反时限电流保护应用研究符正
反时限电流保护应用研究
摘要：电流保护可分为定时限和反时限两大类。定时限电流保护应用广泛早已被人们认知熟悉。反时限电流保护
概念也十分简单，但是选择曲线、确定待定参数，存在一
定的技巧和方法。本文选择存在配合的线路反时限零序电
流保护和绕组热过载的发电机转子表层负序过负荷为例，
阐述一些技巧和方法。特别是国内、外热过载保护数学模
型的差异， ~ A值的关系对整定计算非常重要。
关键词：继电保护；整定计算；反时限；热过载；零序电
流
0 引言
电网后备保护整定计算的要旨就是协调灵敏
性和选择性的矛盾，从而满足逐级配合的原则。
为了保证保护动作的选择性，除了动作电流要配
合外，还必须保证动作时间的配合。阶段式保护
逐级配合是指，在两维平面（横坐标保护范围，
纵坐标动作时间）上，整定定值曲线与配合定值
曲线不相交，其间的空隙大小为配合系数。动作
曲线选择多折线还是一条光滑的曲线由具体应用
的需要决定。
考虑到：线路故障在预定的时间内，就地保
护未切除故障时，应由相邻设备（上一级）切除
故障。也就是说上下两级保护之间应留有一定的
时间裕度。因此，线路后备保护的动作配合应该
选择多折线。这也就是阶段式过流保护提出的基
本思想。阶段式电流保护存在的主要问题是，保
护的动作灵敏度受系统运行方式以及故障类型的
影响很大。而它的动作时限是预先设定的，不能
随着故障电流的改变做出自适应的调整，为了保
证选择性，避免无必要的停电，通常采用长延时
动作。这与保护速动性的要求矛盾。为此保护工
作者提出反时限电流保护。反时限特性是指保护
动作时限随短路电流增大而减小。反时限电流保
护的特性与很多负载的故障特性相似，因此在许
多场合下比定时限保护能更快速地切除故障。反
时限电流保护在国外已获得较广泛的应用，如：
GE、ABB 等公司都有反时限保护提供3～7 种不
同时间-电流特性，供不同场合选用。而国内的后
备保护中主要以定时限保护为主，这是由于传统
的感应型反时限保护与定时限之间难以配合，从
而限制了它的应用。近年来随着计算机技术的发
展和微机保护的普及，反时限保护在我国也逐步
得到推广和使用。主设备保护后备保护中有一类
热过载保护，它建立在导体发热的数学模型上，
同样具有反时限特性。
反时限电流保护概念也十分简单，但是选择
曲线、确定待定参数，存在一定的技巧和方法。
本文选择存在配合的线路反时限零序电流保护和
绕组热过载的发电机转子表层负序过负荷为例，
阐述一些技巧和方法。特别是国内、外热过载保
护数学模型的差异， ~ A 值的关系对整定计算
非常重要。
1 反时限特性
目前，国内外常用的反时限保护的通用数学
模型的基本形式为：
a
p KM
t I I n -=???? ?? (1)
式中：t 为动作延时；K 是设计的常数；M 是
由用户整定的时间常数，一般由上下级保护动作
时间的正确配合要求决定；I 为保护测量电流； p I
为基准电流，一般取被保护设备的额定电流；a 是
曲线水平移动常数，反应了反时限保护动作能够
动作的电流相对于p I 的倍数，一般取1.0；n 是曲
线形状常数，通常在0～2 之间取值。n 越大曲线
形状越陡，即保护动作时间随电流增大而减小的
越快。
根据n 的取值范围不同，反时限保护可以分
为以下几类：
当n 1时，称为普通反时限；
当n 1时，称为非常反时限；
当n 1时，称为超反时限。
为了规范应用，IEEE225-4 标准推荐了五条
反时限曲线供用户选择使用：
（1）普通反时限：
t=1
14.002.0-???? ??P p
I I t （2）非常反时限： ( ) 1 t=15.13-???? ??p p
I I t
（3）超反时限： ( ) 1 t=1802-???? ??p p
I I t
（4）热过载（无存储）反时限：
t=1352-???? ??p p
I I t
（5）热过载（ 有存储） 反时限： T=35.5??????????????-???? ?????? ??-???? ??1ln 222P P pe P p I I I I I I t
