相間短路的階段式電流保護

10、35kV線路一般為小電流接地電網中線路，主要為饋電線路。對饋電線路，一般設置三段式電流保護、低周減載、三相一次重合閘和後加速保護以及過負載保護，并具有小電流接地選線功能。每個保護通過控制字可投入和退出。為了增大電流速斷保護區，可引入電壓元件，構成電流電壓連鎖速斷保護。在雙電源線路上，為滿足保護選擇性，電流保護中引入方向元件控制，構成方向電流保護，其中各段電流保護的方向元件通過控制字可投入和退出。

在三段式電流保護中，為縮短動作時限，第Ⅲ段可整定為反時限。通過控制字可選用反時限特性形式。需要指出，末端饋線保護一般隻需設置兩段式電流保護或反時限電流保護就可以滿足要求。

電流保護反映的是相間短路故障，包括兩相相間短路故障、兩相接地短路故障、三相短路故障和異地不同名相兩點接地故障。為使異地不同名相兩點接地故障有盡可能多的機會切除一個故障點，保護裝置采用兩相式接線，并裝設在同名的兩相上，通常裝設在A、C相上（異地不同名相兩點接地時有2/3的機會切除一個接地點）。

對于單相接地故障，在中性點不接地或經消弧線圈接地的電網中，保護裝置應具有接地選線功能。要采用專用的零序電流互感器取出零序電流。如中性點經小電阻接地，則零序電流保護可直接作用于跳閘，并具有良好的選擇故障線路的性能。在10/35kV線路保護裝置中，一般包含有測量控制（測控）功能。

一、階段式（三段式）電流保護

電流保護多采用三段式，第I段為無時限電流速斷保護或無時限電流閉鎖電壓速斷保護，第Ⅱ段為帶時限電流速斷保護或帶時限電流閉鎖電壓速斷保護，I段和Ⅱ段保護作為本線路相間短路的主保護；第Ⅲ段為過電流保護或低電壓閉鎖的過電流保護，Ⅲ段作為本線路相間故障的近後備保護及相鄰線路的遠後備保護。但根據被保護線路在電網中的地位，在能滿足選擇性、靈敏性和速動性的前提下，也可隻裝設Ⅰ、Ⅱ段，Ⅱ、Ⅲ段或隻裝設第Ⅲ段保護。三段相比較而言，I段動作電流整定值最大，動作時間最短；Ⅲ段動作電流整定值最小，動作時間最長。三段電流保護的定值呈階梯特性，故稱為階段式電流保護。當電流超過定值且時間大于整定延時後，裝置即出口跳閘，同時發出動作信号。

階段式電流保護要解決的問題主要是配合問題，即保護範圍的配合（由整定值得配合實現）、動作時間的配合。以下簡要說明各段保護間的保護範圍和動作時間的配合。

設在如圖3-1所示的系統中采用階段式電流保護，以斷路器QF1上的保護為分析對象第I段保護又稱為瞬時速斷保護，其保護範圍被限制在被保護線路以内。為了滿足選擇性第I段保護不能保護線路的全長，即必須縮短保護範圍。為保證選擇性第I段動作值按躲相鄰線出口短路時流過保護的最大短路電流整定，一般要求第I段保護的保護範圍應大于線路全長的15%。

第Ⅱ段保護又稱為帶時限速斷保護。第Ⅱ段保護的作用是保護第I段保護不到的部分即第Ⅱ段保護必須保護線路的全長，保護範圍必然會延伸到下級線路。這樣，上級線路的第Ⅱ段保護就要考慮與下級線路上的保護配合。首先考慮與下級的第Ⅰ段保護配合，即上級第Ⅱ段的保護範圍不能超過下級第1段的保護範圍。為了滿足選擇性，第Ⅱ段保護必須帶時限，如果不帶時限，當故障發生在下級線路上時，上級的第Ⅱ段就有可能同下級的第I段同時動作。從快速性的要求出發，保護帶的時限應盡可能短，但必須保證在下級第I段保護範圍内發生故障時，下級第I段保護動作将故障切除，故障切除後，上級的第Ⅱ段有足夠的遠回時間。

當上級的第Ⅱ段保護的保護範圍或靈敏度滿足不了要求時，可考慮與下級的第Ⅱ段昏合，即上級第Ⅱ段的保護範圍不能超過下級第Ⅱ段的保護範圍。其動作時間對應增加一個時限級差。

