高铁牵引变电所馈线保护配置与整定分析 (2).pdf

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1、 50 收稿日期：2014- 01- 17 机车电传动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 2, 2014 Mar. 10, 2014 2014 年第 2 期 2014 年 3 月 10 日 高铁牵引变电所馈线 保护配置与整定分析 王亚妮 （广州铁路职业技术学院 轨道交通学院， 广东 广州5 1 0 4 3 0 ） 作者简介：王亚妮（1967-） , 女, 硕士, 副教授, 从事牵引 供电领域教学及科研工作。 摘要 ：结合石武客运专线牵引变电所馈线保护运行现状和故障案例，对牵引变电所馈线保护 的设置及整定计算进行了分析和探讨，并提出了整定建议，对高铁相间短路进行了分析

2、并提出了相间 保护整定设想。 关键词：高铁；牵引变电所；馈线保护；相间短路；整定计算；分析 中图分类号：U224.4 文献标识码 ：A 文章编号：1000- 128X(2014)02- 0050- 04 Analysis of High-speed Rail Traction Substation Feeder Protection Mode and Setting WANG Ya-Ni (Railway Transportation College, Guangzhou Institute of Railway Technology, Guangzhou , Guangdong 510430

3、, China) Abstract: Based on the operation status and fault cases of Shi-Wu passenger line traction substation feeder protection, configuration and setting calculation of traction substation feeder protection were analyzed and discussed, and suggestions of protection setting were put forward. Short c

4、ircuit between phases was analyzed, protection setting idea of which was brought out. Keywords: high-speed rail; traction substation; feeder protection; short circuit between phases; setting calculation; analysis 研 究 开 发 0 引言 牵引网在故障或者非正常运行状态时， 保护装置 应能在最短时间和 最小区域内， 将故障设备从系统切 除或者自动发出信号， 以减少或避免设备的损坏， 为

5、 此， 牵引变电所馈线设有阻抗、 电流速断、 过流和电流 增量等保护。 我国高速铁路 （含250 km/h及以上的客运 专线线路） 接触网的正常运行方式通常采用全并联AT 供电方式， 除此之外， 也允许存在全部自耦变压器退 出运行 （直供方式） 、 部分自耦变压器退出运行 （混合 供电方式） 和越区供电等非正常运行方式。 多种运行 方式下， 馈线保护缺乏权威的整定计算方法和整定规 范， 实际运行中发生过保护拒动或误动的现象， 造成 馈线保护可靠性下降， 严重影响供电安全。 1 馈线保护配置与整定原则 1 . 1 石武客运专线石家庄至郑州牵引变电所 牵引变电所馈线设有阻抗、 电流速断、 过电流、

6、 电 流增量保护及自动重合闸装置， 按正常、 越区、 直供3 种运行方式配置定值。 正常运行方式：上下行接触网的电压是同相 的， 一般由变电所的同一侧母线取流。 上、 下行接触网 在电气上分开， 并在供电臂中间AT所和末端分区所处 实行上、 下行并联供电。 若上行或下行断路器故障， 可 通过上下行联络隔开采用 “一带二” 模式供电。 正常运行方式时， 阻抗保护设两段， 均保护全长， 段作为I段的后备， I段时限0.l s， 段时限0.4 s。 越区供电方式：当某一牵引变电所因故障不能 正常供电时， 故障变电所担负的供电臂， 经分区所越 区隔离开关同相邻的供电臂接通， 由相邻牵引变电所 进行临时

7、供电， 本供电方式定值也适用于分区所环供 方式。 直接供电方式：供电臂自耦变压器全部退出， 牵引变电所上下行分开供电， 分区所上下行并联， AT 所上下行断开。 采用越区供电方式和直供电方式时， 阻抗保护设 两段：I段与分区所阻抗保护配合， 段保护整个越区 DOI:10.13890/j.issn.1000-128x.2014.02.010 可以拼到论文里 这叫一带一嘿嘿 关于AT的分析非常切合直 供所需要的东西，完全可 以参考 核心 51 供电臂(直供时为上下行供电臂)全长；I段时限0.1 s， 段时限0.4 s。 过电流保护采用低电压启动， 低压定值取80 V （二 次值） ；电流按1.2倍