以上各式中： p t 为时间常数； pe I 故障前绕
组电流。
以上式（1）、（2）和（3）主要应用于线路保
护。对比这三种反时限曲线：超反时限特性保护，
微小的电流差别足以引起保护动作时间上的差
异，以牺牲时间换取选择性。普通反时限则相反。
一般在被保护线路首端和末端短路时电流变化较
小的情况下，常采用定时限过流保护。定时限可
以认为是一种特殊的反时限特性，即r 0；通
常输电线路采用普通反时限特性，即0 r 1；
而在线路首末端短路时电流变化较大的情况下，
则采用非常反时限特性，即r 1；当线路首末端
短路时电流变化较非常大的情况下，采用超反时
限特性，即r 2。
反应过热状态的过流保护，则采用特别反时
限特性，即r 2。以上式（4）、（5）主要应用
于诸如电动机等元件地热过载保护。式（4）忽略
了被保护对象故障发生以前负荷电流的发热，而
式（5）则计及了故障发生以前负荷电流的发热。
因此式（5）较式（4）对元件的热过载保护而言
更加合理。
上述模型同样适应零序电流和负序电流保
护。
2 线路反时限零序电流保护整定计算
线路距离保护能较准确地测量故障距离，因
而非常适应担当线路后备保护。但它存在一个致命缺点：不能切除高接地电阻故障，必须配置零序电流保护予以补充。整定规程规定：零序电流
保护最末段电流定值不大于300A。在300A 的强
制要求下，多数情况阶段式零序保护不能满足逐
级配合的原则，即要牺牲选择性保证灵敏性。这
样选择性能上优于阶形折线的定时限保护，来减
小保护动作区内平均动作时间显得尤为重要。反
时限零序电流保护正是一个很好解决这个问题的
方案。
阶段式零序电流保护失去选择性分析。高电
阻接地短路是线路短路的最轻故障，以300A 零
序电流界定有无故障，也是线路保护灵敏度的最
高要求。这种短路故障点电流几乎与故障位置无关，取决于高接地电阻的大小，分支系数决定支
路电流。多数情况，整定线路最末段与配合线路
次末段配合，计算结果大于300A，只能和配合线
路最末段配合，但时间上根本无法配合。因此，
完全不能同时满足逐级配合的原则和小于300A
的规定。多数电网零序电流最末段采取同电流、
同时间的做法。显而易见，当线路经某一高阻接
地短路，恰好使得故障线路的接地距离和次末段
零序电流不动作，与之相邻的线路零序电流达到300A，将造成多条线路同时跳闸。
继电保护专业人士普遍认为，解决阶段式零
序电流保护失去选择性问题，最简单、最有效的
方法是全网实现统一的同特性的反时限零序电流
保护。道理是，零序电流是故障分量，故障点是
唯一的零序电流源。故障点零序电流最大，故障
线路两侧零序电流是故障点电流的分流，由于超
高压电网变电站都有接地变压器，全网最大零序
电流支路在故障线路的一侧。按电流大先跳闸的
设想，一定是故障线路一侧或两侧先跳闸，若一
侧先跳闸，后备保护通常三相跳闸，另一侧电流
就是故障点电流，也是全网最大支路零序电流。
可以有选择性地切除故障线路。当故障线路保护
和失灵保护拒动，仍依循电流大先跳闸的原则最
终切除故障。数字式保护可以容易实现零序电流
反时限特性，又有高精度计时器，加之断路器跳
闸时间缩短，都给实现反时限零序电流保护提供
了物质基础。大区域电网互联的增多，全国性大
电网已显端倪，解决零序电流保护配合难、整定
难的问题迫在眉睫。因此，尽快制定统一的零序
电流反时限特性，推行反时限零序电流保护，才
能从根本上将整定计算人员从繁杂的劳动中解救
出来。
要用好反时限零序电流保护，必须合理置和使用线路后备接地保护。反时限零序电流保护用于补充接地距离耐过渡电阻能力不足的缺
点，主要对付高电阻接地短路，兼作远后备，允
许经较长时间跳闸。这样就给反时限零序电流保
护提供了宽松的应用条件，整定计算变得容易甚
至勿需整定计算。
考虑零序电流保护用作接地距离保护的补
充，仅用作切除高电阻接地故障。起始时间长于
距离三段，所以有必要限制反时限保护动作的最
短延时。假设无穷大系统，500kV，30Ω；220kV，
10Ω接地短路故障点电流约10kA。实际系统保护
