DDL 保护在直流牵引供电系统中的应用
摘要：介绍了津滨轻轨直流牵引供电系统中DDL 保护的动作逻辑、保护的整定及校验，并对该保护装置在实际使用中遇到的问题及解决方案进行了说明。关键词：轨道交通；直流牵引；DDL 保护；整定；校验
1 DDL 保护的概述
在我国早期的城市轨道交通直流牵引供电系统中，通常采用大电流脱扣和过电流保护相互配合实现对牵引网的保护， 如早期的北京地铁、天津地铁等。大电流脱扣属于断路器的本体装置， 它采用电磁脱扣原理， 短路点距变电所越近， 短路电流的上升率越大， 电磁脱扣跳闸时间也将越短， 因而大电流脱扣主要用于近端短路保护。而对于短路点在远端的情况下， 由于短路电流相对较小， 大电流脱扣的时间也较长， 甚至于不能有效保护， 过流保护虽能有效地保护到线路的末端， 但其延时较长，保护的速动性有所降低。
随着近几年我国城市轨道交通的迅速发展，一种反应电流变化趋势的保护，即DDL 保护，又称电流变化率（di/dt）和电流增量（DI）保护，逐渐成为直流牵引网末端短路的主保护。目前DDL 保护装置仍采用国外引进的保护单元，在国内各地的工程建设中， 因各地的实际情况不同， 所采用的保护装置也不相同，如上海地铁采用了ADTRANS 的DCP106 保护单元，广州地铁采用了SIEMENS 公司的DPU96 保护单元，津滨轻轨则采用了Secheron 公司的SEPCOS 保护单元，虽然各公司的产品不同， 动作逻辑也不尽相同， 但是动作原理基本一致。
津滨轻轨接触网因周边环境影响而发生的故障率比地铁及其它城市轻轨要高。SEPCOS 保护装置具有动作灵敏， 可靠系数高， 故障判断准确，重合闸次数可调整等优点，非常适合津滨轻轨直流牵引供电系统的运行特点。
2 SEPCOS 装置DDL 保护的动作逻辑
直流牵引供电系统不同于交流牵引供电系统，在交流牵引供电系统中利用交流电的特性可以有各种不同形式的保护装置，而直流牵引供电系统机车取流不是总保持在一个水平上，因受到机车起步、加速等操作环节的影响，电流变化频繁而复杂。所以采用DDL 保护功能，用于牵引直流供电系统中作为主保护，主要就是通过分析电流上升率di/dt，电流增加持续的时间t 和电流增量DI，检测远距离短路故障，其故障电流低于断路器的大电流脱扣整定值。该保护需整定的参数为以下6 个，即保护装置起始门限E、保护装置复位门限F、最大电流增量DImax，最大电流增量延时tDImax，最小电流增量DImin，最小电流增量延时T。
（1）保护装置不断地连续检测馈线电流If 及其电流变化率di/dt，并将di/dt 与设定值E 和F 比较，若di/dt>E，则开始测量电流增量（DI）和时间（t）： 当DI>DImax 设定值，则经一段时间tDImax 延时后DI 保护出口并使开关跳闸；当t >T 设定值，且DI >DImin 设定值，则di/dt 保护出口并使开关跳闸。
（2）如果在检测到DImax 设定值或T 前，di/dt<F 并保持tDImax 时间，则测量值DI 和t 归零。
3 SEPCOS 保护的主要功能
3.1 线路检测测量馈线电压Uf：若Uf >UfLow，则断路器合闸；若残留电压U <Uf <UfLow，表明线路过载，不能合闸；则显示“闭锁”信号；若Uf <Uf 残留，则接通线路检测接触器来测量线路阻抗；R>Rmin ，断路器合闸；R<Rmin，则显示“闭锁”信号。整个测量环节大约用时3～5 s 。
3.2 正向电流保护
当线路中的故障电流（短路电流或过载电流）小于断路器的大电流脱机整定值， 通过测量、分析馈线的正向电流可检测低于断路器整定值的短路电流和过载电流。
3.3 反向电流保护
通过测量、分析馈线的反向电流， 检测低于断路器整定值的短路电流和过载电流。
3.4 DDL（D Imax，T）保护
此功能通过分析电流上升率di/dt，电流增加持续的时间T 和电流增量DI，检测远距离短路故障，其故障电流低于断路器的大电流脱机整定值。
3.5 热保护
此功能对断路器、供电线路（电缆、接触网）等提供热过载保护。因为长期大电流会使供电导体发热，从而可能导致供电导体，尤其是接触网变软。主要原理是连续测量馈线电流，计算热载èt，èt 为被保护装置的额定电流In 和热时间常数T 的函数。SEPCOS 通电后，èt 的初始值èto=0.98 èA，èA 为设定的报警值。当断路器合闸后馈线流过大电流，当达到èA 时SEPCOS 发出警报。如果èt 续续上升，当èt≥1.01 èA 时，SEPCOS 发出指令使开关跳闸，同时可发出闭锁信号，只有当èt< èA 时，断路器才能重新合闸。
3.6 线路带电测量
连续测量馈线电压Uf， 如果Uf<设定值， 则表明线路带电。
3.7 线路压差保护
