直流牵引供电系统的DDL保护

2019-11-27 13:02李国玉

船电技术 2019年11期

关键词：整定值录波设定值

周鑫，张婷，李国玉

直流牵引供电系统的DDL保护

周鑫，张婷，李国玉

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

DDL保护作为直流牵引供电系统中线路上的主要保护，可以有效的保护直流牵引供电系统。该文首先介绍了DDL保护的工作原理，给出了保护动作的逻辑流程。介绍了DDL保护的整定方法。结合实际运营情况，描述了DDL保护应该注意的问题。

直流牵引供电系统 DLL保护直流馈线

0 引言

南宁地铁三号线直流牵引开关采用的是武汉船用电力推荐装置研究所研制的ZDS3-40/18型开关，其微机综合保护装置采用的是ZJK-11保护装置。ZJK-11主要用于保护直流牵引供电系统，可以检测到供电系统即将发生短路的现象。ZJK-11是一个微型中央处理系统，可以通过外部的设置，使其具有可操作性，可扩展性。南宁地铁三号线1500 V直流馈线保护及控制的设置包括：DDL △，DDL △，max+，min，热保护，联跳，防跳，线路测试的合闸及重合闸。

1 DDL保护的工作原理

DDL保护主要就是通过分析电流上升率d/d，电流增加持续的时间和电流增量△，检测短路故障。其原理为，在系统正常运行时，持续测量电流，并实时计算电流变化率d/d，以及实时的电流值，当电流变化率大于启动值时，并且下一毫秒时刻的电流值大于返回值，DDL保护启动。当其电流的增量大于△时，DDL △保护发出跳闸命令，使得断路器进行分闸操作。

当电流上升率满足d/d＜，且下一毫秒＞，经过一个延时时间，延时结束时△I与电流增量△满足△I大于△时，则通过DDL △T切除故障。

基于以上分析，可得出DDL △的动作方程：

DDL △保护动作方程：

1）d/d＞且d/d＞，△I1＞E△I

上式中，d/d为电流上升率；为保护电流上升率的起始条件；为电流上升率的复位值。△1为d/d＞电流增量；△为保护的电流增量整定值。

DDL △T保护动作方程

2）E＜d/d且d/d＞，△2＞△，t＞T

上式中，为DDL △T保护电流上升率的复位值；为DDL △保护电流增量持续时间；为DDL △保护的延时时间；△2为DDL △到达整定值时的电流增量。

图1 DDL保护流程图

为了使实际运行的时候，供电系统避免误动作，并且在发生线路故障时，能够准确及时有效的切断故障线路，DDL整定时候应该遵循以下几点原则：

1）设定DDL △的起动值应该大于列车正常启动时的最大电流上升率。

2）当列车正常启动时或者牵引网分断时会产生较大的冲击电流，这个时候DDL △的电流增量应该避免冲击电流。

3）DDL △保护的整定，除了考虑邻站之间的保护，还需要考虑车内滤波器充电的充电周期，需取两者之间的较大值。

2 DDL保护的动作逻辑分析

测量馈电电流及d/d。

将测量到的d/d与设定值和比较。如果测量d/d＞E，则开始测量电流增量（△）并计时，允许有d/d＜的情况（小于的时间不大于Tback）。

如果测量值△＞△设定值，则经过一段时间T后，发出跳闸信号。

或如果计时时间＞设定值，且电流的增量△＞设定值△min，则发出跳闸信号。

如果在检测到△设定值或之前，d/d＜，则△和复零。

当电流持续增加时，测量到电流增量△＞△max并且时间大于或等于t△max，这时DDL △保护动作并同时发出跳闸信号。若在保护出口动作前检测到电流变化率d/d低于，整个保护复归，相关参数清零。

表1 主要参数设置表

当电流的增量△＞△min并且电流持续增加的时间△＞max时，DDL △T保护动作同时发出跳闸信号。若在保护出口动作前检测到电流变化率d/d低于，整个保护复归，相关参数清零。（DDL △保护与DDL △保护的启动值与返回值可以设置为同一值）

图3 DDL+△I跳闸特性曲线

2.1 故障检测举例

表2 故障曲线表

图中黄色部分为跳闸区域，图中有6条曲线，当满足这6条曲线工况的时候，且数值处于黄色跳闸区域时，综保将会发出跳闸命令。

图4 跳闸曲线

3 保护整定原则

1）斜率E的设定

判断DDL保护是否发生的初始条件是d/d是否＞。将短路稳态电流设为cc，将短路时间常数设为经过计算得出，短路状态下的斜率就为=(cc/)。当线路上有较大的牵引电流时，值不宜设置的过高，这时可以适当降低E值，但是E值不宜设置的过低，因为列车正常启动时会产生牵引电流，如果值过低，而此时因列车启动产生的d/d＞值，容易将正常的列车牵引启动误判断为短路故障。发生误跳闸。

2）斜率F设定

如果线路上产生d/d＞时，DDL保护启动，但是如果接下来的时间内d/d＜并且检测时间max，保护装置令DDL复位，将不会发出跳闸信号，检测结束。适当降低设定值，使得DDL保护更加精确，可以提高DDL保护的max值动作精度。从另一方面说，适当降低值能更好的辨认出线路末端的短路故障。

3）△max的设定

如果△max值设的过小的话，会导致线路频繁发生DDL保护，发出跳闸信号，所以可以将其值设置大一些。但是为了获得有效的DDL功能，△max设定值过高和过低都是不可取的，因此为了获得该值，需要在列车满载的情况下确认当时电流的大小。ZJK-11的初始△max设置不会小于列车启动时的牵引电流。

