DDL 保護(hù)在直流牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了津?yàn)I輕軌直流牽引供電系統(tǒng)中DDL 保護(hù)的動(dòng)作邏輯、保護(hù)的整定及校驗(yàn)，并對(duì)該保護(hù)裝置在實(shí)際使用中遇到的問(wèn)題及解決方案進(jìn)行了說(shuō)明。關(guān)鍵詞：軌道交通；直流牽引；DDL 保護(hù)；整定；校驗(yàn)
1 DDL 保護(hù)的概述
在我國(guó)早期的城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)中，通常采用大電流脫扣和過(guò)電流保護(hù)相互配合實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引網(wǎng)的保護(hù)， 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(diǎn)距變電所越近， 短路電流的上升率越大， 電磁脫扣跳閘時(shí)間也將越短， 因而大電流脫扣主要用于近端短路保護(hù)。而對(duì)于短路點(diǎn)在遠(yuǎn)端的情況下， 由于短路電流相對(duì)較小， 大電流脫扣的時(shí)間也較長(zhǎng)， 甚至于不能有效保護(hù)， 過(guò)流保護(hù)雖能有效地保護(hù)到線路的末端， 但其延時(shí)較長(zhǎng)，保護(hù)的速動(dòng)性有所降低。
隨著近幾年我國(guó)城市軌道交通的迅速發(fā)展，一種反應(yīng)電流變化趨勢(shì)的保護(hù)，即DDL 保護(hù)，又稱電流變化率（di/dt）和電流增量（DI）保護(hù)，逐漸成為直流牽引網(wǎng)末端短路的主保護(hù)。目前DDL 保護(hù)裝置仍采用國(guó)外引進(jìn)的保護(hù)單元，在國(guó)內(nèi)各地的工程建設(shè)中， 因各地的實(shí)際情況不同， 所采用的保護(hù)裝置也不相同，如上海地鐵采用了ADTRANS 的DCP106 保護(hù)單元，廣州地鐵采用了SIEMENS 公司的DPU96 保護(hù)單元，津?yàn)I輕軌則采用了Secheron 公司的SEPCOS 保護(hù)單元，雖然各公司的產(chǎn)品不同， 動(dòng)作邏輯也不盡相同， 但是動(dòng)作原理基本一致。
津?yàn)I輕軌接觸網(wǎng)因周邊環(huán)境影響而發(fā)生的故障率比地鐵及其它城市輕軌要高。SEPCOS 保護(hù)裝置具有動(dòng)作靈敏， 可靠系數(shù)高， 故障判斷準(zhǔn)確，重合閘次數(shù)可調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，非常適合津?yàn)I輕軌直流牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)。
2 SEPCOS 裝置DDL 保護(hù)的動(dòng)作邏輯
直流牽引供電系統(tǒng)不同于交流牽引供電系統(tǒng)，在交流牽引供電系統(tǒng)中利用交流電的特性可以有各種不同形式的保護(hù)裝置，而直流牽引供電系統(tǒng)機(jī)車取流不是總保持在一個(gè)水平上，因受到機(jī)車起步、加速等操作環(huán)節(jié)的影響，電流變化頻繁而復(fù)雜。所以采用DDL 保護(hù)功能，用于牽引直流供電系統(tǒng)中作為主保護(hù)，主要就是通過(guò)分析電流上升率di/dt，電流增加持續(xù)的時(shí)間t 和電流增量DI，檢測(cè)遠(yuǎn)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(hù)需整定的參數(shù)為以下6 個(gè)，即保護(hù)裝置起始門(mén)限E、保護(hù)裝置復(fù)位門(mén)限F、最大電流增量DImax，最大電流增量延時(shí)tDImax，最小電流增量DImin，最小電流增量延時(shí)T。
（1）保護(hù)裝置不斷地連續(xù)檢測(cè)饋線電流If 及其電流變化率di/dt，并將di/dt 與設(shè)定值E 和F 比較，若di/dt>E，則開(kāi)始測(cè)量電流增量（DI）和時(shí)間（t）： 當(dāng)DI>DImax 設(shè)定值，則經(jīng)一段時(shí)間tDImax 延時(shí)后DI 保護(hù)出口并使開(kāi)關(guān)跳閘；當(dāng)t >T 設(shè)定值，且DI >DImin 設(shè)定值，則di/dt 保護(hù)出口并使開(kāi)關(guān)跳閘。
（2）如果在檢測(cè)到DImax 設(shè)定值或T 前，di/dt<F 并保持tDImax 時(shí)間，則測(cè)量值DI 和t 歸零。
3 SEPCOS 保護(hù)的主要功能
