淺談變電站微機保護替代了傳統繼電器保護

王健敏

【摘 ?要】近年來，隨著我國社會經濟的快速發展，人們對電力的需求量逐漸增加，為了滿足人們的用電需求，電力企業需要對變電運行設備管控工作的充分重視。目前，一些電力企業為了提高變電設備運行管控效果，需要應用自動化技術，同時實現管控目標。本文就對變電運行設備自動化技術及維護中微機保護的進行深入探討。

【關鍵詞】繼電器;繼電保護;自動化;自動化;保護

引言

當前我國的用電需求持續增大，社會總用電量也是屢屢刷新記錄，作為當前的自動化的運行設備，在國家電網建設中發揮著極其重要的作用。變電運行設備的自動化也是大勢所趨，所以要提高相關設備的運行效率，保障國家電網的高效運行。由于現有的自動化技術還不是很完善，維護起來也就相對乏力，不足以應對錯綜復雜的局勢，所以加強對變電運行設備技術的研究和相關維護的研究是極其重要的。變電運行設備自動化技術是將電子技術、網絡通信技術和信息處理技術集合在一起的技術，可以實現電力系統的遠程監控和監視管理，在電力工程中具有廣泛的應用。變電運行設備自動化技術的主要要求包括：對于一些特殊的、不方便直接操作的地方，比如高壓室、配電室，實行遠程控制，避免事故的發生，節省人力;滿足電力系統中各個部分的需求，保證設備安全、經濟運行，保證操作人員實際控制和協調能力;收集、處理電力系統運行中的各種數據;處理調節電力系統在運行中的各種異常情況。其應用主要表現在三個方面：一是電力系統信息自動傳輸系統，傳輸系統的功能是實現調度中心和發電廠變電站間的實時信息傳輸;二是供電系統自動化，供電系統自動化主要包括三個方面：負荷控制、變電站自動化和地區調動實時監控。負荷控制的方式一般都選用聲頻控制，根據負荷的記錄繪制出負荷曲線，從而實現對電能使用情況進行控制。地區調度的實時控制則是由小型的計算機組成。變電站自動化需要用到計算機技術與通信技術，根據收集到的信息的情況對整個電力系統進行優化組合，更好的對電力系統的實時監控和維修;三是電網調度自動化。現代的電網調度都是通過計算機控制的，信息采集、屏幕顯示、安全性檢測、實施控制和運行工況計算等功能基本都實現了自動化。電網調控自動化系統按照其功能結構，主要分為信息收集處理和控制子系統、信息采集和命令執行子系統、信息傳輸子系統、人機聯系子系統，在變電站自動化、能量管理系統和配電網管理系統中廣泛應用。電網調度自動化系統能夠使電力系統的管理人員及時掌握整個電網的信息，方便的進行維護和管理工作，對于整個電網的穩定和安全具有重要作用。微機保護就是為自動化系統的實現，是其中一項重要的設備。

1、傳統繼電器保護種類

在過去傳統的繼電器保護中有電磁型繼電器和感應型繼電器。電磁型繼電器又大致分為速斷型繼電器、過流型繼電器、中間型繼電器、電壓型繼電器、信號繼電器。其中電磁型繼電器應用的最為廣泛。現在我們就來介紹下。

電磁型繼電器的組成與原理

電磁繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流。較低的電壓去控制較大電流。較高的電壓的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

電磁繼電器一般由電磁鐵，銜鐵，彈簧片，觸點等組成的，其工作電路由低壓控制電路和高壓工作電路兩部分構成。電磁繼電器還可以實現遠距離控制和自動化控制。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”;處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。（如圖1正面）（如圖2背面）

動作原理：當線圈2中通過交流電流時，鐵芯1中產生磁通，對可動舌片3產生一個電磁吸引轉動力矩，欲使其順時針轉動。但彈簧4產生一個反作用的彈力，使其保持原來位置。當流過線圈的電流增大時，使舌片轉動的力矩也增大。當流過繼電器的電流達到整定值時，電磁轉動力矩足以克服彈簧4的作用力矩，于是可動舌片3順時針旋轉。這時，與可動舌片3位于同一轉軸上的可動觸電橋5也跟著順時針旋轉，與靜觸點6接通，繼電器動作。當電流減少時，電磁轉動力矩減少，在彈簧4反作用力矩的作用下，可動舌片3逆時針在回旋轉，于是可動觸點橋與靜觸點6分離，繼電器從動作狀態返回到不動作狀態的原來狀態。

