電流上升率和電流增量保護(hù)的定量測(cè)量.doc

航空學(xué)報(bào)電流上升率和電流增量保護(hù)的定量測(cè)量 張目然 (廣州市地下鐵道總公司 廣州510030) 摘要 介紹廣州地鐵二號(hào)線直流牽引系統(tǒng)DPU96保護(hù)控制單元的基本保護(hù)功能，闡述了電流上升率保護(hù)和電流增量保護(hù)的基本原理，針對(duì)目前DPU96校驗(yàn)采用定性測(cè)量方法的不足，提出一種模擬現(xiàn)場(chǎng)條件定量測(cè)量的方法，對(duì)提高校驗(yàn)精確度具有一定價(jià)值。關(guān)鍵詞 電流上升率保護(hù) 電流增量保護(hù) 定量測(cè)量Quantitive Measurement of Current Step Change Protection and Rate of Current Rise Protection Zhang Muran(Guangzhou Metro Corporation , Guangzhou 510030) Abstract: This paper introduces the protective functions of DPU96 digital protective unit and controller in Guangzhou Metro Line 2 and the principle of current step change protection as well as rate of current rise protection . According to the insufficiencies in the qualitative measurement of DPU96 nowadays, a method of quantitive measurement simulating the actual condition which is useful to obtain high accuracy in test is introduced.Key words: Current step change protection ; Rate of current rise protection ; Quantitive measurement都市快軌交通第 卷 第 期 2007年 月 5隨著城市的快速發(fā)展，環(huán)保、便利、高效的交通手段越來(lái)越受到人們的關(guān)注。電牽引的軌道交通系統(tǒng)就可以完全適應(yīng)現(xiàn)代交通的發(fā)展和要求。而直流牽引軌道交通系統(tǒng)得到了最為廣泛的應(yīng)用，其主要優(yōu)點(diǎn)是：快捷、站間距離短和行車密度大。為了使直流牽引供電系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮作用，必須要求高效安全的保護(hù)系統(tǒng)。廣州地鐵二號(hào)線直流饋線開關(guān)柜的保護(hù)和控制單元使用的是西門子SITRAS DPU96 數(shù)字式保護(hù)和控制裝置。該裝置以微處理器為基礎(chǔ)研究開發(fā)，用于避免直流開關(guān)設(shè)備和接觸網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷和短路情況，并根據(jù)電流的變化在達(dá)到最大短路電流之前檢測(cè)出短路的發(fā)生，啟動(dòng)相應(yīng)保護(hù)來(lái)跳開開關(guān)，切除故障回路，保護(hù)供電設(shè)備的安全。通常對(duì)于饋線保護(hù)的日常校驗(yàn)是做定性試驗(yàn)，通過(guò)加適度的電壓量來(lái)模擬實(shí)際情況檢測(cè)保護(hù)控制單元是否正常，但加壓量完全憑經(jīng)驗(yàn)試值，受人為影響較作者簡(jiǎn)介：張目然，女，學(xué)士學(xué)位，電氣助理工程師， 大。且加量值由DPU96的屏幕讀數(shù)確定。這樣相當(dāng)于試驗(yàn)前提是DPU96的檢測(cè)準(zhǔn)確無(wú)誤，如果這一前提不能滿足，那么就不能夠準(zhǔn)確的判定保護(hù)能否在額定值動(dòng)作，試驗(yàn)結(jié)果受到影響,且目前保護(hù)校驗(yàn)均需在設(shè)備上進(jìn)行，對(duì)新進(jìn)備件無(wú)法進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試。為提高試驗(yàn)的規(guī)范性和精確度，本文提出一種定量測(cè)量的嘗試，雖不成熟，但希望能夠作為一個(gè)開端，日后完善這一測(cè)量方法。