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继电保护仿真实验报告

电流保护仿真实验

对所建立的电流保护模块进行实验测试。进行电流保护实验时，保护区域选择为双回路线路的52XL、53XL段。断路器QF53、QF54由电流保护模块的输出信号控制。此电流保护模块的输入信号为QF54的三相电流。断路器QF51、QF52由另一电流保护模块控制，对应电流保护模块的输入信号为QF52的三相电流。

正常运行测试

首先测试在系统正常运行状态下继电保护的动作情况。测试结果如图1所示，线路电流正常，继电保护模块没有动作，说明继电保护模块满足了可靠性，在没有故障时不会发生误动。

(c) C相电流

(b)B相电流

(a) A相电流

图1系统正常运行时QF54三相电流

本级线路三相短路故障实验

将故障点设置在D13，即本线路中间位置。进行三相短路实验前，将故障模块设置为三相短路故障，故障起始时刻为0.5s，为永久性故障。设置好参数后进行仿真测试。

图2所示为QF54的三相电流，即故障所在支路的线路电流。由图可得，0.5s时刻发生故障，线路电流突然增大，和短路故障实验的结果一致，但经过一个很短的时间，电流保护一段动作，断路器断开，线路电流变为零。仿真实验得到的结果和预期相同，电流保护保护模块成功将故障跳开。

图3所示为QF52的三相电流，即双回路中另一支路的线路电流。从图中可以看到，虽然此线路也配备有电流保护模块，但是保护模块并没有发出跳闸动作。QF52的三相电流在故障发生后也变大了，在故障切除后，电流经过振荡逐渐稳定在一个稳态值，其数值大约是故障发生前的两倍。这是由于故障所在支路被切除，功率完全由本支路传输。由此可见测试结果也符合理论分析，在没有发生故障的线路，电流保护模块并未动作，满足了选择性。

(a)A相电流

(b)B相电流

(c)C相电流

图3 D13三相短路故障QF52三相电流

(a) A相电流

(b)B相电流

(c)C相电流

图2 D13三相短路故障QF54三相电流

图4为发电机03G的运行状况波形图，可以看到，发电机的运行情况和发生瞬时性短路故障时很相似。根据理论分析，瞬时性故障和电流保护模块动作后的不同之处在于瞬时性故障在故障消失后仍然有两条输电回路，而电流保护模块动作后一条回路被切除。两者的区别会影响到发电机的输出功率以及功角，由于两者区别较小，仿真测得的波形图基本一直。

1. 有功功率

(b) 无功功率

(c) A相电流

(d) B相电流

(e) C相电流

(f) 转子转速

图4 D13三相短路故障03G运行状态波形图

下面进行分析电流保护模块内部的动作情况。图5和图6分别为QF54支路电流保护内部傅立叶模块和继电器模块的输出信号。从图5可以看到，在0.5s发生短路故障后，傅立叶模块测得的基频电流的幅值迅速增大到20A以上。在图6中，前三个信号对应电流一段保护的继电器，后三个信号对应二段保护的继电器。可以到在基频电流幅值增大后，6个继电器都动作，即一段保护和二段保护都启动了。由于电流幅值上升有一定时间，因此继电器动作时间稍微滞后于短路时刻。同时可以注意到，二段保护的继电器高电平持续时间要长于一段保护的继电器，高电平起始时刻比一段保护继电器早，终止时刻比一段保护继电器迟，这是由于一段继电器和二段继电器整定值不同造成的。

1. A相傅立叶模块输出

1. B相傅立叶模块输出

1. C相傅立叶模块输出

图5 D13三相短路故障QF54支路保护傅立叶模块输出信号

1. A相保护一段继电器输出
2. A相保护二段继电器输出

1. B相保护一段继电器输出
2. B相保护二段继电器输出

1. C相保护一段继电器输出
2. C相保护二段继电器输出

图6 D13三相短路故障QF54支路保护继电器模块输出信号

图7和图8分别为QF54支路保护和QF52支路保护的动作信号。在图7中，QF54支路的电流保护模块在故障发生后，电流一段的动作信号由低电平变为高电平，发出跳闸信号，虽然电流二段的继电器也动作了，但电流二段并没有发出跳闸信号，因此一段保护和二段保护都能够正确动作。在一段的动作信号变为高电平后，保护模块的输出信号有高电平变为低电平即将断路器跳开，变为断开状态。从图8看到，QF52支路的保护模块一直没有发出跳闸信号，输出的控制信号也一直在闭合状态，因此QF52支路的电流保护模块内部的各模块也能够正确的对故障做出反应。

1. 保护一段动作信号

(b) 保护二段动作信号

(c) 控制信号

图8 D13三相短路故障QF52支路保护动作信号

1. 保护一段动作信号

(b) 保护二段动作信号

(c) 控制信号

图7 D13三相短路故障QF54支路保护动作信号

本级线路相间短路故障实验

经过D13处三相短路实验，可以看到电流保护模块在本级线路中部发生故障时，能够正确的动作。由于过电流保护的保护范围和系统运行状态以及故障类型有关，因此，进行D13处的A、B相间短路仿真实验，检验电流保护在相间短路时是否能够保护的线路的中部区域。将故障模块的故障类型设置为A、B相间短路，然后进行仿真实验。

