浅谈变电站微机保护替代了传统继电器保护

王健敏

【摘  要】近年来，随着我国社会经济的快速发展，人们对电力的需求量逐渐增加，为了满足人们的用电需求，电力企业需要对变电运行设备管控工作的充分重视。目前，一些电力企业为了提高变电设备运行管控效果，需要应用自动化技术，同时实现管控目标。本文就对变电运行设备自动化技术及维护中微机保护的进行深入探讨。

【关键词】继电器;继电保护;自动化;自动化;保护

引言

当前我国的用电需求持续增大，社会总用电量也是屡屡刷新记录，作为当前的自动化的运行设备，在国家电网建设中发挥着极其重要的作用。变电运行设备的自动化也是大势所趋，所以要提高相关设备的运行效率，保障国家电网的高效运行。由于现有的自动化技术还不是很完善，维护起来也就相对乏力，不足以应对错综复杂的局势，所以加强对变电运行设备技术的研究和相关维护的研究是极其重要的。变电运行设备自动化技术是将电子技术、网络通信技术和信息处理技术集合在一起的技术，可以实现电力系统的远程监控和监视管理，在电力工程中具有广泛的应用。变电运行设备自动化技术的主要要求包括：对于一些特殊的、不方便直接操作的地方，比如高压室、配电室，实行远程控制，避免事故的发生，节省人力;满足电力系统中各个部分的需求，保证设备安全、经济运行，保证操作人员实际控制和协调能力;收集、处理电力系统运行中的各种数据;处理调节电力系统在运行中的各种异常情况。其应用主要表现在三个方面：一是电力系统信息自动传输系统，传输系统的功能是实现调度中心和发电厂变电站间的实时信息传输;二是供电系统自动化，供电系统自动化主要包括三个方面：负荷控制、变电站自動化和地区调动实时监控。负荷控制的方式一般都选用声频控制，根据负荷的记录绘制出负荷曲线，从而实现对电能使用情况进行控制。地区调度的实时控制则是由小型的计算机组成。变电站自动化需要用到计算机技术与通信技术，根据收集到的信息的情况对整个电力系统进行优化组合，更好的对电力系统的实时监控和维修;三是电网调度自动化。现代的电网调度都是通过计算机控制的，信息采集、屏幕显示、安全性检测、实施控制和运行工况计算等功能基本都实现了自动化。电网调控自动化系统按照其功能结构，主要分为信息收集处理和控制子系统、信息采集和命令执行子系统、信息传输子系统、人机联系子系统，在变电站自动化、能量管理系统和配电网管理系统中广泛应用。电网调度自动化系统能够使电力系统的管理人员及时掌握整个电网的信息，方便的进行维护和管理工作，对于整个电网的稳定和安全具有重要作用。微机保护就是为自动化系统的实现，是其中一项重要的设备。

1、传统继电器保护种类

在过去传统的继电器保护中有电磁型继电器和感应型继电器。电磁型继电器又大致分为速断型继电器、过流型继电器、中间型继电器、电压型继电器、信号继电器。其中电磁型继电器应用的最为广泛。现在我们就来介绍下。

电磁型继电器的组成与原理

电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流。较低的电压去控制较大电流。较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁继电器一般由电磁铁，衔铁，弹簧片，触点等组成的，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。（如图1正面）（如图2背面）

动作原理：当线圈2中通过交流电流时，铁芯1中产生磁通，对可动舌片3产生一个电磁吸引转动力矩，欲使其顺时针转动。但弹簧4产生一个反作用的弹力，使其保持原来位置。当流过线圈的电流增大时，使舌片转动的力矩也增大。当流过继电器的电流达到整定值时，电磁转动力矩足以克服弹簧4的作用力矩，于是可动舌片3顺时针旋转。这时，与可动舌片3位于同一转轴上的可动触电桥5也跟着顺时针旋转，与静触点6接通，继电器动作。当电流减少时，电磁转动力矩减少，在弹簧4反作用力矩的作用下，可动舌片3逆时针在回旋转，于是可动触点桥与静触点6分离，继电器从动作状态返回到不动作状态的原来状态。

动作电流和返回电流：能使过电流继电器开始动作的最小电流称为过电流继电器的动作电流;在继电器动作之后，当电流减少时，使继电器可动触点开始返回原位的最大电流称为过电流继电器的返回电流。

