什么是三段式電流保護(hù)？

三段式電流保護(hù)指的是電流速斷保護(hù)（第一段）、限時(shí)電流速斷保護(hù)（第二段）、定時(shí)限過電流保護(hù)（第三段），相互配合構(gòu)成的一套保護(hù)、下面我們就來詳細(xì)介紹一下三段時(shí)電流保護(hù)的工作原理和整定計(jì)算方法。

一、電流速斷保護(hù)（第I段）

簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)接線示意圖

對(duì)于僅反應(yīng)于電流增大而瞬時(shí)動(dòng)作的電流保護(hù)，稱為電流速斷保護(hù)。為優(yōu)先保證繼電保護(hù)動(dòng)作的選擇性，就要在保護(hù)裝置起動(dòng)參數(shù)的整定上保證下一條線路出口處短路時(shí)不起動(dòng)，這在繼電保護(hù)技術(shù)中，又稱為按躲過下一條線路出口處短路的條件整定。以上圖1所示的網(wǎng)絡(luò)接線為例，假定每條線路上均裝有電流速斷保護(hù)，對(duì)于安裝在A母線處的保護(hù)1來講，其起動(dòng)電流

當(dāng)被保護(hù)線路的一次側(cè)電流達(dá)到起動(dòng)電流這個(gè)數(shù)值時(shí)，安裝在A母線處的保護(hù)1就能起動(dòng)，最后動(dòng)作于跳斷路器1對(duì)保護(hù)2來講，按照同樣的原則，其起動(dòng)電流必須整定得大于d4點(diǎn)處短路時(shí)，可能出現(xiàn)的最大短路電流，即在最大運(yùn)行方式下C母線上三相短路時(shí)的電流，即：

當(dāng)被保護(hù)線路的一次側(cè)電流達(dá)到起動(dòng)電流這個(gè)數(shù)值時(shí)，安裝在A母線處的保護(hù)1就能起動(dòng)，最后動(dòng)作于跳斷路器1對(duì)保護(hù)2來講，按照同樣的原則，其起動(dòng)電流必須整定得大于d4點(diǎn)處短路時(shí)，可能出現(xiàn)的最大短路電流，即在最大運(yùn)行方式下C母線上三相短路時(shí)的電流，即：

當(dāng)被保護(hù)線路的一次側(cè)電流達(dá)到起動(dòng)電流這個(gè)數(shù)值時(shí)，安裝在B母線處的保護(hù)2就能起動(dòng)，最后動(dòng)作于跳斷路器2。

后面幾段線路的電流速斷保護(hù)整定原則同上。

電流速斷保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單可靠，動(dòng)作迅速，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。但由于引入的可靠系數(shù)，所以不難看出，電流速斷保護(hù)的缺點(diǎn)是：不能保護(hù)本線路的全長，且保護(hù)范圍直接受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響。運(yùn)行實(shí)踐證明，電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍大概是本線路的85%~90%。

二、限時(shí)電流速斷保護(hù)（第II段）

1、工作原理及整定計(jì)算的基本原則
由于有選擇性的電流速斷保護(hù)不能保護(hù)本線路的全長，因此我們考慮增加一段新的保護(hù)，用來切除速斷范圍以外的故障，保護(hù)本線路的全長，同時(shí)也能作為電流速斷保護(hù)的后備保護(hù)。由于要求它必須保護(hù)本線路的全長，因此它的保護(hù)范圍必然要延伸到下一條線路中去，這樣當(dāng)下一條線路出口處（如圖1中，對(duì)于保護(hù)1來說，d2點(diǎn)處）發(fā)生短路時(shí)，它就要起動(dòng)，在這種情況下，為了保證動(dòng)作的選擇性，就必須使保護(hù)的動(dòng)作帶有一定的時(shí)限，但又為了使這一時(shí)限盡量縮短，我們就考慮使它的保護(hù)范圍不超過下一條線路速斷保護(hù)（如圖1中的保護(hù)2）的保護(hù)范圍，而動(dòng)作時(shí)限則比下一條線路速斷保護(hù)高出一個(gè)時(shí)間階段，即

