10kV配电网电流保护系统设计

引言1.1课题背景及意义物质生活水平不断提高，用户希望他们使用的继电保护产品能安全可靠稳定的运行。为了满足用户的需求，工程师们需要进行大量的产品实验，来设计出符合要求的产品。然而传统的实验是在真实的模型上进行的，其结构比较复杂，灵活性很差，实验的效率比较低，要进行多次实验的话，成本也很高。因此，寻找一种接近电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分重要。数字仿真工具是一种安装于计算机上的软件，通过仿真电力系统发生的各种故障，能够模拟继电保护装置处理故障和动作的过程，过程中我们可以观察到电气量变化的特征，具有经济、安全、效率高、研发周期短、可重复、不受外界环境的限制等优点。通过进行各种继电保护技术的模拟仿真，在电力系统从正常运行到发生故障的这段时间里，可以很直观的看到其电气量的变化情况，同时也能观察到继电保护装置处理故障的动作过程。利用仿真工具模拟电力系统的运行状况，能在第一时间发现和解决电力系统中可能会出现的故障问题。因此，用数字仿真工具模拟电力系统的实际运行状态具有十分重要的意义。课题关于10kV配电网的电流保护使用的是Matlab软件进行仿真，该软件具有完善的分析模拟功能，能够实现各种仿真算法，能实现电力系统中继电保护、潮流计算等分析功能。1.2课题现状1.2.1国内研究现状自建国以来，我国的继电保护技术的发展十分迅速。在计算机、通信等技术的不断发展与完善下，在短短的40多年里，经历了4个发展阶段。20世纪50年代，我国的工程技术人员在创造性的学习了国外的继电保护技术之后，结合我国实际的电力行业发展的情况，创建了属于我们自己国家的继电器制造行业，机电式继电保护正式到来。随之的60年代至80年代，晶体管继电保护大力的被推广并被采用，得到了很大的发展。其中天津大学与南京电力自动化设备携手合作，研究出了500kV晶体管方向高频保护，与此同时，南京电力自动化研究院也研制出了晶体管高频闭锁距离保护，他们的研究成果在葛洲坝500kV线路保护上得以被采用。70年代中期，集成电路保护已经开始被研究，到了上世纪八九十年代集成电路保护在研发、生产、应用上已经占据主导地位。1.2.2国外研究现状国外的继电保护技术已经发展了一个多世纪。上世纪90年代，因为微机保护的蓬勃发展，能够改善继电保护性能的方案和原理不断的出现，这些方案和原理都对微机保护装置的硬件有了更高的要求。使得微机保护装置硬件也有了很快的发展，结构不断的完善，性能更加的优秀。与此同时，与微机保护相关的其他领域也随之快速发展，给其带来了全新的革命。国外的微机保护发展了近19年，保护设计上经历了三次更新换代，并以微处理技术和多种算法相结合为基础，为新型微机保护的研发和完善创造着良好的实现条件。1.3论文的主要工作本文针对双电源的配电系统，为了保证三段式过流保护能够正确动作，有选择性的将故障切除，主要进行了以下工作：（1）介绍了三段式电流保护和功率方向元件的工作原理，并利用Matlab软件构建了一次系统仿真模型。（2）详细介绍了启动元件、三段式电流保护元件以及功率方向元件的构建过程，完成了其仿真模型的建立。（3）针对一次系统仿真模型和各保护元件，仿真验证了其在各种故障条件下的动作可靠性。1.4课题的关键问题课题10KV配电网电流保护系统设计，设计过程中必须注意以下几个问题：1、本课题的一次系统是自己给定的，在Matlab软件中搭建仿真系统的一次模型的时候，其一次系统中各个模块的参数值需要自己设置，需参考相关的资料设定一个适合的参数值。2、我们需要解决方向电流保护系统的整定计算（包括功率方向继电器内角的设定）及灵敏度校验，同时也要明白功率方向元件的接线方式。3、搭建仿真系统二次系统模型的时候，其中各类模块的参数值要设定好，整定值就是我们之前整定计算的出来的值。整个系统搭建完毕之后，还要进行多次的调试运行。4、验证仿真、分析波形的时候，在示波器模块的默认设置下，波形并不能明显的被看出来，这时需要我们自己更改示波器的参数设定，让我们更明显的看到其波形，便于合理的分析。

