凝练基本原则，厘清三段式继电保护装置的构成原理

( 广西电力职业技术学院，广西 南宁 530007)

1 继电保护技术课程学习中存在的共性问题

继电保护技术课程是电力类专业的核心课程，继电保护装置的4个基本要求是分析研究继电保护原理构成和继电保护性能的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。继电保护装置的4个基本要求既互相联系又互相矛盾。为满足继电保护装置的4个基本要求，在三段式继电保护装置整定的过程中既需要考虑本身的三套保护之间的相互配合问题，又要考虑上下级电气元件保护之间的相互配合问题[1]。各个版本的继电保护技术课程相关教材和辅导资料针对具体的某种继电保护装置的构成原理和整定原则，通常仅是简单地提到优先考虑选择性、灵敏性、速动性等基本要求中的某一项进行整定，而没能全面地、系统地厘清继电保护装置4个基本要求之间的逻辑关系和基本原则。因此，初学者难以深刻理解错综复杂的继电保护装置的整定原则和基本构成原理。

单侧电源辐射形网络广泛应用于线路相间短路电流保护、线路零序电流保护、线路距离保护等继电保护装置。保护装置通常采用三段式的原理构成。单侧电源辐射形网络三段式保护装置的构成原理和整定原则在思路上都是相似的，对此可以进行类比学习。下面以三段式线路相间短路电流保护装置构成原理为例，全面地、系统地深入探讨确保继电保护装置满足基本要求的基本原则，进一步理解继电保护装置动作时限、动作电流等参数的整定原则和继电保护装置的构成原理。

2 继电保护装置“基本要求”的内涵

继电保护装置是为反映电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态而动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护装置需要根据电力系统发生故障前后电气物理量的变化来运行，通常由测量部分、逻辑部分和执行部分构成。继电保护装置在技术上必须同时满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性4个基本要求[2]。

选择性是指电力系统中的电气设备或输电线路发生故障时，为尽可能缩小停电范围，继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

速动性是指电气设备或输电线路故障时继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压状态下的运行时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的快速反应能力。

可靠性是对继电保护装置最根本的要求，要求继电保护装置在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动；在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时，可靠动作，即不拒动。

3 继电保护4个基本要求的矛盾与统一

继电保护装置4个基本要求既是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。继电保护装置4个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质辩证地统一。

3.1 灵敏性与选择性的相互矛盾[3]

继电保护的灵敏性要求：继电保护能反映本级线路全长范围内的短路故障，因而在动作值的整定上，通常会设置一定的裕度，使继电保护的保护范围适当延伸至相邻下一级线路的首端部分。继电保护的选择性要求：在下一级线路出口处发生短路故障时，本级保护不应动作。但是，在相邻下一级线路出口处发生短路故障时，因为故障点位于两级保护的共同保护范围内，如果相邻上下两级保护的动作时间t相同，两级保护会同时动作，而导致本级保护的动作失去选择性。因而，继电保护装置的灵敏性和选择性的要求存在相互矛盾。

3.2 灵敏性和可靠性的相互矛盾

线路电流保护的保护范围与保护的动作值的整定密切相关。保护的动作值整定越大，保护范围就越小；保护的动作值整定越小，保护范围就越大。

为了满足继电保护灵敏性的要求，获得较大的保护范围，保护的动作值不能整定太高。但是保护的动作值如果整定太低，在受到一些小的扰动时(如出现线路过负荷)，过负荷电流达到了保护的整定动作值，继电保护装置会出现错误的动作，从而导致继电保护装置失去可靠性。因而，继电保护装置的灵敏性和可靠性存在相互矛盾。

4 确保继电保护装置满足基本要求的基本原则

对继电保护“四性”的要求可以概括为严格的选择性、需要的速动性、足够的灵敏性、必保的可靠性。下面深入探讨确保继电保护基本要求的基本原则。

4.1 继电保护的构成必须严格保证选择性

电力系统最根本的任务是保证供电的可靠性。继电保护动作失去选择性，往往会导致进一步扩大停电范围。例如，本级线路向一个企业供电，当线路发生故障时，根据选择性的要求由本级线路保护动作跳闸切除故障，仅实现由本线路供电的企业停电；如果继电保护的动作失去选择性，由上一级的母线或者线路保护动作跳闸，将会导致一个工业区或者一个城市的大面积停电，大量的用户失去电源，将会产生无法估量的损失。

原则一即为，继电保护的构成必须严格保证选择性。在不影响电力系统稳定性的前提下，继电保护动作的选择性必须优先得到满足。在严格保证选择性的同时兼顾速动性和灵敏性。

4.2 相邻上下级电气元件继电保护确保选择性

案例分析如图1所示，假设相邻上下两级线路保护(保护1和保护2)存在共同的保护范围和相同的动作时间。在图1中所示的共同保护范围内发生故障时，两个保护会同时动作，其中上级线路保护1的动作将会导致停电范围扩大，失去选择性。因此，在相邻上下两级电气元件的保护的配置中，不允许同时满足“存在共同的保护范围”和“相同的动作时间”这两个条件。

