简述电力线路三段式保护的组成及整定原则

    电力线路的三段式电流保护是一种经典、成熟且广泛应用的继电保护配置方式，主要用于输电线路和配电线路，其核心思想是通过不同的保护范围和动作时限实现选择性和速动性的结合。其组成和整定原则如下：

一、 三段式电流保护的组成

1、第I段 - 瞬时电流速断保护（无时限电流速断）

     目的： 快速、有选择性地切除本线路近端（靠近保护安装点） 发生的严重短路故障。

     特点：

     无动作时限 (tᴵ = 0s)： 保护装置瞬时动作跳闸，速度最快。

     保护范围有限： 不能保护本线路全长（通常保护线路全长的70%-85%）。其保护范围是固定的，由系统运行方式和短路类型决定（最小运行方式下保护范围最小）。

     不具有后备保护作用： 只保护本线路近端故障。

2、第II段 - 限时电流速断保护（带时限电流速断）

     目的： 保护本线路全长，并延伸到下一级线路始端的一部分。作为本线路I段保护的后备，切除本线路全长范围内I段未能保护的远端故障。

     特点：

     带有较短的固定动作时限 (tᴵᴵ)： 通常比下一级线路第I段的动作时限tᴵ_next高出一个时间级差Δt（例如0.3s 或 0.5s，即 tᴵᴵ = tᴵ_next + Δt）。

     保护范围大于本线路全长： 其定值与本级I段配合，同时必须与下一级线路的I段保护范围末端配合，以保证选择性。

     作为本线路的近后备保护： 主要后备保护本线路末端。

3、第III段 - 定时限过电流保护

     目的： 作为远后备保护（下一级线路或设备的后备保护）和近后备保护（本线路所有保护的后备），同时也作为正常过负荷的保护。

     特点：

     动作时限按阶梯原则整定 (tᴵᴵᴵ)： 其动作时限比所有与之配合的后备保护（本级II段和下级III段）中最长的一个时限还要高出一个Δt（例如 tᴵᴵᴵ_k = max( tᴵᴵᴵ_m, tᴵᴵᴵ_n... ) + Δt）。

     动作电流相对较低： 按躲过最大负荷电流整定。

保护范围最长： 理论上可以保护本线路及下一级所有相邻线路和设备的末端（但在长线路中末端灵敏度可能不足）。

     动作速度最慢： 时限最长。

     核心作用： 确保在各种可能的故障情况下（包括下级保护或断路器拒动时），最终都能由本段保护有选择性地切除故障。

二、 整定原则（核心思想是保证选择性和灵敏性）

1、第I段（瞬时电流速断）整定原则：

     动作电流 (Iᴏᴾᴵ)： 按躲过本线路末端（线路对侧母线）最大短路电流（三相短路电流） 来整定。

     Iᴏᴾᴵ = Kʀᴇʟ * Iₛ₋ₘₐₓ

     Iₛ₋ₘₐₓ：被保护线路末端在系统最大运行方式下发生三相金属性短路时流过保护的最大短路电流。

     Kʀᴇʟ：可靠系数（>1），一般取1.2~1.3。考虑计算误差、非周期分量、短路类型等因素，确保线路末端故障时不误动。

     动作时限 (tᴵ)： 固有动作时间，约为0秒（实际为继电器和断路器固有动作时间之和，非常短）。

2、第II段（限时电流速断）整定原则：

     动作电流 (Iᴏᴾᴵᴵ)：

     首先满足与下一级保护第I段的配合： 动作电流应躲过下一级线路第I段保护范围末端短路时流过本保护的电流。     通常等于下一级线路第I段动作电流Iᴏᴾᴵ\_next乘以一个大于1的配合系数 Kᴄₒₒ。

