定时限过电流保护原理及应用

前面所介绍的无时限电流速断保护和限时电流速断保护的动作电流，都是按某点的短路电流整定的。虽然无时限电流速断保护可无时限地切除故障线路，但它不能保护线路的全长。限时电流速断保护虽然可以较小的时限切除线路全长上任一点的故障，但它不能作相邻线路故障的后备。因此，引入定时限过电流保护，又称为第Ⅲ段电流保护，它是指启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。它在正常运行时不应该启动，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作。在一般情况下，它不仅能保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。

（1）工作原理和整定计算的基本原则

为保证在正常运行情况下过电流保护不动作，保护装置的启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IL.max。然而，在实际确定保护装置的启动电流时，还必须考虑在外部故障切除后，保护装置应能立即返回。在如图1.10所示的单侧电源网络接线中，当K1点短路时，短路电流将通过保护5、4、3，这些保护都要启动，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立即返回原位。

图1.10　定时限过电流保护启动电流和动作时限的配合

实际上，当外部故障切除后，流经保护4的电流是仍然在继续运行中的负荷电流。另外，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，电动机有一个自启动的过程。电动机的自启动电流要大于它正常工作的电流，因此，引入一个自启动系数KS来表示自启动时最大电流Ist.max与正常运行时最大负荷电流IL.max之比，即

式中　KS——一般取1.5～3。

为保证过电流保护在正常运行时不动作，其启动电流Iop应大于最大负荷电流IL.max，即：

为保证在相邻线路故障切除后保护能可靠返回，其返回电流应大于外部短路故障切除后流过保护的最大自启动电流，即

在上式中引入可靠系数Krel，并代入式（1.15），即

由式（1.1），引入返回系数，得：

即得：

式中　Krel——可靠系数，考虑继电器启动电流误差和负荷电流计算不准确等因素而引入的大于1的系数，一般取1.15～1.25；

Kre——返回系数，一般取0.85。

式（1.19）为定时限过电流保护的启动电流计算公式。当Kre减小时，保护装置的启动电流越大，因而其灵敏性越差，这就是为什么要求过电流继电器应有较高的返回系数的原因。

最大负荷电流IL.max必须按实际可能的严重情况确定。例如，图1.11（a）所示的平行线路，应考虑某一条线路断开时另一条线负荷电流增大一倍；图1.11（b）所示的装有备用电源自动投入装置（BZT）的情况，当一条线路因故障断开后，BZT动作将QF投入时，应考虑另一条线路出现的最大负荷电流。

（2）按选择性的要求整定定时限过电流保护的动作时限

如图1.12所示，假定在每条线路上均装有定时限过电流保护，各保护装置的启动电流均按照躲开被保护线路上的最大负荷电流来整定。当K1点短路时，保护1～5在短路电流的作用下都可能启动，但按照选择性的要求，应该只有保护1动作，切除故障，而保护2～5在故障切除后应立即返回。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位于线路的最末端，只要电动机内部发生故障，它就可以瞬时动作予以切除，t1即为保护装置本身的固有动作时间。对保护2来讲，为了保证K1点短路时动作的选择性，则应整定其动作时限t2＞t1，引入Δt，则保护2的动作时限为：

图1.11　最大负荷说明图(www.xing528.com)

图1.12　单侧电源串联线路中各过电流保护动作时限的确定

保护2的动作时限确定以后，当K1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Δt后，得：

依此类推，保护4、5的动作时限分别为：

一般来说，任一过电流保护的动作时限，应选择比下一级线路过电流保护的动作时限至少高出一个Δt，只有这样才能充分保证动作的选择性。如在图1.10中，对保护4而言应同时满足以下要求：

t4=t1+Δt

t4=t3+Δt

t4=t2+Δt

式中　t1——保护1的动作时限；

t2——保护2的动作时限；

t3——保护3的动作时限。

实际上，t4应取其中的最大值，此保护的动作时限经整定计算确定之后，即由专门的时间继电器予以保证，其动作时限与短路电流的大小无关，因此称为定时限过电流保护。实现保护的单相原理接线与图1.9相同。

当故障越靠近电源端时，短路电流越大，而由以上分析可见，此时过电流保护动作切除故障的时限反而越长，这是一个很大的缺点，因此，在电网中广泛采用电流速断和限时电流速断来作为线路的主保护，以快速切除故障，利用过电流保护来作为本线路和相邻元件的后备保护。由于它作为相邻元件的后备保护的作用是在远处实现的，因此它属于远后备保护。

由以上分析也可以看出，处于电网终端附近的保护装置（如图1.12中的保护1或2），其过电流保护的动作时限并不长，在这种情况下，它就可以作为主保护兼后备保护，而无须再装设电流速断或限时电流速断保护。

（3）过电流保护灵敏系数的校验

过电流保护灵敏系数的校验类似式（1.12），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Ksen≥1.3；当作为相邻线路的后备保护时，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Ksen≥1.2。

此外，在各个过电流保护之间，还必须要求灵敏系数相互配合，即对同一故障点而言，要求越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数。如图1.12所示，当K1点短路时，应要求各保护的灵敏系数之间有下列关系：

在单侧电源的网络接线中，由于越靠近电源端时保护装置的整定电流值越大，而发生故障后，各保护装置均流过同一个短路电流，因此，上述灵敏系数应相互配合的要求是自然能够满足的。

当过电流保护的灵敏系数不能满足要求时，应采用性能更好的其他保护方式。