8、最大负荷电流计算；时限取0.7 s。 电流增量保护按1.3倍列车最大启动电流考虑， 时 限取0.7 s。 1 . 2 石武客运专线郑州至武汉牵引变电所 牵引变电所馈线设有阻抗、 过流、 电流增量保护 及自动重合闸装置。 保护整定考虑正常 （非越区） 、 越 区2种情况进行定值配置。 正常 （非越区） 供电方式：无论是AT供电方式， 还是直接供电方式， 其馈线整定值采用相同的定值。 阻抗保护设I段， 保护线路全长， I段时限0.l s。 越区供电方式:馈线的线路阻抗整定值分别按 AT供电方式和直接供电方式整定。 阻抗保护设两段， I 段与分区所阻抗保护配合；段保护整个越区供电臂 （直供时为上下行

9、供电臂） 全长；I段时限0.1 s， 段时 限0.35 s。 过电流保护采用低电压启动， 低压定值取73 V （二 次值） ；电流按1.2倍最大负荷电流计算；时限取0.1 s。 电流增量保护按1.2倍列车最大启动电流考虑， 时 限取0.5 s。 根据以上整定原则， 馈线保护考虑正常 （非越区） 、 越区、 AT、 直供、 上下行各1台断路器、 上下行共用1台 断路器6种因素进行定值配置， 如表1所示。 石武客运专线牵引变电所馈线保护按不同的运行 方式分开配置定值， 优点是克服了京津城际馈线保护 正常运行与越区供电采用1 套定值， 在正常运行时末 端较大范围需要阻抗段保护而动作速度慢的问题。 缺

10、点是馈线运行方式发生变化时， 电力调度要通过远 动终端改变整定值区。 2 馈线保护运行现状分析 石武客运专线运行1年来， 牵引网发生故障132件， 馈线保护拒动12件， 占跳闸总件数10%。 保护拒动按原 因分：定值整定不合理， 占85%；保护配置不全， 占10% （高铁相间保护） ；其他占5%。 下面以馈线阻抗保护拒 动为例， 对馈线保护配置和整定进行分析。 2 . 1 阻抗保护整定分析 2013年8月11日10时32分15秒， 某所217馈线F相对 地短路， 电压3 536 V， 电流8 895 A， 阻抗2.08 ， 阻抗 角72.2 ；217保护装置过电流、 阻抗I段、 电流增量保护

11、启动， 过电流保护出口跳闸， 重合失败。 与217末端并 联供电的218馈线电压22 115 V， 电流2 100 A， 阻抗58.16 ， 阻抗角72.2 。 218保护装置电流增量保护出口跳 闸， 重合成功。 从上面故障报告中可以看出， 在AT全并联供电方 式下， 217F线对地短路时， 218阻抗、 过流保护未启动。 通过对故障参数和保护定值分析发现218阻抗、 过流保 护未动作是定值偏小造成。 2013年8月11日218保护动 作分析表见表2。 牵引供电系统示意图见图1。 查看设计院提供整定书的参数和整定公式， 其阻 抗保护定值整定计算公式如下： AT供电方式电抗边按保护供电臂全长整定

12、： 式中：XaAT供电接触网单位电抗； L1供电臂1区间长度； Xg供电线单位电抗； Lg供电线长度。 表2 2 0 1 3 年8 月1 1 日2 1 8 保护动作分析表 馈线号 218 阻抗 I 段 过 电 流 整 定 值 X1=28.43 , R1=41.3 , L=72 , t1=0.1 s Uzd=73 V, Idz=1.94 A, t=0.1 s 故 障 值 X1=55.3 , R1=17.97 , L=72.2 Uzd=80 V, Idz=1.4 A 结 论 整定值 X 1 偏小，故障点不在保护区，造 成保护未启动 2 1 8 环供末端短路，短路电压、电流达 不到动作值，保护未启动

