DDL 保護在直流牽引供電系統中的應用

摘要：介紹了津濱輕軌直流牽引供電系統中DDL 保護的動作邏輯、保護的整定及校驗，并對該保護裝置在實際使用中遇到的問題及解決方案進行了說明。關鍵詞：軌道交通；直流牽引；DDL 保護；整定；校驗
1 DDL 保護的概述
在我國早期的城市軌道交通直流牽引供電系統中，通常采用大電流脫扣和過電流保護相互配合實現對牽引網的保護， 如早期的北京地鐵、天津地鐵等。大電流脫扣屬于斷路器的本體裝置， 它采用電磁脫扣原理， 短路點距變電所越近， 短路電流的上升率越大， 電磁脫扣跳閘時間也將越短， 因而大電流脫扣主要用于近端短路保護。而對于短路點在遠端的情況下， 由于短路電流相對較小， 大電流脫扣的時間也較長， 甚至于不能有效保護， 過流保護雖能有效地保護到線路的末端， 但其延時較長，保護的速動性有所降低。
隨著近幾年我國城市軌道交通的迅速發展，一種反應電流變化趨勢的保護，即DDL 保護，又稱電流變化率（di/dt）和電流增量（DI）保護，逐漸成為直流牽引網末端短路的主保護。目前DDL 保護裝置仍采用國外引進的保護單元，在國內各地的工程建設中， 因各地的實際情況不同， 所采用的保護裝置也不相同，如上海地鐵采用了ADTRANS 的DCP106 保護單元，廣州地鐵采用了SIEMENS 公司的DPU96 保護單元，津濱輕軌則采用了Secheron 公司的SEPCOS 保護單元，雖然各公司的產品不同， 動作邏輯也不盡相同， 但是動作原理基本一致。
津濱輕軌接觸網因周邊環境影響而發生的故障率比地鐵及其它城市輕軌要高。SEPCOS 保護裝置具有動作靈敏， 可靠系數高， 故障判斷準確，重合閘次數可調整等優點，非常適合津濱輕軌直流牽引供電系統的運行特點。
2 SEPCOS 裝置DDL 保護的動作邏輯
直流牽引供電系統不同于交流牽引供電系統，在交流牽引供電系統中利用交流電的特性可以有各種不同形式的保護裝置，而直流牽引供電系統機車取流不是總保持在一個水平上，因受到機車起步、加速等操作環節的影響，電流變化頻繁而復雜。所以采用DDL 保護功能，用于牽引直流供電系統中作為主保護，主要就是通過分析電流上升率di/dt，電流增加持續的時間t 和電流增量DI，檢測遠距離短路故障，其故障電流低于斷路器的大電流脫扣整定值。該保護需整定的參數為以下6 個，即保護裝置起始門限E、保護裝置復位門限F、最大電流增量DImax，最大電流增量延時tDImax，最小電流增量DImin，最小電流增量延時T。
（1）保護裝置不斷地連續檢測饋線電流If 及其電流變化率di/dt，并將di/dt 與設定值E 和F 比較，若di/dt>E，則開始測量電流增量（DI）和時間（t）： 當DI>DImax 設定值，則經一段時間tDImax 延時后DI 保護出口并使開關跳閘；當t >T 設定值，且DI >DImin 設定值，則di/dt 保護出口并使開關跳閘。
（2）如果在檢測到DImax 設定值或T 前，di/dt<F 并保持tDImax 時間，則測量值DI 和t 歸零。
3 SEPCOS 保護的主要功能
3.1 線路檢測測量饋線電壓Uf：若Uf >UfLow，則斷路器合閘；若殘留電壓U <Uf <UfLow，表明線路過載，不能合閘；則顯示“閉鎖”信號；若Uf <Uf 殘留，則接通線路檢測接觸器來測量線路阻抗；R>Rmin ，斷路器合閘；R<Rmin，則顯示“閉鎖”信號。整個測量環節大約用時3～5 s 。
3.2 正向電流保護
當線路中的故障電流（短路電流或過載電流）小于斷路器的大電流脫機整定值， 通過測量、分析饋線的正向電流可檢測低于斷路器整定值的短路電流和過載電流。
3.3 反向電流保護
通過測量、分析饋線的反向電流， 檢測低于斷路器整定值的短路電流和過載電流。
3.4 DDL（D Imax，T）保護
此功能通過分析電流上升率di/dt，電流增加持續的時間T 和電流增量DI，檢測遠距離短路故障，其故障電流低于斷路器的大電流脫機整定值。
3.5 熱保護
此功能對斷路器、供電線路（電纜、接觸網）等提供熱過載保護。因為長期大電流會使供電導體發熱，從而可能導致供電導體，尤其是接觸網變軟。主要原理是連續測量饋線電流，計算熱載èt，èt 為被保護裝置的額定電流In 和熱時間常數T 的函數。SEPCOS 通電后，èt 的初始值èto=0.98 èA，èA 為設定的報警值。當斷路器合閘后饋線流過大電流，當達到èA 時SEPCOS 發出警報。如果èt 續續上升，當èt≥1.01 èA 時，SEPCOS 發出指令使開關跳閘，同時可發出閉鎖信號，只有當èt< èA 時，斷路器才能重新合閘。
3.6 線路帶電測量
連續測量饋線電壓Uf， 如果Uf<設定值， 則表明線路帶電。
3.7 線路壓差保護
