基于Matlab 的三段式電流保護仿真原理研究

張予慧

（武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢430000）

圖1 仿真模塊

1 單電源供電系統的三段式電流仿真

本文以單源輻射傳輸網絡為例，用MATLAB 對三段電流保護進行仿真，并通過分析仿真結果來對保護的相關概念進行講解。

網絡電壓等級為10KV，AB 線路的電阻為15Ω，BC 線路的電阻為23Ω。

E=220V，IL.BC.max=2A ,ZS=10，tBCⅢ=1s,Kss=1,KrelⅡ=KrelⅢ=1.1，KrelⅠ=1.2，Kre=0.85。

整定計算結果如下：

1.1 電流速斷保護

動作值：IⅠset.1=10.5A；動作時間：t1= 0 s（在仿真時為了方便觀察將I 段動作時間近似設為0.001s）；靈敏性校驗為54%，靈敏性滿足要求。

1.2 限時電流速斷保護

動作值：IⅡset.AB= 6A；動作時間：tⅡAB=0.5（在仿真時，為了方便觀察將II 段動作時間近似設為0.5s）；靈敏性校驗：Ksen=1.27>1 ，靈敏性滿足要求。

1.3 定時限過電流保護

動作值：IⅢset.AB= 3A；動作時間：tⅢAB=tⅢBC+1=2s（在仿真時，為了方便觀察將III 段動作時間近似設為1s）；靈敏性校驗：近后備Ksen=2.5>1.5，靈敏性滿足要求，可做本線路近后備保護；遠后備：Ksen=1.32>1.2，靈敏性滿足要求，可做下一條線路遠后備保護。

2 三段式電流保護仿真模型搭建

2.1 SIMULINK 的功能簡介

Simulink 是面向動態系統以及嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具，被廣泛的應用到各種時變系統中，主要有信號處理、通信、圖像和視頻處理等，它能夠為這些系統提供交互式的圖形化環境以及制定模塊庫等來進行設計、仿真、執行以及測試等。

Simulink 的采樣時間可以分為三種情況：連續、離散以及前兩者混合，通過這三種方式來進行采樣建模，同時還可以支持多速率的系統，也就是說在系統中的不同部分具有其各自獨特的采樣速率。為了能夠進行動態系統模型的創建，Simulink 提供了一個用戶接口，該接口可以建立模型方塊圖的圖形，這個模型的建立過程比較簡單，僅僅需要利用鼠標進行簡單的操作即可完成，它所提供的方式更加的簡單明了，并且用戶能夠實時看到仿真結果。

2.2 三段式電流保護仿真模塊介紹

三段式電流保護仿真可以被分成四個部分：

第一部分組成：交流電壓電源、線路、斷路器、三相故障、傅利葉變換等模塊。交流電壓源模塊模擬一個單相電源模塊，按照模擬量的數值設置線電壓大小和相角；改變線路模塊指的是對應阻抗的數值能夠對線路電流的大小進行改變，進而使得電流被保護的類型被改變。斷路器模塊的值為0 時，表示電路是斷開的；三相故障模塊是一個三相斷路器，它可以通過外部的信號來對其開合時間進行控制，能夠對相間和接地的短路狀態進行模擬。傅利葉變換模塊應用全波傅利葉算法，用來對電流幅值以及相角進行分析。

第二部分組成：繼電器模塊和延時模塊兩部分組成。繼電器模塊的功能是將傅立葉模塊所轉換的電流與利用整定計算確定的電流設定值進行比較，如果比整定值大則輸出1，否則輸出0；然后再把這個信號利用延時模塊來對整定時間進行設置。

