三段式电流保护机制及应用场景解析

三段式电流保护主要用于反应低压输电线路的各种相间短路故障。输电线路上发生各种相间短路时，总伴随着故障相电流的增大和电压的降低。当故障线路上的电流大于某一个整定值或保护安装处母线电压小于某一个整定值时，保护将跳开故障线路上的断路器，这就是电流保护的作用原理。与常规保护相同，微机电流保护也是设计成三段式，Ⅰ段是瞬时电流速断保护，Ⅱ段是限时电流速断保护，Ⅲ段是过电流保护，三段均可选择带方向线路保护或不带方向馈线保护。为了提高过电流保护的灵敏度及提高整套保护动作的可靠性，线路的电流保护一般均经低电压闭锁。

1.无时限的电流速断保护（电流Ⅰ段）

按避开线路末端短路的电流保护无需在动作时间上与相邻线路保护配合，其动作可以不带延时，称为瞬时电流速断保护或无时限电流速断保护，即电流Ⅰ段。它的保护范围只能是线路的一部分。显然无时限的电流速断保护要可靠动作，它的动作值I DZ必须选择小于或等于保护范围内可能出现的最小短路电流。为了保证选择性，I DZ必须大于线路末端可能出现的最大短路电流。

当系统（电压）一定时，流过电流保护的短路电流与系统阻抗Zs、短路点的位置（Zd）及短路类型有关。而系统阻抗Zs决定于系统的运行方式。当系统运行在最大运行方式下，Zs取最小值Zs.min；当系统运行在最小运行方式下，Z s取最大值Zs.max。一般地，系统运行在最大运行方式下某点发生三相短路时，短路电流最大，称此为保护的最大运行方式；系统在最小运行方式下发生两相短路时，短路电流最小，称此为保护的最小运行方式。

如果希望电流保护能快速切除全线故障，则其动作值IDZ应满足如下条件

为在最小运行方式下发生两相短路时的短路电流，是该线路故障可能出现的最小短路电流。但在系统最大运行方式下线路靠近末端处发生短路时，由于短路电流可能大于，使装于该线路上的电流保护在下一级线路始端故障时可能误动作而失去选择性。为了保证选择性，则该线路上的电流保护的动作值必须满足

又为了使电流保护能区分所保护线路的末端和下一条线路的始端故障，通常取

考虑到微机保护信号与处理系统可能产生的误差，取

式中　KK——可靠系数，KK≥1.3；

——线路末端处在系统最大运行方式下发生三相短路时的短路电流。

按式（41）整定电流保护以后，虽然可保证选择性，但是它已经不能反映线路末端故障了。如果不计保护装置本身和断路器的动作时间，则保护可以无延时动作，故称此套电流保护为无时限电流速断保护，或称电流Ⅰ段保护。它的动作值取值原则可概括为按躲过本线路末端发生短路时的最大短路电流整定。电流Ⅰ段保护的动作值常表示为。保护动作时限表示为tI＝0s。

电流Ⅰ段保护的保护范围随系统运行方式的变化而变化。当系统运行方式变化较大时，在最小运行方式下，它可能无保护范围，且它不能保护线路全长，这是电流Ⅰ段保护的缺点。

2.限时的电流速断保护（电流Ⅱ段）

由以上分析可知，电流Ⅰ段保护不能切除线路末端故障。为了切除全线故障，保护范围必将超过线路全长，而为了保证选择性需要与下一级线路的瞬时电流速断保护相配合，并以小延时跳闸，这就是限时的电流速断保护，即电流Ⅱ段。同时为了保证速动性，延时Δt不宜过长，一般选择为0.3～0.5s。

本线路的电流Ⅱ段的保护范围只要不超出下一级线路电流Ⅰ段的保护范围，即可保证选择性，也即只要取

式中　——本线路的电流Ⅱ段保护的动作值；

——下一级线路的电流Ⅰ段保护的动作值。

取可靠系数，则

即电流Ⅱ段保护的整定值按躲过下一条相邻线路电流Ⅰ段的动作值整定，时限

式中　——本线路的电流Ⅱ段的动作时间；

——下一级线路的电流Ⅰ段的动作时间。

线路上装设了电流Ⅰ段和电流Ⅱ段保护后，全线故障在0.3～0.5s便可得以切除，且对于电流Ⅰ段范围内的故障来说实现了保护的双重性。这对低压网络中的线路基本能满足“四性”的要求。因此称电流Ⅰ段和电流Ⅱ段保护为线路“主”保护。

3.定时限的过电流保护（电流Ⅲ段）

为了使线路在主保护或断路器因质量问题而拒绝动作时故障仍能被切除，还应考虑给线路装设后备保护。一般装设定时限的过电流保护，也称为电流Ⅲ段保护。它既可作后备，保护本线路全长；又可作远后备，保护相邻线路全长。

它的动作值整定时应考虑两点，如下所述。

（1）按躲过线路正常运行时的最大负荷电流来整定。即

（2）与相邻线路正常运行时的最大负荷电流动作值配合。

式中　——电流Ⅲ段可靠系数大于或等于1.2；

Kzq——电动机负荷自启动系数大于或等于1；

Kf——返回系数，取0.85～0.95；

K′K——配合系数，取大于或等于1.1；

Kfz.max——最大分支系数；

Ifh.max——线路上可能流过的最大负荷电流；

——本线路的电流Ⅲ段动作值；

——下一级线路的电流Ⅲ段动作值。

本线路的电流Ⅲ段动作值取式（43）和式（44）中的较大者。

为了使各套电流Ⅲ段保护之间保证选择性，它的时限一般按阶梯形原则来整定，即每套电流Ⅲ段的时限都应比与它相邻的下一条线路的电流Ⅲ段的时限大一个时间Δt，即(www.xing528.com)