返回系数：过电流继电器的返回电流除以动作电流，得返回系数

Kf=If/IDz;Kf—返回系数;If—继电器的返回电流，A;

IDZ—继电器的动作电流，A;

因为过电流继电器的返回电流总是小于动作动作电流，因此返回系数总是小于1。对于电磁型电流继电器的返回系数要求在0.85-0.9之间，如低于0.85，则返回电流太小，容易引起误动作;如大于0.9，应注意可动触点桥与静点触指闭合时接触压力是否足够。如果压力不够，接触不良，影响工作可靠性，则必须进行调整。

DL型继电器的内部接线方式。如图4

由图可知继电器内电流线圈分成两部分，利用连接片可以将线圈接成串联或并联，当串联改成并联时，动作电流增大1倍。DL型继电器动合触点的闭合动作时间与继电器通过电流的大小有关。

如果继电器线圈通过的电流达到1.2倍动作电流，其动作时间不大于0.15s;当通过继电器的电流达到动作电流的3倍时，触电闭合的动作时间为0.02-0.03s。触点的遮断容量为直流50W、交流250VA，遮断电流不小于2A。

2、微机继电器保护的组成与原理

微机保护装置是采用计算机技术、电力自动化技术、通信技术等多种高新技术的新型电器产品。它集保护、测量、控制、检测、通信于一体，是实现电力系统自动化的基础硬件装置，是替代传统继电器保护的理想电器元件，是构成智能化开关柜的理想电器元件。多种功能的高度集成、灵活的配置、完全汉化的显示技术、友好的人机界面，使得微机保护装置可作为电力系统10kV及以下电网各类电器设备及线路的主保护和后备保护。对各种中压电网（不接地电网、电阻接地、消弧线圈接地、直接接地电网）。微机保护装置能应用在各类开关柜和各类接线方式的系统中，如但母线、双母线、旁母线和双进线供电。

2.1 三段过流保护（经低电压闭锁）

装置配置了经低电压闭锁的三段过流保护，分别为速断、过流Ⅰ段（限时速断）、过流Ⅱ段（定时限过流），三段保护定值延时均可分别整定，在保护投入时当任一项电流大于定值且达到整定延时后保护即动作。为提高保护的灵敏度，三段过流保护都加设了经低电压闭锁条件，当电压高于低压闭锁定值时闭锁保护出口，经低压闭锁条件可通过控制字投退。如图6

举例：以国产远征——YZ320综合危机保护装置

2.2 过负荷保护

过负荷保护可以选择跳闸或告警。过负荷元件监视三相电流，当有任一相电流大于整定值并达到整定延时后保护即动作。过负荷保护动作时装置自动闭锁重合闸。如图6

2.3 反时限过流保护

通过的过载电流越小，允许的时间越長，过载电流与允许工作时间为反时限特性，如果设有反时限过流保护，保护投入，可由软压板进行投退，则跳闸。3种特性的反时限过流保护，可根据需要通过控制字选择任何一种特性的反时限曲线，保护出口于跳闸或告警可通过控制字设定。反时限特性方程为：

特性1（一般反时限）：

特性2（非常反时限）：

特性3（极端反时限）：

以上三个方程式中，I为保护采集电流;t为动作时间;Ip为电流基准值，取反时限过流保护启动电流;Tp为时间常数，取反时限过流保护时间常数。如图7

Ie额定电力——用户如需要有一定的过载能力，可把Ie适当设高，如1.05倍的额定电流。根据通入电流I大小不同，相应的动作时间Tfs不同，电流越大动作时间越短。如图8

2.4 零序过流保护

为了使系统中三相电流不平衡或接地故障时能使断路器跳闸和报警，应设置零序过流保护。零序电流由专用的零序电流互感器引入或由软件计算得出，零序过流保护压板投入时，满足I0>Izd0，则保护时间T0后动作，跳开断路器。如图9

2.5 低电压、过电压保护

过压保护动作条件：（1）电压大于过压保护整定值;（2）延时达到过压保护延时设定值;（3）断路器处于合位;以上三个条件同时达到过压保护即动作，过压保护动作方式可选择跳闸或告警。如图10

当三相相电压（两表法测量时为两个线电压）同事低于U1zd（或任一项高于U1zd）时且低电压、过电压保护压板在投入位置，则保护经延时TL（h）后动作跳闸。

2.6控制回路断线告警

是通过监测控制回路电压及断路器位置来判断控制回路是否断线。当微机装置检测到合闸回路和跳闸回路均无电压后则判断断路器位置，如断路器在分位则延时20S发出合闸回路断线告警信号，如断路器在合位则延时20S发出跳闸回路断线告警信号。如图11