第Ⅲ段保護是後備保護，後備分近後備和遠後備。近後備是作本斷路器上其他保護的後備遠後備是作下級斷路器上所有保護的後備和下級斷路器的後備，即當下級的保護或斷路器由于某種原因拒動時，上級的後備保護動作，将故障切除。第Ⅲ段保護由于要作下級的後備保護，因此，它的保護範圍應該包括下級線路的全長。為了滿足選擇性，第Ⅲ段保護延時按階梯型原則确定。

階段式電流保護的構成邏輯框圖如圖3-2所示。

二、反時限過電流保護

由于定時限過電流保護（Ⅲ段）愈靠近電源，保護動作時限愈長，對切除故障是不利的。為能使Ⅲ段電流保護縮短動作時限，可采用反時限特性。當故障點愈靠近電源時，流過保護的短路電流 I愈大，動作時間t愈短。目前中低壓微機繼電保護裝置都具有反時限過電流保護，而且應用非常廣泛。

反時限有三種特性方式。

（1）标準反時限，有

（2）非常反時限，有

（3）極端反時限，有

式中:tp為時間常數，一般取第Ⅲ段的時間定值（0.05～1s）；Ip為電流基準值，一般取第Ⅲ段的電流定值；Ⅰ為通過保護的短路電流；t為反時限特性的動作時間。

對于長時間反時限也能實現，長時間反時限表達式為

通過控制自己可以選擇其中的一種方式。一般的反時限過電流保護同時含有速斷功能，當電流超過速斷定值時會瞬時動作。實際上就是包括電流速斷和反時限特性過電流的兩段式保護，保護性能優于傳統的兩段式保護。因此，反時限過電流保護廣泛用于末端饋線中。

反時限過電流保護的啟動電流定值按躲過線路最大負載電流條件整定，本線路末端短路故障時有不小于1.5的靈敏系數，相鄰線路末端短路故障時最好能有不小于1.2 的靈敏系數;同時還要校核與相鄰上下一級保護的配合情況（電源側為上一級，負載側為下一級）。反應過電流保護最主要的問題是相互配合，以下做具體說明。

（1）與相鄰上一級（或下一級）反時限過電流保護的配合。以圖3-3中保護1（上一級）與保護2（下一級）反時限過電流保護間的配合為例加以說明。

保護1反時限過電流保護特性（如圖3-3中曲線1）應高于保護2反時限過電流保護特性（如圖3-3中曲線2）。即保護的電流定值應配合，滿足要求

Iset.Ⅲ.1=KrelIset.2

保護2出口三相短路故障（圖3-3中k2點）。保護1與保護2的反時限過電流保護通過相同最大短路電流時，所對應的動作時間應配合，配合級差△t2應大于等于0.5～0.7s.

當保護2的電流速斷保護長期投入時，保護2與保護2與保護1的反時限過電流保護配合點可選在保護2速斷保護區末端（圖3-3中k1點）。k1點短路故障時，保護1與保護2通過最大短路電流時，△t1應不小于0.5-0.7s；同時，還應校核在常見運行方式下，k2點短路故障時△t2不小于一個時間級差。

（2）與上一級定時限過電流保護（Ⅲ段）的配合。以圖3-4中保護2（下一級>反時限過電流保護與保護1（上一級）定時限過電流保護間的配合為例加以說明。

保護1的Ⅲ段與保護2反時限過流的啟動電流定值配合，應符合保護1的定值大于保護2的定值一定的可靠倍數，與式（3-5）類似。

其次，動作時限也要配合。圖3-4中階梯形曲線1為保護1的時限特性。設k3點為保護1第Ⅲ段電流保護保護範圍末端，當在該點短路故障時，流過保護2反時限過電流保護的電流對應的動作時間，應小于保護1過電流保護的動作時間，配合級差△t3應不小于0.5～0.7s，

（3）與下一級定時限過電流保護（口段）的配合。以圖3-4中保護2（上一級）反時限過電流保護與保護3（下一級）定時限過電流保護間的配合為例說明。

保護2的反時限過電流的啟動電流與保護3的Ⅲ段定值配合。應符合保護2的定值大于保護3的定值一定的可靠倍數，與式（3-5）類似。

動作時限也要配合。保護2反時限過電流保護特性如3-4圖中曲線2，當保護2出口三相短路故障(圖3-4中k2點），保護2與保護3通過相同最大短路電流時，保護2與保護3第重段時間t的級差△∶應大于等于0.5~0.7s。