2三段式方向电流保护的原理及动作判据2.1三段式方向电流保护的工作原理当线路MN正常运行以及被保护线路内部或者外部短路时，我们规定短路功率的正方向为母线流向被保护线路。只有当功率方向为正方向时，保护才会动作。对于图2.1所示的双电源网络而言，我们以母线N处安装的保护2为例进行分析。对于保护2而言，当K2点发生短路时，流过保护2的功率方向是由母线到线路，为正方向，保护2应该动作。此时流过保护2的电流为电源EN供给的，该电流落后于母线电压N一个相位角，并且该角度在0°-90°之间。而当K1发生短路时，流过保护2的功率方向是由线路到母线，为反方向，此时保护2不应该动作。流过保护2的电流则有电源EM供给，该电流落后于母线电压N一个相位角，并且该角度在180°-270°之间。如果以母线N处的电压作为参考矢量，并设定=，那么就可以得出正方向短路的电流和反方向短路的电流之间角度相差180°。图2.1双侧电源网络所以，为了保证三段式电流保护在双电源系统中能够正确动作（在正方向故障时动作，反方向故障时不动作）,需要增加方向元件，当短路功率方向为母线流向线路时，方向元件才会动作；当短路功率方向为线路流向母线时，方向元件不采取动做，以确保能够选择性的切除故障，而不发生误动的现象。而方向元件，就是依靠上述原理，利用短路故障发生时，短路功率的方向或者电压和电流之间的相位差实现的。一般而言，我们对方向元件有以下几个要求：1、必须具备明确的方向性，也就是说在发生正方向故障时能够可靠动作，而当发生反方向故障时能够保证可靠不发生动作。2、当发生故障时，方向元件还需具备一定的灵敏度。2.2三段式方向电流保护的动作判据1、三段式方向电流保护的动作判据为：K>set（式2.1）对于三段式方向电流保护，不管是瞬时电流速断保护、限时电流速断保护还是过电流保护，其动作判据都为式2.1，电流大于其设定的整定值就动作，区别仅仅在于各段保护之间的动作定值以及延时时间不同。2、方向元件的动作判据为：（式2.2）式2.2中为所加的电压超前于所加电流的角度，为功率内角。（三）本章小结本章主要介绍了三段式方向电流保护的工作原理，以及方向电流保护和功率方向元件的动作判据，为后面进行保护的仿真奠定了理论基础。

3基于MATLAB的三段式方向电流保护系统设计3.1Matlab/Simulink概述MATLAB是美国MathWorks公司研发的一个的商业数学软件，1988年推出了电力系统模块集（PowerSystemBlock），该功能逐渐被电力系统的研究者所接受，使得Matlab/Simulink在电力系统方面的应用变得越来越完善。Matlab的基础是矩阵计算，它将计算可视化程序设计精妙的应用到交互工作环境中，是一种高端的开发、研究和分析的工具。Simulink是Matlab提供的能实现动态系统建模和仿真的一个软件包，是基于框图的仿真平台。3.2一次系统模型建立建立双电源输电线路一次系统图如图2.1所示，根据其一次系统图我们可以在Matlab/Simulink中建立一次系统仿真模型见图3.1。为了更好的分析线路内距离保护安装处不同位置发生短路故障时电力系统运行情况，我们在需要保护的线路内设置了三个故障点。图3.1一次系统仿真模型首先打开Matlab建立一个新的Model文件，然后调出SimulinkLibraryBrowser（模块库）按照参数来建立一个简单的双电源一次系统模型。本系统仿真的是一个10kV的低压配电系统，线路总长度设置为20kM，在SimPowerSystems中找出三相电源、输电线路模型、故障模块，将其直接拖到新建的Model界面即可。然后将上述模块按照图2.1所示的一次系统示意图进行有效连接，在MATLAB中建立的一次系统仿真图如图3.1所示。其中，为了清楚直接地看出电流电压的波形，先在线路中加三相电压电流测量元件，再将电压电流接到到示波器(Scope)上即可清楚地看出其波形的变化情况。而双击故障模块可以更改故障类型，从而更加方便我们对各种故障类型的仿真。在仿真过程中，可以分别对发生故障的设置为单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路，进而利用示波器观测保护安装B处的电流和电压。下面对一次系统仿真模型中的各个模块进行简单说明：1、三相电源模块（图3.1中M_source和N_source）从元件库中找到三相电源模块（Three-Phasesource）后，可将其直接拖到新建的Model中，双击该元件，弹出三相电源的参数设置对话框，根据自己的需要改变参数的设置值。将电压输入设置为10.5e3，同时考虑为简化仿真，也将N侧的电源电压设置为10.5e3。同时两侧三相电源的频率均设置为50Hz，电源内阻均为0.226Ω，电感均为1.248e-3H，具体如图3.2所示。