廣州地鐵1號線牽引供電系統(tǒng)保護裝置原理分析

楊曉春

（廣州市地下鐵道總公司運營事業(yè)總部，510380，廣州∥助理工程師）

廣州地鐵1號線牽引供電系統(tǒng)保護裝置原理分析

楊曉春

（廣州市地下鐵道總公司運營事業(yè)總部，510380，廣州∥助理工程師）

di/dt、ΔI保護是城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)主要保護方式。廣州地鐵1號線采用西門子公司3UB61裝置作為直流饋線保護。結(jié)合DPU96動作原理，通過定量分析方法，在試驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了3UB61裝置的動作原理，給出了3UB61的di/dt、ΔI保護原理圖。

地鐵；牽引供電系統(tǒng)；繼電保護

Author’s addressOperation Bussiness Headquarters of Guangzhou Metro Corporation，510380，Guangzhou，China

廣州地鐵1號線自1997年投運至今，一直采用西門子公司3UB61裝置作為直流饋線開關(guān)保護測控單元。由于建設(shè)初期廠家未提供明確的3UB61保護原理，多年來運行方一直采用DPU96原理作為其替代。事實上，3UB61動作原理與DPU96原理并不完全一致。本文在試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合DPU96動作原理對3UB61裝置的動作原理進行驗證。

1 試驗方法

將波形發(fā)生器與3UB61裝置輸入端相連，通過示波器采集如下信息：CH1——輸入波形，CH2——ΔI觸發(fā)脈沖，CH3——di/dt觸發(fā)脈沖，CH4——16#di/dt跳閘信號，CH5——18#ΔI跳閘信號。并分析相同整定值、不同波形觸發(fā)，相同波形、不同整定值下3UB61的動作情況。試驗接線如圖1所示。

圖1 di/dt、ΔI保護試驗圖

di/dt、ΔI觸發(fā)脈沖值從3UB61 A3模塊上引入，如圖2所示。正常運行時，一次回路電流經(jīng)過4 000 A/60 m V分流器后通過±150 m V/±10 V隔離放大器輸入3UB61的1#、2#端子，通過計算可知一、二次側(cè)等效線性變比為4 000 A/2 V。3UB61對輸入信號進行判斷，達到整定條件后，16#或18#端子輸出+24 V高電平跳閘信號，觸發(fā)直流饋線開關(guān)跳閘。其中，16#端子為di/dt跳閘信號，18#端子為ΔI跳閘信號。

圖2 3UB61 A3模塊上di/dt、ΔI脈沖信號

2 3UB61裝置d i/d t保護原理驗證

2.1 DPU96 di/dt保護原理

在DPU96中，保護裝置運行時會不斷檢測電流上升率。當(dāng)電流上升率高于保護設(shè)定的電流上升率時，di/dt保護啟動，進入延時階段。若在整個延時階段電流的上升率都高于保護設(shè)定值，則保護動作；若在延時階段電流上升率回落到保護設(shè)定值之下，則保護返回。

如圖3所示，a點電流上升率高于di/dt保護整定值，保護啟動。對于情況（1），b點保護延時達到di/dt保護延時整定值，且延時階段電流上升率始終高于di/dt保護整定值，保護動作；對于情況（2），c點電流上升率回落到di/dt保護整定值以下，而此時保護延時di/dt尚未達到保護延時整定值，保護返回。

圖3 di/dt保護原理

2.2 3UB61 di/dt保護試驗及結(jié)果

2.2.1 輸入波形達到di/dt整定值

將3UB61 di/dt整定值設(shè)置為40 A/ms，延時40 ms。采用周期100 ms，幅值±1.5 V鋸齒波輸入，斜率為30 m V/ms（等效一次側(cè)60 A/ms）。輸入波形斜率達到整定值時，觸發(fā)結(jié)果如圖4所示。