安装处零序电流远小于10kA，接地距离保护对
500kV，30Ω；220kV，10Ω接地短路有足够的灵
敏度。接地距离tⅠ=0s，tⅡ=0.6s 或1s 或1.4s，tⅢ
=1.5s 或1.9s。限制tⅢ不超过2s。通常长线路tⅢ
时间长，由于线路的零序阻抗约为正序阻抗的3
倍，长线路区外短路保护安装处零序电流不大，
非常有利于接地距离与反时限零序电流保护配
合。以上分析说明，当500kV，小于30Ω；220kV，
小于10Ω接地短路，有灵敏度的接地距离Ⅱ段可
靠切除故障线路故障。对于大于上述阻值接地短
路，保护安装处零序电流远小于10kA，即使故障
线路接地距离Ⅲ段拒动，反时限零序电流保护也
不应先于接地距离Ⅲ段动作。即当零序故障电流
大小不小于I max 10kA时，反时限零序电流保
护的动作时间不低于t min 2s 。把这个时间称
为反时限零序保护的最短动作延时。
规程规定零序电流需反应的最轻微的故障电
流大小为300A ，在反时限保护选取动作电流的低
定值时留有一定的裕度，不妨去I min 280A 。
对应此时的动作时间应该为不长的有限值，称其
为反时限保护动作的最长延时。它的选取应该取
决于线路热稳定值，可选取t max 5s 。反时限
保护的启动值取I Alm 250A 。
由以上分析知：线路反时限零序电流保护曲
线如下： t=1
25326
.002.00-??? ??I
3 主设备的类热过载保护
利用设备流过的电流构成的类热过载保护是
根据导体发热模型的物理模型进行构建的。根据
热平衡原理，在一定时间内，导体产生的部分热
量将储藏在物体中并使该物体温度升高，另一部
分将散失在冷却介质中。在dt 时间内发热、散热
与温升三者之间满足以下算式：
式中：Q 为该导体在每秒内产生的热量，单
位为W ；c 为该导体的比热，即将1 Kg 物质温度
升高1 c 时所需热量的焦耳数，单位为
J /(Kg * c)；S为导体冷却表面，单位是m2； 为散热系数，即单位面积、单位温差、单位时间内
所散发热量的焦耳数，单位为W /(m2 * c * s)，设 为一常数； 为温升，即导体温度与冷却介质温度之差，单位是 c；G为该物体的重量，单位为
Kg 。
式中：Q为该导体在每秒内产生的热量，单
位为W ；c 为该导体的比热，即将1 Kg 物质温度升高1 c 时所需热量的焦耳数，单位为
J /(Kg * c)；S为导体冷却表面，单位是m2； 为散热系数，即单位面积、单位温差、单位时间内
所散发热量的焦耳数，单位为W /(m2 * c * s)，设 为一常数； 为温升，即导体温度与冷却介质温度之差，单位是 c；G为该物体的重量，单位为
Kg 。式中：Q为该导体在每秒内产生的热量，单
位为W ；c 为该导体的比热，即将1 Kg 物质温度升高1 c 时所需热量的焦耳数，单位为
J /(Kg * c)；S为导体冷却表面，单位是m2； 为散热系数，即单位面积、单位温差、单位时间内
所散发热量的焦耳数，单位为W /(m2 * c * s)，设 为一常数； 为温升，即导体温度与冷却介质温度之差，单位是 c；G为该物体的重量，单位为Kg 。
方程的右侧第一项为物体温升d 所吸收的
热量，第二项为dt 时间内对冷却介质的散热。设导体在t 0时的温升为 0，则微分方程的解为：
()c .式中： 为导体发热时间常数，为导体稳定温升
从上可以看出，导体发热时温升呈指数特性
升高。当Q=0时,
导体开始冷却，其
温度亦按照同样规律下降，直至和冷却介质温度
相同。对于主设备中的绕组而言，单位时间产生
的热量Q=I2R（R为绕组电阻，I 为绕组电流）。
这样故障后导体最终的稳定温升为
I R
aS
Q 2
。
假设故障前被保护对象的绕组电流为pe I ，认
为故障前被保护对象的温升已经稳定，由上分析
知其稳定温升为
aS
I pe R
pe
2
。另外可以认为绕组
电流等于反时限保护启动电流p I ，而时间趋于
时，所对应的温度为允许最高温升max ，这样
aS
I R p
2
max 。代入式（4），于是保护动作时间为：