廣州地鐵1號線牽引供電系統保護裝置原理分析

楊曉春

（廣州市地下鐵道總公司運營事業總部，510380，廣州∥助理工程師）

廣州地鐵1號線牽引供電系統保護裝置原理分析

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。結合DPU96動作原理，通過定量分析方法，在試驗的基礎上，總結了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；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保護測控單元。由于建設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。本文在試驗的基礎上，結合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觸發脈沖，CH3——di/dt觸發脈沖，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，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，觸發直流饋線開關跳閘。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。當電流上升率高于保護設定的電流上升率時，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定值，則保護動作；若在延時階段電流上升率回落到保護設定值之下，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保護試驗及結果

2.2.1 輸入波形達到di/dt整定值

將3UB61 di/dt整定值設置為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60 A/ms）。輸入波形斜率達到整定值時，觸發結果如圖4所示。

圖4 輸入波形達到di/dt整定值

當輸入信號不滿足di/dt整定值，波形（2）di/dt觸發脈沖為-12 V低電平，當輸入波形達到di/dt斜率整定值，觸發脈沖輸出0高電平，高電平脈寬取決于輸入信號達到整定值的持續時間。圖4中，從波形（2）di/dt觸發至波形（3）di/dt跳閘動作，持續時間為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，在負電流作用下，波形（2）輸出0低電平，說明3UB61對負電流不會啟動保護。

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情況。如圖5所示。

圖5 di/dt斜率臨界值時觸發情況

波形（1）中正電壓信號斜率20 m V/ms持續50 ms時，理論上di/dt保護應能動作，但試驗發現，臨界斜率時波形（2）di/dt觸發脈沖有短時掉電現象，掉電后，3UB61將重新計算di/dt值以及延時，此種情況下，di/dt能否觸發取決于連續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變為25 ms，使用同樣波形輸入的情況，此時di/dt跳閘信號動作，雖然觸發脈沖存在掉電情況，但是連續高電平脈寬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饋線保護原理描述中均沒有體現。

由此可以說明，3UB61裝置di/dt保護原理與DPU96的描述基本一致，但裝置動作應當考慮固有延時存在；而臨界情況下di/dt是否觸發取決于觸發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啟動時電流為基準點?，F將ΔI整定值設置為4 000 A，延時5 ms；di/dt整定值為40 A/ms。采用幅值±2.2 V（等效一次側最大電流±4 400 A）、周期200 ms鋸齒波輸入（等效一次側斜率44 A/ms），觸發情況如圖9所示。

圖9 輸入波形達到ΔI觸發脈沖（1）

波形（2）ΔI觸發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瞬間越變為0.4 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，增量基準點為0。a時刻波形（1）達到1.98 V（等效一次側電流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觸發時電壓為1.98 V可知，雖然d時刻di/dt觸發脈沖存在短時掉電的情況，但并未影響ΔI基準點。即在3UB61中，一旦di/dt觸發，短時di/dt脈沖掉電情況不會影響ΔI增量計算基準點。這與DPU96中設置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整定值設置為4 000 A，0 ms。采用幅值為±3 V（等效為一次側最大電流±6 000 A）、周期為50 ms鋸齒波輸入，觸發情況如圖10。當輸入波形（1）達到1.98 V，ΔI觸發脈沖波形（2）輸出-12 V低電平，低電平持續時間為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，再經過固有延時，跳閘信號動作。

圖10 輸入波形達到ΔI觸發脈沖（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觸發電平脈寬8.22 ms未達到ΔI整定值10 ms。

根據DPU96ΔI保護原理，在ΔI開始計算增量時，若10 ms（ΔI延時整定值）內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保護原理應如圖12所示。

圖11 ΔI延時整定值10 ms

圖12 3UB61ΔI保護原理

4 結語

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基礎。雖然3UB61目前已經停產，很多線路也多采用升級產品替代，但本文提出的定量校驗方法能對研究直流牽引系統保護裝置原理提供一定幫助。

［1］ 董斌.地鐵直流供電系統中的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，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）