此外，为方便分析三段式方向过流保护，在仿真模型中将输电线路分割成Line1、Line2（包括Line21和Line22）、Line3（包括Line31和Line32），并将其长度设置为8.6kM、8.6kM、2.8M，其中Line21和Line22的长度分别为5.7kM和2.9kM，Line31和Line32的长度均为1.4kM。图3.2M侧、N侧三相电源的参数设置2、三相电压电流测量模块（图3.1中A、B、C）从元件库中找到三相电压电流测量模块（Three-PhaseV-IMeasurement）后，可将其直接拖到新建的Model中，双击该元件，弹出三相电压电流测量模块的参数设置对话框，根据自己的需要改变参数的设置值。将电压测量（Voltagemeasurement）相设置为相对相（phase-to-phase），电流测量（Currentmeasurement）相设置为yes，并分别设置其标志符号为Vabc_B和Iabc_B，具体详细参数设置见图3.3。图3.3三相电压电流测量元件的参数设置3、输电线路元件（图3.1中Line1、Line21、Line22、Line31、Line32）从元件库中找到输电线路模型(Three-PhasePISectionLine)后，可将其直接拖到新建的Model中，双击该元件，弹出输电线路的参数设置对话框，根据自己的需要改变参数的设置值，这里我们以line22为例，频率设置为50Hz，线路长度（Linesectionlength）设置为2.9km，具体详细参数设置见图3.4。图3.4输电线路的参数设置4、三相电路故障发生器元件（图3.1中的Three-PhaseFault1~Three-PhaseFault5）对于故障发生器Fault1-Fault5，需要将其从元件库中找到该元件，鼠标左键点击该元件拖到我们新建的Model中，双击该元件，弹出该元件的参数设置对话框，根据需要选择故障相，同时注意接地故障时要选上GroundFault这一项，不是接地故障的话就不用选上GroundFault这一项。Transitionstatus设置为[10]，Transitiontimes设置为[0.020.1]，表示系统在0.02s发生故障，0.1s故障结束。这里我们以故障发生器Fault2为例，参数设置如图3.5所示。图3.5三相故障发生器模块的参数设置3.3整定计算部分整定计算部分只针对被保护线路Line21和Line22。图2.1所示的一次系统示意图和图3.1所示的MATLAB仿真模型是一个双电源的配电系统，目前广泛的应用在我国的低电压配电系统中，其电压等级为10.5kV，共有3条输电线路，在3条输电线路上设置5个短路点，具体的故障发生点如图3.1所示。同时，根据3.2节设置的电源参数和输电线路参数可以计算得到Fault1-Fault5各短路点短路时，流过保护安装B处的短路电流。由一次系统仿真模型的参数设置可以计算其单位阻抗值：所以可以得到输电线路的单位阻抗为：同时可以得到，，而线路阻抗角k的正切值为,此时可以求得线路阻抗角k=60o。进一步的可以得到输电线路Line1、Line21、Line22、Line31以及Line32的阻抗值分别为3.87Ω、2.565Ω、1.305Ω、0.63Ω和0.63Ω。1、当Fault1发生故障时，可计算流过保护安装B处的短路电流，其值为：2、当Fault2发生故障时，可计算流过保护安装B处的短路电流，其值为：3、当Fault3发生故障时，可计算流过保护安装B处的短路电流，其值为：4、当Fault4发生故障时，可计算流过保护安装B处的短路电流，其值为：5、当Fault5发生故障时，可计算流过保护安装B处的短路电流，其值为：根据上述的短路电流计算，可以得到保护安装B处的三段式电流的整定值为：（1）瞬时电流速断整定值为：灵敏度校验： 合格。同时设置瞬时电流速断的延时时间为0S。（2）限时电流速断整定值为：灵敏度校验：合格。同时设置瞬时电流速断的延时时间为0.3S。（3）过流保护整定值为：灵敏度校验：合格。同时设置瞬时电流速断的延时时间为0.5S。3.4方向元件的接线方式对于方向元件而言，其主要任务是判断短路功率的方向，所以对它的接线方式有以下的要求：1、无论发生什么类型的正方向短路故障，方向元件都能动作;不管发生什么类型的反方向短路故障，方向元件都不动作。2、短路故障发生以后，加入继电器的电流和电压应该要尽可能的大一点，以便减小以及消除故障死区。