3.1 線路檢測(cè)測(cè)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(guò)載，不能合閘；則顯示“閉鎖”信號(hào)；若Uf <Uf 殘留，則接通線路檢測(cè)接觸器來(lái)測(cè)量線路阻抗；R>Rmin ，斷路器合閘；R<Rmin，則顯示“閉鎖”信號(hào)。整個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)大約用時(shí)3～5 s 。
3.2 正向電流保護(hù)
當(dāng)線路中的故障電流（短路電流或過(guò)載電流）小于斷路器的大電流脫機(jī)整定值， 通過(guò)測(cè)量、分析饋線的正向電流可檢測(cè)低于斷路器整定值的短路電流和過(guò)載電流。
3.3 反向電流保護(hù)
通過(guò)測(cè)量、分析饋線的反向電流， 檢測(cè)低于斷路器整定值的短路電流和過(guò)載電流。
3.4 DDL（D Imax，T）保護(hù)
此功能通過(guò)分析電流上升率di/dt，電流增加持續(xù)的時(shí)間T 和電流增量DI，檢測(cè)遠(yuǎn)距離短路故障，其故障電流低于斷路器的大電流脫機(jī)整定值。
3.5 熱保護(hù)
此功能對(duì)斷路器、供電線路（電纜、接觸網(wǎng)）等提供熱過(guò)載保護(hù)。因?yàn)殚L(zhǎng)期大電流會(huì)使供電導(dǎo)體發(fā)熱，從而可能導(dǎo)致供電導(dǎo)體，尤其是接觸網(wǎng)變軟。主要原理是連續(xù)測(cè)量饋線電流，計(jì)算熱載èt，èt 為被保護(hù)裝置的額定電流In 和熱時(shí)間常數(shù)T 的函數(shù)。SEPCOS 通電后，èt 的初始值èto=0.98 èA，èA 為設(shè)定的報(bào)警值。當(dāng)斷路器合閘后饋線流過(guò)大電流，當(dāng)達(dá)到èA 時(shí)SEPCOS 發(fā)出警報(bào)。如果èt 續(xù)續(xù)上升，當(dāng)èt≥1.01 èA 時(shí)，SEPCOS 發(fā)出指令使開(kāi)關(guān)跳閘，同時(shí)可發(fā)出閉鎖信號(hào)，只有當(dāng)èt< èA 時(shí)，斷路器才能重新合閘。
3.6 線路帶電測(cè)量
連續(xù)測(cè)量饋線電壓Uf， 如果Uf<設(shè)定值， 則表明線路帶電。
3.7 線路壓差保護(hù)
當(dāng)某段線路已從另端受電時(shí)，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(xiǎn)，則斷路器不能合閘。測(cè)量電壓Uf 和整流器電壓Ur： 若Ur -Uf <設(shè)定值DUr-f ，斷路器可以合閘；若Ur -Uf >設(shè)定值DUr-f ，合閘程序終止，并顯示“閉鎖”信號(hào)。
3.8 低電壓保護(hù)
檢測(cè)遠(yuǎn)距離電源點(diǎn)的電壓。如測(cè)量Uf 小于設(shè)定值UfLow 且時(shí)間大于設(shè)定值Tuf，則使開(kāi)關(guān)跳閘。
4 DDL 保護(hù)的整定與校驗(yàn)
4.1 直流短路電流的計(jì)算
直流牽引供電系統(tǒng)模型可描述為一個(gè)多直流電流供電系統(tǒng)，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)其等效回路為一個(gè)直流電源和電阻R、電感L 的串聯(lián)回路，如圖1 所示。
R L

圖1 系統(tǒng)模型及等效回路
根據(jù)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(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電流，I0＝V/R；t為系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，t＝L/R；L 為回路的等效電感；R 為系統(tǒng)的等效電阻。
4.2 DDL 保護(hù)的整定
4.2.1 E 和F 的設(shè)定
斜率E（kA/s 或A/ms） 為保護(hù)裝置的起始門(mén)限，當(dāng)di/dt>E 時(shí)，保護(hù)裝置啟動(dòng)。短路情況下的初始斜率可由(di/dt)t=0 計(jì)算得出，為保證保護(hù)裝置的可靠啟動(dòng)，(di/dt)t=0 應(yīng)大于E。另外考慮到短路故障發(fā)生時(shí)已存在一牽引電流，也就是在t=0 時(shí)，i=I 牽引>0，這樣初始斜率將會(huì)小于在極端條件下（t=0 時(shí)i=0）計(jì)算出的值。因此在通常情況下可將E 設(shè)定為初始斜率計(jì)算值(di/dt)t=0 的一半，來(lái)滿足通常牽引負(fù)荷電流狀況下保護(hù)檢測(cè)的要求。為了能夠辯識(shí)出任何情況下的短路故障，當(dāng)牽引電流較高時(shí)可以適當(dāng)降低設(shè)定值，但必須避免與列車正常牽引負(fù)荷電流混淆。