2.7三相一次自动重合闸

为了提高输电线路供电可靠性，判断是否跳闸故障，如果是故障跳闸，可在0.5S—100S后重新合闸一次（重合闸时间整定值Tch由用户设定）。当线路故障已排除，可正常供电。当重合于永久性故障时，后加速无限时跳闸，以防事故扩大，之后不再重合。软件模拟重合闸放电过程。只有满足条件，当三段式过流动作后才会重合，零序保护和反时限保护动作后装置不重合。

当装置检测到断路器已合闸，且重合闸保护投退在投入位置时，经5S后装置处于重合允许状态，在装置的一次系统图上会显示“OK”的字样。当装置判断是故障跳闸（三段式过流动作后故障消失）后，经延时Tch后重合。如图12

充电条件：重合闸满足以下条件后，开始充电。达到15秒后充电完成，置充电标志，重合闸逻辑投入。（1）、开关处于合位;（2）、无闭锁重合闸信号。

闭锁重合闸条件：满足下列条件之一，闭锁重合闸：（1）过负荷动作;（2）失压保护动作;（3）过压保护动作;（4）弹簧未储能开入信号;（5）闭锁重合闸开入信号;

2.8（1）PT断线检测

对称性三相断线（判断依据）：三相线电压均小于18V，且任一相电流大于0.5A，经过3秒判定为三相断线;

不对称性PT断线（判断依据）：任两个线电压大于18V，经过3秒判定为不对成断线。

（2）CT断线检测

判断条件：a、三相保护电流最大值大于设定启动电流;b、三相保护电流最大值大于三相保护最小值的三倍。

判断依据：a、b同时满足且CT断线检测控制字投入延时5秒报CT断线事件。

2.9合闸后加速保护

合闸后加速包括手合与故障加速跳闸和自动重与故障加速跳闸，若合闸后电流大于后加速保护整定值则动作与跳闸，合闸后加速保护投入后只在3S内起作用，超过3S自动退出此功能。

2.10温度保护

温度保护包括高温报警和超温跳闸。温度保护是通过外接温度继电器提供给装置的开入量启动的。当温度保护投入变压器温度上升至温度继电器高温接点闭合时，装置发出告警信号，当温度保护投入温度继续上升至超温接电闭合时，装置则经过整定时间TW后跳开断路器。如图13

2.11瓦斯保护

瓦斯保护分为轻瓦斯告警和重瓦斯跳闸。保护是通过变压器瓦斯继电器提供的开入量实现的。轻瓦斯于告警。当重瓦斯保护压板投入时重瓦斯动作于瞬时跳闸。如图14

2.12负序电流保护

在保护压板投入时，当If>Izd5，保护经过时间T5后动作，跳开断路器。如图15

2.13进线备自投

系统运行方式说明：如图，无母线PT，三种运行方式，可通过压板投退选择。

方式一：当微机装置安装在进线一，进线一供电时，对进线二进行自投;（进线二压自投板功能投入，进线一自投压板功能断开）

方式二：当微机装置安装在进线一，进线二供电时，对进线一进行自投;（进线一压板自投功能投入，进线二自投压板功能断开）

方式三：两进线互为备投;（进线一自投压板，进线二自投压板功能均投入）

3、微机继电器保护与传统继电器保护的区别

传统继电器保护比较微机继电器保护拥有占的空间大，安装不方便;采用的继电器触点多，大大降低了保护的灵敏度和可靠性;调试、检修复杂，一般要停电才能进行，影响正常生产;没有灵活性，当CT变比改动后，保护定值修改要在继电器上调节，有时候还要更换;使用寿命太短，由于继电器线圈的老化直接影响保护的可靠动作;继电器保护功能单一，要安装各种表计才能观察实时负荷;数据不能远方监控，无法实现远程控制;继电器自身不具备监控功能，当继电器线圈短路后，不到现场是不能发现的;继电器保护是直接和电器设备连接的，中间没有光电隔离，容易遭受雷击;常规保护已经逐渐淘汰，很多继电器已经停止生产;维护复杂，故障后很难找到问题;运行维护工作量大，运行成本比微机保护增加60%左右;操作复杂、可靠性低，在以往的运行经验中发现很多事故的发生主要原因有两条：A人为原因：因为自动化水平低，操作复杂而造成事故发生.B继电保护设备性能水平低，二次设备不能有效的发现故障;据经济分析：常规保护从单套价来说比微机保护约便宜，但使用的电缆数量多、屏柜多、特别是装置寿命短、运行费用（管理费用、维护费用等）比微机保护高出60%，综合费用还是比微机保护多的等一系列缺点。