为满足要求，功率继电器的接线方式一般为90°接线。90°接线如表格3.1所示，将三个继电器分别接于IA、UBC、IB、UCA和IC、UAB，并且和对应相的过电流继电器按相连接构成三相式方向过电流保护的原理接线。所谓的90°接线，一般指的是在三相对称的情况下，且功率因素等于1的时候，加入继电器的电压UK和电流IK之间的相位差为90°。而为了保证方向元件具备最大的灵敏性，一般要求。考虑到我们设置的线路阻抗角为，所以需要取功率方向内角为。表3.1功率方向元件的90°接线的接线方式继电器UKIKKWAUBCIAKWBUCAIBKWCUABIC图3.6即为90°接线方式时三相式方向过电流保护的原理接线，同时对于方向元件的接线方式，必须要注意继电器所接入电压和电流的极性问题。因为一旦极性接反，就会导致正方向短路时保护拒动，反方向短路时保护误动的问题，从而造成严重的事故。图3.6方向元件90°接线方式时三相式方向过电流保护的原理接线3.5二次保护系统的搭建在建立了一次系统的模型后，还需要启动模块和保护模块，他们之间合理连接就构成了输电线路三段式方向过流保护的仿真系统。3.5.1关于二次系统中启动模块的设计继电保护装置中启动元件的作用是判断线路是否发生故障，如果发生故障，则发出启动信号。启动元件通过启动判据来实现，我们对启动元件的主要要求是：在正常运行状态下不要启动，但在发生故障时，要能瞬时发出启动信号，足有足够高的启动灵敏度和快速性。常用的继电保护中的启动元件有电流元件、阻抗元件、负序和零序电流元件、相电流突变量元件等。考虑到本系统为低压配电系统，所以采用的是电流元件作为启动元件，启动判据如下：k>set（式3.1）具体实现方法：输入三相电流后，三相电流经过信号分离器模块，每一相电流都经过一个启动继电器，启动继电器的定值设置为30A，每一相的启动信号靠逻辑操作模块相与输出。这样就保证了任何一相故障，都会造成启动元件动作，进而快速启动保护程序。图3.7为启动元件的封装界面，启动元件内部逻辑结构见图3.8。图3.7启动模块的封装界面图3.8启动元件的内部逻辑结构在图3.8中，其中Relay、Relay1和Relay2为启动继电器模块，双击该模块可以设置启动元件的定值。考虑到本文所建一次系统的双电源模型，其两端电压相等，故而导致正常负荷电流值较低，所以本文设置启动电流值为30A，具体如图3.9所示。图3.9启动元件继电器的定值设定3.5.2关于二次系统中保护模块的设计本设计的保护模块分为两部分：方向判别元件和三段式电流保护，以下将分别说明。（1）方向判别元件方向判别元件的基本动作判据为：（式3.2）式中：和的含义如表3.1所示，采用的是90°的接线方式，为方向元件的功率内角，取值为30°，保护设计如图3.10所示。图3.10方向判别元件对于SF模块而言，它的内部逻辑结构见图3.11，其中Vabc采集的是线电压，Iabc采集的是相电流，经过傅里叶算法元件的计算后可以得到三相电压和三相电流的幅值和相位，然后通过一个加减法元件，可以获得式（3.5.2）中的值，其中=，为线电压的的相角，为相电流的相角，常量模块Constant设置的是方向元件的功率内角，其值为30°。图中增益模块的值为，作用是把幅值变为有效值。图3.11图3.10中SF模块的内部逻辑结构在SF模块的逻辑结构里我们看到了傅里叶模块，这是我们搭建仿真模型用到的算法元件。虽然电力系统中的算法元件有很多，但是考虑到傅里叶算法的实现原理比较简单、在相同的计算量的前提下还能保持很高的计算精度，并能有效抑制高次谐波对计算结果造成的影响，所以傅里叶算法得到了广泛的运用。此外，在Matlab/Simulink中，还集成了傅里叶算法元件，这样就可以直接使用该模块计算电压电流的幅值以及相位等。但是傅里叶算法也存在自身的弊端，就是必须经过一个基波周期（0.02s）后，才能计算出信号的幅值和相位。在Matlab/Simulink中，集成的傅里叶算法模块如图3.12所示。对其进行简单的搭建后便可对电流量或电压量进行计算。图3.12傅里叶算法模块对该模块的参数进行设置。双击Fourier模块，出现如图3.13所示的参数设置框，这里我们只需要将需默认的频率改为50Hz,其他参数保持默认值不变。图3.13傅里叶模块的参数设置对于FX模块而言，其内部结构逻辑如图3.14所示，其包含ABC三相的功率方向元件。对于A相方向元件，其采取的是电压Ubc和电流Ia，PUIbc为的角度值，经过增益模块0.0174533之后转变成弧度值，并取值余弦值。