图1 相邻上下两级线路确保选择性分析示意图

相邻上下级电气元件保护确保选择性的原则如下：

1)原则二：相邻上下级电气元件保护若有共同的保护范围，则动作时间不能相同。为保证选择性，下级保护的动作时间必须小于上级保护的动作时间。

2)原则三：相邻上下级电气元件保护若动作时间相同，则不允许存在共同的保护范围。为保证选择性，如果上下两级元件保护的动作时间相同，则可通过整定使它们不存在共同的保护范围。

4.3 继电保护的构成必须满足必保的可靠性

影响可靠性的有内在和外在两方面的因素：内在因素主要指装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的合理性、制造工艺水平的优劣、内外接线是否简明和触点的多少等；外在因素主要指运行维护水平的高低，调试是否正确，安装是否正确等。继电保护的可靠性主要由配置合理、质量和技术性能优良的继电保护装置，以及正常的运行维护和管理来保障，相关管理规定如下：任何电力设备(线路、母线、变压器等)不允许在无继电保护的状态下运行，220 kV及以上电网的所有运行设备都必须由两套交、直流输入、输出回路相互独立的，并分别控制不同开关的继电保护装置进行保护等。

原则四：在提高装置本身质量、配置、运行管理等方面充分保证继电保护动作的可靠性。可靠性体现在装置本身质量、配置、运行管理等方面，因而，在继电保护动作时间、动作电流等具体参数的整定过程中，只考虑选择性、速动性与灵敏性之间的相互配合，可靠性通常不属于参数整定考虑的问题。

5 三段式继电保护装置的原理构成与整定分析

单侧电源辐射形网络三段式保护装置的构成原理和整定原则在思路上基本相似。下面以线路相间短路电流保护为例，探讨三段式继电保护装置的原理构成与整定分析。

线路相间短路电流保护由三段式保护构成：Ⅰ段瞬时电流速断保护、Ⅱ段限时电流速断保护、Ⅲ段定时限过电流保护。其中，由Ⅰ段、Ⅱ段保护共同构成主保护，Ⅲ段保护构成后备保护。

5.1 瞬时电流速断保护

5.1.1 案例分析一

瞬时电流速断保护的动作时间整定为t=0 s。

如图2所示，保护1的Ⅰ段保护范围超过本线路末端，与保护2的Ⅰ段存在共同的保护范围。在共同的保护范围发生短路故障时，因为动作时间t=0 s相同，保护1与保护2同时动作，保护1的动作导致装置失去选择性[4]。

图2 瞬时电流速断保护案例分析一

5.1.2 案例分析二

如图3所示，根据原则三“相邻上下级电气元件保护若动作时间相同，则不允许存在共同的保护范围”，保护1的Ⅰ段保护范围不允许到达本线路末端，与保护2的Ⅰ段不存在共同保护范围，这种情况下可以确保选择性。

图3 瞬时电流速断保护案例分析二

5.1.3 瞬时电流速断保护的整定原则

1)必须严格保证选择性；

2)优先考虑满足速动性时，灵敏性需做出必要的让步。

具体整定过程简述如下。

动作时间为t=0 s。

电流保护的动作电流整定值越大，其保护范围就越小。

5.1.4 瞬时电流速断保护构成设计

瞬时电流速断保护构成如图4所示。

1)设置电流继电器1 KA、2 KA接于线路电流互感器二次侧，监测线路电流变化；

2)动作时间为0，不须设置时间继电器KT；

3)故障时瞬时动作于出口跳闸继电器KOU，同时信号继电器1 KS动作。

图4 瞬时电流速断保护构成

5.2 限时电流速断保护

由以上分析可知，为了确保选择性，瞬时电流速断保护的灵敏性做出了必要的让步，其保护范围无法到达本线路的末端。为满足继电保护灵敏性的要求，增加动作时间t=0.5 s的限时电流速断保护，与瞬时电流速断保护共同构成线路相间短路电流保护的主保护。

5.2.1 案例分析一

如图5所示，若保护1的Ⅱ段保护范围超过了保护2的Ⅰ段保护范围，则保护1与保护2存在“动作时间相同均为t=0.5 s的共同保护区域”，如图5所示线路上的A点与B点之间的区域。