1電流上升率保護(hù)和電流增量保護(hù)原理DPU96設(shè)置的保護(hù)有：A、電流絕對(duì)值保護(hù)B、過(guò)電流保護(hù)C、電流增量保護(hù)D、電流變化率保護(hù)E、電纜熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)其中電流上升率和電流增量保護(hù)是根據(jù)故障電流和正常工作電流在上升率上的巨大差異來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，對(duì)保護(hù)校驗(yàn)的要求較高。實(shí)際中，兩種保護(hù)是配合實(shí)現(xiàn)保護(hù)的，其啟動(dòng)條件通常都是同一個(gè)電流上升率。但啟動(dòng)后，兩種保護(hù)進(jìn)入各自的延時(shí)時(shí)間，互不影響，哪個(gè)保護(hù)先達(dá)到動(dòng)作條件，就由它出口。通常，電流上升率保護(hù)作為中遠(yuǎn)端非金屬性短路故障的主保護(hù)，電流增量保護(hù)則主要針對(duì)中近距離的非金屬性短路故障（金屬性直接短路故障由斷路器本身的大電流脫扣裝置來(lái)切除）。兩種保護(hù)的動(dòng)作過(guò)程如下：1.1電流上升率保護(hù)（簡(jiǎn)稱保護(hù)）在運(yùn)行中，保護(hù)裝置不斷檢測(cè)電流上升率，當(dāng)電流上升率高于保護(hù)設(shè)定的電流上升率時(shí)，保護(hù)起動(dòng)，進(jìn)入延時(shí)階段，若在整個(gè)延時(shí)階段，電流的上升率都高于保護(hù)設(shè)定值，那么保護(hù)出口跳閘；若在延時(shí)階段，電流上升率回落到保護(hù)設(shè)定值之下，那么保護(hù)返回。 圖1 電流上升率保護(hù)原理圖1反映了一個(gè)電流波形在兩種保護(hù)整定值下的動(dòng)作情況，分別用“（1）”和“（2）”來(lái)代表這兩種情況。在點(diǎn)由于電流上升率高于整定值，保護(hù)起動(dòng)。對(duì)于情況（1），在點(diǎn)，電流達(dá)到保護(hù)延時(shí)整定，且在間電流上升率始終高于整定值，保護(hù)動(dòng)作。對(duì)于情況（2），在點(diǎn)，電流上升率回落到保護(hù)整定值下，而此時(shí)保護(hù)延時(shí)整定值尚未達(dá)到，保護(hù)返回。1.2 電流增量保護(hù)（簡(jiǎn)稱保護(hù)）電流增量保護(hù)需設(shè)置如下四項(xiàng)參數(shù)：跳閘整定值、延時(shí)整定值、返回延時(shí)整定值、斜率。在電流上升率保護(hù)起動(dòng)的同時(shí)電流增量保護(hù)也起動(dòng)，進(jìn)入保護(hù)延時(shí)階段，從電流增量保護(hù)起動(dòng)的時(shí)刻起，繼電器開始以起動(dòng)時(shí)刻的電流作為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算相對(duì)電流增量值。若電流上升率一直維持在電流增量保護(hù)要求的斜率整定值之上，且在達(dá)到額定延時(shí)后，電流增量值達(dá)到跳閘整定值，則保護(hù)動(dòng)作。在計(jì)算電流增量的過(guò)程中允許電流上升率在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)回落到斜率整定值之下，只要這段時(shí)間不超過(guò)電流上升率返回延時(shí)整定值，保護(hù)不返回；反之，保護(hù)返回。圖2反映了電流增量保護(hù)針對(duì)幾種典型電流的動(dòng)作情況。圖2電流增量保護(hù)原理電流（1）：保護(hù)未動(dòng)作，電流增量雖然超過(guò)跳閘整定值，但延時(shí)時(shí)間不足。電流（2）：保護(hù)動(dòng)作，電流增量超過(guò)跳閘整定值，延時(shí)時(shí)間滿足。電流（3）：保護(hù)動(dòng)作，電流增量超過(guò)跳閘整定值，延時(shí)時(shí)間滿足。在電流上升的過(guò)程中，雖然電流上升率曾經(jīng)回落到斜率整定值（整定值）以下，但未達(dá)到返回延時(shí)值，因此保護(hù)未返回。電流（4）：保護(hù)未動(dòng)作，在電流上升的過(guò)程中，電流上升率回落到斜率整定值以下，且超過(guò)返回延時(shí)值，因此保護(hù)返回，在點(diǎn)保護(hù)重新起動(dòng)，并以點(diǎn)作為新基準(zhǔn)點(diǎn)。2 測(cè)量原理2.1測(cè)量設(shè)備A、DPU96備品B、Tektronix AFG320 信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)C、Tektronix TDS2000 四通道示波器一臺(tái)2.2 保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)原理 圖3 保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示，直流饋線電流經(jīng)過(guò)分流器R1，其壓降通過(guò)變送器U20隔離、放大，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，由光纖傳入保護(hù)控制單元。