根据（式3.2）取以上3者的乘积，并通过Relay模块判断其是否大于零。当大于零是判断为正方向短路，当小于零时，判断为反方向短路。对于B相方向元件，其采取的是电压Uac和电流Ib，PUIac为的角度值，经过增益模块0.0174533之后转变成弧度值，并取值余弦值。根据（式3.2）取以上3者的乘积，并通过Relay模块判断其是否大于零。当大于零是判断为正方向短路，当小于零时，判断为反方向短路。对于C相方向元件，其采取的是电压Uab和电流Ic，PUIab为的角度值，经过增益模块0.0174533之后转变成弧度值，并取值余弦值。。图3.14图3.10中FX模块的内部逻辑结构对于FX1模块而言，其内部结构如图3.15所示，其中包含Relay模块和逻辑操作模块（LogicalOperator），根据（式3.2）取以上3者的乘积，并通过Relay模块判断其是否大于零。当大于零是判断为正方向短路，当小于零时，判断为反方向短路。最后三个方向元件通过一个或门出口。图3.15图3.10中FX1模块的内部逻辑结构3.5.3三段式过流保护元件三段式过流保护元件包括瞬时电流速动元件、限时电流速动元件以及过电流保护元件，但是其动作判据均为：K>set（式3.3）式3.3中，设置瞬时速动元件的整定值为2836.10A，延时0S；设置限时速动元件的整定值为1418.05A，延时0.3S；设置过流保护元件的整定值为737.24A，延时0.5S。保护设计如图3.16所示。图3.16三段式电流保护元件如前节所述，在SF模块中，经过傅里叶算法模块的计算之后，得到了ABC三相电流的幅值，并经三相电流的幅值输入到Overcurrent模块中，其内部逻辑结构如图3.17所示，其中三段式电流保护元件通过一个或门出口，动作于断路器。图3.17Overcurrent模块的内部逻辑结构启动元件和保护元件设计完以后，结合我们的一次系统可以给出完整的方向电流保护仿真系统，如图3.18所示，其中文注解的仿真系统见附录。图3.18方向电流保护仿真模型其他相关模块的介绍说明：（1）延时模块（TransportDelay）延时模块是让信号在时间上有一定的延时。双击延时模块，弹出延时模块的参数设置对话框，并将延时时间（TimeDelay）改为0.3或者0.5，其余参数保持默认值。（2）运算模块（Sum）运算模块是对各个数据进行加减法的运算。双击该模块，弹出该模块的参数设置对话框，根据本设计需要求取的值时，就需要将Listofsigns里的内容改为++-，其余参数保持默认值。（3）逻辑操作模块（LogicalOperator）双击逻辑模块，弹出逻辑模块参数设置的对话框，点击Operator的下拉按钮，根据设计的需要选择里边的七种逻辑语言，我们这里选择OR逻辑语言。通过改变Numberofinputports中的数值可以改变逻辑模块输入接口的个数。（4）关系操作模块（RelationalOperator）双击比较模块弹出对话框，点击RelationalOperator的下拉按钮，根据自己设计的需要选择九种符号中的一种，我们这里取>符号。其他值保持默认不变。（5）使能子系统模块（EnabledSubsystem）当控制信号端的输入比0要大时，输入信号可以被输出，而当控制信号端的输入比0小时，输入信号不可以被输出，输出端保持输出不变。（6）电力系统图形用户界面模（Powergui）该模块的作用是分析电路和系统，同时能够显示测量的电压、电流以及状态变量的稳态值，可以进行电网稳定性分析、傅里叶分解，潮流计算、阻抗频率响应等计算。3.6本章小结本部分详细介绍了双电源一次系统和二次系统模型的建立过程，并根据所建立的仿真模型，对各短路点进行了短路电流计算和三段式电流保护的整定计算。此外，还根据功率方向继电器的工作元件，完成了90°接线方式的绘制，并详细的介绍了启动元件、三段式电流保护元件以及方向元件的建模过程，并介绍了相关模块的参数设置。上述各个保护模块都是根据理论公式构建的，为下一节的故障仿真分析奠定了良好的基础。

