广州地铁1号线牵引供电系统保护装置原理分析

杨晓春

（广州市地下铁道总公司运营事业总部，510380，广州∥助理工程师）

广州地铁1号线牵引供电系统保护装置原理分析

杨晓春

（广州市地下铁道总公司运营事业总部，510380，广州∥助理工程师）

di/dt、ΔI保护是城市轨道交通直流牵引供电系统主要保护方式。广州地铁1号线采用西门子公司3UB61装置作为直流馈线保护。结合DPU96动作原理，通过定量分析方法，在试验的基础上，总结了3UB61装置的动作原理，给出了3UB61的di/dt、ΔI保护原理图。

地铁；牵引供电系统；继电保护

Author’s addressOperation Bussiness Headquarters of Guangzhou Metro Corporation，510380，Guangzhou，China

广州地铁1号线自1997年投运至今，一直采用西门子公司3UB61装置作为直流馈线开关保护测控单元。由于建设初期厂家未提供明确的3UB61保护原理，多年来运行方一直采用DPU96原理作为其替代。事实上，3UB61动作原理与DPU96原理并不完全一致。本文在试验的基础上，结合DPU96动作原理对3UB61装置的动作原理进行验证。

1 试验方法

将波形发生器与3UB61装置输入端相连，通过示波器采集如下信息：CH1——输入波形，CH2——ΔI触发脉冲，CH3——di/dt触发脉冲，CH4——16#di/dt跳闸信号，CH5——18#ΔI跳闸信号。并分析相同整定值、不同波形触发，相同波形、不同整定值下3UB61的动作情况。试验接线如图1所示。

图1 di/dt、ΔI保护试验图

di/dt、ΔI触发脉冲值从3UB61 A3模块上引入，如图2所示。正常运行时，一次回路电流经过4 000 A/60 m V分流器后通过±150 m V/±10 V隔离放大器输入3UB61的1#、2#端子，通过计算可知一、二次侧等效线性变比为4 000 A/2 V。3UB61对输入信号进行判断，达到整定条件后，16#或18#端子输出+24 V高电平跳闸信号，触发直流馈线开关跳闸。其中，16#端子为di/dt跳闸信号，18#端子为ΔI跳闸信号。

图2 3UB61 A3模块上di/dt、ΔI脉冲信号

2 3UB61装置d i/d t保护原理验证

2.1 DPU96 di/dt保护原理

在DPU96中，保护装置运行时会不断检测电流上升率。当电流上升率高于保护设定的电流上升率时，di/dt保护启动，进入延时阶段。若在整个延时阶段电流的上升率都高于保护设定值，则保护动作；若在延时阶段电流上升率回落到保护设定值之下，则保护返回。

如图3所示，a点电流上升率高于di/dt保护整定值，保护启动。对于情况（1），b点保护延时达到di/dt保护延时整定值，且延时阶段电流上升率始终高于di/dt保护整定值，保护动作；对于情况（2），c点电流上升率回落到di/dt保护整定值以下，而此时保护延时di/dt尚未达到保护延时整定值，保护返回。

图3 di/dt保护原理

2.2 3UB61 di/dt保护试验及结果

2.2.1 输入波形达到di/dt整定值

将3UB61 di/dt整定值设置为40 A/ms，延时40 ms。采用周期100 ms，幅值±1.5 V锯齿波输入，斜率为30 m V/ms（等效一次侧60 A/ms）。输入波形斜率达到整定值时，触发结果如图4所示。

图4 输入波形达到di/dt整定值

当输入信号不满足di/dt整定值，波形（2）di/dt触发脉冲为-12 V低电平，当输入波形达到di/dt斜率整定值，触发脉冲输出0高电平，高电平脉宽取决于输入信号达到整定值的持续时间。图4中，从波形（2）di/dt触发至波形（3）di/dt跳闸动作，持续时间为49.55 ms。其既包括了di/dt延时整定值40 ms，也包括了装置固有延时9.55 ms。此外，在负电流作用下，波形（2）输出0低电平，说明3UB61对负电流不会启动保护。

2.2.2 输入波形为临界值

将输入信号斜率改为20 m V/ms（等效一次侧电流斜率为40 A/ms），di/dt整定值不变，仍为40 A/ms，延时40 ms，观察di/dt到达临界值时的触发情况。如图5所示。

图5 di/dt斜率临界值时触发情况

波形（1）中正电压信号斜率20 m V/ms持续50 ms时，理论上di/dt保护应能动作，但试验发现，临界斜率时波形（2）di/dt触发脉冲有短时掉电现象，掉电后，3UB61将重新计算di/dt值以及延时，此种情况下，di/dt能否触发取决于连续高电平脉冲宽度能否达到di/dt整定值（即图5中两条垂直光标所夹有效脉宽是否达到di/dt延时整定值），此时有效脉宽29.55 ms不满足di/dt延时整定值40 ms，故di/dt不动作。该结论可进一步验证，如图6所示。

图6 改变di/dt延时整定值

图6 为di/dt延时整定值由40 ms变为25 ms，使用同样波形输入的情况，此时di/dt跳闸信号动作，虽然触发脉冲存在掉电情况，但是连续高电平脉宽29.55 ms大于延时整定值25 ms，故di/dt跳闸。这在DPU96包括其他主流直流开关馈线保护原理描述中均没有体现。