動作電流和返回電流：能使過電流繼電器開始動作的最小電流稱為過電流繼電器的動作電流;在繼電器動作之后，當電流減少時，使繼電器可動觸點開始返回原位的最大電流稱為過電流繼電器的返回電流。

返回系數：過電流繼電器的返回電流除以動作電流，得返回系數

Kf=If/IDz;Kf—返回系數;If—繼電器的返回電流，A;

IDZ—繼電器的動作電流，A;

因為過電流繼電器的返回電流總是小于動作動作電流，因此返回系數總是小于1。對于電磁型電流繼電器的返回系數要求在0.85-0.9之間，如低于0.85，則返回電流太小，容易引起誤動作;如大于0.9，應注意可動觸點橋與靜點觸指閉合時接觸壓力是否足夠。如果壓力不夠，接觸不良，影響工作可靠性，則必須進行調整。

DL型繼電器的內部接線方式。如圖4

由圖可知繼電器內電流線圈分成兩部分，利用連接片可以將線圈接成串聯或并聯，當串聯改成并聯時，動作電流增大1倍。DL型繼電器動合觸點的閉合動作時間與繼電器通過電流的大小有關。

如果繼電器線圈通過的電流達到1.2倍動作電流，其動作時間不大于0.15s;當通過繼電器的電流達到動作電流的3倍時，觸電閉合的動作時間為0.02-0.03s。觸點的遮斷容量為直流50W、交流250VA，遮斷電流不小于2A。

2、微機繼電器保護的組成與原理

微機保護裝置是采用計算機技術、電力自動化技術、通信技術等多種高新技術的新型電器產品。它集保護、測量、控制、檢測、通信于一體，是實現電力系統自動化的基礎硬件裝置，是替代傳統繼電器保護的理想電器元件，是構成智能化開關柜的理想電器元件。多種功能的高度集成、靈活的配置、完全漢化的顯示技術、友好的人機界面，使得微機保護裝置可作為電力系統10kV及以下電網各類電器設備及線路的主保護和后備保護。對各種中壓電網（不接地電網、電阻接地、消弧線圈接地、直接接地電網）。微機保護裝置能應用在各類開關柜和各類接線方式的系統中，如但母線、雙母線、旁母線和雙進線供電。

2.1 三段過流保護（經低電壓閉鎖）

裝置配置了經低電壓閉鎖的三段過流保護，分別為速斷、過流Ⅰ段（限時速斷）、過流Ⅱ段（定時限過流），三段保護定值延時均可分別整定，在保護投入時當任一項電流大于定值且達到整定延時后保護即動作。為提高保護的靈敏度，三段過流保護都加設了經低電壓閉鎖條件，當電壓高于低壓閉鎖定值時閉鎖保護出口，經低壓閉鎖條件可通過控制字投退。如圖6

舉例：以國產遠征——YZ320綜合危機保護裝置

2.2 過負荷保護

過負荷保護可以選擇跳閘或告警。過負荷元件監視三相電流，當有任一相電流大于整定值并達到整定延時后保護即動作。過負荷保護動作時裝置自動閉鎖重合閘。如圖6

2.3 反時限過流保護

通過的過載電流越小，允許的時間越長，過載電流與允許工作時間為反時限特性，如果設有反時限過流保護，保護投入，可由軟壓板進行投退，則跳閘。3種特性的反時限過流保護，可根據需要通過控制字選擇任何一種特性的反時限曲線，保護出口于跳閘或告警可通過控制字設定。反時限特性方程為：

特性1（一般反時限）：

特性2（非常反時限）：

特性3（極端反時限）：

以上三個方程式中，I為保護采集電流;t為動作時間;Ip為電流基準值，取反時限過流保護啟動電流;Tp為時間常數，取反時限過流保護時間常數。如圖7

Ie額定電力——用戶如需要有一定的過載能力，可把Ie適當設高，如1.05倍的額定電流。根據通入電流I大小不同，相應的動作時間Tfs不同，電流越大動作時間越短。如圖8

2.4 零序過流保護

為了使系統中三相電流不平衡或接地故障時能使斷路器跳閘和報警，應設置零序過流保護。零序電流由專用的零序電流互感器引入或由軟件計算得出，零序過流保護壓板投入時，滿足I0>Izd0，則保護時間T0后動作，跳開斷路器。如圖9

