4. 定时限过流保护建模：CT、继电器与断路器
好，我们进入第四章。这一章要动手了——用 Simulink 把定时限过流保护的核心链路搭出来。说白了，就是 CT（电流互感器）、继电器、断路器这三个模块怎么连、怎么配参数。
我个人习惯先把整体逻辑理清楚，再动手拖模块。你想想看，过流保护的本质是什么？检测电流 → 判断是否超限 → 延时 → 跳闸。就这么简单。但工程实现里，每个环节都有坑。
本章核心链路：
电网电流 → CT 采样 → 继电器判断（含定时限逻辑）→ 断路器动作
4.1 CT 模块：从一次侧到二次侧
CT 的作用很简单——把大电流按比例缩小。但在 Simulink 里，你得考虑饱和、相位偏移这些实际因素。
我建议你用 Simscape Electrical 里的 "Current Transformer" 模块。 如果没装这个工具箱，也可以用 Gain 模块加一个比例系数来近似。但说实话，做保护仿真最好用专业模块，因为饱和特性会影响继电器的判断。
| 参数 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 一次侧额定电流 | 1000 A | 根据系统容量设定 |
| 二次侧额定电流 | 5 A 或 1 A | 标准 CT 二次值 |
| 变比 | 200:1 | 一次/二次比值 |
| 饱和特性 | 拐点电压 | 影响大电流下的精度 |
我的经验： 做教学仿真时，可以先忽略饱和，用理想 CT。但做工程验证时，一定要把饱和模型加进去。我曾经在一个项目里发现，CT 饱和导致继电器拒动，差点烧了变压器。
4.2 继电器模块：定时限逻辑的实现
继电器是保护的大脑。定时限过流继电器的逻辑就一句话：电流超过定值，开始计时；计时到，输出跳闸信号。
在 Simulink 里，我习惯用 Stateflow 或者纯 Simulink 模块搭这个逻辑。这里我讲纯模块方式，因为更直观。
核心模块组合：
- Relational Operator：比较电流测量值与启动定值 I>
- Switch：控制计时器启停
- Integrator 或 Counter：实现延时
- Compare to Constant：判断延时是否到达设定值 T
嗯，这里要注意：计时器必须在电流返回正常值时复位。 否则故障消失后，继电器还会误跳。我见过有人忘了加复位逻辑，仿真结果一塌糊涂。
避坑指南： 我曾经在调试一个模型时，发现继电器动作时间总比设定值长 20ms。查了半天，原来是积分器的初始条件没设对。记住，积分器初始值一定要设 0。
4.2.1 定时限特性曲线
定时限的意思就是：不管故障电流多大，只要超过定值，延时时间固定。比如设定 0.5s，那 1.2 倍定值和 10 倍定值都是 0.5s 后动作。
这和反时限不一样。反时限是电流越大，动作越快。我们这一章只讲定时限，反时限后面会单独讲。
| 电流倍数 (I/I>) | 动作时间 (s) | 说明 |
|---|---|---|
| 1.0 | ∞ | 不动作 |
| 1.2 | 0.5 | 定时限延时 |
| 2.0 | 0.5 | 定时限延时 |
| 5.0 | 0.5 | 定时限延时 |
| 10.0 | 0.5 | 定时限延时 |
4.3 断路器模块：执行跳闸
断路器模块相对简单。Simulink 里有 "Breaker" 模块，或者用 "Ideal Switch" 加一个控制信号。
关键参数：
- 动作时间：从收到跳闸信号到触头分开的时间，一般 20-60ms
- 灭弧时间：电弧熄灭的时间，影响电流过零切断
- 重合闸逻辑：如果需要，可以加自动重合闸
我个人习惯把断路器封装成一个子系统，输入是跳闸信号（来自继电器），输出是三相电流的通断状态。这样模型更干净。
断路器子系统内部结构：
跳闸信号 → 延时模块（模拟动作时间）→ 锁存器（保持跳闸状态）→ 三相开关
4.4 完整模型搭建步骤
好，我们一步步来。打开 Simulink，新建一个空白模型。
- 拖入电源和负载：用 Three-Phase Source 和 Three-Phase RLC Load，模拟电网
- 拖入 CT 模块：从 Simscape Electrical 里找 Current Transformer，设变比 200:1
- 拖入继电器逻辑：用 Relational Operator + Integrator + Compare to Constant 搭定时限逻辑
- 拖入断路器：用 Breaker 模块，设动作时间 0.03s
- 连接信号：CT 二次侧接继电器，继电器输出接断路器控制端
- 加故障：用 Three-Phase Fault 模块模拟短路
小技巧： 仿真步长设小一点，比如 1e-5 s，不然断路器动作时刻可能捕捉不准。我一般用 ode23t 求解器，兼顾精度和速度。
4.5 参数配置示例
下面是一个具体的参数配置表，你可以直接照着设。
| 模块 | 参数 | 设定值 |
|---|---|---|
| Three-Phase Source | 线电压 / 频率 | 10 kV / 50 Hz |
| CT | 变比 / 二次侧额定 | 200:1 / 5 A |
| 继电器启动定值 I> | 二次侧电流值 | 5 A (对应一次 1000 A) |
| 继电器延时 T | 定时限时间 | 0.5 s |
| 断路器动作时间 | 机械延时 | 0.03 s |
| 故障模块 | 故障类型 / 起始时间 | 三相短路 / 0.2 s |
4.6 仿真结果怎么看
跑完仿真，重点看三个信号：
- CT 二次侧电流：确认变比正确，波形无畸变
- 继电器输出：看跳闸信号是否在 0.2s + 0.5s = 0.7s 时变高
- 断路器状态：看电流是否在 0.7s + 0.03s ≈ 0.73s 时切断
如果跳闸时间偏差超过 10%，回去检查积分器参数和求解器设置。我遇到过有人把积分器增益设成了 2，结果延时变成 1s，闹了笑话。
注意： 断路器切断电流后，CT 二次侧电流会突降到 0。这时候继电器应该复位，但如果你用了锁存器，跳闸信号会保持。这是正常的，因为断路器已经跳开了，不需要重复跳闸。
4.7 模型封装与复用
模型搭好后，我建议你把整个保护链路封装成一个子系统，对外暴露三个接口：
- 三相电流输入（来自 CT）
- 跳闸指令输出（去断路器）
- 定值和延时参数（方便调试）
这样，后面做多级保护配合时，直接复制这个子系统，改改参数就行。我在实际项目中，一个保护子系统用了五六年，只改参数不改结构。