直流牽引供電系統(tǒng)的DDL保護

周 鑫，張 婷，李國玉

直流牽引供電系統(tǒng)的DDL保護

周 鑫，張 婷，李國玉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

DDL保護作為直流牽引供電系統(tǒng)中線路上的主要保護，可以有效的保護直流牽引供電系統(tǒng)。該文首先介紹了DDL保護的工作原理，給出了保護動作的邏輯流程。介紹了DDL保護的整定方法。結(jié)合實際運營情況，描述了DDL保護應(yīng)該注意的問題。

直流牽引供電系統(tǒng) DLL保護 直流饋線

0 引言

南寧地鐵三號線直流牽引開關(guān)采用的是武漢船用電力推薦裝置研究所研制的ZDS3-40/18型開關(guān)，其微機綜合保護裝置采用的是ZJK-11保護裝置。ZJK-11主要用于保護直流牽引供電系統(tǒng)，可以檢測到供電系統(tǒng)即將發(fā)生短路的現(xiàn)象。ZJK-11是一個微型中央處理系統(tǒng)，可以通過外部的設(shè)置，使其具有可操作性，可擴展性。南寧地鐵三號線1500 V直流饋線保護及控制的設(shè)置包括：DDL △，DDL △，max+，min，熱保護，聯(lián)跳，防跳，線路測試的合閘及重合閘。

1 DDL保護的工作原理

DDL保護主要就是通過分析電流上升率d/d，電流增加持續(xù)的時間和電流增量△，檢測短路故障。其原理為，在系統(tǒng)正常運行時，持續(xù)測量電流，并實時計算電流變化率d/d，以及實時的電流值，當(dāng)電流變化率大于啟動值時，并且下一毫秒時刻的電流值大于返回值，DDL保護啟動。當(dāng)其電流的增量大于△時，DDL △保護發(fā)出跳閘命令，使得斷路器進行分閘操作。

當(dāng)電流上升率滿足d/d＜，且下一毫秒＞，經(jīng)過一個延時時間，延時結(jié)束時△I與電流增量△滿足△I大于△時，則通過DDL △T切除故障。

基于以上分析，可得出DDL △的動作方程：

DDL △保護動作方程：

1）d/d＞且d/d＞，△I1＞E△I

上式中，d/d為電流上升率；為保護電流上升率的起始條件；為電流上升率的復(fù)位值。△1為d/d＞電流增量；△為保護的電流增量整定值。

DDL △T保護動作方程

2）E＜d/d且d/d＞，△2＞△，t＞T

上式中，為DDL △T保護電流上升率的復(fù)位值；為DDL △保護電流增量持續(xù)時間；為DDL △保護的延時時間；△2為DDL △到達整定值時的電流增量。

圖1 DDL保護流程圖

為了使實際運行的時候，供電系統(tǒng)避免誤動作，并且在發(fā)生線路故障時，能夠準(zhǔn)確及時有效的切斷故障線路，DDL整定時候應(yīng)該遵循以下幾點原則：

1）設(shè)定DDL △的起動值應(yīng)該大于列車正常啟動時的最大電流上升率。

2）當(dāng)列車正常啟動時或者牽引網(wǎng)分?jǐn)鄷r會產(chǎn)生較大的沖擊電流，這個時候DDL △的電流增量應(yīng)該避免沖擊電流。

3）DDL △保護的整定，除了考慮鄰站之間的保護，還需要考慮車內(nèi)濾波器充電的充電周期，需取兩者之間的較大值。

2 DDL保護的動作邏輯分析

測量饋電電流及d/d。

將測量到的d/d與設(shè)定值和比較。如果測量d/d＞E，則開始測量電流增量（△）并計時，允許有d/d＜的情況（小于的時間不大于Tback）。

如果測量值△＞△設(shè)定值，則經(jīng)過一段時間T后，發(fā)出跳閘信號。

或如果計時時間＞設(shè)定值，且電流的增量△＞設(shè)定值△min，則發(fā)出跳閘信號。

如果在檢測到△設(shè)定值或之前，d/d＜，則△和復(fù)零。

當(dāng)電流持續(xù)增加時，測量到電流增量△＞△max并且時間大于或等于t△max，這時DDL △保護動作并同時發(fā)出跳閘信號。若在保護出口動作前檢測到電流變化率d/d低于，整個保護復(fù)歸，相關(guān)參數(shù)清零。

表1 主要參數(shù)設(shè)置表

當(dāng)電流的增量△＞△min并且電流持續(xù)增加的時間△＞max時，DDL △T保護動作同時發(fā)出跳閘信號。若在保護出口動作前檢測到電流變化率d/d低于，整個保護復(fù)歸，相關(guān)參數(shù)清零。（DDL △保護與DDL △保護的啟動值與返回值可以設(shè)置為同一值）

圖3 DDL+△I跳閘特性曲線

2.1 故障檢測舉例

表2 故障曲線表

圖中黃色部分為跳閘區(qū)域，圖中有6條曲線，當(dāng)滿足這6條曲線工況的時候，且數(shù)值處于黃色跳閘區(qū)域時，綜保將會發(fā)出跳閘命令。

