相间短路的阶段式电流保护

相间短路通常仅考虑两相短路和三相短路的情况。电力系统发生相间短路的主要特征是电流明显增大，利用这一特点可以构成反应电流增大的阶段式电流保护。

一、瞬时电流速断保护

1、瞬时电流速断保护的工作原理

从故障切除时间考虑，原则上继电保护的动作时间越短越好，即在被保护元件或设备上装设快速保护，瞬时电流速断保护就是这样的快速保护。下面用如图3-1所示单电源线路，说明瞬时电流速断保护的工作原理。

对于图3-1所示单侧有电源的辐射形电网，电流保护装设在线路始端，当线路发生三相短路时，短路电流计算如下

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Ik(3)EXsXk （3-3）

式中

E——系统等效电源的相电动势；

Xs——系统电源到保护安装点的电抗；

Xk

——短路电抗（保护安装点到短路点的电抗。

则Xs+Xk为系统电源至短路点之间的总电抗。显然，当短路点距离保护安装点越远时，Xk越大，短路电流越小；当系统电抗越大时，短路电流越小；而且短路电流与短路类型有关，同一点

Ik(3)Ik(2)。短路电流与短路点的关系如图3-1的Ikf(L)曲线，曲线1为最大运

行方式（系统电抗为Xs.min，短路时出现最大短路电流）下三相短路故障时的Ikf(L)，曲线2为最小运行方式（系统电抗为Xs.max，短路时出现最小短路电流）下两相短路故障时的

Ikf(L)。

瞬时电流速断保护反应线路故障时电流增大动作，并且没有动作延时，所以必须保证只有在被保护线路上发生短路时才动作，例如图3-1的保护1必须只反应线路Ll上的短路，而对L1以外的短路故障均不应动作。这就是保护的选择性要求，瞬时电流速断保护是通过对动作电流的合理整定来保证选择性的。

2．整定计算

一般把对继电保护装置动作值、动作时间的计算和灵敏度的校验称为继电保护整定计算，将计算条件称为整定原则。

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按照选择性要求，图3-1保护1的动作电流，应该大于线路L2始端短路时的最大短路电流。实际上，线路L2始端短路与线路L1末端短路时反应到保护l的短路电流几乎没有区别，因此，线路L1的瞬时电流速断保护动作电流的整定原则为：躲过本线路末端短路的可能出现的最大短路电流，计算如下：

II(3)Iact.1KrelIk.B.max （3-4）

式中

IIact.1—— 线路L1的瞬时电流速断保护一次动作电流；

IKrel——瞬时电流速断保护的可靠系数，考虑短路电流的计算误差、测量误差、

IKrel短路电流非周期分量等因素对保护的影响，一般取＝1.2～1.3；

)Ik(3.Bmax——系统最大运行方式下，在线路L1末端(母线)发生三相短路时流过保护

1(即线路U)的短路电流。

按照式(3-4)计算出保护l的动作电流与短路电流的关系如图3-1所示，动作电流与短路电流曲线的交点确定了保护能够反应故障的范围，即保护范围。可见，由于短路电流与系统的运行方式—和短路类型有关，在系统运行方式变化或短路类型不同时，保护范围随之发生变化，因此有最小保护范围Lmin和最大保护范围Lmax

瞬时电流速断保护的灵敏度用最小保护范围衡量。规程规定：瞬时电流速断保护的最小保护范围Lmin不小于本线路全长的15％～20%。

在某些特殊情况下，瞬时电流速断保护可以保护线路的全长，即保护范围可以延伸到本线路以外。例如图3-2所示，通过线路一变压器组接线直接向负荷供电，不论故障发生

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在线路还是变压器，都应该使断路器QP跳闸，将线路和变压器同时切除。因此，保护l瞬时电流速断保护动作电流的整定原则，可以按照躲过变压器低压侧母线短路时，流过保护的最大短路电流整定，结果其保护范围必然延伸到变压器内部，即可以保护线路L的全长。