4基于MATLAB的三段式方向过流保护的仿真分析4.1关于一次系统正确性的验证在前面搭建的双电源配电网一次系统仿真模型的基础上，本文以Fault2、Fault3、Fault4故障发生器为例，来验证保护线路中电流保护三段分别发生故障时保护安装处B点的电压和电流的变化规律是否符合理论情况，来进一步验证本文所建一次系统图的正确性。为避免冗余，只在验证电流保护一段时发生全部四种故障类型，二段和三段只仿真一种故障类型。仿真时，设置仿真时间为0.1S，并设置故障发生器在0.02S的时刻发生各种类型的故障。其中，本文所建的配电网一次系统图如图3.1所示。1、瞬时电流速断保护范围内发生单相接地短路故障的仿真及其分析以A相为例，双击打开故障模块Fault2，将故障相A相和GroundFault相打勾，其余对勾全部取消即为A相接地短路，其他参数为默认值，运行系统完成后双击打开示波器Scope7和Scope8得到电流保护一段发生单相接地故障的仿真波形，图4.1为电流保护一段发生单相接地短路时保护安装B处的电压波形，图4.2为电流保护一段发生单相接地短路时保护安装B处的电流波形。适当调整示波器的参数值，使的波形看起来更直观。同理可得B相接地短路、C相接地短路的电压和电流的仿真波形。图4.1电流保护一段发生单相接地短路时保护安装B处的电压波形图4.2电流保护一段发生单相接地短路时保护安装B处的电流波形从图4.2和图4.3可以看出，在t=0.02s时发生A相接地短路故障，保护安装B处的故障相电压（A相）降低的趋势十分明显，而故障相电流（A相）迅速升高。这样三段式电流保护元件将会测量到一个大电流，当测到的电流超过我们设置的保护整定值时，三段式电流保护就会动作。2、瞬时电流速断保护范围内发生两相短路故障的仿真及其分析以A、B相为例，双击打开故障模块Fault2，将故障相A相和B相打勾，其余对勾全部取消即为A、B两相短路故障，其余参数为默认值，运行系统完成后双击打开示波器Scope7和Scope8即可得到电流保护一段发生A、B两相短路故障的仿真波形，图4.3为电流保护一段发生两相短路时保护安装B处的电压波形，图4.4为电流保护一段发生两相短路时保护安装B处的电流波形。同理可得B、C两相短路和A、C两相短路的电压和电流仿真波形。图4.3电流保护一段发生两相短路时保护安装B处的电压波形图4.4电流保护一段发生两相短路时保护安装B处的电流波形从图4.4和图4.5中可以看出，在t=0.02s时发生AB相短路不接地故障，保护安装处B的故障相电压（A相和B相）下降明显。故障相电流（A相和B相）均迅速升高，并且相位相反。这样三段式电流保护元件将会测量到一个大电流，当电流超过我们设置的保护整定值时，三段式电流保护就会动作。3、瞬时电流速断保护范围内发生两相接地短路故障的仿真及其分析以A、B相为例，双击打开故障模块Fault2，将故障相A相和B相以及接地选项打勾，其余对勾全部取消即为A、B两相接地短路故障，其余参数为默认值，运行系统完成后双击打开示波器Scope7和示波器Scope8即可得到电流保护一段发生A、B两相短路故障的仿真波形，图4.5为电流保护一段发生两相接地短路时保护安装B处的电压波形，图4.6为电流保护一段发生两相接地短路时保护安装B处的电流波形。同理可得B、C两相接地短路和A、C两相接地短路的仿真波形。图4.5电流保护一段发生两相接地短路接地时保护安装B处的电压波形图4.6电流保护一段发生两相接地短路时保护安装B处的电流波形从图4.6和图4.7中可以看出，在t=0.02s时发生AB相短路接地故障，保护安装B处的故障相电压（A相和B相）下降明显。故障相电流（A相和B相）均迅速升高，并且相位相反。这样三段式电流保护元件将会测量到一个大电流，当电流超过相应的保护定值时，三段式电流保护就会动作。4、瞬时电流速断保护范围内发生三相短路故障的仿真及其分析双击打开区域内故障模块Fault2，将故障相A、B、C三相全部打勾，还应将其他对勾全部取消即为三相短路故障，其余参数为默认值，运行系统完成后双击打开示波器Scope7和示波器Scope8得到电流保护一段发生三相短路故障的电压和电流的仿真波形，图4.7为电流保护一段发生三相短路时保护安装B处的电压波形，图4.8为电流保护一段发生三相短路时保护安装B处的电流波形。从图中可以看出发生三相短路时，保护安装处B的三相短路电流均升高，三相短路电压均降低。同样的当三段式电流保护元件测量到的电流超过相应的保护定值时，三段式电流保护就会动作。