斜率F（kA/s 或A/ms） 為保護(hù)裝置的復(fù)位門(mén)限，當(dāng)di/dt＜F 時(shí)，保護(hù)裝置復(fù)位，這一斜率值標(biāo)志著短路故障的結(jié)束。F 值可適當(dāng)降低以提高DDL 保護(hù)精度，也就是說(shuō)可更準(zhǔn)確地辯識(shí)出發(fā)生在線路末端的短路故障。
4.2.2 DI max 和tDI max 的設(shè)定
DImax 這一參數(shù)值應(yīng)在機(jī)車運(yùn)行情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試得出，通常建議此參數(shù)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(duì)應(yīng)的電流之間選取，但不應(yīng)小于機(jī)車啟動(dòng)電流。tDImax 這一參數(shù)與DImax 有關(guān)，表示DDL+DI 保護(hù)動(dòng)作的延時(shí)并可以消除寄生電流。
4.2.3 T 和DImin 的設(shè)定
T 這一參數(shù)可改變DDL 中di/dt 保護(hù)的動(dòng)作檢測(cè)值，當(dāng)電流斜率大于斜率E 時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入DDL 保護(hù)分析過(guò)程，當(dāng)分析持續(xù)時(shí)間t 等于T 時(shí)保護(hù)動(dòng)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(shí)間常數(shù)或短路情況下di/dt 值從E 到F 所經(jīng)歷時(shí)間的80%。
DDL 中di/dt 保護(hù)動(dòng)作的必要條件是從分析計(jì)算開(kāi)始持續(xù)的時(shí)間t 等于T 時(shí)電流增量大于DImin， DImin 的最大值應(yīng)小于或等于線路末端短路電流或大于機(jī)車輔助電流。
4.3 DDL 保護(hù)的校驗(yàn)DDL 保護(hù)的校驗(yàn)主要考慮以下2 個(gè)方面：
（1）DDL 保護(hù)應(yīng)保護(hù)到線路的末端，因而應(yīng)計(jì)算線路末端的短路電流及其變化率，以校驗(yàn)DDL 保護(hù)的可靠性。
（2）DDL 保護(hù)還應(yīng)考慮與機(jī)車的配合關(guān)系，并應(yīng)躲過(guò)機(jī)車的啟動(dòng)電流和沖擊電流對(duì)保護(hù)裝置的影響，以保證DDL 保護(hù)裝置的選擇性。
5 結(jié)束語(yǔ)
所有保護(hù)裝置在依據(jù)計(jì)算得出的結(jié)果后，還必須經(jīng)受實(shí)際的驗(yàn)證， 津?yàn)I輕軌也不例外， 通過(guò)實(shí)踐的驗(yàn)證，直流饋線保護(hù)主要反映以下幾個(gè)問(wèn)題：
（1） 保護(hù)定值的配合，經(jīng)各方面專家多次討論和修改， 目前運(yùn)行基本穩(wěn)定。
（2）為了避免不必要的跳閘現(xiàn)象發(fā)生，更換DDL 功能分析，保護(hù)復(fù)歸。SEPCOS 主板VPC 軟件， 改進(jìn)后的VPC 軟件取消
（3）針對(duì)SEPCOS 裝置顯示測(cè)量數(shù)據(jù)漂移問(wèn)了保護(hù)復(fù)歸條件中時(shí)間參數(shù)“t delte I”這一判斷條題，裝置軟件將檢測(cè)到的di/dt 取平均值，有效地件，即當(dāng)di/dt 測(cè)量的平均值低于F 值時(shí)立即停止保證di/dt 值傳輸至SEPCOS 保護(hù)裝置內(nèi)的真實(shí)性，避免了由于干擾而對(duì)保護(hù)性能造成的影響。
（4）在對(duì)引進(jìn)SEPCOS 保護(hù)裝置的使用、調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了解決實(shí)際問(wèn)題的效果。尚有一些問(wèn)題需要去研究和解決。例如：SEPCOS 裝置在運(yùn)行過(guò)程中， 當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)， 其溫升將達(dá)到20～30℃ ，這將會(huì)影響裝置的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)發(fā)生整機(jī)死機(jī)， 失去保護(hù)功能。由于直流牽引供電系統(tǒng)按照無(wú)人值班運(yùn)行設(shè)計(jì)，既不可能開(kāi)蓋運(yùn)行， 又不便隨時(shí)通風(fēng)散熱， 針對(duì)此類問(wèn)題大致定出以下幾種方案：① 裝置面板開(kāi)孔，以便散熱；② 裝置內(nèi)加風(fēng)扇散熱；③ 控制室內(nèi)溫度。改進(jìn)效果如何，正在進(jìn)行可能性研究。在此也希望國(guó)內(nèi)的保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家能夠生
產(chǎn)出適合我國(guó)使用的直流供電系統(tǒng)保護(hù)裝置。