3．原理接线图

电磁继电器构成的瞬时电流速断保护的原理接线如图3-3所示。图中电流继电器KAl和KA2是保护的测量元件，保护范围内相间短路故障时动作，动合触点闭合，起动中间继电器KM，中间继电器是保护的执行元件(也称为保护的出口继电器)，动作后动合触点闭合，经信号继电器KS线圈和断路器QP的辅助触点，使断路器跳闸线圈YT带电，断路器QF跳闸切除故障，同时信号继电器发出保护动作信号。图中XB是保护出口连接片(或称为压板)，用于投入或退出保护时，接通或断开保护的出口回路。

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图中中间继电器的作用有二，其一，增加触点容量、接通断路器的跳闸回路；其二，增大保护的固有动作时间，避免避雷器放电造成保护误动。

图中断路器QF的辅助触点的状态与断路器QF主触头状态相同。在保护动作断路器QF跳闸后，辅助触点打开，断开跳闸回路，避免跳闸线圈YT长时间通电而烧坏；同时避免用中间继电器KM触点断开跳闸回路，起到保护中间继电器KM触点的作用。

瞬时电流速断保护的主要优点是动作迅速、简单可靠，缺点是不能保护线路的全长，并且保护范围受系统运行方式影响。在最小运行方式下，其保护范围可能很小，严重时可能没有保护区。

二、限时电流速断保护

1．限时电流速断保护的工作原理

瞬时电流速断保护的保护范围不能达到线路的全长，在本线路末端附近发生短路时不会动作，因此需要增设另一套保护，用于反应本线路瞬时电流速断保护范围以外的故障，同时作为瞬时电流速断保护的后备，这就是限时电流速断保护。对限时电流速断保护的要求是，其保护范围在任何情况下必须包括本线路的全长，并具有规定的灵敏度；同时，在保证选择性的前提下，动作时间最短。

如图3-4所示，说明限时电流速断保护的工作原理。以线路Ll的保护1为例，限时电流速断保护的保护范围需包括本线路Ll的全长，则必然延伸到相邻线路L2，但不应超出保护2的瞬时电流速断保护的保护范围，即

IIIact.1>

IIact.2，显然，保护1的限时电流速断保护的

保护范围，与保护2的瞬时电流速断保护的保护范围出现重叠区。为了保证保护的选择性，

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即在线路L2始端短路时，仍然由保护2动作使断路器QF2跳闸，保护1的限时电流速断保护必须增加动作延时，即

IItact.1>

Itact.2。

2、整定计算

（1）动作电流。线路L1的限时电流速断保护动作电流的整定原则为：与相邻线路瞬时电流速断保护配合，计算如下：

IIIIIIact.1KrelIact.2 (3-5)

式中

IIIact.1——线路L1的限时电流速断保护的一次动作电流；

IIKrel——限时电流速断保护的可靠系数，考虑短路电流的计算误差、测量误差等因

IIKrel素对保护的影响，一般取=1.1~1.2；

IIact.2——相邻线路L2瞬时电流速断保护的一次动作电流。

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按照式（3-5）计算出保护1的限时电流速断保护的动作电流、保护2的瞬时电流速断保护的动作电流，关系如图3-4所示。

（2）动作时间。线路L1的限时电流速断保护动作时间，应与线路L2的瞬时电流速断保护动作时间配合，整定如下：

IIItact.1tact.2t （3-6）

式中

IItact.1——线路L1的限时电流速沁保护的动作时间；

Itact.2——线路L2的瞬时电流速断保护的动作时间；

t——时限级差。

图3-4可见，线路L2始端一定范围内发生故障时，短路电流同时大于

IIIact.1和

IIact.2，能

够使保护1限时电流速断保护起动、保护2瞬时电流速断保护动作。而此时应由保护2的瞬时电流速断保护动作，断路器QP2跳闸，当其拒动时，才允许保护1的限时电流速断保护动作。断路器QF2跳闸后，保护1限时电流速断保护应可靠返回。因此，时限级差A2具体应该包括瞬时电流速断保护固有动作时间、断路器分闸时间、保护动作时间误差等，再考虑一定的时间裕度，一般取△t=0.5s。

