變電站的微機型二次設(shè)備的工作方式及設(shè)備功能

二次接線與繼電保護作為兩個專業(yè)分開。雖然兩者有著千絲萬縷的聯(lián)系，但是在教學(xué)上應(yīng)該予以更大程度的獨立化，進行二次接線的學(xué)習(xí)，或者說盡快的學(xué)會看二次圖紙，不涉及較深的繼電保護原理。在微機保護時代，一般技術(shù)人員已經(jīng)很少參與保護裝置的研發(fā)工作，所以，對于微機保護在繼電保護原理方面的工作方式，我們當(dāng)中的大多數(shù)人不需要進行太深入的學(xué)習(xí)。很多知識點，我們只要簡單的了解或者記住結(jié)論就可以了。

“二次回路復(fù)雜嗎？難學(xué)嗎？”事實上，我認(rèn)為，只要你明白一個“干電池、開關(guān)、燈泡”組成的照明回路是如何工作的，那么你就算是入門了。

為什么這么說呢？針對二次回路分析的文章有很多，從各個方面對繪圖、識圖等方面進行了闡述。實事求是的講，作為入門的一種學(xué)習(xí)途徑，我認(rèn)為大家恰恰忽略了最為簡單的方法：從純粹電路學(xué)的角度來看二次回路。二次回路是什么？它的本質(zhì)就是一個兩端電壓為220V的直流回路罷了。從電路學(xué)的角度來看二次回路，也正符合了我最初“盡量拋開繼電保護原理”學(xué)習(xí)二次回路的思路。

第一章微機型二次設(shè)備的工作方式

一般來說，我們將變電站內(nèi)所有的微機型二次設(shè)備統(tǒng)稱為“微機保護”，實際上這個叫法是很不確切的。從功能上講，我們可以將變電站自動化系統(tǒng)中的微機型二次設(shè)備設(shè)備分為微機保護、微機測控、操作箱（目前一般與微機保護整合為一臺裝置內(nèi)，以往多為獨立裝置）、自動裝置、遠(yuǎn)動設(shè)備等。按照這種分類方法，可以將二次回路的分析更加詳細(xì)，易于理解。現(xiàn)簡單介紹一下各類設(shè)備的主要功能：

微機保護采集電流量、電壓量及相關(guān)狀態(tài)量數(shù)據(jù)，按照不同的算法實現(xiàn)對電力設(shè)備的保護功能，根據(jù)計算結(jié)果做出判斷并發(fā)出針對斷路器的相應(yīng)操作指令。

微機測控的主要功能是測量及控制，可以采集電流量、電壓量及狀態(tài)量并能發(fā)出針對斷路器及其它電動機構(gòu)的操作指令，取代的是常規(guī)變電站中的測量儀表（電流表、電壓表、功率表）、就地及遠(yuǎn)傳信號系統(tǒng)和控制回路。

操作箱用于執(zhí)行各種針對斷路器的操作指令，這類指令分為合閘、分閘、閉鎖三種，可能來自多個方面，例如本間隔微機保護、微機測控、強電手操裝置、外部微機保護、自動裝置、本間隔斷路器機構(gòu)等。

自動裝置與微機保護的區(qū)別在于，自動裝置雖然也采集電流、電壓，但是只進行簡單的數(shù)值比較或“有、無”判斷，然后按照相對簡單的固定邏輯動作發(fā)出針對斷路器的相應(yīng)操作指令。這個工作過程相對于微機保護而言是非常簡單的。

1.1微機保護與測控的工作方式

微機保護是根據(jù)所需功能配置的，也就是說，不同的電力設(shè)備配置的微機保護是不同的，但各種微機保護的工作方式是類似的。一般可概括為“開入”與“開出”兩個過程。事實上，整個變電站自動化系統(tǒng)的所有設(shè)備幾乎都是以這兩種模式工作，只是開入與開出的信息類別不同而已。

微機測控與微機保護的配置原則完全不同，它是對應(yīng)于斷路器配置的，所以，幾乎所有的微機測控的功能都是一樣的，區(qū)別僅在于其容量的大小而已。如上所述，微機測控的工作方式也可以概括為“開入”與“開出”兩個過程。

1.1.1開入

微機保護和微機測控的開入量都分為兩種：模擬量和數(shù)字量。

1.1.1.1模擬量的開入

微機保護需要采集電流和電壓兩種模擬量進行運算，以判斷其保護對象是否發(fā)生故障。變電站配電裝置中的大電流和高電壓必須分別經(jīng)電流互感器和電壓互感器變換成小電流、低電壓，才能供微機型保護裝置使用。

微機測控開入的模擬量除了電流、電壓外，有時還包括溫度量（主變壓器測溫）、直流量（直流電壓測量）等。微機測控開入模擬量的目的主要是獲得其數(shù)值，同時也進行簡單的計算以獲得功率等電氣量數(shù)值。

1.1.1.2數(shù)字量的開入

數(shù)字量也稱為開關(guān)量，它是由各種設(shè)備的輔助接點通過“開/閉”轉(zhuǎn)換提供，只有兩種狀態(tài)。

對于110kV及以下電壓等級的設(shè)備而言，微機保護對外部數(shù)字量的采集一般只有“閉鎖條件”一種，這個回路一般是電壓為直流24V的弱電回路。對于220kV設(shè)備而言，由于配置雙套保護裝置，兩套保護裝置之間的聯(lián)系較為復(fù)雜。

