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电流上升率和电流增量保护的定量测量

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电流上升率和电流增量保护的
定量测量
张目然
(广州市地下铁道总公司 广州　510030)

摘　要 介绍广州地铁二号线直流牵引系统DPU96保护控制单元的基本保护功能，阐述了电流上升率保护和电流增量保护的基本原理，针对目前DPU96校验采用定性测量方法的不足，提出一种模拟现场条件定量测量的方法，对提高校验精确度具有一定价值。

关键词 电流上升率保护 电流增量保护 定量测量
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

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随着城市的快速发展，环保、便利、高效的交通手段越来越受到人们的关注。电牵引的轨道交通系统就可以完全适应现代交通的发展和要求。而直流牵引轨道交通系统得到了最为广泛的应用，其主要优点是：快捷、站间距离短和行车密度大。
为了使直流牵引供电系统能够充分发挥作用，必须要求高效安全的保护系统。广州地铁二号线直流馈线开关柜的保护和控制单元使用的是西门子SITRAS® DPU96 数字式保护和控制装置。该装置以微处理器为基础研究开发，用于避免直流开关设备和接触网设备出现过负荷和短路情况，并根据电流的变化在达到最大短路电流之前检测出短路的发生，启动相应保护来跳开开关，切除故障回路，保护供电设备的安全。
通常对于馈线保护的日常校验是做定性试验，通过加适度的电压量来模拟实际情况检测保护控制单元
是否正常，但加压量完全凭经验试值，受人为影响较
作者简介：张目然，女，学士学位，电气助理工程师，
zmr87@

大。且加量值由DPU96的屏幕读数确定。这样相当于试验前提是DPU96的检测准确无误，如果这一前提不能满足，那么就不能够准确的判定保护能否在额定值动作，试验结果受到影响,且目前保护校验均需在设备上进行，对新进备件无法进行独立测试。为提高试验的规范性和精确度，本文提出一种定量测量的尝试，虽不成熟，但希望能够作为一个开端，日后完善这一测量方法。
1电流上升率保护和电流增量保护原理
DPU96设置的保护有：
A、电流绝对值保护
B、过电流保护
C、电流增量保护
D、电流变化率保护
E、电缆热过负荷保护

其中电流上升率和电流增量保护是根据故障电流和正常工作电流在上升率上的巨大差异来实现保护，对保护校验的要求较高。实际中，两种保护是配合实现保护的，其启动条件通常都是同一个电流上升率。但启动后，两种保护进入各自的延时时间，互不影响，哪个保护先达到动作条件，就由它出口。通常，电流上升率保护作为中远端非金属性短路故障的主保护，电流增量保护则主要针对中近距离的非金属性短路故障（金属性直接短路故障由断路器本身的大电流脱扣装置来切除）。两种保护的动作过程如下：
1.1电流上升率保护（简称保护）
在运行中，保护装置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，保护起动，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，那么保护出口跳闸；若在延时阶段，电流上升率回落到保护设定值之下，那么保护返回。

图1 电流上升率保护原理

图1反映了一个电流波形在两种保护整定值下的动作情况，分别用“（1）”和“（2）”来代表这两种情况。在点由于电流上升率高于整定值，保护起动。
对于情况（1），在点，电流达到保护延时整定，且在间电流上升率始终高于整定值，保护动作。
对于情况（2），在点，电流上升率回落到保护整定值下，而此时保护延时整定值尚未达到，保护返回。
1.2 电流增量保护（简称保护）
电流增量保护需设置如下四项参数：
跳闸整定值、
延时整定值、
返回延时整定值、
斜率。
在电流上升率保护起动的同时电流增量保护也起动，进入保护延时阶段，从电流增量保护起动的时刻起，继电器开始以起动时刻的电流作为基准点计算相对电流增量值。若电流上升率一直维持在电流增量保护要求的斜率整定值之上，且在达到额定延时后，电流增量值达到跳闸整定值，则保护动作。
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斜率整定值之下，只要这段时间不超过电流上升率返回延时整定值，保护不返回；反之，保护返回。
图2反映了电流增量保护针对几种典型电流的动作情况。
图2电流增量保护原理

