间元件给予保证，其动作时限与短路电流无关。

作为变压器的相间短路的后备保护。

保护动作后，跳开变压器两侧的短路器。

保护的启动电流按照躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，即

Iset=

I[3-1]

式中

——可靠系数，取1.2~1.3；

——返回系数，取0.85~0.95；

I——变压器可能出现的最大负荷电流。

I可按以下情况考虑，并取最大值：

对降压变压器，应考虑电动机的自启动系数时的最大电流，计算式为

I=

Kss