當保護3的電流速斷保護長期投入時，保護2與保護3配合點可選在保護3速斷保護區末端（圖3-4中k1點）。k1點短路故障時，保護3與保護2通過最大短路電路時，△t1應不小于0.5~0.7s;同時，在常見運行方式下，k2點短路故障時△t2不小于一個時間級差。

三、電壓閉鎖的方向電流保護

在雙側電源續路上∶電流保護應增設方向元件以構成方向電流保護，增設方向元件後，隻反映正向短路故障。對電流保護Ⅱ段，裝設方向元件後，可不與反方向上的保護配合，有時可以提高靈敏度。同時，将低電壓元件引入方向電流保護，可提高方向電流保護的工作可靠性，有時也可提高電流保護的靈敏度，低電壓閉鎖元件的動作電壓一般取60%~70%的額定電壓。

1.功率方向元件及動作區域

對于傳統的相間短路功率方向維電器，采用的接線方式是 90"接線。同樣，微機鍵電保護中方向元件判斷方向所根據的電壓、電流也被稱為接線方式。為保證各種相間短路時方向元件能可靠靈敏動作，反應相間短路故障的方向元件也多采用90'接線。微機繼電保護中方向元件可以由控制字（軟壓闆）選擇正方向、反方向動作方式。以正方向來說明方向元件的原理。

90"接線功率方向元件所采用的接線方式見表3-1。

在圖3-5（a）中，以亢為參考相量，向超前方向（逆時針方向）作文e相量，再作垂直于已e 相量的直線ab，其陰膨線側即為i的動作區。因此功率方向元件的判據為相故障分量電流與負載電流之和，以保證方向過電流保護正确判斷故障方向。而在中性點不直接接地電網中，無需考慮這點。

滿足式（3-6m）時，幾處于動作區内，正方向功率方向元件動作，表示故障點在保護安裝處正方向。滿足式（3-6b）時，Ìk處于非動作區内，反方向功率方向元件動作，表示故障點在保護安裝處背後。

仍稱α為功率方向元件的内角（30°或45°），當I.超前U的角度正好為a時，位于助作區域的中心，正向元件動作最靈敏，最靈敏角為一α。

一般微機繼電保護裝置采用動作區域為180°，如圖3-5（b）所示動作區域為120°，靈皺角仍為-30°，動作區域為一90°～30°。需要注意的是，這個動作區域是針對相間故障的。對于兩相式保護，由于B相電流由A、C兩相電流合成，所以在通入A、C單相也流做動作區域檢查時，所得到的動作區将會有偏移，當然，由于僅在Ⅲ段中計算B相電流，因此這個偏移動作區在圍段方向試驗才會出現。

以A相方向元件為例，電流Ìt取ÌA，電壓Út取ÚBC，方向元件的内角為a.A相量ÌAe-ja"和B相量ÚBC相位的比較可以變為絕對值的比較，而

可見正方向短路時|A B|具有最大值，|A--A|具有最小值，方向元件的動作區如圖3-6（a）所示。

在微機繼電保護中為了調試的方便，通常選用某相電壓為基準相量，并約定按順時針能轉為角度增加方向。例如選A相電壓為基準相量，U.方向為0°，三相方向元件理想的動作範圍如下]如圖3-6（b）所示]

A相動作範圍為330°<φrA<150°。

B相動作範圍為270°>φrB>90°。

C相動作範圍為210°<φrC<30°。

調試時在顯示窗口上可顯示出動作範圍的角度數值。

實際上，用數字運算邏輯判斷實現的方向元件在動作區内都具有相同的靈敏度。此外，在微機繼電保護中實現一些特殊功能也顯得十分方便。在方向元件判斷為正方向後，置标志位DA為“I”，而在方向狀态記憶後，可用軟件方式控制其有效時間，例如3s後置标志位DA為“O”，其記憶作用就消失了。這樣，對反方向的故障（若故障未能切除），裝置就可能動作，可以使保護具有反方向的後備保護功能。

2.按相啟動

因方向元件動作十分靈敏，在負載電流作用下就能動作，所以線路發生短路故藏時，隻有故障相的方向元件能正确判荔故障方向，而非故障相方向元件受負載電濾（中性點接地電網中非故障相中還有故障分量電流）的作用不能正确判别方向。為此，故障相電流元件應與該相方向元件申聯（即相"與"）後啟動該段時間元件，這就是按相啟動。