电流（1）：保护未动作，电流增量虽然超过跳闸整定值，但延时时间不足。
电流（2）：保护动作，电流增量超过跳闸整定值，延时时间满足。
电流（3）：保护动作，电流增量超过跳闸整定值，延时时间满足。在电流上升的过程中，虽然电流上升率曾经回落到斜率整定值（整定值）以下，但未达到返回延时值，因此保护未返回。
电流（4）：保护未动作，在电流上升的过程中，电流上升率回落到斜率整定值以下，且超过返回延时值，因此保护返回，在点保护重新起动，并以点作为新基准点。
2 测量原理
2.1测量设备
A、DPU96备品
B、Tektronix AFG320 信号发生器一台
C、Tektronix TDS2000 四通道示波器一台
2.2 保护功能的实现原理

图3 保护功能实现

如图3所示，直流馈线电流经过分流器R1，其压降通过变送器U20隔离、放大，转换成标准信号后，由光纤传入保护控制单元。直流接触器K0、限流电阻R0和电阻分压器A22构成线路检测回路，在断路器合闸前，由该回路检测线路是否具备送电条件。
测量时使用接触器模拟开关状态。测量接线如图4所示。
DPU96的端子说明:
工作电源（DC110V）：2、3
接地端：1
输出电源给隔离放大器：1、27
DPU96输出公用24V电源：16
DPU96输出公共地：10
状态量输入：断路器分闸状态 44
断路器合闸状态 45
断路器不在试验位 26
断路器不在运行位 40
分闸命令输出 3
直接合闸命令 23
其中26端子接24V电源，40端子置空，模拟断路器位置在运行位。DPU96发出分闸指令时，接触器线圈失电，1-2为接触器的常闭触点， 3-4为接触器的常开触点。测量时，将信号源接入U20的25、27

图4 测量接线

接口，模拟跳闸信号，同时接给示波器；将分闸命令脉冲出口3接入示波器的另一通道，采用触发扫描的方式。当DPU96发分闸命令时出口3电平由高变低，与跳闸信号相比较，可得保护时间。
根据电流上升率和电流增量的典型定值（见表1），启动两种保护的电流上升率为40，电流经分流器变比为，故输入隔离变送器的实际值为0.06。信源步幅5，最小幅值50，选用频率5的锯齿波，通过调整锯齿波峰峰值来模拟不同斜率的电流，测试DPU96的反应。用1.1倍整定值来测试保护延时。电流增量保护测量同理。

表1 电流上升率和电流增量保护定值表
3 数据分析
3.1 电流上升率保护跳闸值测量数据
采用不同斜率锯齿波模拟跳闸电流，测量数据见表2。由于信源步幅精度所限，可选输入值较少，测量数据不够稳定。

1
2
3
4
5
6
峰峰值 ()
120
130
140
150
120
130
频率 ()
5
5
5
5
5
5
信源 ()
40
43
47
50
40
43
是否动作
是
是
是
是
是
是
DPU96显示值()
38
40
44
50
40
43
表2 电流上升率保护跳闸值测量数据

3.2 电流上升率保护延时的测量数据
以同一信源输入多次测量，取平均值。以为例：，。测量数据见表3。

1
2
3
4
5
6
延时 （）
32
30
40
50
45
40
DPU96显示动作值()
43
40
42
40
38
40
表3 电流上升率保护延时测量数据
信源输出相同，但DPU96的测量显示值不同。延时由示波器显示的两波形对比得出，误差较大。
保护类型
整定项目
整定值
电流上升率
跳闸 trip
40
延时 duration
30
电流增量
跳闸 trip
4000
延时 delay
1
斜率
40
延时返回trip duration
1

由于动作值和时间测量的数值不够理想，故没有列出。
4 结论
该测试方法理论上是可行的，但实际测量有一定误差，主要原因有以下几点：
A. 信号源所发信号精度限制测量。
B. 没有使用屏蔽线，干扰较大，影响测量，尤其是时间的测量精度影响较大。
C. 测量时间时主要是人工比较图形加以判断，在要求精度较高时，其误差不容忽略。
此次试验只是对测量方法的初步探讨，结果不够理想，但可将此试验进一步完善，争取在现场应用，实现DPU96装置的精确校验。

参考文献

[1] 贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理[M]．北京：中国电力出版社，2004.
[2] 蔡彬，陈德桂．城市轨道交通直流供电的控制和保护系统[J] ．低压电器，2000（6）.
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