三段式电流保护原理分析及整定计算步骤详解

什么是三段式电流保护？

三段式电流保护指的是电流速断保护（第一段）、限时电流速断保护（第二段）、定时限过电流保护（第三段），相互配合构成的一套保护、下面我们就来详细介绍一下三段时电流保护的工作原理和整定计算方法。

一、电流速断保护（第I段）

对于仅反应于电流增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护。为优先保证继电保护动作的选择性，就要在保护装置起动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不起动，这在继电保护技术中，又称为按躲过下一条线路出口处短路的条件整定。以上图1所示的网络接线为例，假定每条线路上均装有电流速断保护，对于安装在A母线处的保护1来讲，其起动电流

当被保护线路的一次侧电流达到起动电流这个数值时，安装在A母线处的保护1就能起动，最后动作于跳断路器1对保护2来讲，按照同样的原则，其起动电流必须整定得大于d4点处短路时，可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下C母线上三相短路时的电流，即：

当被保护线路的一次侧电流达到起动电流这个数值时，安装在A母线处的保护1就能起动，最后动作于跳断路器1对保护2来讲，按照同样的原则，其起动电流必须整定得大于d4点处短路时，可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下C母线上三相短路时的电流，即：

当被保护线路的一次侧电流达到起动电流这个数值时，安装在B母线处的保护2就能起动，最后动作于跳断路器2。

后面几段线路的电流速断保护整定原则同上。

电流速断保护的主要优点是：简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛的应用。但由于引入的可靠系数，所以不难看出，电流速断保护的缺点是：不能保护本线路的全长，且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。运行实践证明，电流速断保护的保护范围大概是本线路的85%~90%。

二、限时电流速断保护（第II段）

1、工作原理及整定计算的基本原则
由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此我们考虑增加一段新的保护，用来切除速断范围以外的故障，保护本线路的全长，同时也能作为电流速断保护的后备保护。由于要求它必须保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处（如图1中，对于保护1来说，d2点处）发生短路时，它就要起动，在这种情况下，为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，但又为了使这一时限尽量缩短，我们就考虑使它的保护范围不超过下一条线路速断保护（如图1中的保护2）的保护范围，而动作时限则比下一条线路速断保护高出一个时间阶段，即

如图2（a）所示，由于它能以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障，所以我们称它为限时电流速断保护。

现以图2中的保护1为例，来说明限时电流速断保护的整定方法。

设保护2装有电流速断保护，其起动电流按照（1-3）式计算后为：假设其保护范围为B母线到d3之间的部分，则在d3点发生短路时，短路电流即为，保护2的速断保护刚好能动作。根据以上分析，保护1的限时电流速断保护不应超出保护2的电流速断保护的保护范围，因为在单侧电源供电的情况下，它的起动电流就应该整定为：

在上式中能否取两个电流相等？如果选取相等，就意味着保护1的限时电流速断保护的范围正好和保护2的电流速断保护的范围相重合，这在理想的情况下虽是可以的，但在实践中是不行的。因为保护1和保护2安装在不同的地点，它们所使用的电流互感器和继电器的特性很难完全一样，如果正好遇到保护2的电流速断保护出现负误差，其保护范围比计算值缩小，而保护1的限时电流速断保护出现正误差，其保护范围比计算值增大，那么在实际上，当计算的保护范围末端（比如图1中的d3点，甚至其后面至C母线之前的某点）短路时，就会出现保护2的电流速断保护不能动作，而保护1的限时电流速断保护却会起动的情况，由于故障位于线路B-C之间，即便是保护2的电流速断保护不能起动，也应该由它的限时电流速断保护动作切除故障，，而如果保护1的限时电流速断保护也起动了，其结果就是两个保护的限时速断同时作用于跳闸，因此保护1就失去了选择性。为了避免这种情况发生，就不能采用两个电流相等的整定方法，而必须采用，引入可靠系数，即为：

对于可靠系数：，考虑到短路电流中的非周期分量已经衰减，故可选取得比电流速断保护的小一些，一般取。

由此可见，在线路上装设了电流速断保护和限时电流速断保护以后，如果在保护1的电流速断保护范围内故障，两者都能起动，但限时电流速断保护比电流速断保护高一个时限，在时间上保证了选择性，因此由电流速断保护瞬时切除故障；而如果在保护1的电流速断保护范围以外而同时又在线路A-B范围内故障时，则由保护1的限时电流速断保护动作以较短的时限（在0.35~0.6s之间，通常最多取0.5s）切除故障。
所以，线路装设了电流速断保护和限时电流速断保护以后，它们的联合工作就可以保证全线路范围以内的故障能够在0.5s的时间内予以切除，在一般情况下都能够满足速动性的要求。因此具有这种性能的保护可以作为线路的“主保护”。

2、保护装置灵敏性的校验
为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，具有足够的反应能力，这个能力通常用灵敏系数来衡量。对反应于数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数的含义是：

式中故障参数（如电流、电压等）的计算值，应根据实际情况合理地采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定。

