基于Simulink的三段式電流保護(hù)仿真模型的研究

孫雨晴，劉柏霖

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1 三段式電流保護(hù)理論分析

1.1 三段式電流保護(hù)的基本原理

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

1.2 Ⅰ段保護(hù)整定原則

1.2.1 動作電流整定

1.2.2 保護(hù)范圍校驗(yàn)

Ⅰ段保護(hù)的靈敏系數(shù)用保護(hù)范圍衡量，保護(hù)范圍越長，靈敏系數(shù)越大。最大運(yùn)行方式下，三相短路時(shí)最大保護(hù)范圍不小于線路全長的50%；在最小運(yùn)行方式下，兩相短路時(shí)最小保護(hù)范圍不小于線路全長的15%。

1.3 Ⅱ段保護(hù)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(hù)需要在保護(hù)范圍和動作時(shí)限上與下一線路的Ⅰ段保護(hù)相配合，即Ⅱ段保護(hù)的保護(hù)范圍不超過下一線路Ⅰ段保護(hù)的保護(hù)范圍。動作電流應(yīng)滿足，則動作電流為：

1.3.2 動作時(shí)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(hù)范圍校驗(yàn)

為保證線路末端短路時(shí)保護(hù)裝置能做出可靠動作，要求Ⅱ段保護(hù)的靈敏系數(shù)為：

1.4 Ⅲ段保護(hù)整定原則

1.4.1 動作電流整定

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

保護(hù)裝置的啟動和返回通過電流繼電器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)電流繼電器動作電流與返回電流之間的關(guān)系，則動作電流為：

式中Kre為電流繼電器的返回系數(shù)，一般取值為0.85～0.95。

1.4.2 動作時(shí)限整定

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

1.4.3 保護(hù)范圍校驗(yàn)

Ⅲ段保護(hù)的靈敏度校驗(yàn)類似于Ⅱ段保護(hù)，即：

Ⅲ段保護(hù)作為本線路近后備保護(hù)時(shí)，Ik.min取最小運(yùn)行方式下本線路末端的兩相短路電流，要求；Ⅲ段保護(hù)作為相鄰下級線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)時(shí)，Ik.min取最小運(yùn)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(shè)計(jì)

2.1 Simulink模塊選擇

設(shè)計(jì)基于Matlab/Simulink虛擬環(huán)境下35 kV線路的三段式電流保護(hù)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(fù)載模塊、傅里葉模塊、開關(guān)模塊、使能子系統(tǒng)模塊、邏輯模塊、三相電壓電流測量模塊、延時(shí)模塊以及數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊等。

2.2 模型搭建

Matlab/Simulink搭建的三段式電流保護(hù)模型采用輻射型單電源供電的運(yùn)行方式，中性點(diǎn)非直接接地。單側(cè)電源供電35 kV簡單線路模型（圖1）搭建帶三段式電流保護(hù)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(diǎn)，發(fā)生短路故障時(shí)可帶故障運(yùn)行，保證供電的可靠性[3]。

圖1 單側(cè)電源供電35 kV簡單線路模型

2.2.1 Ⅰ段保護(hù)的搭建

Ⅰ段保護(hù)為瞬時(shí)速斷保護(hù)，根據(jù)Ⅰ段整定原則確定整定值。線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流急劇增大；超過設(shè)置的整定值時(shí)，使能子系統(tǒng)模塊改變信號為1并保持信號，經(jīng)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(hù)模型的搭建

作為Ⅰ段保護(hù)的后備保護(hù)，Ⅱ段保護(hù)有0.5 s的時(shí)限，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類型模塊和延時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)。與Ⅰ段保護(hù)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(hù)的范圍比Ⅰ段保護(hù)的范圍大，其整定值一般比Ⅰ段整定值小。與Ⅰ段保護(hù)不同，Ⅱ段有時(shí)限，需要利用邏輯模塊構(gòu)成后備保護(hù)功能。短路故障發(fā)生且Ⅰ段保護(hù)拒動時(shí)，Ⅱ段保護(hù)才會產(chǎn)生信號動作切除故障。

