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)的動作邏輯、保護(hù)的整定及校驗(yàn)，并對該保護(hù)裝置在實(shí)際使用中遇到的問題及解決方案進(jìn)行了說明。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電流保護(hù)相互配合實(shí)現(xiàn)對牽引網(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)。而對于短路點(diǎn)在遠(yuǎn)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(hù)， 過流保護(hù)雖能有效地保護(hù)到線路的末端， 但其延時較長，保護(hù)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(fā)展，一種反應(yīng)電流變化趨勢的保護(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)裝置仍采用國外引進(jìn)的保護(hù)單元，在國內(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， 動作邏輯也不盡相同， 但是動作原理基本一致。
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)，主要就是通過分析電流上升率di/dt，電流增加持續(xù)的時間t 和電流增量DI，檢測遠(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，即保護(hù)裝置起始門限E、保護(hù)裝置復(fù)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(hù)裝置不斷地連續(xù)檢測饋線電流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，則開始測量電流增量（DI）和時間（t）： 當(dāng)DI>DImax 設(shè)定值，則經(jīng)一段時間tDImax 延時后DI 保護(hù)出口并使開關(guān)跳閘；當(dāng)t >T 設(shè)定值，且DI >DImin 設(shè)定值，則di/dt 保護(hù)出口并使開關(guān)跳閘。
（2）如果在檢測到DImax 設(shè)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(hù)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(huán)節(jié)大約用時3～5 s 。
3.2 正向電流保護(hù)
當(dāng)線路中的故障電流（短路電流或過載電流）小于斷路器的大電流脫機(jī)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(hù)
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(hù)
此功能通過分析電流上升率di/dt，電流增加持續(xù)的時間T 和電流增量DI，檢測遠(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)
此功能對斷路器、供電線路（電纜、接觸網(wǎng)）等提供熱過載保護(hù)。因?yàn)殚L期大電流會使供電導(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)測量饋線電流，計算熱載èt，èt 為被保護(hù)裝置的額定電流In 和熱時間常數(shù)T 的函數(shù)。SEPCOS 通電后，èt 的初始值èto=0.98 èA，èA 為設(shè)定的報警值。當(dāng)斷路器合閘后饋線流過大電流，當(dāng)達(dá)到èA 時SEPCOS 發(fā)出警報。如果èt 續(xù)續(xù)上升，當(dāng)èt≥1.01 èA 時，SEPCOS 發(fā)出指令使開關(guān)跳閘，同時可發(fā)出閉鎖信號，只有當(dāng)èt< èA 時，斷路器才能重新合閘。
3.6 線路帶電測量
連續(xù)測量饋線電壓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，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(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。
3.8 低電壓保護(hù)
檢測遠(yuǎn)距離電源點(diǎn)的電壓。如測量Uf 小于設(shè)定值UfLow 且時間大于設(shè)定值Tuf，則使開關(guān)跳閘。
4 DDL 保護(hù)的整定與校驗(yàn)
4.1 直流短路電流的計算
直流牽引供電系統(tǒng)模型可描述為一個多直流電流供電系統(tǒng)，當(dāng)短路發(fā)生時其等效回路為一個直流電源和電阻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)裝置的起始門限，當(dāng)di/dt>E 時，保護(hù)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(hù)裝置的可靠啟動，(di/dt)t=0 應(yīng)大于E。另外考慮到短路故障發(fā)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(shè)定為初始斜率計算值(di/dt)t=0 的一半，來滿足通常牽引負(fù)荷電流狀況下保護(hù)檢測的要求。為了能夠辯識出任何情況下的短路故障，當(dāng)牽引電流較高時可以適當(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)位門限，當(dāng)di/dt＜F 時，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，也就是說可更準(zhǔn)確地辯識出發(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)行情況下對系統(tǒng)進(jìn)行全面測試得出，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 值所對應(yīng)的電流之間選取，但不應(yīng)小于機(jī)車啟動電流。tDImax 這一參數(shù)與DImax 有關(guān)，表示DDL+DI 保護(hù)動作的延時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)的動作檢測值，當(dāng)電流斜率大于斜率E 時，開始進(jìn)入DDL 保護(hù)分析過程，當(dāng)分析持續(xù)時間t 等于T 時保護(hù)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(shù)或短路情況下di/dt 值從E 到F 所經(jīng)歷時間的80%。
DDL 中di/dt 保護(hù)動作的必要條件是從分析計算開始持續(xù)的時間t 等于T 時電流增量大于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 個方面：
（1）DDL 保護(hù)應(yīng)保護(hù)到線路的末端，因而應(yīng)計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)躲過機(jī)車的啟動電流和沖擊電流對保護(hù)裝置的影響，以保證DDL 保護(hù)裝置的選擇性。
5 結(jié)束語
所有保護(hù)裝置在依據(jù)計算得出的結(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， 通過實(shí)踐的驗(yàn)證，直流饋線保護(hù)主要反映以下幾個問題：
（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SEPCOS 裝置顯示測量數(shù)據(jù)漂移問了保護(hù)復(fù)歸條件中時間參數(shù)“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(dāng)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(hù)裝置內(nèi)的真實(shí)性，避免了由于干擾而對保護(hù)性能造成的影響。
（4）在對引進(jìn)SEPCOS 保護(hù)裝置的使用、調(diào)試過程中，通過實(shí)踐驗(yàn)證了解決實(shí)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(yùn)行過程中， 當(dāng)環(huán)境溫度升高時， 其溫升將達(dá)到20～30℃ ，這將會影響裝置的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時將會發(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)按照無人值班運(yùn)行設(shè)計，既不可能開蓋運(yùn)行， 又不便隨時通風(fēng)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(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。在此也希望國內(nèi)的保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家能夠生
產(chǎn)出適合我國使用的直流供電系統(tǒng)保護(hù)裝置。