     Iᴏᴾᴵᴵ = Kᴄₒₒ * Iᴏᴾᴵ\_next

Iᴏᴾᴵ\_next：相邻下一级线路第I段保护的动作电流整定值。

     Kᴄₒₒ：配合系数，一般取1.1~1.2。确保在下一级I段保护区末端发生短路时，本级II段不会抢先动作。

     在本线路末端故障时应有足够的灵敏度： 计算灵敏系数（本线路末端发生金属性短路时的最小短路电流Iₛ₋ₘᵢₙ与动作电流Iᴏᴾᴵᴵ之比）应不小于1.3~1.5（通常要求≥1.3）。若达不到，可能与下一级线路第II段配合或修改网络结构。

动作时限 (tᴵᴵ)： 应比下一级线路第I段的动作时限高出一个时间级差 Δt。

     tᴵᴵ = tᴵ\_next + Δt

     tᴵ\_next：相邻下一级线路第I段保护的动作时限。

     Δt：时间级差，一般为0.3~0.5秒。考虑断路器的跳闸时间和误差裕度。

3、第III段（定时限过电流）整定原则：

     动作电流 (Iᴏᴾᴵᴵᴵ)：

     按躲过最大负荷电流整定： 保证在最大负荷电流（包括电动机自启动等情况，可考虑自启动系数）通过时，保护装置不应该误动作。

     Iᴏᴾᴵᴵᴵ = (Kʀᴇʟ * Kₛₜ) / (Kʀᵢ * Kₜₐ) * Iᴸ₋ₘₐₓ

     Iᴸ₋ₘₐₓ：流过保护装置的最大负荷电流。

     Kʀᴇʟ：可靠系数，一般取1.15~1.25。

     Kʀᵢ：电流继电器返回系数（<1），一般为0.85~0.95。考虑故障切除后负荷恢复过程中继电器可靠返回。

     Kₛₜ：电动机自启动系数，大于1，具体由负荷性质决定。若没有电动机自启动，取1。

     Kₜₐ：电流互感器变比。

     还要与相邻线路III段在动作电流和时限上配合： 如果可能，其动作电流应大于下一级线路第III段的动作电流。

     动作时限 (tᴵᴵᴵ)： 按阶梯时限特性整定。从距离电源最远的保护开始，向电源侧逐级递增 Δt。

tᴵᴵᴵ = max{ tᴵᴵᴵ\_next1 + Δt, tᴵᴵᴵ\_next2 + Δt, ... } (取所有相邻下级线路保护第III段动作时限中最长的那个，然后再加上Δt)。

     例如：本线路III段动作时限tᴵᴵᴵ = (下一级相邻线路中最长的III段时间) + Δt。

近后备时限： 本线路的III段时间应比本线路的II段时间tᴵᴵ高出Δt，即 tᴵᴵᴵ > tᴵᴵ + Δt（这通常在配合关系里自动满足）。

     灵敏度校验：

     作为本线路近后备： 在本线路末端发生两相金属性短路时的最小短路电流Iₛ²⁽²⁾₋ₘᵢₙ 与动作电流 Iᴏᴾᴵᴵᴵ 之比，要求 Kₛₑₙ ≥ 1.3 ~ 1.5。

     作为下一级线路的远后备： 在下一级线路末端（或相邻设备末端）发生两相金属性短路时的最小短路电流 Iₛ²⁽²⁾₋ₘᵢₙ\_next 与动作电流 Iᴏᴾᴵᴵᴵ 之比，要求 Kₛₑₙ ≥ 1.2。若灵敏度不足，需考虑配置方向元件形成带方向的过电流保护，或采用距离保护等其它原理的后备保护。

     总结

     三段式电流保护通过I段牺牲范围换取速度、II段保护本线全长并延伸至下一线始端且有短时限、III段作为最后屏障有最长时限和最大范围的配合方式，实现了电力系统对继电保护的“选择性、速动性、灵敏性、可靠性”的基本要求。整定的核心原则是时限配合和电流定值配合（躲故障电流或躲负荷电流），确保故障时由最近的保护优先切除，后备保护在必要时提供保障。