三段式電流保護是電力系統繼電保護中廣泛應用的一種保護配置，通過電流速斷保護（Ⅰ段）、限時電流速斷保護（Ⅱ段）和過電流保護（Ⅲ段）的協同配合，實現對線路故障的快速、可靠切除。以下從保護原理、配合方式、整定原則及實際應用等方面詳細說明其配合機制：

一、三段式電流保護的基本原理

1. 電流速斷保護（Ⅰ段）

• 功能：瞬時動作，快速切除被保護線路首端附近的嚴重故障（如三相短路）。

• 特點：動作電流按躲過最大運行方式下線路末端三相短路電流整定，無延時，但存在保護死區（無法覆蓋線路全長）。

• 整定公式：

其中，$K_{text{rel}}$為可靠系數（1.2~1.3），$I_{ktext{.max}}^{text{(3)}}$為最大運行方式下線路末端三相短路電流。

2. 限時電流速斷保護（Ⅱ段）

• 功能：作為Ⅰ段的后備，切除Ⅰ段保護范圍外的故障，同時作為相鄰線路Ⅰ段的遠后備。

• 特點：動作電流按躲過相鄰線路Ⅰ段保護范圍末端短路電流整定，動作時間比相鄰線路Ⅰ段長一個時限級差（Δt，通常為0.3~0.5s）。

• 整定公式：

其中，$I_{text{setⅠ.next}}$為相鄰線路Ⅰ段動作電流。

3. 過電流保護（Ⅲ段）

• 功能：作為本線路和相鄰線路的后備保護，切除過負荷或遠端故障。

• 特點：動作電流按躲過最大負荷電流整定，動作時間按階梯原則整定（越靠近電源側動作時間越長）。

• 整定公式：

其中，$K_{text{ss}}$為自啟動系數（1.5~3），$K_{text{re}}$為返回系數（0.85~0.95）。

二、三段式電流保護的配合方式

1. 選擇性配合

• 線路末端Ⅲ段動作時間：$t_{\text{Ⅲ.end}}=0.5s$

• 線路首端Ⅲ段動作時間：$t_{\text{Ⅲ.start}}=t_{\text{Ⅲ.end}}+\Delta t$

• 時間階梯原則：Ⅲ段保護動作時間按階梯原則整定，確保越靠近電源側的保護動作時間越長。例如：

• 電流定值配合：Ⅱ段保護定值需與相鄰線路Ⅰ段定值配合，Ⅲ段保護定值需與相鄰線路Ⅱ段或Ⅲ段定值配合。

2. 靈敏性配合

• Ⅰ段靈敏性：僅保護線路首端，靈敏度較低（通常不校驗）。

• Ⅱ段靈敏性：需校驗線路末端最小短路電流下的靈敏度（$K_{\text{sen}}\ge 1.3$）。

• Ⅲ段靈敏性：需校驗遠后備保護范圍（如相鄰線路末端）的靈敏度（$K_{\text{sen}}\ge 1.2$）。

3. 可靠性配合

• 通過可靠系數（$K_{\text{rel}}$）和返回系數（$K_{\text{re}}$）確保保護在故障時可靠動作，在故障切除后可靠返回。

三、配合示例

假設某10kV線路配置三段式電流保護，其配合過程如下：

1. Ⅰ段整定：

• 最大運行方式下線路末端三相短路電流：$I_{k\text{.max}}^{\text{(3)}}=5kA$

• 動作電流：$I_{\text{setⅠ}}=1.2\times 5kA=6kA$

• 保護范圍：約線路全長的80%。

2. Ⅱ段整定：

• 相鄰線路Ⅰ段動作電流：$I_{\text{setⅠ.next}}=6kA$

• 動作電流：$I_{\text{setⅡ}}=1.1\times 6kA=6.6kA$

• 動作時間：$t_{\text{Ⅱ}}=0.5s$（比相鄰線路Ⅰ段長0.3s）。

3. Ⅲ段整定：

• 最大負荷電流：$I_{L\text{.max}}=300A$

• 自啟動系數：$K_{\text{ss}}=2$

• 返回系數：$K_{\text{re}}=0.9$

• 動作電流：$I_{\text{setⅢ}}=\frac{1.2\times 2\times 300A}{0.9}\approx 800A$

• 動作時間：$t_{\text{Ⅲ}}=2s$（按階梯原則整定）。

4. 靈敏度校驗：

• Ⅱ段靈敏度：線路末端最小兩相短路電流為2kA，$K_{\text{sen}}=\frac{2kA}{6.6kA}\approx 0.3$（不滿足，需調整定值或延長保護范圍）。

• Ⅲ段靈敏度：相鄰線路末端最小兩相短路電流為1kA，$K_{\text{sen}}=\frac{1kA}{0.8kA}=1.25$（滿足）。

四、實際應用中的注意事項

1. 運行方式變化的影響

• 最大/最小運行方式下短路電流變化可能導致保護靈敏度不足，需定期校驗定值。

2. 分支線路的影響

• 分支線路的存在可能改變短路電流分布，需調整保護定值或增加方向元件。

3. 與自動重合閘的配合

• 電流保護需與重合閘配合，避免重合于永久性故障時損壞設備。

4. 數字化保護的實現

• 微機保護可通過軟件實現三段式電流保護，提高定值整定和配合的靈活性。

五、總結

三段式電流保護通過電流定值和動作時間的階梯配合，實現了對線路故障的快速、可靠切除。其核心在于：

• Ⅰ段瞬時切除近端故障，Ⅱ段作為近后備保護，Ⅲ段作為遠后備保護。

• 配合時需滿足選擇性、靈敏性和可靠性要求，并通過整定計算和校驗確保保護性能。

• 實際應用中需考慮系統運行方式變化、分支線路等因素，必要時增加方向元件或采用縱聯保護提高性能。

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