2.5 低電壓、過電壓保護

過壓保護動作條件：（1）電壓大于過壓保護整定值;（2）延時達到過壓保護延時設定值;（3）斷路器處于合位;以上三個條件同時達到過壓保護即動作，過壓保護動作方式可選擇跳閘或告警。如圖10

當三相相電壓（兩表法測量時為兩個線電壓）同事低于U1zd（或任一項高于U1zd）時且低電壓、過電壓保護壓板在投入位置，則保護經延時TL（h）后動作跳閘。

2.6控制回路斷線告警

是通過監測控制回路電壓及斷路器位置來判斷控制回路是否斷線。當微機裝置檢測到合閘回路和跳閘回路均無電壓后則判斷斷路器位置，如斷路器在分位則延時20S發出合閘回路斷線告警信號，如斷路器在合位則延時20S發出跳閘回路斷線告警信號。如圖11

2.7三相一次自動重合閘

為了提高輸電線路供電可靠性，判斷是否跳閘故障，如果是故障跳閘，可在0.5S—100S后重新合閘一次（重合閘時間整定值Tch由用戶設定）。當線路故障已排除，可正常供電。當重合于永久性故障時，后加速無限時跳閘，以防事故擴大，之后不再重合。軟件模擬重合閘放電過程。只有滿足條件，當三段式過流動作后才會重合，零序保護和反時限保護動作后裝置不重合。

當裝置檢測到斷路器已合閘，且重合閘保護投退在投入位置時，經5S后裝置處于重合允許狀態，在裝置的一次系統圖上會顯示“OK”的字樣。當裝置判斷是故障跳閘（三段式過流動作后故障消失）后，經延時Tch后重合。如圖12

充電條件：重合閘滿足以下條件后，開始充電。達到15秒后充電完成，置充電標志，重合閘邏輯投入。（1）、開關處于合位;（2）、無閉鎖重合閘信號。

閉鎖重合閘條件：滿足下列條件之一，閉鎖重合閘：（1）過負荷動作;（2）失壓保護動作;（3）過壓保護動作;（4）彈簧未儲能開入信號;（5）閉鎖重合閘開入信號;

2.8（1）PT斷線檢測

對稱性三相斷線（判斷依據）：三相線電壓均小于18V，且任一相電流大于0.5A，經過3秒判定為三相斷線;

不對稱性PT斷線（判斷依據）：任兩個線電壓大于18V，經過3秒判定為不對成斷線。

（2）CT斷線檢測

判斷條件：a、三相保護電流最大值大于設定啟動電流;b、三相保護電流最大值大于三相保護最小值的三倍。

判斷依據：a、b同時滿足且CT斷線檢測控制字投入延時5秒報CT斷線事件。

2.9合閘后加速保護

合閘后加速包括手合與故障加速跳閘和自動重與故障加速跳閘，若合閘后電流大于后加速保護整定值則動作與跳閘，合閘后加速保護投入后只在3S內起作用，超過3S自動退出此功能。

2.10溫度保護

溫度保護包括高溫報警和超溫跳閘。溫度保護是通過外接溫度繼電器提供給裝置的開入量啟動的。當溫度保護投入變壓器溫度上升至溫度繼電器高溫接點閉合時，裝置發出告警信號，當溫度保護投入溫度繼續上升至超溫接電閉合時，裝置則經過整定時間TW后跳開斷路器。如圖13