图4.7电流保护一段发生三相短路时保护安装B处的电压波形图4.8电流保护一段发生三相短路时保护安装B处的电流波形5、限时电流速断保护范围内发生单相接地短路故障的仿真及其分析以A相为例，双击打开故障模块Fault3，将故障相A相和GroundFault相打勾，其余对勾全部取消即为A相接地短路，其他参数为默认值，运行系统完成后双击打开示波器Scope7和Scope8得到电流保护二段发生单相接地故障的仿真波形，图4.9为电流保护二段发生单相接地短路时保护安装B处的电压波形，图4.10为电流保护二段发生单相接地短路时保护安装B处的电流波形。适当调整示波器的参数值，使的波形看起来更直观。同理可得B相接地短路、C相接地短路的电压和电流的仿真。图4.9电流保护二段发生单相接地短路时保护安装B处的电压波形图4.10电流保护二段发生单相接地短路时保护安装B处的电压波形从图4.9和图4.10可以看出，在t=0.02s时发生A相接地短路故障，保护安装B处的故障相电压（A相）降低的趋势十分明显，而故障相电流（A相）迅速升高。这样三段式电流保护元件将会测量到一个大电流，当测到的电流超过我们设置的保护整定值时，三段式电流保护就会动作。6、过电流保护范围内发生两相短路故障的仿真及其分析以A、B相为例，双击打开故障模块Fault4，将故障相A相和B相打勾，其余对勾全部取消即为A、B两相短路故障，其余参数为默认值，运行系统完成后双击打开示波器Scope7和Scope8即可得到电流保护三段发生A、B两相短路故障的仿真波形，图4.11为电流保护三段发生两相短路时保护安装B处的电压波形，图4.12为电流保护三段发生两相短路时保护安装B处的电流波形。同理可得B、C两相短路和A、C两相短路的电压和电流仿真波形。图4.11电流保护三段发生两相短路时保护安装B处的电压波形图4.12电流保护三段发生两相短路时保护安装B处的电流波形从图4.11和图4.12中可以看出，在t=0.02s时发生AB相短路故障，保护安装处B的故障相电压（A相和B相）下降明显。故障相电流（A相和B相）均迅速升高，并且相位相反。这样三段式电流保护元件将会测量到一个大电流，当电流超过我们设置的保护整定值时，三段式电流保护就会动作。4.2三段式方向电流保护动作行为仿真分析下面我们将分别验证输电线路正常运行、保护范围外反方向短路故障、保护范围内近端短路故障、保护范围内中端短路故障，保护范围内远端短路故障、保护范围外正方向短路故障的保护动作情况。对于启动元件而言，正常运行时其值为0，当发生故障时，其值为1。对于方向判别元件而言，当发生正方向短路故障时（包括线路正常运行时）其值为1；当发生反方向短路故障时，其值为0。对于三段式电流保护而言，当瞬时电流保护动作时其值不经延时，立即跳变为1；当限时电流速断保护动作时其值经0.3S延时开始跳变；当过流保护动作时，其值经0.5S延时开始跳变。对于断路器控制信号QF而言，其值为方向元件和三段式电流保护元件相与的结果，只有两者同时动作时，断路器控制信号才会跳变为1。4.2.1输电线路正常运行的仿真及其分析当输电线路正常运行时，也就是设置Fault1-Faut5在整个仿真的时间段内均不发生故障，可以看到启动元件、三段式过流保护元件、方向判别元件以及断路器控制信号的动作情况，具体如图4.13所示。在图4.13中，从上之下依次为启动信号Start、方向元件动作信号FX、三段式过流保护动作信号I以及断路器动作信号QF。图4.13输电线路正常运行时各元件的动作情况从图中可以看出除了方向元件输出为1外，启动元件、三段式过流保护元件以及断路器控制信号输出一直为零。各保护元件的动作情况与理论分析一致，表明各保护元件均能够正确动作。4.2.2保护范围外反方向短路故障的仿真及其分析这里以反方向A相接地短路为例，将故障发生器Fault1设置为在0.1S发生A相接地故障，其余故障发生器Fault2-Fault5不发生任何故障。点击仿真运行按钮运行系统，待仿真结束后，双击示波器得到反方向单相接地短路时保护的动作情况，可以看出在0.1s之后，上述各模块均能正确动作。其中，在发生故障之后，启动元件迅速动作并启动保护程序，但是由于发生的是反方向故障，方向判别元件在0.1s之后由1变0，正确判断出是反方向故障，保证了断路器动作信号QF不会动作。同时由于保护安装B流过的是电源EM提供的短路电流，其数值较小，达不到三段式电流保护的动作定值，所以三段式电流保护元件也不动作。同理，可以得到Fault1发生两相短路、两相短路接地以及三相短路接地时，各保护元件的动作情况。4.2.3保护范围内近端短路故障的仿真及其分析这里以正方向A相接地短路为例，将故障发生器Fault2设置为在0.1S发生A相接地故障，其余故障发生器Fault1和Fault3-Fault5不发生任何故障。