4）△Imax的设定

表示要进行DDL △保护，保护的时间必须经过T△max后，且检测到△大于△max后，才允许其发出跳闸命令。

5）△min的设定

ZJK-11初始值设为小于或等于线路末端短路电流，大于供电区间机车辅助电流。

6）max的设定

如果max值过小，在牵引所近距离的地方发生短路，电流的变化曲线可能与远端发生短路，电流变化的曲线详细，这时可以适当增大max。所以确定max值的时候，可以采用逐渐增大的方式进行试验，即一旦试验所得的max不再影响正常牵引便可确定该值，但是也不能无限增大，会造成远端的故障检测不出。

4 发生近端及远端短路时的工况

1）当发生短路时，电流上升的时间过短，未到达设定的△持续时间，保护不启动，不会发出跳闸信号。

2）当发生短路时，电流持续上升并且电流的增量△和持续时间△max都大于设定值，此时将发出跳闸命令。

3）当发生短路时，电流持续上升，电流的增量△＞设定值△max。但因上升中断未超过设定的△持续时间，并不会发出跳闸信号。

4）电流上升过程中因上升中断，但超过了设设定的△，di/dt延时，重新开始检测电流斜率。即使超过了设定△跳闸定值，此时保护不启动，开关不跳闸。

5）当发生远端短路时，电流上升速率超过整定值△且持续时间超过△max，保护启动发出跳闸信号。

6）当发生远端短路时，电流上升速率缓慢未达到整定值，保护不启动，不发生跳闸信号。

5 DDL保护实际运用分析

南宁三号线投入运行至今已有6个月的时间，ZJK-11确保了直流开关的安全可靠运行，DDL保护充分体现了保护的可靠性、灵敏性、准确性，d/d或△、△均有相应动作采样显示，为故障分析判断提供了理论依据。完全满足系统运行安全要求。

在运行期间曾发生过跳闸保护，ZJK-11运行良好，验证了保护的准确性。以下就南宁东沟岭—东葛路保护跳闸动作做详细说明。

1）东葛路211馈线柜保护跳闸分析

如下表（DDL录波数据）所示：在40 s 592 ms时刻，电流上升率d/d到达60 A/ms（超过DDL保护启动值E，整定50 A/ms，在40秒592毫秒至40秒598毫秒期间，电流持续增大，d/d持续增大，电流增量Δ（3802 A-91 A=3711 A）大于Δmax的整定值3500 A，持续ΔImax（整定1 ms）后，第一次DDL ΔI保护出口。随后电流有一个短暂的稳态，在40 s 609 ms时刻，电流上升率d/d返回到-1 A/ms，使得DDL △I保护返回。在40 m 612 ms时刻，电流上升率d/d到达86 A/ms，超过整定值。在40 s612 ms至40 s 618 ms期间，电流持续增大，d/d持续增大，电流增量Δ（11094-6814=4280 A）大于Δmax的整定值3500 A，持续ΔImax（整定1 ms）后，第二次DDL ΔI保护出口。

表3 馈线柜录波数据

通过以上电流故障录波波形可知：本馈线开关切断电流最大值约14816 A，保护分断全过程时间（电流从开始升上到下降到零）约55 ms，电流大于9000 A持续时间大于22 ms，满足综保装置的max++保护整定（9000 A/1 ms）。40秒616毫秒max++保护出口（在ddl保护动作之后），同时大电流脱扣保护动作。

由综保二次保护固有动作时间可知：如果是DDL保护最终实现开关保护，则全过程时间应该大于140 ms，从故障录波波形可知：保护分断全过程时间（电流从开始升上到下降到零）约55 ms，故最终是由开关本体大电流脱扣实现开关最终保护。

表4 东葛路211馈线柜整定值表（节选）

图5 东葛路211馈线柜电流故障录波

2）东沟岭213馈线柜保护跳闸分析

如下表（DDL录波数据）所示：在40 m614 ms时刻，电流上升率d/d到达71 A/ms（超过DDL保护启动值E，整定50 A/ms，在40 s614 ms至40 m 646 ms期间，电流持续增大，d/d持续增大，电流增量Δ（5074A-1353A=3721A）大于Δmax的整定值3500 A，持续Δmax（整定1 ms）后，DDL Δ保护出口。在9秒364时刻Δ等于60 ms，电流增量Δ（8461-1353=7108 A）大于Δmin的整定值1000 A，DDL Δ保护出口。

通过以上电流故障录波波形可知：本馈线开关切断电流最大值约10001 A，保护分断全过程时间（电流从开始升上到下降到零）约120 ms，电流大于9000 A持续时间大于30 ms，满足综保装置的Imax++保护整定（9000 A/1 ms）。40秒683毫秒Imax++保护出口（在DDL保护动作之后），DDL ΔI保护实现开关的最终保护。

3）东葛路212馈线柜保护跳闸分析

如下表（DDL录波数据）所示：在40 s 636 ms时刻，电流上升率d/d到达70 A/ms（超过DDL保护启动值E，整定50 A/ms，在40 s 636 ms至40 s696 ms期间，电流持续增大，d/d持续增大，在40 s 696 ms时刻Δ等于60 ms，电流增量Δ（3482-（-759）=4241 A）大于Δmin的整定值1000 A，DDL ΔT保护出口。