當某段線路已從另端受電時，如果整流器電壓與饋線電壓之間的電壓差有引起大電流的危險，則斷路器不能合閘。測量電壓Uf 和整流器電壓Ur： 若Ur -Uf <設定值DUr-f ，斷路器可以合閘；若Ur -Uf >設定值DUr-f ，合閘程序終止，并顯示“閉鎖”信號。
3.8 低電壓保護
檢測遠距離電源點的電壓。如測量Uf 小于設定值UfLow 且時間大于設定值Tuf，則使開關跳閘。
4 DDL 保護的整定與校驗
4.1 直流短路電流的計算
直流牽引供電系統模型可描述為一個多直流電流供電系統，當短路發生時其等效回路為一個直流電源和電阻R、電感L 的串聯回路，如圖1 所示。
R L

圖1 系統模型及等效回路
根據電路原理， 由等效回路可求得短路電流i i=I0 ·(1-e -t/t)
和電流變化率di/dt，即di/dt=I0/t·e -t/t
式中，I0 為系統的穩態電流，I0＝V/R；t為系統的時間常數，t＝L/R；L 為回路的等效電感；R 為系統的等效電阻。
4.2 DDL 保護的整定
4.2.1 E 和F 的設定
斜率E（kA/s 或A/ms） 為保護裝置的起始門限，當di/dt>E 時，保護裝置啟動。短路情況下的初始斜率可由(di/dt)t=0 計算得出，為保證保護裝置的可靠啟動，(di/dt)t=0 應大于E。另外考慮到短路故障發生時已存在一牽引電流，也就是在t=0 時，i=I 牽引>0，這樣初始斜率將會小于在極端條件下（t=0 時i=0）計算出的值。因此在通常情況下可將E 設定為初始斜率計算值(di/dt)t=0 的一半，來滿足通常牽引負荷電流狀況下保護檢測的要求。為了能夠辯識出任何情況下的短路故障，當牽引電流較高時可以適當降低設定值，但必須避免與列車正常牽引負荷電流混淆。
斜率F（kA/s 或A/ms） 為保護裝置的復位門限，當di/dt＜F 時，保護裝置復位，這一斜率值標志著短路故障的結束。F 值可適當降低以提高DDL 保護精度，也就是說可更準確地辯識出發生在線路末端的短路故障。
4.2.2 DI max 和tDI max 的設定
DImax 這一參數值應在機車運行情況下對系統進行全面測試得出，通常建議此參數可在最大牽引電流和短路電流之間或短路情況下E 和F 值所對應的電流之間選取，但不應小于機車啟動電流。tDImax 這一參數與DImax 有關，表示DDL+DI 保護動作的延時并可以消除寄生電流。
4.2.3 T 和DImin 的設定
T 這一參數可改變DDL 中di/dt 保護的動作檢測值，當電流斜率大于斜率E 時，開始進入DDL 保護分析過程，當分析持續時間t 等于T 時保護動作， 在此期間電流增量小于等于DImax， 電流斜率值大于F。通常建議T 值為1.5 倍的短路時間常數或短路情況下di/dt 值從E 到F 所經歷時間的80%。
DDL 中di/dt 保護動作的必要條件是從分析計算開始持續的時間t 等于T 時電流增量大于DImin， DImin 的最大值應小于或等于線路末端短路電流或大于機車輔助電流。
4.3 DDL 保護的校驗DDL 保護的校驗主要考慮以下2 個方面：
（1）DDL 保護應保護到線路的末端，因而應計算線路末端的短路電流及其變化率，以校驗DDL 保護的可靠性。
（2）DDL 保護還應考慮與機車的配合關系，并應躲過機車的啟動電流和沖擊電流對保護裝置的影響，以保證DDL 保護裝置的選擇性。
5 結束語
所有保護裝置在依據計算得出的結果后，還必須經受實際的驗證， 津濱輕軌也不例外， 通過實踐的驗證，直流饋線保護主要反映以下幾個問題：
（1） 保護定值的配合，經各方面專家多次討論和修改， 目前運行基本穩定。
（2）為了避免不必要的跳閘現象發生，更換DDL 功能分析，保護復歸。SEPCOS 主板VPC 軟件， 改進后的VPC 軟件取消
（3）針對SEPCOS 裝置顯示測量數據漂移問了保護復歸條件中時間參數“t delte I”這一判斷條題，裝置軟件將檢測到的di/dt 取平均值，有效地件，即當di/dt 測量的平均值低于F 值時立即停止保證di/dt 值傳輸至SEPCOS 保護裝置內的真實性，避免了由于干擾而對保護性能造成的影響。
（4）在對引進SEPCOS 保護裝置的使用、調試過程中，通過實踐驗證了解決實際問題的效果。尚有一些問題需要去研究和解決。例如：SEPCOS 裝置在運行過程中， 當環境溫度升高時， 其溫升將達到20～30℃ ，這將會影響裝置的正常運行，嚴重時將會發生整機死機， 失去保護功能。由于直流牽引供電系統按照無人值班運行設計，既不可能開蓋運行， 又不便隨時通風散熱， 針對此類問題大致定出以下幾種方案：① 裝置面板開孔，以便散熱；② 裝置內加風扇散熱；③ 控制室內溫度。改進效果如何，正在進行可能性研究。在此也希望國內的保護裝置生產廠家能夠生
產出適合我國使用的直流供電系統保護裝置。