圖4 輸入波形達到di/dt整定值

當(dāng)輸入信號不滿足di/dt整定值，波形（2）di/dt觸發(fā)脈沖為-12 V低電平，當(dāng)輸入波形達到di/dt斜率整定值，觸發(fā)脈沖輸出0高電平，高電平脈寬取決于輸入信號達到整定值的持續(xù)時間。圖4中，從波形（2）di/dt觸發(fā)至波形（3）di/dt跳閘動作，持續(xù)時間為49.55 ms。其既包括了di/dt延時整定值40 ms，也包括了裝置固有延時9.55 ms。此外，在負(fù)電流作用下，波形（2）輸出0低電平，說明3UB61對負(fù)電流不會啟動保護。

2.2.2 輸入波形為臨界值

將輸入信號斜率改為20 m V/ms（等效一次側(cè)電流斜率為40 A/ms），di/dt整定值不變，仍為40 A/ms，延時40 ms，觀察di/dt到達臨界值時的觸發(fā)情況。如圖5所示。

圖5 di/dt斜率臨界值時觸發(fā)情況

波形（1）中正電壓信號斜率20 m V/ms持續(xù)50 ms時，理論上di/dt保護應(yīng)能動作，但試驗發(fā)現(xiàn)，臨界斜率時波形（2）di/dt觸發(fā)脈沖有短時掉電現(xiàn)象，掉電后，3UB61將重新計算di/dt值以及延時，此種情況下，di/dt能否觸發(fā)取決于連續(xù)高電平脈沖寬度能否達到di/dt整定值（即圖5中兩條垂直光標(biāo)所夾有效脈寬是否達到di/dt延時整定值），此時有效脈寬29.55 ms不滿足di/dt延時整定值40 ms，故di/dt不動作。該結(jié)論可進一步驗證，如圖6所示。

圖6 改變di/dt延時整定值

圖6 為di/dt延時整定值由40 ms變?yōu)?5 ms，使用同樣波形輸入的情況，此時di/dt跳閘信號動作，雖然觸發(fā)脈沖存在掉電情況，但是連續(xù)高電平脈寬29.55 ms大于延時整定值25 ms，故di/dt跳閘。這在DPU96包括其他主流直流開關(guān)饋線保護原理描述中均沒有體現(xiàn)。

由此可以說明，3UB61裝置di/dt保護原理與DPU96的描述基本一致，但裝置動作應(yīng)當(dāng)考慮固有延時存在；而臨界情況下di/dt是否觸發(fā)取決于觸發(fā)脈沖輸出有效電平脈寬是否達到整定值。因此，3UB61 di/dt保護原理如圖7所示。

圖7 3UB61 di/dt保護原理

3 3UB61裝置ΔI保護原理驗證

3.1 DPU96ΔI保護原理

在DPU96中，ΔI啟動的條件為：以di/dt達到整定值時的電流為基點，計算電流增量，若電流上升率一直大于di/dt保護整定值，在達到ΔI保護整定值時保護動作。

在計算電流增量的過程中，允許電流上升率在相對較短的時間內(nèi)回落到di/dt保護整定值之下，只要這段時間不超過di/dt返回延時整定值，則保護不返回，反之保護返回。該保護需要設(shè)定如下整定值：ΔI整定值、ΔI延時整定值、di/dt返回延時整定值。具體原理說明如圖8所示。

電流（1）：保護未動作，電流增量雖然超過ΔI整定值，但延時時間不足。

電流（2）：保護動作，電流增量超過ΔI整定值，延時時間滿足。

電流（3）：保護動作，電流增量超過ΔI整定值，延時滿足，在電流上升的過程中，雖然電流上升率曾回落到di/dt整定值之下，但未達到di/dt返回延時值，因此保護未返回。

電流（4）：保護未動作，在電流上升的過程中，電流上升率回落到di/dt整定值以下，且超過di/dt返回延時值因此保護返回。在e點保護重新啟動，并以e點作為新基準(zhǔn)點。

圖8 DPU96ΔI保護原理

3.2 3UB61ΔI保護啟動原理驗證

DPU96中，ΔI增量計算是以di/dt啟動時電流為基準(zhǔn)點。現(xiàn)將ΔI整定值設(shè)置為4 000 A，延時5 ms；di/dt整定值為40 A/ms。采用幅值±2.2 V（等效一次側(cè)最大電流±4 400 A）、周期200 ms鋸齒波輸入（等效一次側(cè)斜率44 A/ms），觸發(fā)情況如圖9所示。

