电网三段式电流保护设计摘要（电网相间短路的三段式电流保护）

（注意：本文中所有的电力系统均为单侧电源供电的情况，且文中故障特指相间短路，最后本文字数较多，专业性较强，如果感兴趣的朋友，可以仔细阅读一下，欢迎评论留言相互交流。）

在生活中不知道大家有没有这样的疑惑，中国地域辽阔电网遍布全国，如果当一个地方输电线路发生短路故障时，电网是怎样快速切除故障线路，以及又是如何精确的将停电范围控制在最小。要想明白这个问题，我们就需要详细的了解电力系统继电保护的相关原理。接下来我为大家介绍一下继电保护中常用的三段式电流保护的原理。

在次之前先为大家介绍几个慨念

第一什么是继电保护：

继电保护是对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出信号或动作于跳闸的一种有效的反事故的自动装置。

第二继电保护的作用：

1.自动,快速,有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使非故障部分恢复正常运行。

2.通过发出各种预警信号，向运行人员反映电气元件的不正常运行状态。

在每一条线路上均装有电流速断保护，当AB线路发生短路故障时，保护2瞬时动作，当BC发生短路故障，保护1瞬时动作。其动作原理如下，保护装置启动电流用I^,_op(使继电器动作的最小电流)表示,电流保护装置是根据电流增大而动作，所以只有当实际短路电流I_k≥I^,_op时，保护装置才能启动。根据电网短路的分析，当电源电势一定时，短路电流的大小取决于短路点与电源之间的阻抗Z的大小。短路电流的表示方式如下图所示。

在一个确定的系统中，一般情况下E与Zs是一个不变的常数。故短路电流I_k只与Z_k有关，将随Z_k的增大而减小。因此经过计数可以画出短路电流随线路长度变化的曲线（如下图中的两条曲线），其中把通过保护装置的短路电流最大的方式，称为系统最大运行方式。通过保护装置的短路电流最小的方式，称为系统最小运行方式。

由前面可知继电保护是具有选择性的，当故障发生时停电的范围必须是最小的，故为了保证电流速断保护的选择性，如下图所示对保护1来说，其整定的启动电流必须大于C点短路时可能出现的最大短路电流（用I_k.c.max表示）。

引入可靠系数K^,rei 后（需要注意的是引入可靠系数是考虑到短路电流计数误差和必要的裕度），上面的公式可以改写为下式。

同理，由上面计数方式可知，对保护2而言，其启动电流整定也应当大于B点的最大短路电流I_k.B.max。如下图所示

启动电流（I^,op.1与I^,op.2）在上图中是一条直线，它与曲线Ⅰ和Ⅱ各有一个交点。当故障发生在交点之前时，由于短路电流大于启动电流，故保护装置能够动作。如果故障发生在交点之后，因短路电流小于启动电流，故继电保护装置不会动作。从图中我们也能看出来，显然当一条线路的运行方式不一样时，同一个保护装置其保护范围也不一样，有最大和最小的保护范围。如同图中的L_min和L_max。同时我们也能够看出无时限电流速断保护也是有缺陷的，它不能保护线路的全长。

最后需要注意的是影响电流Ⅰ段保护范围的因素主要有一下几点。

1. 系统运行方式不同时，保护范围不同，即保护线路的长短不一样。

2. 当被保护线路的长短不一样时，那么保护范围也是不一样的，一般而言线路较长时， 起始端短路电流差别大，保护范围也较大（被保护线路占全线路的比例大）。线路较短时，保护范围也短（被保护线路占全线路的比例小）。

3.个别特殊情况下电流Ⅰ段保护也可以保护线路的全长。比如说线路的末端采用的是线路和变压器组的接线方式时，就可以保护线路的全长。原因是变压器的阻抗较大，在变压器前后发生短路故障时，其短路电流差别较大。因此保护装置能够对这种情况进行正确判断。