IItact.1与

Itact.2关系如图3-4所示，一般

Itact.2＝0s，所以

IItact.1=△t＝0.5s。

(3)灵敏度。限时电流速断保护的保护范围是本线路的全长，则灵敏度应该考虑系统的各种运行方式下，保护对全线路范围内各种故障的反应能力，选择对保护动作最不利的情

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况进行校验。

限时电流速断保护的灵敏度校验条件为，以本线路末端两相短路时，流过保护的最小短路电流进行校验。图3-4保护l限时电流速断保护的灵敏系数计算如下：

KIIsen)Ik(.2BII.minIact.1 (3-7)

式中

IIKsen——限时电流速断保护的灵敏系数，规程要求

IIKsen>1.3～1.5；

IIIact.1——限时电流速断保护的一次动作电流；

2)IkI.(B.min——系统最小运行方式下，本线路末端母线(对保护1即B母线)两相短路时，

流过保护的短路电流。

如果按式(3-7)校验灵敏度不满足规程要求，则限时电流速断保护达不到保护线路全长的目的。由式(3-7)可知，减小保护的动作电流可以提高灵敏度，所以通常解决灵敏度不足的方法是，限时电流速断保护的动作电流及动作时间与相邻线路的限时电流速断保护配合，例如图3-4中保护1具体整定如下：

IIIact.1=

IIIIKrelIact.2 （3-8）

IItact.1=

IItact.2+t （3-9）

式中

IIIact.1——线路L1的限时电流速断保护的一次动作电流；

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IIKrel——限时电流速断保护的可靠系数，一般取

IIKrel=1.1~1.2 ；

IIIact.2——相邻线路L2限时电流速断保护的一次动作电流；

IItact.1——线路L1的限时电流速断保护的动作时间；

IItact.2——线路L2的限时电流速断保护的动作时间；

t——时限级差。

显然，按式（3-8）、式（3-9）整定，动作电流降低、灵敏度提高、保护范围增长，但动作时间延长了。

3、原理接线圈

电磁继电器构成的限时电流速断保护的原理接线如图3-5所示(与图3-3相比较，相当于用KT代替了KM)。图中电流继电器KAl和KA2是保护的测量元件，保护范围内相间短路故障时动作，动合触点闭合起动时间继电器KT，时间继电器是保护的逻辑及执行元件，起动后动合触点延时闭合，经信号继电器KS线圈和断路器QF的辅助触点，使断路器跳闸线圈YT带电，断路器QF跳闸切除故障，同时信号继电器发出保护动作信号。

显然当电流继电器KAl或KA2动作起动时间继电器KT后，如果在其整定时间内故障被其他保护动作切除，那么，在时间继电器延时动合触点闭合之前，电流继电器KAl或KA2由于故障电流消失而返回，时间继电器也随之失去电源返回，则整套保护不会动作出口。这就是在相邻线路始端发生故障的情况。

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限时电流速断保护的特点是能够保护线路的全长，简单可靠，一般只有0.5s延时(有时为1s)，但保护范围受系统运行方式影响。

三、定时限过电流保护

1．定时限过电流保护的工作原理

综合瞬时电流速断保护和限时电流速断保护的作用，可以对全线路范围内的任何故障实现瞬时或较短延时地切除故障。为了防止由于继电保护拒动或断路器拒动无法切除故障的情况，还需要装设具有近后备和远后备作用的后备保护，定时限过电流保护就是这样的后备保护。

如图3-6所示，在保护1瞬时电流速断保护和限时电流速断保护拒动时，线路L1的定时限过电流保护作为本线路的近后备保护，动作于跳闸；同时作为线路12的远后备保护，在保护2拒动或断路器QF2拒动时动作。显然，线路Ll的定时限过电流保护的保护范围应该包括线路L1和L2的全部，必然延伸到线路L3。保护范围长，动作电流必然较小，但必须保证在系统正常运行最大负荷电流下不动作，而在L1或L2发生短路时保护起动，实现后备作用。

2．整定计算

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(1)动作电流。定时限过电流保护的动作电流应满足以下两个条件：

1)在系统正常运行时不动作，动作电流应该大于该线路的最大负荷电流，即

IIIIact> I1.max (3-10)