13、 表1 馈线保护定值区配置表 运行方式 正常 AT 供电 越区 AT 供电 正常直接供电 越区直接供电 变电所断路器投入模式 上下行各 1 台断路器 上下行共用 1 台断路器 上下行各 1 台断路器 上下行共用 1 台断路器 上下行各 1 台断路器 上下行共用1 台断路器 上下行各 1 台断路器 上下行共用 1 台断路器 定 值 区 变电所 0 区 1 区 2 区 3 区 0 区 1 区 4 区 5 区 AT所 0 区 0 区 0 区 0 区 0 区 0 区 0 区 0 区 分区所 电源侧 0 区 0 区 0 区 0 区 0 区 0 区 0 区 0 区 分区所 馈线侧 0 区 0 区 1 区

14、1 区 0 区 0 区 1 区 1 区 考虑到I段的可靠性， 不考虑互阻抗。 直供方式电抗边按保护供电臂全长整定： 式中：Xt直供方式接触网单位电抗； L1供电臂1区间长度； Xg供电线单位电抗； Lg供电线长度。 比较AT、 直供方式下的电抗整定值， 谁大取谁的 值。 从上述计算步骤可以看出， AT供电方式电抗边整 定时， 按AT供电接触网单位电抗值乘以2倍供电臂全 长计算。 直供方式电抗边整定时， 是按直供接触网单 位电抗值乘以供电臂全长计算， 不考虑分区所末端环 王亚妮：高铁牵引变电所馈线保护配置与整定分析第 2 期 52 供。 最后比较AT、 直供方式 下电抗值取最大值， 但直供 方式

15、未考虑上行通过分区所 迂回向下行供电的情况， 故 造成电抗整定值偏小， 其值 经石武客运专线短路试验和 运行中的短路故障反证偏 小， 致使在某些范围内阻抗 保护不能正确动作。 2 . 2 阻抗保护整定建议 全并联AT供电方式 （见图2） ， 正常运行的接触网 单位电抗一般只有0.16左右， 而常规接触网单位电抗 为0.32左右， 考虑在永久性故障时重合闸后， AT供 电方式下， 自耦变压器失压自动解列， 呈直供运行方 式， 此时阻抗保护要能正确动作， 阻抗保护要按照直 供模式整定， 整定方法建议如下。 非越区供电方式下的变电所阻抗保护配置 变电所馈线正常供电 （非越区） 方式下， 按 “0”

16、区 配置定值， 阻抗段电抗按AT所和分区所间F线断线 且分区所侧接地考虑， 若定值过大易造成误跳闸时， 按电抗一次值不大于20 （相当于不小于机车启动电 流1 200 A） 整定。 电抗一次值大于20的， 增设段阻 抗保护， 动作时间0.35 s， 保护全长。 越区供电方式下的变电所阻抗保护配置 当变电所采用AT越区供电， 末端F线接地短路时， 分区所断路器若拒分断， 被越AT所距短路点阻抗对于 变电所馈线保护将扩大约1倍。 因此， 阻抗保护应按被 越AT所距短路点阻抗的2倍+越区变电所至被越AT所 AT区段阻抗进行整定计算。 当变电所为直供越区供电， 末端T线接地短路时， 分区所断路器若拒分

17、断， 同样， 分区所距短路点阻抗 对于变电所馈线保护将扩大约1倍。 因此， 阻抗保护应 按直供T线分区所距短路点阻抗的2倍+越区变电所至 分区所阻抗进行整定计算。 越区供电变电所过流保护上下行定值分开整定， 但上下行在分区所并联， 有一定均流作用， 相比偏小 的整定值适当增大。 当变电所与分区所之间没有AT所时， 变电所馈 线阻抗段保护的电抗边， 可按上行迂回供电臂下行 的长度乘以F线单位电抗整定。 3 高铁相间短路 石武客运专线接触网分相装置采用关节式电分 相， 由于关节式电分相仅有2个500 mm的空气间隙， 拉 弧距离短， 自投入运行以来已发生3起变电所相间短路 故障， 严重威胁高铁运行

