基于Simulink的三段式电流保护仿真模型的研究

孙雨晴，刘柏霖

（贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

1 三段式电流保护理论分析

1.1 三段式电流保护的基本原理

三段式电流保护分为Ⅰ段瞬时电流速断保护、Ⅱ段限时电流速断保护以及Ⅲ段定时限过电流保护三段，各段保护的保护原则决定了各段保护的整定原则。Ⅰ段保护按躲开本级线路末端的最大短路电流整定；Ⅱ段保护按躲开下一级相邻元件电流速断保护的动作电流整定；Ⅲ段保护按躲开系统最大负荷电流整定[1]。

1.2 Ⅰ段保护整定原则

1.2.1 动作电流整定

1.2.2 保护范围校验

Ⅰ段保护的灵敏系数用保护范围衡量，保护范围越长，灵敏系数越大。最大运行方式下，三相短路时最大保护范围不小于线路全长的50%；在最小运行方式下，两相短路时最小保护范围不小于线路全长的15%。

1.3 Ⅱ段保护整定原则

1.3.1 动作电流整定

为满足选择性和快速性，Ⅱ段保护需要在保护范围和动作时限上与下一线路的Ⅰ段保护相配合，即Ⅱ段保护的保护范围不超过下一线路Ⅰ段保护的保护范围。动作电流应满足，则动作电流为：

1.3.2 动作时限整定

式中Δt一般为0.35～0.5 s，我国一般取0.5 s。

1.3.3 保护范围校验

为保证线路末端短路时保护装置能做出可靠动作，要求Ⅱ段保护的灵敏系数为：

1.4 Ⅲ段保护整定原则

1.4.1 动作电流整定

式中KSS为自启动系数，一般取值为1.5～3.0，为Ⅲ段保护的可靠系数，一般取值为1.15～1.25。

保护装置的启动和返回通过电流继电器实现。根据电流继电器动作电流与返回电流之间的关系，则动作电流为：

式中Kre为电流继电器的返回系数，一般取值为0.85～0.95。

1.4.2 动作时限整定

为满足选择性，Ⅲ段保护的动作时限按阶梯原则来整定。离电源较近的保护动作时限比相邻的下级保护动作时限长一个时限极差Δt，线路末端的动作时限一般为保护装置本身固有的动作时间为0.5 s。

1.4.3 保护范围校验

Ⅲ段保护的灵敏度校验类似于Ⅱ段保护，即：

Ⅲ段保护作为本线路近后备保护时，Ik.min取最小运行方式下本线路末端的两相短路电流，要求；Ⅲ段保护作为相邻下级线路的远后备保护时，Ik.min取最小运行方式下相邻线路末端的两相短路电流，要求。

2 Simulink仿真模型设计

2.1 Simulink模块选择

设计基于Matlab/Simulink虚拟环境下35 kV线路的三段式电流保护模型[2]，选用Simpowersystems模块库和Simulink模块库中的以下模块：三相电源模块、三相断路器模块、三相线路模块、三相故障模块、三相负载模块、傅里叶模块、开关模块、使能子系统模块、逻辑模块、三相电压电流测量模块、延时模块以及数据类型转换模块等。

2.2 模型搭建

Matlab/Simulink搭建的三段式电流保护模型采用辐射型单电源供电的运行方式，中性点非直接接地。单侧电源供电35 kV简单线路模型（图1）搭建带三段式电流保护的Simulink仿真模型，利用傅里叶模块采集线路电流幅值判断故障点，发生短路故障时可带故障运行，保证供电的可靠性[3]。

图1 单侧电源供电35 kV简单线路模型

2.2.1 Ⅰ段保护的搭建

Ⅰ段保护为瞬时速断保护，根据Ⅰ段整定原则确定整定值。线路发生短路故障时，短路电流急剧增大；超过设置的整定值时，使能子系统模块改变信号为1并保持信号，经过逻辑判断出故障信号后传输给断路器模块，断路器断开切除故障。

2.2.2 Ⅱ段保护模型的搭建

作为Ⅰ段保护的后备保护，Ⅱ段保护有0.5 s的时限，由数据转换类型模块和延时模块实现。与Ⅰ段保护一样，通过傅里叶模块取得电流幅值并与整定值比较。Ⅱ段保护的范围比Ⅰ段保护的范围大，其整定值一般比Ⅰ段整定值小。与Ⅰ段保护不同，Ⅱ段有时限，需要利用逻辑模块构成后备保护功能。短路故障发生且Ⅰ段保护拒动时，Ⅱ段保护才会产生信号动作切除故障。

2.2.3 Ⅲ段保护模型的搭建

作为本级线路的近后备保护和下级线路的远后备保护，Ⅲ段保护的整定值比Ⅰ段保护和Ⅱ段保护的整定值小，时限和Ⅱ段的时限呈阶梯递增状（t=0.5+Δt）。Ⅲ段保护不仅要判断Ⅰ段和Ⅱ段保护是否故障，还要判断下级线路的断路器是否故障，以此判断保护是否动作。

2.3 仿真结果分析

以靠近电源侧的母线为例，基于Simulink仿真系统对三段式电流保护模型进行仿真验证，设置Fault模拟相间短路故障[4]。故障在仿真的0.5 s开始，通过示波器模块显示线路电压、线路电流以及断路器的动作状态。

验证Ⅰ段保护时，可直接在AB线路上设置一个故障信号，观察示波器（图2）看到线路在0.5 s时电流急剧增大，0.01 s延时后断路器断开，电流速断保护成功切除故障。

验证Ⅱ段保护时，Ⅰ段保护为拒动状态，需要给Ⅰ段保护一个常数信号以保持Ⅰ段不动作，然后在线路AB上设置一个故障信号，观察波形图（图3）看到线路在0.5 s时发生故障。由于Ⅰ段保护拒动，断路器经过0.5 s的延时在1 s处断开，定时限电流速断保护成功切除故障。

验证Ⅲ段保护分为近后备验证和远后备验证。验证近后备保护时，Ⅰ段保护和Ⅱ段保护为拒动状态，直接给Ⅰ段保护和Ⅱ段保护一个常数信号使它们保持不动作状态，然后在线路AB上设置故障信号，观察波形图（图4）看到线路在0.5 s时产生一个较大的短路电流，经过1 s延时后，断路器在1.5 s处断开，Ⅲ段近后备保护成功按时动作。远后备保护是指下级线路发生故障后，断路器发生拒动没有及时断开故障的情况。因此，在下级线路BC上设置一个故障信号，同时给B点的断路器一个常数信号使断路器不动作，观察A点的示波器波形图（图5），可以观察到线路在0.5 s时产生了一个较小的短路电流，在经过1 s延时后，断路器在1.5 s处断开，Ⅲ段远后备保护成功按时动作。

由以上仿真结果可以得出，搭建的35 kV仿真模型可以有效模拟三段式电流保护的动作过程和Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段保护的配合过程。

图2 Ⅰ段保护瞬时动作

图3 Ⅱ段保护定时限动作

图4 Ⅲ段保护近后备动

3 结 论

通过Matlab/Simulink虚拟仿真软件搭建三段式电流保护的仿真模型，从基本原理出发，分析三段式电流保护的整定原则，然后根据基本原理和整定原则搭建仿真模型，并经过详细的整定计算、校验和调试等环节最终完成仿真设计。此模型能够直观了解三段式电流保护之间的配合和动作过程，能更清晰地理解三段式电流保护的基本原理，并加强对Matlab/Simulink仿真软件的应用。