可见，电流Ⅲ段装在越靠近电源端的地方，动作时限越长；越靠近电网末端，动作时限越短。这是它的缺点，故只能作后备保护使用。

4.带电压闭锁的电流保护

鉴于两相短路电流I（2）与三相短路电流I（3）的关系为I（2）＝0.886I（3），瞬时电流保护为了保证选择性，其动作电流I set必须大于线路末端三相短路时流过保护的最大电流，即

式中　——电源最小阻抗；

　　　ZL——被保护线路的正序阻抗。

而其保护范围应按两相短路计算，保护范围可按下式求得

式中　ZSmax——电源最大阻抗。

由以上两式可求得

其中，。

若运行方式不变（b＝1），保护范围在a＝0时最大，。当a＝2时k＝0，没有保护范围。运行方式变化时保护范围更短，若b＝3，则当a＝0.29时k＝0便没有保护范围。

在三段式电流保护中，为了保证选择性，电流Ⅰ段动作值按最大运行方式下本线路末端三相短路时短路电流整定，当系统运行方式变化较大时，往往满足不了灵敏度的要求。为了提高灵敏度，常利用线路发生故障时母线电压下降这一特点，采用同时判断电压的降低和电流的增大的方法来构成电流/电压保护。

在构成电流/电压保护时，电流元件、电压元件可同时作启动元件，也可以一个作启动元件，一个作闭锁元件，构成电流/电压联锁速断保护、电压闭锁的电流保护和电流闭锁的电压保护等。构成保护的启动元件和闭锁元件不同，保护的整定计算原则也不同。下面举例说明。

（1）电流/电压联锁速断保护。

当系统运行方式变化较大时，线路电流保护Ⅰ段、Ⅱ段可能在保护区和灵敏度方面不满足要求。但考虑到在线路上发生短路故障时，母线电压的变化一般比流过保护的短路电流变化大，因此在许多情况下采用躲开线路末端短路时，保护安装处母线上的残余电压整定的电压速断保护在保护范围和灵敏度方面性能更好。不过，仅用反映电压降低的电压元件来构成电压保护，当同一母线引出的其他线路上发生短路以及电压互感器二次侧熔断器熔断时会误动作。因此，可以采用电流/电压联锁速断保护。这种保护既反映电流的增大，也反映电压的降低；保护的测量元件由电流元件和电压元件共同组成，它们通过“与”回路输出。

为了保证此保护在系统经常出现的主要运行方式下有较大的保护区，通常按系统主要运行方式下电流、电压元件有相同的保护范围来整定。

对电流/电压联锁速断保护，电流、电压元件的动作值可按下式计算

式中　KK——KK≥1.3；

　　　ZXT——正常运行方式下系统的阻抗；

　　　ZL——所保护线路的总阻抗值。

　　　式（47）表明电流元件的动作电流选在主要运行方式下，保护区末端三相短路时的短路电流；电压元件的动作电压选在主要运行方式下，保护区末端三相短路时，保护安装处母线A上的残余电压。

按上述原则整定动作参数后，最大运行方式下，电压元件的动作范围缩短，而电流元件的动作范围伸长，整个保护装置的动作范围取决于电压元件，保护范围为I′。在最小运行方式下，电压元件的动作范围要伸长，而电流元件的动作范围要缩短，整个保护装置的动作范围取决于电流元件，保护范围为I″。在这两种极端的运行方式下，整个保护装置的保护范围都由动作范围缩短的一个元件决定，外部短路时不会误动作。因此，这样整定后，电流/电压联锁速断保护不会误动作，而且在主要的运行方式下，其保护范围比单独的电流速断或电压速断的保护范围要大。

（2）低电压闭锁的过电流保护。

低电压闭锁的过电流保护采用电流元件作启动元件，电压元件作闭锁元件，由于动作时限与电流Ⅲ段一样按阶梯形原则整定，故常用作后备保护。它的电流、电压元件分别按式（48）整定，电流动作值取两式中较大者。

式中　KK——KK≥1.1；

　　　Kf——Kf＝0.85～0.95；

　　　——相邻线路电流Ⅲ段动作值；

　　　UN——保护安装处母线额定电压。

其他符号意义与前面相同。

5.功率方向元件

在上述分析中，三段式电流保护是以单侧电源网络为基础进行分析的，其各段保护都装在被保护线路靠近电源的一端，在线路发生故障时，保护上流过的电流都是从保护安装处母线流向被保护的线路，它们动作的选择性靠电流整定值和时限的配合来保证。

但在实际应用中，电力系统实际上都是由很多电源做成的复杂网络。以上分析的三段式电流保护应用在这种网络中，已不能满足系统运行的要求。需要在原有电流保护的基础上加一个判别短路电流方向的元件，使电流保护流过正方向电流时动作，流过反方向电流时不动作，则可保证各保护之间的选择性。

在实际应用中，因为短路电流是交流，它的方向随着时间的变化而变化，不能直接用来判定方向。但当故障点一定时，短路电流与保护安装处母线电压之间的相角是不变的，因此一般采用功率方向元件来判断短路电流的方向。加了方向元件的电流保护，称之为方向电流保护。

由以上分析可知，对功率方向元件的动作功率要保证大于零，即P＝UJIJ cosφJ＞0，则cosφJ≥0⇒-90°＜φJ＜90°。功率方向元件的动作条件可表示为

为了保证在最常见的短路情况下使继电器动作最灵敏，在实际应用中，功率方向元件常采用如下动作方程

式中　α——功率方向元件的内角。