如圖2（a）所示，由于它能以較小的時(shí)限快速切除全線路范圍以內(nèi)的故障，所以我們稱它為限時(shí)電流速斷保護(hù)。

現(xiàn)以圖2中的保護(hù)1為例，來說明限時(shí)電流速斷保護(hù)的整定方法。

設(shè)保護(hù)2裝有電流速斷保護(hù)，其起動(dòng)電流按照（1-3）式計(jì)算后為：假設(shè)其保護(hù)范圍為B母線到d3之間的部分，則在d3點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，短路電流即為，保護(hù)2的速斷保護(hù)剛好能動(dòng)作。根據(jù)以上分析，保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)不應(yīng)超出保護(hù)2的電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍，因?yàn)樵趩蝹?cè)電源供電的情況下，它的起動(dòng)電流就應(yīng)該整定為：

在上式中能否取兩個(gè)電流相等？如果選取相等，就意味著保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)的范圍正好和保護(hù)2的電流速斷保護(hù)的范圍相重合，這在理想的情況下雖是可以的，但在實(shí)踐中是不行的。因?yàn)楸Ｗo(hù)1和保護(hù)2安裝在不同的地點(diǎn)，它們所使用的電流互感器和繼電器的特性很難完全一樣，如果正好遇到保護(hù)2的電流速斷保護(hù)出現(xiàn)負(fù)誤差，其保護(hù)范圍比計(jì)算值縮小，而保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)出現(xiàn)正誤差，其保護(hù)范圍比計(jì)算值增大，那么在實(shí)際上，當(dāng)計(jì)算的保護(hù)范圍末端（比如圖1中的d3點(diǎn)，甚至其后面至C母線之前的某點(diǎn)）短路時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)保護(hù)2的電流速斷保護(hù)不能動(dòng)作，而保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)卻會(huì)起動(dòng)的情況，由于故障位于線路B-C之間，即便是保護(hù)2的電流速斷保護(hù)不能起動(dòng)，也應(yīng)該由它的限時(shí)電流速斷保護(hù)動(dòng)作切除故障，，而如果保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)也起動(dòng)了，其結(jié)果就是兩個(gè)保護(hù)的限時(shí)速斷同時(shí)作用于跳閘，因此保護(hù)1就失去了選擇性。為了避免這種情況發(fā)生，就不能采用兩個(gè)電流相等的整定方法，而必須采用，引入可靠系數(shù)，即為：

對(duì)于可靠系數(shù)：，考慮到短路電流中的非周期分量已經(jīng)衰減，故可選取得比電流速斷保護(hù)的小一些，一般取。

由此可見，在線路上裝設(shè)了電流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)以后，如果在保護(hù)1的電流速斷保護(hù)范圍內(nèi)故障，兩者都能起動(dòng)，但限時(shí)電流速斷保護(hù)比電流速斷保護(hù)高一個(gè)時(shí)限，在時(shí)間上保證了選擇性，因此由電流速斷保護(hù)瞬時(shí)切除故障；而如果在保護(hù)1的電流速斷保護(hù)范圍以外而同時(shí)又在線路A-B范圍內(nèi)故障時(shí)，則由保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)動(dòng)作以較短的時(shí)限（在0.35~0.6s之間，通常最多取0.5s）切除故障。
所以，線路裝設(shè)了電流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)以后，它們的聯(lián)合工作就可以保證全線路范圍以內(nèi)的故障能夠在0.5s的時(shí)間內(nèi)予以切除，在一般情況下都能夠滿足速動(dòng)性的要求。因此具有這種性能的保護(hù)可以作為線路的“主保護(hù)”。

2、保護(hù)裝置靈敏性的校驗(yàn)
為了能夠保護(hù)本線路的全長，限時(shí)電流速斷保護(hù)必須在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，線路末端發(fā)生兩相短路時(shí)，具有足夠的反應(yīng)能力，這個(gè)能力通常用靈敏系數(shù)來衡量。對(duì)反應(yīng)于數(shù)值上升而動(dòng)作的過量保護(hù)裝置，靈敏系數(shù)的含義是：

式中故障參數(shù)（如電流、電壓等）的計(jì)算值，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理地采用最不利于保護(hù)動(dòng)作的系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障類型來選定。