直流接觸器K0、限流電阻R0和電阻分壓器A22構(gòu)成線路檢測(cè)回路，在斷路器合閘前，由該回路檢測(cè)線路是否具備送電條件。測(cè)量時(shí)使用接觸器模擬開關(guān)狀態(tài)。測(cè)量接線如圖4所示。DPU96的端子說(shuō)明: 工作電源（DC110V）：2、3接地端：1輸出電源給隔離放大器：1、27DPU96輸出公用24V電源：16DPU96輸出公共地：10狀態(tài)量輸入：斷路器分閘狀態(tài) 44斷路器合閘狀態(tài) 45斷路器不在試驗(yàn)位 26斷路器不在運(yùn)行位 40分閘命令輸出 3直接合閘命令 23其中26端子接24V電源，40端子置空，模擬斷路器位置在運(yùn)行位。DPU96發(fā)出分閘指令時(shí)，接觸器線圈失電，1-2為接觸器的常閉觸點(diǎn)， 3-4為接觸器的常開觸點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，將信號(hào)源接入U(xiǎn)20的25、27 圖4 測(cè)量接線接口，模擬跳閘信號(hào)，同時(shí)接給示波器；將分閘命令脈沖出口3接入示波器的另一通道，采用觸發(fā)掃描的方式。當(dāng)DPU96發(fā)分閘命令時(shí)出口3電平由高變低，與跳閘信號(hào)相比較，可得保護(hù)時(shí)間。根據(jù)電流上升率和電流增量的典型定值（見表1），啟動(dòng)兩種保護(hù)的電流上升率為40，電流經(jīng)分流器變比為，故輸入隔離變送器的實(shí)際值為0.06。信源步幅5，最小幅值50，選用頻率5的鋸齒波，通過(guò)調(diào)整鋸齒波峰峰值來(lái)模擬不同斜率的電流，測(cè)試DPU96的反應(yīng)。用1.1倍整定值來(lái)測(cè)試保護(hù)延時(shí)。電流增量保護(hù)測(cè)量同理。表1 電流上升率和電流增量保護(hù)定值表3 數(shù)據(jù)分析3.1 電流上升率保護(hù)跳閘值測(cè)量數(shù)據(jù)采用不同斜率鋸齒波模擬跳閘電流，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。由于信源步幅精度所限，可選輸入值較少，測(cè)量數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定。123456峰峰值 ()120130140150120130頻率 ()555555信源 ()404347504043是否動(dòng)作是是是是是是DPU96顯示值()384044504043表2 電流上升率保護(hù)跳閘值測(cè)量數(shù)據(jù)3.2 電流上升率保護(hù)延時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)以同一信源輸入多次測(cè)量，取平均值。以為例：，。測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。123456延時(shí) （）323040504540DPU96顯示動(dòng)作值()434042403840表3 電流上升率保護(hù)延時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)信源輸出相同，但DPU96的測(cè)量顯示值不同。延時(shí)由示波器顯示的兩波形對(duì)比得出，誤差較大。保護(hù)類型整定項(xiàng)目整定值電流上升率跳閘 trip 40延時(shí) duration 30電流增量跳閘 trip 4000延時(shí) delay 1斜率 40延時(shí)返回trip duration 1 由于動(dòng)作值和時(shí)間測(cè)量的數(shù)值不夠理想，故沒(méi)有列出。4 結(jié)論 該測(cè)試方法理論上是可行的，但實(shí)際測(cè)量有一定誤差，主要原因有以下幾點(diǎn)：A. 信號(hào)源所發(fā)信號(hào)精度限制測(cè)量。B. 沒(méi)有使用屏蔽線，干擾較大，影響測(cè)量，尤其是時(shí)間的測(cè)量精度影響較大。C. 測(cè)量時(shí)間時(shí)主要是人工比較圖形加以判斷，在要求精度較高時(shí)，其誤差不容忽略。此次試驗(yàn)只是對(duì)測(cè)量方法的初步探討，結(jié)果不夠理想，但可將此試驗(yàn)進(jìn)一步完善，爭(zhēng)取在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)DPU96裝置的