当某段线路已从另端受电时，如果整流器电压与馈线电压之间的电压差有引起大电流的危险，则断路器不能合闸。测量电压Uf 和整流器电压Ur： 若Ur -Uf <设定值DUr-f ，断路器可以合闸；若Ur -Uf >设定值DUr-f ，合闸程序终止，并显示“闭锁”信号。
3.8 低电压保护
检测远距离电源点的电压。如测量Uf 小于设定值UfLow 且时间大于设定值Tuf，则使开关跳闸。
4 DDL 保护的整定与校验
4.1 直流短路电流的计算
直流牵引供电系统模型可描述为一个多直流电流供电系统，当短路发生时其等效回路为一个直流电源和电阻R、电感L 的串联回路，如图1 所示。
R L
图1 系统模型及等效回路
根据电路原理， 由等效回路可求得短路电流i i=I0 ·(1-e -t/t)
和电流变化率di/dt，即di/dt=I0/t·e -t/t
式中，I0 为系统的稳态电流，I0＝V/R；t为系统的时间常数，t＝L/R；L 为回路的等效电感；R 为系统的等效电阻。
4.2 DDL 保护的整定
4.2.1 E 和F 的设定
斜率E（kA/s 或A/ms） 为保护装置的起始门限，当di/dt>E 时，保护装置启动。短路情况下的初始斜率可由(di/dt)t=0 计算得出，为保证保护装置的可靠启动，(di/dt)t=0 应大于E。另外考虑到短路故障发生时已存在一牵引电流，也就是在t=0 时，i=I 牵引>0，这样初始斜率将会小于在极端条件下（t=0 时i=0）计算出的值。因此在通常情况下可将E 设定为初始斜率计算值(di/dt)t=0 的一半，来满足通常牵引负荷电流状况下保护检测的要求。为了能够辩识出任何情况下的短路故障，当牵引电流较高时可以适当降低设定值，但必须避免与列车正常牵引负荷电流混淆。
斜率F（kA/s 或A/ms） 为保护装置的复位门限，当di/dt＜F 时，保护装置复位，这一斜率值标志着短路故障的结束。F 值可适当降低以提高DDL 保护精度，也就是说可更准确地辩识出发生在线路末端的短路故障。
4.2.2 DI max 和tDI max 的设定
DImax 这一参数值应在机车运行情况下对系统进行全面测试得出，通常建议此参数可在最大牵引电流和短路电流之间或短路情况下E 和F 值所对应的电流之间选取，但不应小于机车启动电流。tDImax 这一参数与DImax 有关，表示DDL+DI 保护动作的延时并可以消除寄生电流。
4.2.3 T 和DImin 的设定
T 这一参数可改变DDL 中di/dt 保护的动作检测值，当电流斜率大于斜率E 时，开始进入DDL 保护分析过程，当分析持续时间t 等于T 时保护动作， 在此期间电流增量小于等于DImax， 电流斜率值大于F。通常建议T 值为1.5 倍的短路时间常数或短路情况下di/dt 值从E 到F 所经历时间的80%。
DDL 中di/dt 保护动作的必要条件是从分析计算开始持续的时间t 等于T 时电流增量大于DImin， DImin 的最大值应小于或等于线路末端短路电流或大于机车辅助电流。
4.3 DDL 保护的校验DDL 保护的校验主要考虑以下2 个方面：
（1）DDL 保护应保护到线路的末端，因而应计算线路末端的短路电流及其变化率，以校验DDL 保护的可靠性。
（2）DDL 保护还应考虑与机车的配合关系，并应躲过机车的启动电流和冲击电流对保护装置的影响，以保证DDL 保护装置的选择性。
5 结束语
所有保护装置在依据计算得出的结果后，还必须经受实际的验证， 津滨轻轨也不例外， 通过实践的验证，直流馈线保护主要反映以下几个问题：
（1） 保护定值的配合，经各方面专家多次讨论和修改， 目前运行基本稳定。
（2）为了避免不必要的跳闸现象发生，更换DDL 功能分析，保护复归。SEPCOS 主板VPC 软件， 改进后的VPC 软件取消
（3）针对SEPCOS 装置显示测量数据漂移问了保护复归条件中时间参数“t delte I”这一判断条题，装置软件将检测到的di/dt 取平均值，有效地件，即当di/dt 测量的平均值低于F 值时立即停止保证di/dt 值传输至SEPCOS 保护装置内的真实性，避免了由于干扰而对保护性能造成的影响。
（4）在对引进SEPCOS 保护装置的使用、调试过程中，通过实践验证了解决实际问题的效果。尚有一些问题需要去研究和解决。例如：SEPCOS 装置在运行过程中， 当环境温度升高时， 其温升将达到20～30℃ ，这将会影响装置的正常运行，严重时将会发生整机死机， 失去保护功能。由于直流牵引供电系统按照无人值班运行设计，既不可能开盖运行， 又不便随时通风散热， 针对此类问题大致定出以下几种方案：① 装置面板开孔，以便散热；② 装置内加风扇散热；③ 控制室内温度。改进效果如何，正在进行可能性研究。在此也希望国内的保护装置生产厂家能够生
产出适合我国使用的直流供电系统保护装置。