微机保护拥有微机保护是采用单片机系统具备采集、监视、控制、自检查功能、通过一台设备可以发现：输电线路的故障，输电线路的负荷、自身的运行情况（当设备自身某种故障，微机保护通过自检功能，把故障进行呈现），采用计算机原理进行远程控制和监视;由于微机保护采用各种电力逻辑运算来实现保护功能，所以只需要采集线路上的电流电压，这样大大简化了接线;微机保护的保护出口、遥控出口、就地控制出口都是通过一组继电器动作的，所以非常可靠;微机保护采用计算机控制功能，保护定值、保护功能、保护手段采用程序逻辑，这样可以随时修改保护参数，修改保护功能，不用重新调试;微机保护还具备通讯功能，可以通过网络把用户所需要的各种数据传输到监控中心，进行集中调度;微机保护采用光电隔离技术，把所有采集上来的电信号统一形成光信号，这样有强电流攻击时候，设备可以建立自身保护机制;微机保护采用CPU进行数据处理，加大了数据处理速度;微机保护的寿命长，由于设备在正常状态处于休眠状态，只有程序实时运行，各个元器件的寿命大大加长;微机保护具备时钟同步功能，对于故障可以记录，采用故障录波的方式把故障记录下来，便于对故障的分析;微机保护采用了多层印刷板和表面贴装技术，因而具有很高的可靠性和抗干扰能力;易用性：中文用户界面标准化，易学、易用、易维护;经济分析：微机保护从单套价来说比常规保护约贵些，但使用的电缆数量极少、屏柜少、特别是使用寿命长达25年、运行费用（管理费用、维护费用等）比常规保护降低60%，综合费用还是比常规保护少许多等诸多优点。

4、微机保护对自动化的好处

所谓变电站自动化就是将变电站的微机监控、微机保护和微机远动装置的功能统一起来，充分发挥微机作用、提高变电站自动化水平、提高变电站自动装置的可靠性、减少变电站二次系统连接线的综合自动化系统。它可以完成远动、保护、操作（防误）、测量、故障录波、事故顺序记录和运行参数自动记录等功能，并且具有很高的可靠性，可以实现变电站无人值班运行。变电站综合自动化的优点是：大大地简化了变电站二次部分的硬件配置，避免了重复;大大地简化了变电站二次设备之间的连线;大大地减轻了安装施工和维护工作量，也降低了总造价;为运行管理自动化水平的提高打下了基础。

变电站微机保护测控系统的施工过程，是由施工单位依据设计资料和现场需求将微机保护测控系统内外的相关设备进行物理安装接线，随后对微机保护测控系统内外的装置和计算机进行参数设置的过程，其中的任何环节失误，都可能导致系统异常?微机保护测控系统的调试验收工作，是通过一定的试验和检查的方法，验证其资料是否齐全、工作是否正常、是否能呈现出用户所需的最终应用效果的过程?其目的是确保系统功能正确、完整、规范的实现，以及保障后续维护工作的顺利开展?

参考文献：

[1]电气二次回路识图（第二版）;化学工业出版社2015.05;王越明等;

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[4]电力系统继电保护原理及仿真;机械工业出版社2015.05;于群、曹娜 著

[5]10kv微机保护的工作原理图;

[6]10kv微机保护的功能说明书;

[7]10kv微机保护的主要功能及工作原理;

[8]CSC-280系列数字式保护（测控）装置技术说明书;北京四方继保自动化2011.02;

[9]PCS-9611L_180142线路保护裝置技术和使用说明书;南瑞继保2018;

[10]PSL 641U线路保护测控装置技术说明书V1.24（福建版本）

[11]施耐德Sepam 1000+ 20（426-MV）技术说明书;

[12]UT-811S线路保护测控装置技术说明书;珠海优特电力2017.06;

[13]YZ320H系列综合微机保护装置V2.2技术和使用说明书;远征科技2016.10

（作者单位：福州亿力电力工程有限公司配电工程分公司）