圖4 跳閘曲線

3 保護整定原則

1）斜率E的設(shè)定

判斷DDL保護是否發(fā)生的初始條件是d/d是否＞。將短路穩(wěn)態(tài)電流設(shè)為cc，將短路時間常數(shù)設(shè)為經(jīng)過計算得出，短路狀態(tài)下的斜率就為=(cc/)。當(dāng)線路上有較大的牽引電流時，值不宜設(shè)置的過高，這時可以適當(dāng)降低E值，但是E值不宜設(shè)置的過低，因為列車正常啟動時會產(chǎn)生牽引電流，如果值過低，而此時因列車啟動產(chǎn)生的d/d＞值，容易將正常的列車牽引啟動誤判斷為短路故障。發(fā)生誤跳閘。

2）斜率F設(shè)定

如果線路上產(chǎn)生d/d＞時，DDL保護啟動，但是如果接下來的時間內(nèi)d/d＜并且檢測時間max，保護裝置令DDL復(fù)位，將不會發(fā)出跳閘信號，檢測結(jié)束。適當(dāng)降低設(shè)定值，使得DDL保護更加精確，可以提高DDL保護的max值動作精度。從另一方面說，適當(dāng)降低值能更好的辨認(rèn)出線路末端的短路故障。

3）△max的設(shè)定

如果△max值設(shè)的過小的話，會導(dǎo)致線路頻繁發(fā)生DDL保護，發(fā)出跳閘信號，所以可以將其值設(shè)置大一些。但是為了獲得有效的DDL功能，△max設(shè)定值過高和過低都是不可取的，因此為了獲得該值，需要在列車滿載的情況下確認(rèn)當(dāng)時電流的大小。ZJK-11的初始△max設(shè)置不會小于列車啟動時的牽引電流。

4）△Imax的設(shè)定

表示要進行DDL △保護，保護的時間必須經(jīng)過T△max后，且檢測到△大于△max后，才允許其發(fā)出跳閘命令。

5）△min的設(shè)定

ZJK-11初始值設(shè)為小于或等于線路末端短路電流，大于供電區(qū)間機車輔助電流。

6）max的設(shè)定

如果max值過小，在牽引所近距離的地方發(fā)生短路，電流的變化曲線可能與遠(yuǎn)端發(fā)生短路，電流變化的曲線詳細(xì)，這時可以適當(dāng)增大max。所以確定max值的時候，可以采用逐漸增大的方式進行試驗，即一旦試驗所得的max不再影響正常牽引便可確定該值，但是也不能無限增大，會造成遠(yuǎn)端的故障檢測不出。

4 發(fā)生近端及遠(yuǎn)端短路時的工況

1）當(dāng)發(fā)生短路時，電流上升的時間過短，未到達設(shè)定的△持續(xù)時間，保護不啟動，不會發(fā)出跳閘信號。

2）當(dāng)發(fā)生短路時，電流持續(xù)上升并且電流的增量△和持續(xù)時間△max都大于設(shè)定值，此時將發(fā)出跳閘命令。

3）當(dāng)發(fā)生短路時，電流持續(xù)上升，電流的增量△＞設(shè)定值△max。但因上升中斷未超過設(shè)定的△持續(xù)時間，并不會發(fā)出跳閘信號。

4）電流上升過程中因上升中斷，但超過了設(shè)設(shè)定的△，di/dt延時，重新開始檢測電流斜率。即使超過了設(shè)定△跳閘定值，此時保護不啟動，開關(guān)不跳閘。

5）當(dāng)發(fā)生遠(yuǎn)端短路時，電流上升速率超過整定值△且持續(xù)時間超過△max，保護啟動發(fā)出跳閘信號。

6）當(dāng)發(fā)生遠(yuǎn)端短路時，電流上升速率緩慢未達到整定值，保護不啟動，不發(fā)生跳閘信號。

5 DDL保護實際運用分析

南寧三號線投入運行至今已有6個月的時間，ZJK-11確保了直流開關(guān)的安全可靠運行，DDL保護充分體現(xiàn)了保護的可靠性、靈敏性、準(zhǔn)確性，d/d或△、△均有相應(yīng)動作采樣顯示，為故障分析判斷提供了理論依據(jù)。完全滿足系統(tǒng)運行安全要求。

在運行期間曾發(fā)生過跳閘保護，ZJK-11運行良好，驗證了保護的準(zhǔn)確性。以下就南寧東溝嶺—東葛路保護跳閘動作做詳細(xì)說明。

1）東葛路211饋線柜保護跳閘分析

如下表（DDL錄波數(shù)據(jù)）所示：在40 s 592 ms時刻，電流上升率d/d到達60 A/ms（超過DDL保護啟動值E，整定50 A/ms，在40秒592毫秒至40秒598毫秒期間，電流持續(xù)增大，d/d持續(xù)增大，電流增量Δ（3802 A-91 A=3711 A）大于Δmax的整定值3500 A，持續(xù)ΔImax（整定1 ms）后，第一次DDL ΔI保護出口。隨后電流有一個短暫的穩(wěn)態(tài)，在40 s 609 ms時刻，電流上升率d/d返回到-1 A/ms，使得DDL △I保護返回。在40 m 612 ms時刻，電流上升率d/d到達86 A/ms，超過整定值。在40 s612 ms至40 s 618 ms期間，電流持續(xù)增大，d/d持續(xù)增大，電流增量Δ（11094-6814=4280 A）大于Δmax的整定值3500 A，持續(xù)ΔImax（整定1 ms）后，第二次DDL ΔI保護出口。

