1、华中科技大学 硕士学位论文 牵引变压器保护装置开发及理论研究 姓名：付雨林 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：苗世洪 2011-01-05 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 牵引变压器对牵引供电系统来说至关重要，它的安全稳定直接影响着电气化铁 道系统的正常运行。高速电气化铁路的飞速发展，迫切需要功能更强、性能更好的 自动化装置。因此，研制适合我国铁路的微机继电保护装置，具有积极的意义。本 文的主要工作就是开发电气化铁路牵引变压器保护装置并进行相关的仿真和原理 研究。 首先，论文综述了牵引供电系统的结构、供电方式及电气特征。介绍了各种牵 引变压器的
2、接线方式及差流计算。重点研究了阻抗匹配平衡变压器的差动保护原理 及差动电流的具体推导过程。 其次，论文研究了牵引变压器主保护和后备保护的原理及配置，在新型微机保 护平台上实现了变压器差动保护和后备保护的功能，并用 485串口和以太网两种通 信方式实现了 Modbus 规约和 IEC60870-5-103规约在保护装置中的通信功能。 然后， 论文以阻抗匹配平衡变压器的差动主保护为例， 借助MATLAB的simulink 工具，搭建了故障仿真平台，模拟了牵引变正常运行、外部和内部故障的各种运行 方式下差动保护的动作情况。在验证了保护原理的正确性的前提下，也为保护装置 的开发提供了一种新的验证思路。
3、 最后，论文以三相双绕组变压器为例提出了变压器匝间短路的负序损耗比率诊 断理论，并将无线传感器网络应用其中，为变压器匝间短路的保护提供了一种新的 思路，这种思路同样适用于电力牵引变压器保护。 关键词：电气化铁路 牵引变压器保护 以太网 无线传感网 负序损耗比率 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Traction transformer is critical to traction power supply system. Its security and stability directly affects the normal operation of
4、 electric railway system. With the rapid development of high-speed electrified railway, more powerful and better performance automatic device is urgently needed. So it is important to develop the protection equipments suitable for our countrys electric railway. The main task is to develop the electr
5、ic railway traction transformer protection devices and the related simulation as well as the associated theory research. First of all, the paper summarizes the structure, power supply type and electrical characteristics of traction power supply system. This paper studies the transformer differential
6、 protection theories and mainly focuses on the impedance matching balance transformer differential protection principle and the detailed derivation of differential current. Secondly, the paper analyzes the principle and configuration of the traction transformers main protection and backup protection
7、, and realizes the protection functions in the new digital platform. Also, the communication function with the MODBUS protocol and IEC60870-5-103 protocol has been realized through the 485 serial port and Ethernet. Then, taking the differential primary protection of impedance matching balance transf
8、ormer as an example, this paper builds the fault simulation platform with MATLAB-simulink tools on which simulates the action situation of differential protection under the operating mode of normal, external and internal fault. As well as verified the correctness of the protection principle, it also