2.11瓦斯保護

瓦斯保護分為輕瓦斯告警和重瓦斯跳閘。保護是通過變壓器瓦斯繼電器提供的開入量實現的。輕瓦斯于告警。當重瓦斯保護壓板投入時重瓦斯動作于瞬時跳閘。如圖14

2.12負序電流保護

在保護壓板投入時，當If>Izd5，保護經過時間T5后動作，跳開斷路器。如圖15

2.13進線備自投

系統運行方式說明：如圖，無母線PT，三種運行方式，可通過壓板投退選擇。

方式一：當微機裝置安裝在進線一，進線一供電時，對進線二進行自投;（進線二壓自投板功能投入，進線一自投壓板功能斷開）

方式二：當微機裝置安裝在進線一，進線二供電時，對進線一進行自投;（進線一壓板自投功能投入，進線二自投壓板功能斷開）

方式三：兩進線互為備投;（進線一自投壓板，進線二自投壓板功能均投入）

3、微機繼電器保護與傳統繼電器保護的區別

傳統繼電器保護比較微機繼電器保護擁有占的空間大，安裝不方便;采用的繼電器觸點多，大大降低了保護的靈敏度和可靠性;調試、檢修復雜，一般要停電才能進行，影響正常生產;沒有靈活性，當CT變比改動后，保護定值修改要在繼電器上調節，有時候還要更換;使用壽命太短，由于繼電器線圈的老化直接影響保護的可靠動作;繼電器保護功能單一，要安裝各種表計才能觀察實時負荷;數據不能遠方監控，無法實現遠程控制;繼電器自身不具備監控功能，當繼電器線圈短路后，不到現場是不能發現的;繼電器保護是直接和電器設備連接的，中間沒有光電隔離，容易遭受雷擊;常規保護已經逐漸淘汰，很多繼電器已經停止生產;維護復雜，故障后很難找到問題;運行維護工作量大，運行成本比微機保護增加60%左右;操作復雜、可靠性低，在以往的運行經驗中發現很多事故的發生主要原因有兩條：A人為原因：因為自動化水平低，操作復雜而造成事故發生.B繼電保護設備性能水平低，二次設備不能有效的發現故障;據經濟分析：常規保護從單套價來說比微機保護約便宜，但使用的電纜數量多、屏柜多、特別是裝置壽命短、運行費用（管理費用、維護費用等）比微機保護高出60%，綜合費用還是比微機保護多的等一系列缺點。

微機保護擁有微機保護是采用單片機系統具備采集、監視、控制、自檢查功能、通過一臺設備可以發現：輸電線路的故障，輸電線路的負荷、自身的運行情況（當設備自身某種故障，微機保護通過自檢功能，把故障進行呈現），采用計算機原理進行遠程控制和監視;由于微機保護采用各種電力邏輯運算來實現保護功能，所以只需要采集線路上的電流電壓，這樣大大簡化了接線;微機保護的保護出口、遙控出口、就地控制出口都是通過一組繼電器動作的，所以非常可靠;微機保護采用計算機控制功能，保護定值、保護功能、保護手段采用程序邏輯，這樣可以隨時修改保護參數，修改保護功能，不用重新調試;微機保護還具備通訊功能，可以通過網絡把用戶所需要的各種數據傳輸到監控中心，進行集中調度;微機保護采用光電隔離技術，把所有采集上來的電信號統一形成光信號，這樣有強電流攻擊時候，設備可以建立自身保護機制;微機保護采用CPU進行數據處理，加大了數據處理速度;微機保護的壽命長，由于設備在正常狀態處于休眠狀態，只有程序實時運行，各個元器件的壽命大大加長;微機保護具備時鐘同步功能，對于故障可以記錄，采用故障錄波的方式把故障記錄下來，便于對故障的分析;微機保護采用了多層印刷板和表面貼裝技術，因而具有很高的可靠性和抗干擾能力;易用性：中文用戶界面標準化，易學、易用、易維護;經濟分析：微機保護從單套價來說比常規保護約貴些，但使用的電纜數量極少、屏柜少、特別是使用壽命長達25年、運行費用（管理費用、維護費用等）比常規保護降低60%，綜合費用還是比常規保護少許多等諸多優點。

4、微機保護對自動化的好處

所謂變電站自動化就是將變電站的微機監控、微機保護和微機遠動裝置的功能統一起來，充分發揮微機作用、提高變電站自動化水平、提高變電站自動裝置的可靠性、減少變電站二次系統連接線的綜合自動化系統。它可以完成遠動、保護、操作（防誤）、測量、故障錄波、事故順序記錄和運行參數自動記錄等功能，并且具有很高的可靠性，可以實現變電站無人值班運行。變電站綜合自動化的優點是：大大地簡化了變電站二次部分的硬件配置，避免了重復;大大地簡化了變電站二次設備之間的連線;大大地減輕了安裝施工和維護工作量，也降低了總造價;為運行管理自動化水平的提高打下了基礎。

變電站微機保護測控系統的施工過程，是由施工單位依據設計資料和現場需求將微機保護測控系統內外的相關設備進行物理安裝接線，隨后對微機保護測控系統內外的裝置和計算機進行參數設置的過程，其中的任何環節失誤，都可能導致系統異常?微機保護測控系統的調試驗收工作，是通過一定的試驗和檢查的方法，驗證其資料是否齊全、工作是否正常、是否能呈現出用戶所需的最終應用效果的過程?其目的是確保系統功能正確、完整、規范的實現，以及保障后續維護工作的順利開展?

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（作者單位：福州億力電力工程有限公司配電工程分公司）