图5 限时电流速断保护案例分析一

当在线路上的A点与B点之间的区域发生短路故障时，由于动作时间相同，保护1与保护2均同时动作，保护1的动作导致装置失去选择性。

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5.2.2 案例分析二

1)根据原则三“相邻上下级电气元件保护若动作时间相同，则不允许存在共同的保护范围”，如图6所示，保护1的Ⅱ段保护范围不超过保护2的Ⅰ段保护范围。

2)根据原则二“相邻上下级电气元件保护若具有共同的保护范围，则动作时间不能相同”，在下一级线路的首端部分，即如图6中保护1与保护2的共同保护范围区，保护2的Ⅰ段动作时间t=0 s，小于保护1的Ⅱ段动作时间t=0.5 s，在此区间内发生故障时，由保护2的Ⅰ段动作跳闸，可保证保护动作的选择性。

3)在保护1的保护范围内，线路首端部分发生故障时，由动作时限为零的保护1的Ⅰ段保护动作；线路末端部分发生故障时，由动作时限较长的保护1的Ⅱ段保护动作。

图6 限时电流速断保护案例分析二

5.2.3 限时电流速断保护整定原则

1)必须严格保证选择性；

2)考虑满足灵敏性，速动性做出必要的让步。

具体整定过程简述如下。

动作时间t=0.5 s。

5.2.4 限时电流速断保护构成设计

限时电流速断保护构成如图7所示。

图7 限时电流速断保护构成

1)设置电流继电器3 KA、4 KA接于线路电流互感器二次侧，监测线路电流变化；

2)配置时间继电器1 KT，动作时间为一个时间级差0.5 s；

3)故障时延时动作于出口跳闸继电器KOU，同时信号继电器2 KS动作。

5.3 定时限过电流保护

5.3.1 定时限过电流保护作为后备保护，对灵敏性提出更高要求

近后备保护：作为本线路的后备保护，要求保护范围达到本线路全长。

远后备保护：作为相邻下一级线路的后备保护，要求保护范围达到下一级线路的全长。

5.3.2 定时限过电流保护整定原则

1)必须严格保证选择性；

2)考虑满足灵敏性，速动性做出必要的让步；

具体整定过程简述如下。

图8 定时限过电流保护分析

通过动作时间的整定来确保选择性。动作时间比主保护延长。

根据原则二“相邻上下级电气元件保护若具有共同的保护范围，则动作时间不能相同”，为保证动作的选择性，下级保护的动作时间必须短于上级保护的动作时间。因而，定时限过电流保护的动作时间按如图9所示的阶梯形进行整定。

t上=t下+Δt

图9 阶梯形动作时间整定

5.3.3 定时限过电流保护构成设计

定时限过电流保护构成如图10所示。

1)设置电流继电器5 KA、6 KA接于线路电流互感器二次侧，监测线路电流变化；

2)配置时间继电器2 KT；

3)故障时延时动作于出口跳闸继电器KOU，同时信号继电器3 KS动作。

图10 定时限过电流保护构成

5.4 归总分析保护装置工作原理

汇总构成整套三段式线路相间短路电流保护，如图11所示，分析保护装置的工作原理。

(a)保护装置交流回路(b)保护装置直流控制回路(c)保护装置信号回路图11 三段式线路相间短路电流保护构成

5.4.1 线路首端部分三相短路[5]

Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段保护均起动，电流继电器1 KA、2 KA、3 KA、4 KA、5 KA、 6KA均动作，由于Ⅰ段保护没带延时，直接按通继电器KOU，动作于跳闸切除故障，绿灯闪光。同时，信号继电器1 KS动作，光字牌2 HR发光。跳闸后故障信号消失，Ⅱ段、Ⅲ段保护返回。

5.4.2 线路末端部分三相短路

由于故障在Ⅰ段保护范围以外，所以Ⅰ段保护不启动。Ⅱ段、Ⅲ段保护均启动，电流继电器3 KA、4 KA、5 KA、6 KA均动作，1 KT、2 KT均启动。由于Ⅱ段保护动作时间短于Ⅲ段保护动作时间，1 KT触点延时闭合按通继电器KOU，动作于跳闸切除故障，绿灯闪光。同时，信号继电器2 KS动作，光字牌2 HR发光。跳闸后故障信号消失，Ⅲ段保护返回。

5.4.3 线路三相短路主保护拒动

发生相间短路主保护Ⅰ段、Ⅱ段保护拒动时，后备保护Ⅲ段保护启动，经延时后2 KT动作，按通继电器KOU，动作于跳闸切除故障，绿灯闪光。同时，信号继电器3 KS动作，光字牌2 HR发光。

6 结语

继电保护装置的4个基本要求之间既有统一的一面，又存在内部间矛盾。把握住“必须严格保证选择性”是厘清继电保护基本要求逻辑关系的关键。“若存在共同的保护范围，则动作时间不能相同；若动作时间相同，不允许存在共同的保护范围。”遵从相邻上下级电气元件保护确保选择性的基本原则，有助于我们深刻理解三段式继电保护装置满足4个基本要求的整定分析和原理构成。