3.低電壓閉鎖的方詢電流保護

與常規保護相同，微機電賞保護也設計成三段式，三段均可選擇帶方向用于線路保護或不帶方向用于饋線保護。為了提高過電流保護的靈敏度及據高繁套保護動作的可靠性，線路電流保護可經低電壓閉鎖。這樣看起來較複雜，在常規保護中通常很少這樣配置，但對微機線路保護設置電壓閉鑄不需要增加任何硬件，完金采用軟件來實現。

在微機繼電保護中有兩種定值，一種是開關型定值，一種是數值型定值。開關型定值常用定值控制字KG表示，KG一1表示保護投人;KG=0表示保護退出。

由于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段電流保護的邏輯程序十分相似，下面以Ⅰ段電流保護的邏輯程序為例介紹。低電壓閉鎖的方向電流速斷保護邏輯框圖如圖3-7所示。

其中，KWl、KW2、KW3為A、B、C相的方向元件，KGL.1為方向元件投入和退出的控制字;KAl、KA2、KA3 為A、B、C相的電流元件（I段，當B相無電流互感器時，就是兩相式接線>;KVU12、KVU23、KVU31為 AB、BC、CA相的低電壓元件，KG1.2為低電壓元件投入和退出的控制字。Ⅱ段、Ⅲ段的邏輯框圖與Ⅰ段完全相同。

KWo-KA30-Kvu1.-Kv23。-

飛37·開效油口

由皆上

KGiL1, EOD KO.t KO17 xG1.1

正電源

KOlr 區9-1牌

柔其段、舊段4與段用聞7KG12

圖3-7 任電壓閉鍵的方向電流速斷保護邏馍框圖

在圖3-7中，當控制字KG1.1、KGl.2、KG1均為"I"時（Ⅱ段、Ⅲ段相類似》，就構成了帶低電壓團鎖的方向電流保護，其中低電壓元件反映的是帶有故障相的相間電壓。即低電壓元件在所在相（如A相）相關的低電壓元件（KVU12，KVU31）任一個動作時，即解除閉鎖。為防止在線路發生短路故障時，非故障相的方向元件誤動作而導緻方向電範保護誤動，采用方向元件與電流元件相"與"，即采用按相啟動加以避免。

在一般情況下，電壓元件作團鎮元件;電流元件作測量元件。對Ⅰ段電流保護電壓元件應保證線路末簡故障有足夠的靈敏度;對Ⅱ段電流保護電壓元件皮保證保護區末端短路故障時有足夠的靈敏度;對T段電流保護，電流元件應躲過最大負載電流。但是在考慮最大負載電流時，隻需考慮正常情況下可能出現的産重情況（雙回線之一斷開、備用電源自投、環網解環、由調度方式部門提供的事故過負載等）>、可以不考慮負載自啟動電流的影響。因此，帶低電壓閉鎮的電流保護靈敏度可以據高。電壓元件應躲過保護安裝處的最低運行電壓。

另外，在中性點直接接地電網中，第Ⅲ段電流元件的電流定值應躲過單相接地時非故障相故障量電流與負載電流之和，以保證方向過電流保護正确判斷故障方向，而在中性點不直接接地電網，無需考慮這點。

可以看出，低電壓閉鎖元件引入方向電流保護，可提高方向電流保護的工作可靠性，有時也可提高過電流保護的靈敏度。低電壓閉鎖元件的動作電壓一般取60%～70%的額定電壓即可。有些保護中還引入負序電壓，負序電壓動作值取4%～8%的額定電壓。

4.低電壓閉鎖的方向電流保護邏輯實例

如圖3-8所示為一個低電壓閉鎖的三段式方向電流保護邏輯實例，現介紹如下

其中，KG2.15、KG2.14、KG2.13為電流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段經方向閉鎖控制字，為"1"時投入方向元件;KG2.12、KG2.11、KG2.10為電流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段經低電壓閉鎖控制字，為"1"時投入低電壓元件;KG2.1、KG2.0為加速電流Ⅱ、Ⅲ段控制字，為"1"時投入後加速;KG2.9=1時，電流加速段經低電壓閉鎖;KG2.8=1時，PT斷線後Ⅰ段方向電流經200ms延時。因為當PT斷線失電壓後，過電流保護的方向元件将不能正常工作，過電流保護各段不再帶方向（H1為"1"将Y1、Y2、Y3開放）。因無壓電壓閉鎖開放（将Y4、Y5、Y6開放），此時電流速斷根據控制字（KG2.8=1）選擇，經200ms延時後（經H2開放Y7），出口跳閘。

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