三段式电流保护是电力系统继电保护中广泛应用的一种保护配置，通过电流速断保护（Ⅰ段）、限时电流速断保护（Ⅱ段）和过电流保护（Ⅲ段）的协同配合，实现对线路故障的快速、可靠切除。以下从保护原理、配合方式、整定原则及实际应用等方面详细说明其配合机制：

一、三段式电流保护的基本原理

1. 电流速断保护（Ⅰ段）

• 功能：瞬时动作，快速切除被保护线路首端附近的严重故障（如三相短路）。

• 特点：动作电流按躲过最大运行方式下线路末端三相短路电流整定，无延时，但存在保护死区（无法覆盖线路全长）。

• 整定公式：

其中，$K_{text{rel}}$为可靠系数（1.2~1.3），$I_{ktext{.max}}^{text{(3)}}$为最大运行方式下线路末端三相短路电流。

2. 限时电流速断保护（Ⅱ段）

• 功能：作为Ⅰ段的后备，切除Ⅰ段保护范围外的故障，同时作为相邻线路Ⅰ段的远后备。

• 特点：动作电流按躲过相邻线路Ⅰ段保护范围末端短路电流整定，动作时间比相邻线路Ⅰ段长一个时限级差（Δt，通常为0.3~0.5s）。

• 整定公式：

其中，$I_{text{setⅠ.next}}$为相邻线路Ⅰ段动作电流。

3. 过电流保护（Ⅲ段）

• 功能：作为本线路和相邻线路的后备保护，切除过负荷或远端故障。

• 特点：动作电流按躲过最大负荷电流整定，动作时间按阶梯原则整定（越靠近电源侧动作时间越长）。

• 整定公式：

其中，$K_{text{ss}}$为自启动系数（1.5~3），$K_{text{re}}$为返回系数（0.85~0.95）。

二、三段式电流保护的配合方式

1. 选择性配合

• 线路末端Ⅲ段动作时间：$t_{\text{Ⅲ.end}}=0.5s$

• 线路首端Ⅲ段动作时间：$t_{\text{Ⅲ.start}}=t_{\text{Ⅲ.end}}+\Delta t$

• 时间阶梯原则：Ⅲ段保护动作时间按阶梯原则整定，确保越靠近电源侧的保护动作时间越长。例如：

• 电流定值配合：Ⅱ段保护定值需与相邻线路Ⅰ段定值配合，Ⅲ段保护定值需与相邻线路Ⅱ段或Ⅲ段定值配合。

2. 灵敏性配合

• Ⅰ段灵敏性：仅保护线路首端，灵敏度较低（通常不校验）。

• Ⅱ段灵敏性：需校验线路末端最小短路电流下的灵敏度（$K_{\text{sen}}\ge 1.3$）。

• Ⅲ段灵敏性：需校验远后备保护范围（如相邻线路末端）的灵敏度（$K_{\text{sen}}\ge 1.2$）。

3. 可靠性配合

• 通过可靠系数（$K_{\text{rel}}$）和返回系数（$K_{\text{re}}$）确保保护在故障时可靠动作，在故障切除后可靠返回。

三、配合示例

假设某10kV线路配置三段式电流保护，其配合过程如下：

1. Ⅰ段整定：

• 最大运行方式下线路末端三相短路电流：$I_{k\text{.max}}^{\text{(3)}}=5kA$

• 动作电流：$I_{\text{setⅠ}}=1.2\times 5kA=6kA$

• 保护范围：约线路全长的80%。

2. Ⅱ段整定：

• 相邻线路Ⅰ段动作电流：$I_{\text{setⅠ.next}}=6kA$

• 动作电流：$I_{\text{setⅡ}}=1.1\times 6kA=6.6kA$

• 动作时间：$t_{\text{Ⅱ}}=0.5s$（比相邻线路Ⅰ段长0.3s）。

3. Ⅲ段整定：

• 最大负荷电流：$I_{L\text{.max}}=300A$

• 自启动系数：$K_{\text{ss}}=2$

• 返回系数：$K_{\text{re}}=0.9$

• 动作电流：$I_{\text{setⅢ}}=\frac{1.2\times 2\times 300A}{0.9}\approx 800A$

• 动作时间：$t_{\text{Ⅲ}}=2s$（按阶梯原则整定）。

4. 灵敏度校验：

• Ⅱ段灵敏度：线路末端最小两相短路电流为2kA，$K_{\text{sen}}=\frac{2kA}{6.6kA}\approx 0.3$（不满足，需调整定值或延长保护范围）。

• Ⅲ段灵敏度：相邻线路末端最小两相短路电流为1kA，$K_{\text{sen}}=\frac{1kA}{0.8kA}=1.25$（满足）。

四、实际应用中的注意事项

1. 运行方式变化的影响

• 最大/最小运行方式下短路电流变化可能导致保护灵敏度不足，需定期校验定值。

2. 分支线路的影响

• 分支线路的存在可能改变短路电流分布，需调整保护定值或增加方向元件。

3. 与自动重合闸的配合

• 电流保护需与重合闸配合，避免重合于永久性故障时损坏设备。

4. 数字化保护的实现

• 微机保护可通过软件实现三段式电流保护，提高定值整定和配合的灵活性。

五、总结

三段式电流保护通过电流定值和动作时间的阶梯配合，实现了对线路故障的快速、可靠切除。其核心在于：

• Ⅰ段瞬时切除近端故障，Ⅱ段作为近后备保护，Ⅲ段作为远后备保护。

• 配合时需满足选择性、灵敏性和可靠性要求，并通过整定计算和校验确保保护性能。

• 实际应用中需考虑系统运行方式变化、分支线路等因素，必要时增加方向元件或采用纵联保护提高性能。

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