2.2.3 Ⅲ段保護(hù)模型的搭建

作為本級線路的近后備保護(hù)和下級線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)，Ⅲ段保護(hù)的整定值比Ⅰ段保護(hù)和Ⅱ段保護(hù)的整定值小，時(shí)限和Ⅱ段的時(shí)限呈階梯遞增狀（t=0.5+Δt）。Ⅲ段保護(hù)不僅要判斷Ⅰ段和Ⅱ段保護(hù)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(hù)是否動作。

2.3 仿真結(jié)果分析

以靠近電源側(cè)的母線為例，基于Simulink仿真系統(tǒng)對三段式電流保護(hù)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，設(shè)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(tài)。

驗(yàn)證Ⅰ段保護(hù)時(shí)，可直接在AB線路上設(shè)置一個(gè)故障信號，觀察示波器（圖2）看到線路在0.5 s時(shí)電流急劇增大，0.01 s延時(shí)后斷路器斷開，電流速斷保護(hù)成功切除故障。

驗(yàn)證Ⅱ段保護(hù)時(shí)，Ⅰ段保護(hù)為拒動狀態(tài)，需要給Ⅰ段保護(hù)一個(gè)常數(shù)信號以保持Ⅰ段不動作，然后在線路AB上設(shè)置一個(gè)故障信號，觀察波形圖（圖3）看到線路在0.5 s時(shí)發(fā)生故障。由于Ⅰ段保護(hù)拒動，斷路器經(jīng)過0.5 s的延時(shí)在1 s處斷開，定時(shí)限電流速斷保護(hù)成功切除故障。

驗(yàn)證Ⅲ段保護(hù)分為近后備驗(yàn)證和遠(yuǎn)后備驗(yàn)證。驗(yàn)證近后備保護(hù)時(shí)，Ⅰ段保護(hù)和Ⅱ段保護(hù)為拒動狀態(tài)，直接給Ⅰ段保護(hù)和Ⅱ段保護(hù)一個(gè)常數(shù)信號使它們保持不動作狀態(tài)，然后在線路AB上設(shè)置故障信號，觀察波形圖（圖4）看到線路在0.5 s時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流，經(jīng)過1 s延時(shí)后，斷路器在1.5 s處斷開，Ⅲ段近后備保護(hù)成功按時(shí)動作。遠(yuǎn)后備保護(hù)是指下級線路發(fā)生故障后，斷路器發(fā)生拒動沒有及時(shí)斷開故障的情況。因此，在下級線路BC上設(shè)置一個(gè)故障信號，同時(shí)給B點(diǎn)的斷路器一個(gè)常數(shù)信號使斷路器不動作，觀察A點(diǎn)的示波器波形圖（圖5），可以觀察到線路在0.5 s時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)較小的短路電流，在經(jīng)過1 s延時(shí)后，斷路器在1.5 s處斷開，Ⅲ段遠(yuǎn)后備保護(hù)成功按時(shí)動作。

由以上仿真結(jié)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(hù)的動作過程和Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段保護(hù)的配合過程。

圖2 Ⅰ段保護(hù)瞬時(shí)動作

圖3 Ⅱ段保護(hù)定時(shí)限動作

圖4 Ⅲ段保護(hù)近后備動

3 結(jié) 論

通過Matlab/Simulink虛擬仿真軟件搭建三段式電流保護(hù)的仿真模型，從基本原理出發(fā)，分析三段式電流保護(hù)的整定原則，然后根據(jù)基本原理和整定原則搭建仿真模型，并經(jīng)過詳細(xì)的整定計(jì)算、校驗(yàn)和調(diào)試等環(huán)節(jié)最終完成仿真設(shè)計(jì)。此模型能夠直觀了解三段式電流保護(hù)之間的配合和動作過程，能更清晰地理解三段式電流保護(hù)的基本原理，并加強(qiáng)對Matlab/Simulink仿真軟件的應(yīng)用。