圖9 輸入波形達到ΔI觸發(fā)脈沖（1）

波形（2）ΔI觸發(fā)脈沖在輸入信號不滿足ΔI電流增量整定值時輸出0高電平，在滿足ΔI電流增量整定值時，輸出-12 V低電平。在c時刻，輸入波形（1）從0瞬間越變?yōu)?.4 V，波形（3）輸出0高電平，表示di/dt保護啟動；此時ΔI開始計算增量，增量基準(zhǔn)點為0。a時刻波形（1）達到1.98 V（等效一次側(cè)電流3 960 A，與整定值4 000 A存在一定誤差，由裝置本身造成），波形（2）輸出-12 V有效低電平。從ΔI觸發(fā)時電壓為1.98 V可知，雖然d時刻di/dt觸發(fā)脈沖存在短時掉電的情況，但并未影響ΔI基準(zhǔn)點。即在3UB61中，一旦di/dt觸發(fā)，短時di/dt脈沖掉電情況不會影響ΔI增量計算基準(zhǔn)點。這與DPU96中設(shè)置di/dt返回延時整定值不一樣。

3.3 3UB61ΔI保護動作原理驗證

將ΔI整定值設(shè)置為4 000 A，0 ms。采用幅值為±3 V（等效為一次側(cè)最大電流±6 000 A）、周期為50 ms鋸齒波輸入，觸發(fā)情況如圖10。當(dāng)輸入波形（1）達到1.98 V，ΔI觸發(fā)脈沖波形（2）輸出-12 V低電平，低電平持續(xù)時間為8.22 ms，ΔI保護動作，見波形（3）。ΔI中同樣存在裝置固有延時，輸入信號達到ΔI整定值后，再經(jīng)過固有延時，跳閘信號動作。

圖10 輸入波形達到ΔI觸發(fā)脈沖（2）

不改變輸入波形，將ΔI延時整定值改為10 ms，如圖11。a時刻輸入波形達到ΔI整定值，波形（2）輸出-12 V低電平，脈寬8.22 ms，此時波形（3）ΔI跳閘信號無+24 V輸出，即ΔI保護未動作。究其原因為-12 V觸發(fā)電平脈寬8.22 ms未達到ΔI整定值10 ms。

根據(jù)DPU96ΔI保護原理，在ΔI開始計算增量時，若10 ms（ΔI延時整定值）內(nèi)ΔI增大到4 000 A（ΔI電流增量整定值）且10 ms時ΔI已低于4 000 A，則ΔI保護不動作。但由試驗可知，3UB61ΔI延時是指只要ΔI開始計算增量，無論多久達到4 000 A，只要ΔI大于4 000 A的持續(xù)時間超過10 ms（ΔI延時整定值），則保護裝置動作，否則保護返回。因此3UB61ΔI保護原理應(yīng)如圖12所示。

圖11 ΔI延時整定值10 ms

圖12 3UB61ΔI保護原理

4 結(jié)語

本文深入驗證了3UB61裝置的動作原理，為今后故障分析提供一定技術(shù)基礎(chǔ)。雖然3UB61目前已經(jīng)停產(chǎn)，很多線路也多采用升級產(chǎn)品替代，但本文提出的定量校驗方法能對研究直流牽引系統(tǒng)保護裝置原理提供一定幫助。

［1］ 董斌.地鐵直流供電系統(tǒng)中的di/dt和ΔI保護［J］.機車電傳動，2003（3）：38.

［2］ 龐開陽.用定量分析法校驗電流增量和電流斜率［J］.量測技術(shù)，2005（10）：93.

Analysis of Protection Device in the Traction Supply System of Guangzhou Metro Line 1

Yang Xiaochun

The di/dt，ΔIprotection is one of the main protective methods in mertro traction supply systems.Guangzhou Metro Line 1 adopts SIMENS 3UB61 device to protect the DC feeder，the 3UB61 trip principle is summarized through a quantitative analysis and test by referring to the working principle of DPU96，thus a schematic diagram of di/dt，ΔIprotection is obtained.

metro；traction supply system；relay protection

U 224.4

2013-05-21）