9、 provides a new validation idea for the development of protection devices. Finally, the paper proposed a negative sequence loss ratio diagnosis theory of transformer inter-turn fault based on three-phase two-winding transformer. In addition to the application of the wireless sensor network, a new me
10、thod is proposed for the 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III protection of transformer inter-turn fault. This method also applies to electric traction transformer. Keywords: Electrifiled railway Transformer Protection Ethernet Wireless sensor networks Inter-turn fault 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的
11、 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_ _年解密后适用本授权书
12、。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 引言 2008年8月， 京津城际铁路建成并投入运行，自此中国大陆有了第一条高速客 运专线， 中国高速铁路建设的序幕就此拉开了。2009年12月， 武广客运专线开通， 全长约 1068.6公里，设计时速 350公里，试车最高时速可达 394.2 公里，投 资总额 1166 亿元，成为中国里程最长、技术标准最高、投资最大的铁路客运 专线。 依照铁道部最新提出的规划，截止到 2012 年底，我国的城际
13、铁路和客运专线 营业里程将达到1.3万公里。到那时，我国将超越德国和日本等高铁起步较早的国 家，成为全球高铁运营里程最长的国家。此外，铁道部还规划了“四纵四横”的远 景规划图。 到 2020年， 中国铁路将形成以高快速客运专线为主干网络的客运系统 1 。 与传统铁路相比较，高速铁路有如下几点优势： 1. 高速铁路运行速度快省时间，平稳安全系数高，舒适方便乘坐空间大， 且价格比较适宜，迎合了现代社会出行的需求。因而，自高铁问世以来就受到 人们的青睐，已成为世界各国发展振兴铁路的强大动力。 2. 高速铁路不仅运输能力特别大，还有减少环境污染的优势，因而特别 适宜于大运量的城市群、城市间和城郊的高频
14、率运输。 3. 高速铁路系统大面积吸纳了现代高科技技术创新的成果，它推动着铁 路科学技术和装备进一步的发展，增强了铁路运输的竞争力，且有助于现代高 科技技术发展登上一个崭新的台阶。 鉴于高速铁路拥有改善旅行条件、节约时间、降低费用以及减少环境污染 等诸多优点，其在世界范围内已经呈现出蓬勃发展的强劲势头。在未来的铁路 运输上，发展高速铁路是时代发展的需要，是科技进步的必然 23 。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 本课题的目的和意义 高速铁路电力列车由牵引供电系统供电。因而牵引供电系统的可靠性直接关系 着高速铁路的安全、高效、经济运行。 同时，牵引供电系统的工作条件很
15、恶劣。这主要体现在以下几个方面：牵引负 荷为单相不对称负荷，会产生严重的负序分量；电力列车在启动、加速、减速、再 生制动等工况间切换，因而牵引负荷变化快、幅度大，会产生谐波分量和励磁涌流； 牵引线路架设在铁轨上方，暴露于各种环境下，甚至可能穿越严重污染区；电力列 车受电弓和接触网之间活动接触，不断引起接触网振动，容易引起接触网部件松动 甚至断线。这些原因决定了牵引供电系统发生故障的几率较公共电力系统高。 牵引线路保护的目的在于：当牵引线路发生故障时，保护能迅速做出反应。对 于瞬时性故障，保护能通过重合闸消除，快速恢复系统正常供电；对于永久性故障， 保护能准确动作，并作出故障判断，帮助工人尽快排
16、除故障。性能优良的牵引线路 保护将有效提高线路的可靠性，减小停运时间，具有重要的社会、经济意义。 高速铁路牵引变电所中最主要的电气设备是牵引变压器， 它的安全稳定运 行，直接影响着铁路电气化系统能否连续稳定的工作。在电气化铁道供电系统 中，由于牵引变压器采用单相供电模式，承受单相不平衡的牵引负荷，再加上 牵引机车频繁启动、加速，以及接触网的频繁故障，使得牵引变压器比同电压 等级、同容量的电力变压器的工作条件要恶劣很多。运行经验表明，在实际运 行中，仍可能发生各种故障和不正常的运行状态，对系统的安全和供电可靠性 带来严重影响 2 。 目前， 牵引变压器一般采用差动保护作为主保护。 由于过励磁、
17、励磁涌流、 TA饱和及TA变比不匹配等情况的影响，差动保护并不能十分准确地区分内部 故障和外部故障，有可能造成保护的误动或者拒动，危及电气化铁道系统的安 全运行。因此，必须对牵引变压器设专用的继电保护，以构成最完善的保护。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.3 国内外电力牵引变压器保护的发展现状 电力牵引变压器常见的故障主要包括：单相绕组部分线匝间的匝间短路、 单相绕组和铁芯间由于绝缘损坏而引起的接地短路、各相绕组之间的相间短 路、引出线之间的相间短路以及引出线的接地短路等。变压器不正常工作的情 况由外部短路或过负荷引起的过电流；不正常电压过高引起的过励磁等。 目前，国内