第三部分組成：保護出口模塊，主要是用作保護模塊的動作行為，由非門、加法器、常數、使能子系統。使能子系統具有下列特征：當在使能端輸入正數或零時，子系統會開啟；而輸入為負值時，則會關閉，輸出端的值或為初始值或為前一狀態的值。但保護模塊中的延遲模塊所輸出的值為“1”或者是“0”，所以不可以接到使能端上，否則會一直使得出口模塊一直保持在使能的狀態，輸出的結果為“1”。假設輸出為“0”，那么經過非門再與常數-0.5 相加，則可以使得使能端輸出為“1”，保護出口模塊輸出為“0”。

第四部分組成：保護總出口，主要是對三段所保護的輸出信號進行相與操作，假設這三段的輸出分別為1，0，0，經過相與，則總的輸出就為0，斷路器就會跳開。同樣，故障在第二部分或者第三部分出現也是同樣的原理。

3 仿真實驗步驟

3.1 在simulink 中畫出三段電流保護的仿真線路（見圖1，2）。

3.2 對各個模塊進行參數設置。這里設置需要注意的地方有：電源的值，電源內阻的值；斷路器最開始的狀態（應設為閉合）；電阻1，電阻2，電阻3 的數值和三相故障模塊的接地電阻的參數；子模塊需要設置的參數是Relay 和延遲模塊，根據三段電流保護的整定值設置Relay 的Switch on point 參數，整定值乘以返回系數作為Switch off point 參數。

4 出現的問題以及解決方法

問題一：若只用兩個電阻調節三種電流保護，調節不好則容易出現線路電流振蕩。

解決方法：增加一個電阻，用三個電阻和三相故障模塊的位置來模擬三種電流保護。例如，電流速斷保護時，第一個電阻為5 歐，第二個電阻為10 歐，第三個電阻為23 歐，三相故障模塊在AB 之間。

問題二：模塊的參數輸入正確，三段電流保護的示波器會出現錯誤，線路電流示波器出現振蕩現象。

解決辦法：改動三相故障模塊的接地電阻，圖像就會變正常。

5 仿真實驗結果及分析

5.1 模擬電流Ⅰ段保護動作

因為本次實驗電流速斷保護的保護范圍為54%，而線路長度與線路電阻成正比，所以將電阻1，電阻2，電阻3 的值分別設置為5 歐，10 歐，23 歐，將三相故障模塊設在電流Ⅰ段的范圍內。實驗結果表明線路在0.5s 發生了故障，有一個相對較大的短路電流產生，之后經過0.001s 的延時，斷路器1 跳閘。因為Ⅰ段的整定電流高于Ⅱ，Ⅲ段，又由于延時時間不同，限時電流速斷保護在1s 動作，定時限過電流保護在2s 動作。

5.2 模擬電流Ⅱ段保護動作

因為限時速斷保護的范圍是保護線路全長或部分下一回線路，將三相故障模塊設在B 點后。將電阻1，電阻2，電阻3 的值分別設置為5 歐，10 歐，23 歐。此時B 點后故障在限時速斷保護的范圍內。因為電流Ⅱ段整定值高于Ⅲ段而低于Ⅰ段，故Ⅰ段不動作，Ⅱ段，Ⅲ段動作。實驗結果表明線路在1s 發生了故障，產生一個較大的短路電流，斷路器1 跳閘。限時電流速斷保護在1s 動作，定時限過電流保護在2s 動作。

5.3 模擬電流Ⅲ段保護動作

因為定時限過電流速斷保護的范圍是保護線路全長以及下一回線路全長，將三相故障模塊設在B 點后。此時，電阻1 代表線路1 段的總電阻，電阻2 和電阻三之和代表線路2 段的總電阻。將電阻1，電阻2，電阻3 的值分別設置為15 歐，22 歐，1 歐。此時B 點后故障在電流Ⅲ段保護的范圍內。因為電流Ⅲ段整定值低于Ⅰ段和Ⅱ段，故Ⅰ段，Ⅱ段不動作，Ⅲ段動作。實驗結果表明線路在2s 發生了故障，產生一個較大的短路電流，斷路器1 跳閘。定時限過電流保護在2s 動作。

圖2 子系統0，1，2 仿真模塊