基于Simulink的三段式電流保護仿真模型的研究

孫雨晴，劉柏霖

（貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

1 三段式電流保護理論分析

1.1 三段式電流保護的基本原理

三段式電流保護分為Ⅰ段瞬時電流速斷保護、Ⅱ段限時電流速斷保護以及Ⅲ段定時限過電流保護三段，各段保護的保護原則決定了各段保護的整定原則。Ⅰ段保護按躲開本級線路末端的最大短路電流整定；Ⅱ段保護按躲開下一級相鄰元件電流速斷保護的動作電流整定；Ⅲ段保護按躲開系統最大負荷電流整定[1]。

1.2 Ⅰ段保護整定原則

1.2.1 動作電流整定

1.2.2 保護范圍校驗

Ⅰ段保護的靈敏系數用保護范圍衡量，保護范圍越長，靈敏系數越大。最大運行方式下，三相短路時最大保護范圍不小于線路全長的50%；在最小運行方式下，兩相短路時最小保護范圍不小于線路全長的15%。

1.3 Ⅱ段保護整定原則

1.3.1 動作電流整定

為滿足選擇性和快速性，Ⅱ段保護需要在保護范圍和動作時限上與下一線路的Ⅰ段保護相配合，即Ⅱ段保護的保護范圍不超過下一線路Ⅰ段保護的保護范圍。動作電流應滿足，則動作電流為：

1.3.2 動作時限整定

式中Δt一般為0.35～0.5 s，我國一般取0.5 s。

1.3.3 保護范圍校驗

為保證線路末端短路時保護裝置能做出可靠動作，要求Ⅱ段保護的靈敏系數為：

1.4 Ⅲ段保護整定原則

1.4.1 動作電流整定

式中KSS為自啟動系數，一般取值為1.5～3.0，為Ⅲ段保護的可靠系數，一般取值為1.15～1.25。

保護裝置的啟動和返回通過電流繼電器實現。根據電流繼電器動作電流與返回電流之間的關系，則動作電流為：

式中Kre為電流繼電器的返回系數，一般取值為0.85～0.95。

1.4.2 動作時限整定

為滿足選擇性，Ⅲ段保護的動作時限按階梯原則來整定。離電源較近的保護動作時限比相鄰的下級保護動作時限長一個時限極差Δt，線路末端的動作時限一般為保護裝置本身固有的動作時間為0.5 s。

1.4.3 保護范圍校驗

Ⅲ段保護的靈敏度校驗類似于Ⅱ段保護，即：

Ⅲ段保護作為本線路近后備保護時，Ik.min取最小運行方式下本線路末端的兩相短路電流，要求；Ⅲ段保護作為相鄰下級線路的遠后備保護時，Ik.min取最小運行方式下相鄰線路末端的兩相短路電流，要求。

2 Simulink仿真模型設計

2.1 Simulink模塊選擇

設計基于Matlab/Simulink虛擬環境下35 kV線路的三段式電流保護模型[2]，選用Simpowersystems模塊庫和Simulink模塊庫中的以下模塊：三相電源模塊、三相斷路器模塊、三相線路模塊、三相故障模塊、三相負載模塊、傅里葉模塊、開關模塊、使能子系統模塊、邏輯模塊、三相電壓電流測量模塊、延時模塊以及數據類型轉換模塊等。

2.2 模型搭建

Matlab/Simulink搭建的三段式電流保護模型采用輻射型單電源供電的運行方式，中性點非直接接地。單側電源供電35 kV簡單線路模型（圖1）搭建帶三段式電流保護的Simulink仿真模型，利用傅里葉模塊采集線路電流幅值判斷故障點，發生短路故障時可帶故障運行，保證供電的可靠性[3]。

圖1 單側電源供電35 kV簡單線路模型

2.2.1 Ⅰ段保護的搭建

Ⅰ段保護為瞬時速斷保護，根據Ⅰ段整定原則確定整定值。線路發生短路故障時，短路電流急劇增大；超過設置的整定值時，使能子系統模塊改變信號為1并保持信號，經過邏輯判斷出故障信號后傳輸給斷路器模塊，斷路器斷開切除故障。