由此可以说明，3UB61装置di/dt保护原理与DPU96的描述基本一致，但装置动作应当考虑固有延时存在；而临界情况下di/dt是否触发取决于触发脉冲输出有效电平脉宽是否达到整定值。因此，3UB61 di/dt保护原理如图7所示。

图7 3UB61 di/dt保护原理

3 3UB61装置ΔI保护原理验证

3.1 DPU96ΔI保护原理

在DPU96中，ΔI启动的条件为：以di/dt达到整定值时的电流为基点，计算电流增量，若电流上升率一直大于di/dt保护整定值，在达到ΔI保护整定值时保护动作。

在计算电流增量的过程中，允许电流上升率在相对较短的时间内回落到di/dt保护整定值之下，只要这段时间不超过di/dt返回延时整定值，则保护不返回，反之保护返回。该保护需要设定如下整定值：ΔI整定值、ΔI延时整定值、di/dt返回延时整定值。具体原理说明如图8所示。

电流（1）：保护未动作，电流增量虽然超过ΔI整定值，但延时时间不足。

电流（2）：保护动作，电流增量超过ΔI整定值，延时时间满足。

电流（3）：保护动作，电流增量超过ΔI整定值，延时满足，在电流上升的过程中，虽然电流上升率曾回落到di/dt整定值之下，但未达到di/dt返回延时值，因此保护未返回。

电流（4）：保护未动作，在电流上升的过程中，电流上升率回落到di/dt整定值以下，且超过di/dt返回延时值因此保护返回。在e点保护重新启动，并以e点作为新基准点。

图8 DPU96ΔI保护原理

3.2 3UB61ΔI保护启动原理验证

DPU96中，ΔI增量计算是以di/dt启动时电流为基准点。现将ΔI整定值设置为4 000 A，延时5 ms；di/dt整定值为40 A/ms。采用幅值±2.2 V（等效一次侧最大电流±4 400 A）、周期200 ms锯齿波输入（等效一次侧斜率44 A/ms），触发情况如图9所示。

图9 输入波形达到ΔI触发脉冲（1）

波形（2）ΔI触发脉冲在输入信号不满足ΔI电流增量整定值时输出0高电平，在满足ΔI电流增量整定值时，输出-12 V低电平。在c时刻，输入波形（1）从0瞬间越变为0.4 V，波形（3）输出0高电平，表示di/dt保护启动；此时ΔI开始计算增量，增量基准点为0。a时刻波形（1）达到1.98 V（等效一次侧电流3 960 A，与整定值4 000 A存在一定误差，由装置本身造成），波形（2）输出-12 V有效低电平。从ΔI触发时电压为1.98 V可知，虽然d时刻di/dt触发脉冲存在短时掉电的情况，但并未影响ΔI基准点。即在3UB61中，一旦di/dt触发，短时di/dt脉冲掉电情况不会影响ΔI增量计算基准点。这与DPU96中设置di/dt返回延时整定值不一样。

3.3 3UB61ΔI保护动作原理验证

将ΔI整定值设置为4 000 A，0 ms。采用幅值为±3 V（等效为一次侧最大电流±6 000 A）、周期为50 ms锯齿波输入，触发情况如图10。当输入波形（1）达到1.98 V，ΔI触发脉冲波形（2）输出-12 V低电平，低电平持续时间为8.22 ms，ΔI保护动作，见波形（3）。ΔI中同样存在装置固有延时，输入信号达到ΔI整定值后，再经过固有延时，跳闸信号动作。

图10 输入波形达到ΔI触发脉冲（2）

不改变输入波形，将ΔI延时整定值改为10 ms，如图11。a时刻输入波形达到ΔI整定值，波形（2）输出-12 V低电平，脉宽8.22 ms，此时波形（3）ΔI跳闸信号无+24 V输出，即ΔI保护未动作。究其原因为-12 V触发电平脉宽8.22 ms未达到ΔI整定值10 ms。

根据DPU96ΔI保护原理，在ΔI开始计算增量时，若10 ms（ΔI延时整定值）内ΔI增大到4 000 A（ΔI电流增量整定值）且10 ms时ΔI已低于4 000 A，则ΔI保护不动作。但由试验可知，3UB61ΔI延时是指只要ΔI开始计算增量，无论多久达到4 000 A，只要ΔI大于4 000 A的持续时间超过10 ms（ΔI延时整定值），则保护装置动作，否则保护返回。因此3UB61ΔI保护原理应如图12所示。

图11 ΔI延时整定值10 ms

图12 3UB61ΔI保护原理

4 结语

本文深入验证了3UB61装置的动作原理，为今后故障分析提供一定技术基础。虽然3UB61目前已经停产，很多线路也多采用升级产品替代，但本文提出的定量校验方法能对研究直流牵引系统保护装置原理提供一定帮助。

［1］ 董斌.地铁直流供电系统中的di/dt和ΔI保护［J］.机车电传动，2003（3）：38.

［2］ 庞开阳.用定量分析法校验电流增量和电流斜率［J］.量测技术，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）