点击仿真运行按钮运行系统，待仿真结束后，双击示波器得到保护范围内近端发生单相接地短路时保护的动作情况，可以看出在0.1s之后，上述各模块均能正确动作。其中，在发生故障之后，启动元件迅速动作并启动保护程序，但是由于发生的是正方向故障，方向判别元件始终保持为1，正确判断出是正方向故障，保证了断路器动作信号QF可以动作。同时由于Fault2故障处于三段式电流保护的瞬时电流速断保护的范围之内，并且检测到短路电流大于瞬时电流速断的保护定值，导致电流保护I段快速动作。最终使得断路器控制信号QF迅速动作，跳变为1。同理，可以得到Fault2发生两相短路、两相短路接地以及三相短路接地时，各保护元件的动作情况。4.2.4保护范围内中端短路故障的仿真及其分析这里以正方向A相接地短路为例，将故障发生器Fault3设置为在0.1S发生A相接地故障，其余故障发生器Fault1、Fault2、Fault4、Fault5不发生任何故障。点击仿真运行按钮运行系统，待仿真结束后，双击示波器得到保护范围内中端发生单相接地短路时保护的动作情况，可以看出在0.1s之后，上述各模块均能正确动作。其中，在发生故障之后，启动元件迅速动作并启动保护程序，但是由于发生的是正方向故障，方向判别元件始终保持为1，正确判断出是正方向故障，保证了断路器动作信号QF可以动作。同时由于Fault3故障处于三段式电流保护的限时电流速断保护的范围之内，并且检测到短路电流大于限时电流速断的保护定值，导致电流保护II段经0.3S延时后动作。从图中可到看到三段式电流保护大约在0.4S左右跳变为1，该时间正好等于故障发生的时间0.1S和限时电流速断保护的延时时间0.3S的和，与理论值分析一致。最终使得断路器控制信号QF迅速动作，跳变为1。4.2.5保护范围内远端短路故障的仿真及其分析这里以正方向A相接地短路为例，将故障发生器Fault4设置为在0.1S发生A相接地故障，其余故障发生器Fault1-Fault4和Fault5不发生任何故障。点击仿真运行按钮运行系统，待仿真结束后，双击示波器得到保护范围内远端发生单相接地短路时保护的动作情况，可以看出在0.1s之后，上述各模块均能正确动作。其中，在发生故障之后，启动元件迅速动作并启动保护程序，但是由于发生的是正方向故障，方向判别元件始终保持为1，正确判断出是正方向故障，保证了断路器动作信号QF可以动作。同时由于Fault4故障处于三段式电流保护的过电流保护的范围之内，并且检测到短路电流大于过电流保护的定值，导致电流保护III段经0.5S延时后动作。从图中可到看到三段式电流保护大约在0.6S左右跳变为1，该时间正好等于故障发生的时间0.1S和限时电流速断保护的延时时间0.5S的和，与理论值分析一致。最终使得断路器控制信号QF迅速动作，跳变为1。同理，可以得到Fault4发生两相短路、两相短路接地以及三相短路接地时，各保护元件的动作情况。4.2.6保护范围外正方向短路故障的仿真及其分析这里以正方向A相接地短路为例，将故障发生器Fault5设置为在0.1S发生A相接地故障，其余故障发生器Fault1-Fault4不发生任何故障。点击仿真运行按钮运行系统，待仿真结束后，双击示波器得到反方向单相接地短路时保护的动作情况，可以看出在0.1s之后，上述各模块均能正确动作。其中，在发生故障之后，启动元件迅速动作并启动保护程序，但是由于发生的是正方向故障，方向判别元件始终保持为1，正确判断出是正方向故障，保证了断路器动作信号QF可以动作。同时，由于Fault5故障时，由于其处在输电线路的末端，使得短路电流数值较小，达不到三段式电流保护的动作定值，所以三段式电流保护不动作。这样使得断路器控制信号QF也始终为0不动作，保证了三段式方向电流保护的选择性跳闸。同理，可以得到Fault5发生两相短路、两相短路接地以及三相短路接地时，各保护元件的动作情况。4.3本章小节本章先针对本文所建立的一次仿真系统，以故障发生器Fault2为例，对发生其发生各种不同故障类型时保护安装B处的电压和电流进行了对比分析，仿真结果符合理论和实际情况，验证了本文所建一次系统的正确性。同时针对该一次系统图及其保护模块，分别在反方向Fault1点接地和正方向Fault2-Fault5点接地时进行了故障仿真。通过分析对比各保护元件的动作情况，证明其与理论分析值一致，验证了本文所搭建保护模块的正确性。

5总结与展望5.1总结三段式电流保护常作为输配电线路的