限时电流速断保护

通过前面可知无时限电流速断保护也有自己的缺陷，无法保护线路全长。因此对于无时限电流速断保护无法保护的那段距离，我们需要重新选用一种保护方式，用以弥补缺陷。这种新的保护就是限时电流速断保护（又称电流Ⅱ段保护）。

由于限时电流速断保护必须保护本线路的全长，因此其保护范围将延长到下一段线路，但是如果下一段线路发生短路故障，将可能导致保护动作，引起误动作，将停电范围扩大。为了避免这种情况的发生。可以采取延时方法来防止误动作。即限时电流速断保护比下一段无时限电流速断保护高出一个Δt的时间段。并且规定限时电流速断保护的范围不能超过下一段线路无时限电流速断保护的范围。如下图所示。

在图中1与2处均装有电流Ⅰ段与电流Ⅱ段保护，其中保护1的无时限电流速断保护启动电流为I^,op.1，保护2的无时限电流速断保护的启动电流为I,op.2，根据上文可知限时电流速断保护的范围，不能超过下一段线路无时限电流速断保护的范围。即保护2的限时电流速断保护范围不能超过保护1的无时限电流速断保护（如上图所示AB线的I^,,op.2在BC线I,op.1的左侧，没有超过BC线电流Ⅰ段保护的范围）。故电流Ⅱ段的启动电流应当整定为

引入可靠系数K^,,reI 后，上面的公式可以改写为如下

需要注意的是在下图中，Δt为高出的时间，在实际中通常取值为0.5s。

通过上面的分析可以看出，如果短路点发生在AB线路中电流Ⅰ段无法保护的范围外，那么经过0.5s后AB线路中的电流Ⅱ段保护将动作，切断电源，从而Ⅰ段和Ⅱ段保护配合可以保护AB线的全长。如果故障发生在BC线路的范围内，那么BC线路的电流Ⅰ段保护将会立即动作切断电源，因此不会造成AB线上的电流Ⅱ段保护动作。

定时限过电流保护

定时限过电流保护又称之为电流Ш段保护，通过前面的分析我们可以得知电流Ⅰ段保护和Ⅱ段保护配合，可以保护线路的全长，但是他们也有自己缺陷，Ⅰ段保护不能保护线路全长，Ⅱ段保护不能作为相邻线路的后备保护。因此引入电流Ш段保护，既能保护本线路全长，也可以作为相邻线路的后备保护。电流Ш段保护是指启动电流按躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。当电力系统发生短路故障时，电流增大而动作。

如上图所示，当K₁点发生故障，保护1 2 3都会流过短路电流，但是因为保护具有选择性（后面会说到，利用延时进行选择），故只有保护3会动作，保护1 2因3断开，电流减小恢复正常。但是在发生短路时，B母线上的电压会降低，从而导致保护4后面的大功率电器被停止，当保护3动作后，系统恢复正常，大功率电器发生重启，在重新启动的时候，瞬时启动电流往往是正常电流的几倍。故在整定启动电流的时候我们需要考虑这个因素。因此引入启动系数Kst（一般取值1.5 _͠ 3）来表示这种情况。

并且保护启动电流I_op大于最大负荷电流I_L.max 。返回电流大于外部短路故障切除后流过保护的最大自启动电流。

通过上面的分析可以得到启动电流

其中K_rei为可靠系数，一般取值1.15 _͠ 1.25 。k_re为返回系数，一般取值0.85。

如下图所示，1到5均装有定时限过电流保护，且各保护装置均按照相同的方式整定，当5后面的线路发生短路故障时，所以的保护在短路电流作用下都可能启动，但是按照停电范围最小，只能保护5动作，保护1到4恢复正常，因此将每个保护的时限依次增加一个Δt，即可利用时限来满足要求。

以上就是电网相间短路的三段式电流保护的原理，因本人才疏学浅，如有不对的地方欢迎批评指正，最后“学无止境，欢迎关注共同讨论”。

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