對(duì)于圖1中保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)而言，即采用系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下線路A-B末端發(fā)生兩相短路時(shí)的短路電流作為故障參數(shù)的計(jì)算值。代入上式則靈敏系數(shù)為

對(duì)于限時(shí)電流速斷保護(hù)應(yīng)要求。
如果靈敏系數(shù)因?yàn)楦鞣N原因不能滿足要求時(shí)，通常可以考慮進(jìn)一步延伸限時(shí)電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍，使之與下一條線路的限時(shí)電流速斷保護(hù)相配合，如圖2（b）所示，這樣其動(dòng)作時(shí)限就應(yīng)該選擇得比下一條線路的限時(shí)電流速斷保護(hù)的時(shí)限再高一個(gè)，一般取為1~1.2s，此時(shí)

因此，隨著保護(hù)范圍的伸長，必然導(dǎo)致動(dòng)作時(shí)限的升高。
問題：如圖2所示，不難看出，保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)與保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)速斷保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限是一樣的。假設(shè)在B-C線路的某點(diǎn)發(fā)生短路（就比如d2點(diǎn)），而這點(diǎn)除了在保護(hù)2的電流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)范圍內(nèi)以外，又在保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)的范圍內(nèi)，此時(shí)，假設(shè)保護(hù)2 的電流速斷保護(hù)因各種原因不能動(dòng)作，按照選擇性的要求，應(yīng)該由保護(hù)2的限時(shí)電流速斷保護(hù)動(dòng)作出口，可是，保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)也能啟動(dòng)，且動(dòng)作時(shí)限和保護(hù)2的限時(shí)電流速斷保護(hù)相同，就會(huì)出現(xiàn)兩者同時(shí)出口的現(xiàn)象，應(yīng)該怎么解決呢？

三、定時(shí)限過電流保護(hù)（第III段）

過電流保護(hù)通常是指其起動(dòng)電流按躲過最大負(fù)荷電流來整定的一種保護(hù)。它在正常運(yùn)行時(shí)不起動(dòng)，而在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，則能反應(yīng)于電流增大而動(dòng)作，它不僅能保護(hù)線路的全長，也能保護(hù)相鄰線路的全長，以起到后備保護(hù)的作用。

1、工作原理及整定計(jì)算的基本原則

為保證在正常運(yùn)行時(shí)過電流保護(hù)絕不動(dòng)作，保護(hù)裝置的起動(dòng)電流必須整定得大于該線路上可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流，并且在實(shí)際中確定起動(dòng)電流時(shí)，還必須考慮在外部故障切除后，保護(hù)是否能夠返回的問題。如圖3所示，當(dāng)d1點(diǎn)短路時(shí)，短路電流將流過保護(hù)5、4、3，這些保護(hù)都要起動(dòng)，但是按照選擇性的要求，應(yīng)由保護(hù)3動(dòng)作切除故障，然后保護(hù)4和5由于電流已經(jīng)減小而應(yīng)立即返回。

而實(shí)際上當(dāng)外部故障切除后，流經(jīng)保護(hù)4和5的電流是仍然在繼續(xù)運(yùn)行中的負(fù)荷電流，由于短路時(shí)電壓降低，變電所B母線上所接負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)被制動(dòng)，因此，在故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)要有一個(gè)自起動(dòng)過程，電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)電流要大于它正常工作的電流，一般為正常工作時(shí)電流的6倍左右。因此，我們引入一個(gè)自起動(dòng)系數(shù)來表示自起動(dòng)時(shí)的最大電流與正常運(yùn)行時(shí)最大負(fù)荷電流之比，即：

由于保護(hù)裝置的起動(dòng)和返回是通過電流繼電器來實(shí)現(xiàn)的，因此，繼電器返回電流與起動(dòng)電流的關(guān)系也就代表著保護(hù)裝置返回電流與起動(dòng)電流的關(guān)系，為此引入繼電器的返回系數(shù)，則保護(hù)裝置的起動(dòng)電流即為

2、動(dòng)作時(shí)限的整定
過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限要按照選擇性的要求來整定，如圖4所示，假定在每個(gè)電氣元件