18、安全。 3 . 1 石武客运专线典型相间短路故障分析 2013年2月2日8时03分， CRH动车组带负荷过分 相时造成相间短路， 某所211、 212、 213、 214馈线跳闸， 均重合成功。 211馈线电压12 251.25 V， 电流4 830 A， 阻抗13.95， 阻抗角64.3；212馈线电压25 610.75 V， 电流3 405 A， 阻抗41.49， 阻抗角354.8；213馈线电 压19 038.25 V， 电流3 375 A， 阻抗25.48， 阻抗角68.9 ； 214馈线电压5 915.25 V， 电流7 700 A， 阻抗3.46， 阻抗 角66.9 。 本次相间短

19、路在212、 214跳闸后， 相间短路变成经 过两侧AT所的环形相间短路， 相间短路发展成对地短 路后， 211、 213馈线跳闸， 切断短路电流， 承力索、 接触 线没有明显烧伤痕迹。 2013年12月16日8时02分， 一列动车组带负荷过 分相时造成相间短路， 某所212、 214馈线同时跳闸， 重合 成功。 212电压25 225.75 V， 电流3 405 A， 阻抗角356.3 ； 214电压22 297.25 V， 电流2 675 A， 阻抗角135.1 。 本次相间短路未转换成对地短路， 212、 214跳闸后， 相间短路变成经过两侧AT所的环形相间短路， 最后靠 自然灭弧切断短

20、路电流， 烧断一根吊弦， 承力索、 接触 线有大面积烧伤。 3 . 2 常规保护装置相间短路的保护响应 变电所相间短路时， 一般引前相馈线阻抗段保 护能首先动作跳闸， 跳闸后相间短路将通过AT所转化 为半环形短路， 如果此时相间短路未转换成对地短路， 滞后相馈线电流增量保护会相继动作跳闸， 相间短路 将通过两侧AT所转化为大环形短路， 此时短路电流进 一步减小， 相邻馈线保护可能全部拒动。 两变电所间发生相间短路时， 馈线阻抗、 过流保 护也存在不能可靠动作的现象， 相间短路缺乏有效保 护， 相间短路主要靠自然灭弧， 一旦长时间不能灭弧， 有烧断分相线索的可能。 3 . 3 高铁相间短路保护整

21、定设想 为防止高铁变电所相间短路过渡成经两侧AT 所 的环形相间短路， 造成所有保护拒动， 采用变电所引 前相馈线设置阻抗段为相间短路专用保护， 或设置 其他保护方案。 当经过AT所半环形相间短路时， 可保 证直接短路的引前相馈线保护0.1 s跳闸后， 相邻引前 相馈线保护再经0.1 s相继跳闸， 从而切断相间短路电 流， 防止相间短路过渡到经2个AT所的环形相间短路， 造成所有保护拒动。 但是引前相馈线跳闸后， 由于引前相接触网电压 图 2 全并联 AT 供电方式牵引供电系统示意图 图 1 牵引供电系统示意图 机车电传动2014 年 53 在短路期间并未明显降低， 且接触网全并联运行高铁 动

22、车组运行电流大， 两条引前相馈线的负荷电流仍有 可能通过分相维持到引前相馈线断路器重合闸动作造 成多次跳闸， 或由滞后相提供的负荷电流长时间拉弧 烧断分相。 为防止以上情况出现， 设想了以下保护整定方案： 变电所4 条馈线以电流增量保护作为相间短路 的主保护， 电流按600 A整定， 动作时间0.1 s。 当发生相 间短路时， 直接短路的2条馈线， 阻抗段或电流增量 保护同时跳闸， 转换为环形相间短路后， 另2条馈线的 电流增量保护同时跳闸， 彻底切断相间电流。 但是， 这 里电流增量保护动作值小， 受负荷电流影响存在拒动、 误动情况。 在引前相馈线增设阻抗段作为相间专用保 护， R边按2个A

23、T所间环形相间短路计算， X边整定1， 动作时间0.1 s， 在滞后相馈线增设反向阻抗段作为 相间专用保护， R边按2个AT所间环形相间短路计算， X边整定1， 动作时间0.1 s。 当发生相间短路时， 直接 短路的2条馈线同时跳闸， 转换为环形相间短路后， 另 2条馈线同时跳闸， 彻底切断相间电流。 但是， 这里阻 抗保护动作值大， 受负荷电流影响大存在拒动、 误动 情况。 特别是反向阻抗段作为相间专用保护， 在机 车电阻制动反送电时可能误跳闸， 将造成机车制动能 力下降， 影响运输安全。 在引前相馈线设置阻抗段或段作为相间专 用保护， R边按仅保护相间直接短路计算， X边整定0， 动作时间