表3 饋線柜錄波數(shù)據(jù)

通過以上電流故障錄波波形可知：本饋線開關(guān)切斷電流最大值約14816 A，保護分?jǐn)嗳^程時間（電流從開始升上到下降到零）約55 ms，電流大于9000 A持續(xù)時間大于22 ms，滿足綜保裝置的max++保護整定（9000 A/1 ms）。40秒616毫秒max++保護出口（在ddl保護動作之后），同時大電流脫扣保護動作。

由綜保二次保護固有動作時間可知：如果是DDL保護最終實現(xiàn)開關(guān)保護，則全過程時間應(yīng)該大于140 ms，從故障錄波波形可知：保護分?jǐn)嗳^程時間（電流從開始升上到下降到零）約55 ms，故最終是由開關(guān)本體大電流脫扣實現(xiàn)開關(guān)最終保護。

表4 東葛路211饋線柜整定值表（節(jié)選）

圖5 東葛路211饋線柜電流故障錄波

2）東溝嶺213饋線柜保護跳閘分析

如下表（DDL錄波數(shù)據(jù)）所示：在40 m614 ms時刻，電流上升率d/d到達71 A/ms（超過DDL保護啟動值E，整定50 A/ms，在40 s614 ms至40 m 646 ms期間，電流持續(xù)增大，d/d持續(xù)增大，電流增量Δ（5074A-1353A=3721A）大于Δmax的整定值3500 A，持續(xù)Δmax（整定1 ms）后，DDL Δ保護出口。在9秒364時刻Δ等于60 ms，電流增量Δ（8461-1353=7108 A）大于Δmin的整定值1000 A，DDL Δ保護出口。

通過以上電流故障錄波波形可知：本饋線開關(guān)切斷電流最大值約10001 A，保護分?jǐn)嗳^程時間（電流從開始升上到下降到零）約120 ms，電流大于9000 A持續(xù)時間大于30 ms，滿足綜保裝置的Imax++保護整定（9000 A/1 ms）。40秒683毫秒Imax++保護出口（在DDL保護動作之后），DDL ΔI保護實現(xiàn)開關(guān)的最終保護。

3）東葛路212饋線柜保護跳閘分析

如下表（DDL錄波數(shù)據(jù)）所示：在40 s 636 ms時刻，電流上升率d/d到達70 A/ms（超過DDL保護啟動值E，整定50 A/ms，在40 s 636 ms至40 s696 ms期間，電流持續(xù)增大，d/d持續(xù)增大，在40 s 696 ms時刻Δ等于60 ms，電流增量Δ（3482-（-759）=4241 A）大于Δmin的整定值1000 A，DDL ΔT保護出口。

表5 東溝嶺213饋線柜錄波數(shù)據(jù)

圖6 東溝嶺213饋線柜電流故障錄波

表6 東葛路212饋線柜錄波數(shù)據(jù)

通過以上電流故障錄波波形可知：本饋線開關(guān)切斷電流最大值約3728 A，保護分?jǐn)嗳^程時間（電流從開始升上到下降到零）約145 ms，電流存在從負(fù)向往正向變換過程，無其他保護動作，綜保DDL ΔT最終實現(xiàn)保護。

圖7 東葛路212饋線柜電流故障錄波

6）事件結(jié)論

在本次東溝嶺-東葛路區(qū)間短路事件系典型的區(qū)間短路工況，短路點相對于東葛路為近端短路，綜合保護裝置DDL優(yōu)先保護出口，斷路器本體大電流脫扣保護依次出口，斷路器本體大電流脫扣保護先于綜保DDL保護實現(xiàn)最終保護；短路點相對于東溝嶺為遠(yuǎn)端短路，綜保DDL保護動作并實現(xiàn)保護。

6 DDL保護存在的問題

本文基于南寧地鐵3號線，根據(jù)實際運營情況提出存在的問題：保護定值應(yīng)該考慮到列車啟動時產(chǎn)生的啟動電流以及接觸網(wǎng)分?jǐn)鄷r產(chǎn)生的沖擊電流的配合問題，保護需有效的區(qū)分列車正常啟動、過電分?jǐn)鄷r的沖擊等情況。

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DDL Protection in Subway DC Traction Power Supply System

Zhou Xin, Zhang Ting, Li Guoyu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U223.6

A

1003-4862（2019）11-0056-05

2019-06-19

周鑫（1990-），男，助理工程師。研究方向：電氣工程及其自動化。E-mail: 275662106@qq.com