图9所示为QF54三相电流。在0.5s时刻，发生早D13处发生A、B相间短路故障，A相和B相电流突然增大，C相电流基本没有变化。进过较短时间后，断路器被跳开，三相电流皆变为零，说明此时电流保护模块已经动作。

1. A相电流
2. B相电流
3. C相电流

图9 D13A、B相间短路故障QF54三相电流

图10和图11为电流保护内部傅立叶模块和继电器模块的输出信号，可以看到，A、B两相的基频电流在故障发生后幅值迅速增大，对应的继电器模块也输出为高电平，而C相电流幅值基本保持不变，继电器模块没有动作。图12为保护模块的动作信号，其动作情况和三相短路时一致。

1. A相傅立叶模块输出

(b) B相傅立叶模块输出

(c) C相傅立叶模块输出

图10 D13A、B相间短路故障QF54支路保护傅立叶模块输出信号

1. A相保护一段继电器输出
2. B相保护一段继电器输出
3. C相保护一段继电器输出
4. A相保护二段继电器输出
5. B相保护二段继电器输出
6. C相保护二段继电器输出

图11 D13A、B相间短路故障QF54支路保护继电器模块输出信号

1. 保护一段动作信号

(b) 保护二段动作信号

(c) 控制信号

图12 D13A、B相间短路故障QF54支路保护动作信号

进行A、B相间短路故障仿真实验后，可以得出，在现有的整定值下，电流保护模块的保护范围要大于50%，在位于线路中间的故障点D13处发生相间短路，电流保护模块能够有效的动作，跳开断路器。

下级线路三相短路故障实验

进行下一级线路始端，或者本级线路末端的三相短路故障仿真实验。将故障点选择为D11处。故障元件设置为三相短路，故障起始时刻为0.5s，永久性故障。参数设置完成后进行仿真测试。

图13和图14分别为QF54支路和QF52支路的线路电流。在0.5s时刻，线路末端D11处发生三相短路故障，两条支路的电流都突然增大，在之后电流一段保护并没有动作，经过0.3s之后，两条支路的电流都变成了零，说明此时电流二段保护动作，电流保护模块输出了跳闸信号将断路器断开。

1. A相电流

(b) B相电流

(c) C相电流

图13 D11三相短路故障QF54三相电流

1. A相电流

(b) B相电流

(c) C相电流

图14 D11三相短路故障QF52三相电流

以QF54支路的电流保护模块为例分析保护内部的动作情况，由于在线路末端短路，两条支路的动作情况基本一致。图15和图16所示分别为保护内部傅立叶模块和继电器模块的输出信号。从图15可以看到，在线路末端发生三相短路时，线路电流基频分量的幅值增大到接近15A，相比在D13处发生短路故障，短路电流的幅值小很多，并未达到一段保护的整定值。由16继电器的动作情况可以看到，电流一段保护的三个继电器并没有动作，而二段保护的三个继电器在故障后由低电平变为高电平。

(a)A相傅立叶模块输出

(b) B相傅立叶模块输出

(c) C相傅立叶模块输出

图15 D11三相短路故障QF54支路保护傅立叶模块输出信号

1. A相保护一段继电器输出
2. B相保护一段继电器输出
3. C相保护一段继电器输出
4. A相保护二段继电器输出
5. B相保护二段继电器输出
6. C相保护二段继电器输出

图16 D11三相短路故障QF54支路保护继电器模块输出信号

图17是电路保护模块的动作信号。可以看到，在故障发生后，电流一段保护没有发出跳闸信号。经过0.3s的时间后，电流二段保护发出跳闸信号，之后断路器控制信号由高电平变为低电平，断路器断开。在末端三相故障时，一段保护没有动作，由于下级线路未配备继电保护元件，因此故障不能由下级元件切除。0.3s后故障仍然存在，此时本级二段保护动作，将故障切除。由此可见，在末端发生三相短路故障时，本线路一段保护不会误动。

1. 保护一段动作信号

(b) 保护二段动作信号

(c) 控制信号

图17 D11三相短路故障QF54支路保护动作信号

下级线路相间短路故障实验

电流保护一段和二段相配合，构成阶段式电流保护的主保护，应该能够保护线路全长，因此，当线路末端发生相间短路故障，短路限流最小时，电流保护二段也应该能够可靠的动作，即应该有足够的灵敏性。因此，本小节进行线路末端相间短路的仿真实验，以验证电流保护二段的灵敏性。

1. A相电流

(b) B相电流

(c) C相电流

图18 D11A、B相间短路故障QF54三相电流

将D11故障模块设置为A、B相间短路，故障时刻0.5s，永久性故障。设置完成后开始仿真实验。如图18所示为QF54支路的线路电流。在0.5s故障后A、B相线路电流突然增大，C相电流有基本不变。经过0.3s后，线路电流变为零，说明断路器跳开，电流保护二段动作。图19为保护模块动作信号，可以看到和末端三相短路故障时的动作情况一致。在末端发生相间短路时，电流保护二段可靠动作，满足灵敏性的要求。

1. 保护一段动作信号

(b) 保护二段动作信号

(c) 控制信号

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