24、0.060.1 s， 当引前相任意一条馈线阻抗段 或段相间专用保护动作时， 通过阻抗段或段动 作信号出口继电器 （改造既有保护装置信号出口设 置） ， 启动新增跳闸出口中间继电器， 同时让4 条馈线 跳闸， 彻底切断相间短路电流， 跳闸的4条馈线由偷跳 重合功能完成重合闸动作。 该方案相间直接短路启动 电流大， 受负荷电流影响小， 动作可靠， 故障切除时间 短。 需厂家对馈线保护软、 硬件进行相应的改造。 为进一步提高相间短路保护的可靠性， 可在滞后 相馈线设置阻抗段或段相间专用保护， 当引前相、 滞后相2条馈线相间短路保护均动作时， 启动4条馈线 跳闸。 在现有馈线保护装置的硬件基础上， 进

25、行软件、 硬件升级改造， 研制变电所相间短路专用保护装置。 在主变压器后备保护装置中引入2路母线电压、 4路馈 线电流， 主要设置两相复合阻抗保护、 相间低压启动 两相差动过流保护、 两相复合电流增量保护等。 当装 置检测到相间短路时， 保护装置使得主变压器二次侧 断路器同时跳闸， 彻底切断相间短路电流， 跳闸的2台 断路器由偷跳重合功能完成重合闸动作。 4 结语 本文结合石武客运专线牵引变电所馈线运行现 状和故障案例， 对牵引变电所正常和越区馈线保护的 整定计算进行了分析和探讨。 阻抗保护线路单位阻抗 受互阻抗影响， 计算方法较为繁杂， 日常可按T线单位 电抗0.32、 F线单位电抗0.47

26、7进行整定校验。 本文通过相间短路案例， 对高铁牵引变电所相 间短路进行了分析， 并针对综合自动化保护现状对变 电所馈线相间短路保护的设置进行了分析。 参考文献： 1 王汉兵.牵引供电系统相间短路分析及保护设置 J .铁道机 车车辆， 2011(6)：115- 116. 2 张长梅， 楚振宇. 牵引变电所相间短路及其分析 J . 铁道 学报， 2006， 28(5) ：83- 89. 3 贺俊威， 简克良. 电气化铁道供变电工程 M . 北京：中国 铁道出版社， 1982. 4 交大许继. TA21 型牵引变电所安全监控与综合自动化系统 （V2.0） 说明书 S . 2005. （上接第3 4

27、 页） 有限元分析， 可以得到如下结论： 在超常载荷工况下， 最大应力发生在电机短路 组合工况，位于电机支撑座安装孔处， 最大应力为 284.5 MPa， 小于母材或焊缝的许用应力， 结构不会产 生塑性变形， 静强度满足要求。 在模拟运营工况下， 构架关键部位的平均应力、 应力幅值能够满足 Haigh 疲劳曲线图的包络要求， 疲 劳强度满足要求。 构架的一阶模态为9.18 Hz， 为两侧梁反向点头 振型， 证明构架扭转刚度较小， 有较好的柔性。 所以， 本文所研究的永磁直驱转向架柔性构架结 构设计合理， 满足规范及相关标准要求。 参考文献： 1 王文静， 刘志明， 李强， 等. CRH2动车转

28、向架构架疲劳强度 分析 J . 北京交通大学学报， 2009， 33(1) ：5- 9. 2 UIC 615-42003 Motive power units-Bogie and running gear Bogie frame structure strength tests S . 3 EN 137492011 Railway applications-Wheelsets and bogies- Methods of specifying structural requirements of bogie frames S . 4 冯遵委， 陈德强， 楚永萍. 基于HyperWorks的PW80E-型 地铁动车转向架构架强度计算与分析 J . 铁道车辆， 2013 (3) ：6- 9. 5 ERRI B12/RP602001 Tests to demonstrate the strength of railway vehicles S . 王亚妮：高铁牵引变电所馈线保护配置与整定分析第 2 期