18、外采用的牵引变压器保护原理基本成熟，牵引变压器一般应装 设以下保护：变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护；变压器绕 组和引出线相间短路、 大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组 匝间短路的纵联差动保护； 变压器外部相间短路故障并作为瓦斯保护和差动保 护的后备的低压启动过电流保护或者复合电压启动的过电流保护或者负序过 电流保护；大电流接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护；变压器对 称过负荷的过负荷保护；变压器过励磁的过励磁保护。 目前电气化铁路牵引变压器保护的难点有 4 ： （1）负序分量：电气化铁路牵引负荷是单相负荷，不对称负荷，按对称 分量法分解后，负序分量便产生了
19、。负序分量对基于负序分量原理的继电保护 会产生不良影响。 如何尽量降低负序分量的影响是牵引变电所继电保护的难点 之一。 （2）由于牵引负荷的变化频率高、幅度大的特点，以及一些应用新型电 力电子技术的电力机车的投入使用， 牵引供电系统很容易产生大量的高次谐波 和励磁涌流。高次谐波和励磁涌流会对继电保护的动作特性造成不良影响：高 次谐波含量较大时，测量电流会比实际值大，测量阻抗会比实际值小，这样很 容易落入保护动作区， 造成距离保护误动作； 励磁涌流更是容易造成保护误动。 如何减小谐波影响是牵引变继电保护的难点之一。 国外很早前就已经开始研究电气化铁路的微机继电保护， 现在已有不少产 品投放市场。
20、国外主要的牵引变馈线保护和变压器保护生产厂家有ABB公司、 德国西门子公司、美国GE公司等。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 国内电气化铁路微机保护的研究工作也正如火如荼地开展着。 牵引变馈线 保护产品有国电南自的WXB-65型微机馈线保护测控装置， 许继电气的WKH-891 型电铁馈线保护装置，交大许继的TDWG型电铁馈线故障检测装置等 1 。 铁路实现电气化后的优越性要求我们必须重视对牵引变电所综合自动化 系统进行广泛深入的研究， 牵引变电所综合自动化系统将是我国高速铁路的发 展目标。近年来，随着计算机技术的发展，把计算机技术应用到电力系统中的 变电站自动化技术越来越成
21、熟，应用也越来越广泛。变电站自动化技术除了完 成常规的保护、测距、控制、测量、远动等功能外，还提供故障录波、故障记 录、显示谐波量等功能，能快速处理故障，迅速恢复系统工作。它能把系统的 运行状态、监测的信息通过更清晰、简单的操作界面反映给操作人员，可以防 止误动、误操作，大大提高系统工作的可靠性、精确性，改善运行人员的工作 条件，并可以实现变电所无人或少人值班，提高运行效率，因此在参考普通变 电站自动化系统的基础上， 针对电气化铁路供电系统本身的特点研究和设计牵 引变电所的综合自动化系统对于提高电气化铁路供电可靠性和供电质量具有 重要的意义 46 。 为配合牵引变电所朝着综合自动化的发展趋势，
22、 为牵引变压器配置综合自 动化的微机保护， 以取代传统的电磁保护， 是电力牵引变压器保护发展的方向。 1.4 本文的主要工作及章节安排 本文的主要工作是开发电气化铁路变压器保护装置并进行相关的仿真和原理 研究。本文对电气化铁路牵引供电系统的结构、供电方式等进行了深入地了解，研 究了牵引变压器主保护和后备保护的原理及配置，在新型微机保护平台上实现了变 压器差动保护和后备保护的功能，并用 485 串口和以太网两种通信方式实现了 Modbus 规约和 IEC60870-5-103规约在保护装置中的通信功能。 在论文的结构安排上，把它分成了六个章节，具体安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了牵引变压器保
23、护研究的目的及意义，同时给出了国 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 内外发展现状。 第二章综述了牵引供电系统的结构、供电方式及电气特征。介绍了各种牵引变 压器的接线方式及差流计算。重点研究了阻抗匹配平衡变压器的差动保护原理及差 动电流的具体推导过程。 第三章介绍了牵引变压器主保护和后备保护的配置和实现判据。研究了牵引变 压器微机保护测控装置的硬件、软件平台的设计与实现。硬件方面，重点介绍了 CPU模块和通信模块的硬件结构；软件方面，主要介绍了保护任务和中断的实现， 阐述了牵引变压器保护的软件流程图，研究了以太网通信的原理及其实现。通过实 验验证了保护原理的正确性和通信的准确性
24、。 第四章以阻抗匹配平衡变压器的差动主保护为例，借助MATLAB的simulink工 具，搭建了故障仿真平台，模拟了牵引变正常运行、外部和内部故障的各种运行方 式下差动保护的动作情况。在验证了保护原理的正确性的前提下，也为保护装置的 开发提供了一种新的验证思路。 第五章以三相双绕组为例提出了变压器匝间短路的负序损耗比率诊断理论，并 将无线传感器网络应用其中，为变压器匝间短路的保护提供了一种新的思路，这种 思路同样适用于电力牵引变压器保护 第六章对本文的工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 2 牵引变压器保护原理 2.1 牵引供电系统概