2)外部故障切除后，应能够可靠返回。例如图3-6中，线路L2或L3上故障时，线路L1定时限过电流保护会起动，按照选择性要求，应由线路L2或L3的保护动作，在2QF或3QF跳闸后，故障电流消失，线路L1定时限过电流保护应立即返回。注意，此时需要考虑可能存在负荷中电动机自起动过程造成的负荷电流增大，所以应满足关系

IIIIre >KssI1.max (3-11)

式中 Kss——电动机的自起动系数，一般为1.5～3。

综合考虑式(3-10)和式(3-11)，定时限过电流保护的动作电流整定为

IIIIactIIIIactIIIKrelKssI1.maxKre (3-12)

式中 ——定时限过电流保护的一次动作电流；

IIIKrel——定时限过电流保护的可靠系数，一般取

IIIKrel＝1.15～1.25；

Kre——电流继电器的返回系数，一般取0.85；

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I1.max——流过被保护线路的最大负荷电流。

确定最大负荷电流，需要根据具体电网的实际情况，考虑最严重情况下，可能出现的最大负荷电流。

考虑到上、下级过电流保护灵敏度配合要求，图3-6所示定时限过电流保护的动作电流，应满足关系

IIIIIIIIIIact.1Iact.2Iact.3。

(2)动作时间。如图3-7的定时限过电流保护动作时间整定示意图所示，当k1点发生故障时，保护1和保护2的定时限过电流继电器同时起动，按照继电保护选择性要求，此时应该由保护2动作，使断路器2QF跳闸，在保护2或断路器2QP拒动时，才允许保护1动作，使断路器lQP跳闸，即保护1和保护2定时限过电流保护的动作时间应该满足关系

IIIItact.1tact.2。同理，当k2点发生故障时，应由保护3动作，使断路器3QF跳闸，在保护

3或断路器3QF拒动时，才允许保护2动作，使断路器2QF跳闸，即按照继电保护选择性要求，保护2和保护3定时限过电流保护的动作时间应该满足关系

IIIItact.2tact.3。

线路L1、L2和L3的定时限过电流保护动作时间整定如下：

IIIItact.1tact.2t

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IIIItact.2tact.3t

IItact.2式中 间；

IItact.1、、

IItact.3 ——分别为线路Ll、L2和L3的定时限过电流保护的动作时

△t——时限级差。

以上整定原则可见，定时限过电流保护越靠近电源处，动作时间越长：越靠近负荷端，动作时间越短；并且相邻线路动作时间相差一个时限级差。一般将定时限过电流保护动作时间整定原则称为阶梯时限原则。显然，定时限过电流保护是通过动作电流间的灵敏度配合、时限阶梯特性保证动作选择性的。

实际中，电流保护的动作时限有定时限和反时限两种实现方法。以上电流保护的动作时间一经整定，则不随通入保护的电流变化，保护起动后按照预先整定值延时动作，因此称为定时限过电流保护。如果电流保护的动作时间与通人保护的电流有关，保护起动后，当电流大时动作时间短，电流小时动作时间长，则称为反时限电流保护。即定时限过电流保护的动作时限一经整定则固定不再变化，而反时限过电流保护的动作时间则随通入保护的电流呈反时限变化。

(3)灵敏度。定时限过电流保护的灵敏度校验需考虑近后备和远后备两种情况，灵敏系数计算如下：

KIIIact)Ik(.2minIIIIact (3-13)

式中

IIIIact——定时限过电流保护的一次动作电流；

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)Ik(.2min——系统最小运行方式下，保护范围末端两相短路流过 保护的短路电流，作为