2.2.2 Ⅱ段保護模型的搭建

作為Ⅰ段保護的后備保護，Ⅱ段保護有0.5 s的時限，由數據轉換類型模塊和延時模塊實現。與Ⅰ段保護一樣，通過傅里葉模塊取得電流幅值并與整定值比較。Ⅱ段保護的范圍比Ⅰ段保護的范圍大，其整定值一般比Ⅰ段整定值小。與Ⅰ段保護不同，Ⅱ段有時限，需要利用邏輯模塊構成后備保護功能。短路故障發生且Ⅰ段保護拒動時，Ⅱ段保護才會產生信號動作切除故障。

2.2.3 Ⅲ段保護模型的搭建

作為本級線路的近后備保護和下級線路的遠后備保護，Ⅲ段保護的整定值比Ⅰ段保護和Ⅱ段保護的整定值小，時限和Ⅱ段的時限呈階梯遞增狀（t=0.5+Δt）。Ⅲ段保護不僅要判斷Ⅰ段和Ⅱ段保護是否故障，還要判斷下級線路的斷路器是否故障，以此判斷保護是否動作。

2.3 仿真結果分析

以靠近電源側的母線為例，基于Simulink仿真系統對三段式電流保護模型進行仿真驗證，設置Fault模擬相間短路故障[4]。故障在仿真的0.5 s開始，通過示波器模塊顯示線路電壓、線路電流以及斷路器的動作狀態。

驗證Ⅰ段保護時，可直接在AB線路上設置一個故障信號，觀察示波器（圖2）看到線路在0.5 s時電流急劇增大，0.01 s延時后斷路器斷開，電流速斷保護成功切除故障。

驗證Ⅱ段保護時，Ⅰ段保護為拒動狀態，需要給Ⅰ段保護一個常數信號以保持Ⅰ段不動作，然后在線路AB上設置一個故障信號，觀察波形圖（圖3）看到線路在0.5 s時發生故障。由于Ⅰ段保護拒動，斷路器經過0.5 s的延時在1 s處斷開，定時限電流速斷保護成功切除故障。

驗證Ⅲ段保護分為近后備驗證和遠后備驗證。驗證近后備保護時，Ⅰ段保護和Ⅱ段保護為拒動狀態，直接給Ⅰ段保護和Ⅱ段保護一個常數信號使它們保持不動作狀態，然后在線路AB上設置故障信號，觀察波形圖（圖4）看到線路在0.5 s時產生一個較大的短路電流，經過1 s延時后，斷路器在1.5 s處斷開，Ⅲ段近后備保護成功按時動作。遠后備保護是指下級線路發生故障后，斷路器發生拒動沒有及時斷開故障的情況。因此，在下級線路BC上設置一個故障信號，同時給B點的斷路器一個常數信號使斷路器不動作，觀察A點的示波器波形圖（圖5），可以觀察到線路在0.5 s時產生了一個較小的短路電流，在經過1 s延時后，斷路器在1.5 s處斷開，Ⅲ段遠后備保護成功按時動作。

由以上仿真結果可以得出，搭建的35 kV仿真模型可以有效模擬三段式電流保護的動作過程和Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段保護的配合過程。

圖2 Ⅰ段保護瞬時動作

圖3 Ⅱ段保護定時限動作

圖4 Ⅲ段保護近后備動

3 結 論

通過Matlab/Simulink虛擬仿真軟件搭建三段式電流保護的仿真模型，從基本原理出發，分析三段式電流保護的整定原則，然后根據基本原理和整定原則搭建仿真模型，并經過詳細的整定計算、校驗和調試等環節最終完成仿真設計。此模型能夠直觀了解三段式電流保護之間的配合和動作過程，能更清晰地理解三段式電流保護的基本原理，并加強對Matlab/Simulink仿真軟件的應用。