25、述 2.1.1 牵引供电系统的结构 电气化铁路的供电电源来源于公共电力系统。牵引供电系统的结构一般为：铁 路从公共电力系统引入三相交流电到各牵引变电所，通过牵引变电所降压至 27.5KV，降压后的电能将送至牵引网，电力机车运行时从牵引网获得电能。牵引供 电系统主要由牵引变电所（包括开闭所、分区所和自耦变压器所等）和牵引网（包 括馈电线、接触网、轨道回路和回流线等）两部分设备组成，牵引供电系统的结构 示意图如图 2-1所示 7 。 图 2-1 电气化铁道牵引供电系统结构示意图 电气化铁道中有很多个牵引变电所，每个牵引变电所给其两侧的牵引网供电， 每侧都是单相电，为避免供电距离太长，供电臂末端电压
26、太低，其供电范围有限。 牵引变电所包括供电系统中的分区所(SP)、开闭所(SSP)和自耦变压器所(ATP) 等。分区所的主要功能是实施上下行并联供电、越区供电和双边供电；开闭所有开 关可以开闭电路，它可以通过开闭开关从多个电源获得电能，提高车站的供电可靠 性；自耦变压器所的主要任务是安装自耦变压器，利用自耦变压器可以把供电电压 提高到 50kV，能延长供电距离，减少牵引变电所的数量，降低建设投资 7 。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 牵引网包括馈电线、接触网、轨道回路和回流线等，它的主要任务是连接电路， 把牵引变电所降压后的电能送给电力机车。牵引馈线是接在牵引变电所牵引母
27、线和 接触网之间的导线，它的任务是把电能从牵引变电所引到接触网；接触网沿铁路线 架设，向行进中的电力机车不间断地供电；钢轨既是机车运行的载体，又是电流流 通的导线；回流线的任务是将电流流回给牵引变电所。电流流通的回路是：电流从 牵引变电所流出，经馈线流至接触网，再经电力机车、钢轨、回流线流回牵引变电 所。 2.1.2 牵引供电系统的供电特征 牵引供电系统与公共电力系统之间存在很大差别。 具体体现在以下几个方面 8 ： 1. 公共电力系统为三相交流电系统，牵引供电系统为单相交流电系统； 2. 由于牵引供电系统对公共电力系统来说是个单相负荷，按对称分量法分 解后，就得到很大的负序分量。分序分量的存
28、在，会对一次侧继电保护产生不良影 响。对负序分量影响的对策有： （1） 采用不同接线方式的变压器：阻抗匹配平衡变压器能把电力系统的 三相电变成相差90的两相电。阻抗匹配平衡变压器的优势在于：当平衡变二次侧 两相负荷相等时，平衡变一次侧的三相电流相等并对称，不含负序电流。 （2） 采用轮换相序的接线方式：通过轮换相序的接法尽量使不同相位的负 序分量相加时，总的负序分量减少。 （3） 尽量避免使用基于负序分量原理的继电保护，用其他原理的保护替代。 3. 由于大量电力电子设备的投入使用，再加上牵引负荷变化频率快、幅度 大的特点，牵引供电系统很容易产生大量的高次谐波和励磁涌流。高次谐波和励磁 涌流会对
29、继电保护的动作特性造成不良影响：高次谐波含量较大时，测量电流会比 实际值大，测量阻抗会比实际值小，这样很容易落入保护动作区，造成距离保护误 动作；励磁涌流更是容易造成保护误动。对谐波影响的对策有： （1）在牵引变电所、电力机车、继电保护装置中安装滤波装置，尽量减少牵 引供电系统中的高次谐波。 （2）继保装置中测量高次谐波，通过 2 次谐波闭锁、高次谐波抑制等方式尽 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 量保证保护装置动作的正确性。 2.2 各种牵引变压器接线方式及差流计算 2.2.1牵引变压器差动保护接线方式 四种变压器的差动保护接线方式如图 2-22-5 所示,三种用于 AT
30、供电方式下 的变压器差动保护接线方式如图2-62-8所示 913 。 ABC III I I 变 压 器 主 护 保 I A - I B I- I BC I A C - I I I I I I A B I 压 护 I I 主 保 器 - I - I - I I C I I B A I C A C B 变 ABC ABC图 2-2 平衡变压器差动保护接线 图2-3 Y/-11 变压器差动保护接线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 主 变 主 保 护 。 IA IC I I AC w2 I I IA w1 IC I IA A 。 IA IB IB w1 主 变 主 保 护 。 B
31、 I w2图 24 V/V 变压器差动保护接线 图 25 单相变压器差动保护接线 w2 IA IB IC 主 变 主 保 护 IB IA 主 变 主 保 护 IC w1 w1 w2 w2 3/2w1 IMt IMf ITf ITt 。 IMt IMf ITf ITt 。 IA-IB IB-IC IC-IA I I I I IA IB w2 w1图26 SCOTT 变压器差动保护接线 图 27 V/X变压器差动保护接线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 IC IA IB IA IB I I ITf IMt IMf ITt 主 变 主 保 护 IC w2 w1图28 Y/变压器差动保护接线 2.2.2 电流相位与差流平衡关系 装置允许主变高压侧电流互感器接成三角形或星形（如图 2-9所示） 。但要求主 变各侧电流以高压侧流入变压器、低压侧流出变压器为同极性端(参考方向)，以保 证正确的电流相位。 在主变为V/V绕组接线方式下，保护装置的高压侧电流接线引入电流IA、 IC、 IB 相电流，其连接与图 2-9中高压侧星形接线方式相同。