近后备保护，故障点为本线 路末端母线短路，作为远后备保护，故障点为最长相邻线路末端母线短路；

IIIKact——定时限过电流保护的灵敏系数。

规程要求：作为近后备保护，

IIIKsen≥1.3～1.5；作为远后备保护，

IIIKsen≥1.2。

如果灵敏系数不满足规程要求，可以考虑采用其他保护。

3．原理接线图

由定时限过电流保护原理可知，保护的构成元件与限时电流速断保护相同，所以接线图与图3-5相同。

定时限过电流保护的主要优点是灵敏度高，简单可靠，但由于按照阶梯时限原则整定动作时限，动作时间长，尤其是靠近电源端动作时间更长，因此一般作为后备保护。

四、三段式电流保护

如前所述，瞬时电流速断保护无动作延时，通过动作电流的整定保证选择性，只能保护本线路始端一部分；限时电流速断保护带有短延时(一般为0.5s)，通过动作电流的整定和短延时保证选择性，可以保护本线路的全长；定时限过电流保护带有较长的延时，通过动作电流间的灵敏度配合、动作时限的配合保证选择性，能够保护本线路的全长和相邻线路的全长。

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通常，将瞬时电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护组合在一起，构成三段式电流保护。瞬时电流速断保护称为工段保护，或电流保护I段；限时电流速断保护称为Ⅱ段保护，或电流保护Ⅱ段；定时限过电流保护称为Ⅲ段保护，或电流保护Ⅲ段。其中，电流保护工段和电流保护Ⅱ段组成线路的主保护，电流保护Ⅲ段作为本线路的近后备保护和相邻线路的远后备保护。

三段式电流保护的原理逻辑框图如图3-8所示。用于反应相间故障的电流保护通常可以有选择地接人两相电流，一般接入A相和C相电流，则任何相间短路至少有一相的电流元件可以反应。但需要注意，在同一电压等级中，两相电流应取自同名相。图3-8中I、Ⅱ、Ⅲ分别为电流保护I段、Ⅱ段、Ⅲ段的电流测量元件(可以采用电流继电器)，T1、T2分别为电流保护Ⅱ段、Ⅲ段的时间元件(可以采用时间继电器)。图中Hl、H2、H3、H4是或门。

在工程应用中，三段式电流保护不一定三段全部投入。例如，当系统运行方式变化很大，I段保护范围太小或没有保护区时，则不投入I段；对于线路一变压器接线，工段可以保护线路全长时，则可以不投入Ⅱ段；在末端线路，可能Ⅱ段和Ⅲ段的动作时间相同，则也可以不投入Ⅱ段。

五、方向电流保护

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上述三段式电流保护的选择性是通过动作电流、动作时间整定来保证的，对于双侧有电源的线路或环网线路，在有些情况下通过动作电流、动作时限整定不能保证保护的选择性。如图3-9所示双侧电源线路，当k1点发生故障时，要使断路器5QF跳闸、4QF不跳闸，则应该满足t4 > t5当k2发生故障时，要使断路器4QF跳闸、5QF不跳闸，则应该满足t4 < t5。显然上述时限是无法整定的。

分析k1和k2点发生故障时，流过保护4和保护5的功率方向是不同的。k1点故障时，流过保护5的功率方向是母线到线路(称为正功率)，流过保护4的功率方向是线路到母线(称为负功率)；k2点故障时，流过保护4的功率方向是母线到线路(正功率)，流过保护5的功率方向是线路到母线(负功率)。因此，利用短路时功率方向的这一特征，在电流保护的基础上加装功率方向元件，反应短路功率的方向，使保护只有在短路功率从母线流向被保护线路时动作，由此构成方向电流保护，则保护4和保护5无须时限配合，解决以上问题。

对图3-8所示三段式电流保护加装功率方向元件后，即可构成三段式方向电流保护。方向电流保护的单相原理逻辑框图如图3-10所示，图中Y1、Y2和Y3是双输入与门，保护必须在电流元件和功率方向元件同时满足动作条件时才能使本段保护起动。可见，加装功率方向元件后，双电源线路的保护问题被转化为单电源问题。

需要指出的是，三段式方向电流保护的应用中需要考虑克服功率方向继电器死区并遵循按相起动接线。功率方向元件反应保护安装处的功率方向而动作，当保护安装处发生三

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相短路时，电压为零，功率方向继电器无法判断故障方向，无法动作，出现电压死区，因此，功率方向继电器对电压应有“记忆”作用，从而消除电压死区。按相起动接线指各相电流元件应与该相方向元件串联(即相“与”)后再起动该段时间元件，如图3-10，以防止非故障相方向电流保护误动作。

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