上均裝有過電流保護(hù)，各保護(hù)裝置的起動(dòng)電流均按照躲開被保護(hù)元件上各自的最大負(fù)荷電流來整定。這樣當(dāng)d1點(diǎn)短路時(shí)，保護(hù)2、3、4、5在短路電流的作用下都可能起動(dòng)，但要滿足選擇性的要求，應(yīng)該只有保護(hù)1動(dòng)作切出故障，其他保護(hù)在故障切除之后應(yīng)立即返回。這個(gè)要求只有依靠使各保護(hù)裝置帶有不同的時(shí)限來滿足。
保護(hù)1位于電網(wǎng)的最末端，只要電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障，就可以瞬時(shí)動(dòng)作給予切除，t1就是保護(hù)裝置本身的固有動(dòng)作時(shí)間，對(duì)于保護(hù)2來講，為了保證d1點(diǎn)短路時(shí)動(dòng)作的選擇性，則應(yīng)整定其動(dòng)作時(shí)限t2>t1，引入時(shí)間階段△t，則保護(hù)2的動(dòng)作時(shí)限為

保護(hù)2的時(shí)限確定以后，當(dāng)d2點(diǎn)短路時(shí)，它將以t2的時(shí)限切除故障，此時(shí)為了保證保護(hù)3動(dòng)作的選擇性，又必須整定t3>t2，引入時(shí)間階段△t，則保護(hù)3動(dòng)作時(shí)限為

同理，依次類推，保護(hù)4、5的動(dòng)作時(shí)限為

式中，t1為1號(hào)（電動(dòng)機(jī)）保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間；t2為2號(hào)（變壓器）保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間△t；t3為3號(hào)（線路B-C）保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。故t4在實(shí)際上應(yīng)取其中最大的一個(gè)。
這種保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限，經(jīng)整定計(jì)算確定后，即由專門的時(shí)間繼電器予以保證，起動(dòng)作時(shí)限與短路電流的大小無關(guān)，因此稱之為定時(shí)限過流保護(hù)。
此保護(hù)的缺點(diǎn)：當(dāng)故障越靠近電源端時(shí)，短路電流越大，但保護(hù)動(dòng)作切除故障的時(shí)限反而越長。因此，在電網(wǎng)中，廣泛采用電流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)來作為本線路的主保護(hù)，以快速切除故障，利用定時(shí)限過電流保護(hù)來作為本線路和相鄰線路的后備保護(hù)，此時(shí)對(duì)本線路來說稱之為近后備保護(hù)，對(duì)相鄰線路來說，稱之為遠(yuǎn)后備保護(hù)。
從圖4中也可以看到，處于電網(wǎng)最終端附近的保護(hù)裝置（如保護(hù)1和2），其過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限并不長，因此在這種情況下，它就可以作為主保護(hù)兼后備保護(hù)，而無需再裝設(shè)電流速斷保護(hù)或限時(shí)電流速斷保護(hù)。
2、定時(shí)限過電流保護(hù)靈敏系數(shù)的校驗(yàn)

過電流保護(hù)靈敏系數(shù)的校驗(yàn)仍采用式（1-7），當(dāng)過電流保護(hù)作為本線路的主保護(hù)時(shí)，應(yīng)采用最小運(yùn)行方式下本線路末端兩相短路時(shí)的電流進(jìn)行校驗(yàn)，要求；當(dāng)作為相鄰線路的后備保護(hù)時(shí)，則應(yīng)采用最小運(yùn)行方式下相鄰線路末端兩相短路時(shí)的電流進(jìn)行校驗(yàn)，此時(shí)要求。

四、總結(jié)

由于電流速斷保護(hù)不能保護(hù)線路的全長，而限時(shí)電流速斷保護(hù)又不能完全作為相鄰線路的后備保護(hù)，因此，為了保證迅速而又選擇性地切出故障，常常將電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過電流保護(hù)組合在一起，構(gòu)成階段式電流保護(hù)。具體應(yīng)用時(shí)，可以只采用電流速斷保護(hù)加定時(shí)限過電流保護(hù)，或者限時(shí)電流速斷保護(hù)加定時(shí)限過電流保護(hù)，也可以三者同時(shí)采用。

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