对于图1中保护1的限时电流速断保护而言，即采用系统最小运行方式下线路A-B末端发生两相短路时的短路电流作为故障参数的计算值。代入上式则灵敏系数为

对于限时电流速断保护应要求。
如果灵敏系数因为各种原因不能满足要求时，通常可以考虑进一步延伸限时电流速断保护的保护范围，使之与下一条线路的限时电流速断保护相配合，如图2（b）所示，这样其动作时限就应该选择得比下一条线路的限时电流速断保护的时限再高一个，一般取为1~1.2s，此时

因此，随着保护范围的伸长，必然导致动作时限的升高。
问题：如图2所示，不难看出，保护1的限时电流速断保护与保护1的限时电流速断保护速断保护的动作时限是一样的。假设在B-C线路的某点发生短路（就比如d2点），而这点除了在保护2的电流速断保护和限时电流速断保护范围内以外，又在保护1的限时电流速断保护的范围内，此时，假设保护2 的电流速断保护因各种原因不能动作，按照选择性的要求，应该由保护2的限时电流速断保护动作出口，可是，保护1的限时电流速断保护也能启动，且动作时限和保护2的限时电流速断保护相同，就会出现两者同时出口的现象，应该怎么解决呢？

三、定时限过电流保护（第III段）

过电流保护通常是指其起动电流按躲过最大负荷电流来整定的一种保护。它在正常运行时不起动，而在电网发生故障时，则能反应于电流增大而动作，它不仅能保护线路的全长，也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。

1、工作原理及整定计算的基本原则

为保证在正常运行时过电流保护绝不动作，保护装置的起动电流必须整定得大于该线路上可能出现的最大负荷电流，并且在实际中确定起动电流时，还必须考虑在外部故障切除后，保护是否能够返回的问题。如图3所示，当d1点短路时，短路电流将流过保护5、4、3，这些保护都要起动，但是按照选择性的要求，应由保护3动作切除故障，然后保护4和5由于电流已经减小而应立即返回。

而实际上当外部故障切除后，流经保护4和5的电流是仍然在继续运行中的负荷电流，由于短路时电压降低，变电所B母线上所接负荷的电动机被制动，因此，在故障切除后电压恢复时，电动机要有一个自起动过程，电动机的自起动电流要大于它正常工作的电流，一般为正常工作时电流的6倍左右。因此，我们引入一个自起动系数来表示自起动时的最大电流与正常运行时最大负荷电流之比，即：

由于保护装置的起动和返回是通过电流继电器来实现的，因此，继电器返回电流与起动电流的关系也就代表着保护装置返回电流与起动电流的关系，为此引入继电器的返回系数，则保护装置的起动电流即为

2、动作时限的整定
过电流保护的动作时限要按照选择性的要求来整定，如图4所示，假定在每个电气元件

上均装有过电流保护，各保护装置的起动电流均按照躲开被保护元件上各自的最大负荷电流来整定。这样当d1点短路时，保护2、3、4、5在短路电流的作用下都可能起动，但要满足选择性的要求，应该只有保护1动作切出故障，其他保护在故障切除之后应立即返回。这个要求只有依靠使各保护装置带有不同的时限来满足。
保护1位于电网的最末端，只要电动机内部故障，就可以瞬时动作给予切除，t1就是保护装置本身的固有动作时间，对于保护2来讲，为了保证d1点短路时动作的选择性，则应整定其动作时限t2>t1，引入时间阶段△t，则保护2的动作时限为

保护2的时限确定以后，当d2点短路时，它将以t2的时限切除故障，此时为了保证保护3动作的选择性，又必须整定t3>t2，引入时间阶段△t，则保护3动作时限为

同理，依次类推，保护4、5的动作时限为

式中，t1为1号（电动机）保护的动作时间；t2为2号（变压器）保护的动作时间△t；t3为3号（线路B-C）保护的动作时间。故t4在实际上应取其中最大的一个。
这种保护的动作时限，经整定计算确定后，即由专门的时间继电器予以保证，起动作时限与短路电流的大小无关，因此称之为定时限过流保护。
此保护的缺点：当故障越靠近电源端时，短路电流越大，但保护动作切除故障的时限反而越长。因此，在电网中，广泛采用电流速断保护和限时电流速断保护来作为本线路的主保护，以快速切除故障，利用定时限过电流保护来作为本线路和相邻线路的后备保护，此时对本线路来说称之为近后备保护，对相邻线路来说，称之为远后备保护。
从图4中也可以看到，处于电网最终端附近的保护装置（如保护1和2），其过流保护的动作时限并不长，因此在这种情况下，它就可以作为主保护兼后备保护，而无需再装设电流速断保护或限时电流速断保护。
2、定时限过电流保护灵敏系数的校验

过电流保护灵敏系数的校验仍采用式（1-7），当过电流保护作为本线路的主保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，要求；当作为相邻线路的后备保护时，则应采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流进行校验，此时要求。

四、总结

由于电流速断保护不能保护线路的全长，而限时电流速断保护又不能完全作为相邻线路的后备保护，因此，为了保证迅速而又选择性地切出故障，常常将电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护组合在一起，构成阶段式电流保护。具体应用时，可以只采用电流速断保护加定时限过电流保护，或者限时电流速断保护加定时限过电流保护，也可以三者同时采用。

来源：网络

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