微機測控對數(shù)字量的采集主要包括斷路器機構(gòu)信號、隔離開關(guān)及接地開關(guān)狀態(tài)信號等。這類開關(guān)量的觸發(fā)裝置（即輔助開關(guān)）一般在距離主控室較遠(yuǎn)的地方，為了減少電信號在傳輸過程中的損失，通常采用電壓為直流220V的強電回路進行傳輸。同時，為了避免強電系統(tǒng)對弱點系統(tǒng)形成干擾，在進入微機運算單元前，需要使用光耦單元對強電信號進行隔離、轉(zhuǎn)變成弱電信號。

1.1.2開出

對微機保護而言，開出是指微機保護根據(jù)自身采集的信息，加以運算后對被保護設(shè)備目前狀況作出的判斷以及針對此狀況作出的反應(yīng)，主要包括操作指令、信號輸出等反饋行為。反饋行為是指微機保護的動作永遠(yuǎn)都是被動的，即受設(shè)備故障狀態(tài)激發(fā)而自動執(zhí)行的。

對微機測控而言，開出指的是對斷路器及各種電動機構(gòu)（隔離開關(guān)、接地開關(guān)）發(fā)出的操作指令。與微機保護不同的是，微機測控不會產(chǎn)生信號，而且其操作指令也是手動行為的，即人工發(fā)出的。

1.1.2.1操作指令

一般來講，微機保護只針對斷路器發(fā)出操作指令，對線路保護而言，這類指令只有兩種：“跳閘”或者“重合閘”；對主變保護、母差保護而言，這類指令只有一種：“跳閘”。

在某些情況下，微機保護會對一些電動設(shè)備發(fā)出指令，如“主變溫度高啟動風(fēng)機”會對主變風(fēng)冷控制箱內(nèi)的風(fēng)機控制回路發(fā)出啟動命令；對其它微機保護或自動裝置發(fā)出指令，如“母線差動保護動作閉鎖線路重合閘”、“母差動作閉鎖備自投”等。微機保護發(fā)出的操作指令屬于“自動”范疇。

微機測控發(fā)出的操作指令可以針對斷路器和各類電動機構(gòu)，這類指令也只有兩種，對應(yīng)斷路器的“跳閘”、“合閘”或者對應(yīng)電動機構(gòu)的“分”、“合”。微機測控測控發(fā)出的操作指令屬于“手動”范疇，也就是說，微機測控的操作指令必然是人為作業(yè)的結(jié)果。

1.1.2.2信號輸出

微機保護輸出的信號只有兩種：“保護動作”、“重合閘動作”。線路保護同時具備這兩種信號，主變壓器保護值輸出保護動作一種信號。至于“裝置斷電”等信號屬于裝置自身故障，嚴(yán)格意義上不屬于“保護”范疇。

微機測控不產(chǎn)生信號。嚴(yán)格意義上講，它會將自己采集的開關(guān)量信號進行模式轉(zhuǎn)換后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，起到單純的轉(zhuǎn)接作用。這里所說的“不產(chǎn)生信號”，是相對于微機保護的信號產(chǎn)生原理而言的。

1.2操作箱的工作方式

操作箱內(nèi)安裝的是針對斷路器的操作回路，用于執(zhí)行微機保護、微機測控對斷路器發(fā)出的操作指令。操作箱的配置原則與微機測控是一致的，即對應(yīng)于斷路器，一臺斷路器有且只有一臺操作箱。一般來講，在同一電壓等級中，所有類型的微機保護配備的操作箱都是一樣的。在110kV及以下電壓等級的二次設(shè)備中，由于操作回路相對簡單，目前已不再設(shè)置獨立的操作箱，而是將操作回路與微機保護整合在一臺裝置中。但是需要明確的是，盡管在一臺裝置中且有一定的電氣聯(lián)系，操作回路與保護回路在功能上仍是完全獨立的。

1.3自動裝置的工作方式

變電站內(nèi)最常見的自動裝置就是備自投裝置和低周減載裝置。自動裝置的功能主要是為了維護整個變電站的運行，而不是象微機保護一樣針對某一個間隔。例如備自投主要是為了防止全站失壓而在失去工作電源后自動接入備用電源，低周減載是為了防止因負(fù)荷大于電廠出力造成頻率下降導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，按照事先設(shè)定的順序自動切除某些負(fù)荷。自動裝置的具體工作過程將在后面的章節(jié)中專門詳細(xì)介紹。

1.4微機保護、測控與操作箱的聯(lián)系

對一個含斷路器的設(shè)備間隔，其二次系統(tǒng)需要三個獨立部分來完成：微機保護、微機測控、操作箱。這個系統(tǒng)的工作方式有三種，如下所述。

①在后臺機上使用監(jiān)控軟件對斷路器進行操作時，操作指令通過網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)微機測控里的控制回路，控制回路發(fā)出的對應(yīng)指令通過控制電纜到達(dá)微機保護里的操作箱，操作箱對這些指令進行處理后通過控制電纜發(fā)送到斷路器機構(gòu)的控制回路，最終完成操作。動作流程為：微機測控——操作箱——斷路器。

②在測控屏上使用操作把手對斷路器進行操作時，操作把手的控制接點與微機測控里的控制回路是并聯(lián)的關(guān)系，操作把手發(fā)出的對應(yīng)指令通過控制電纜到達(dá)微機保護里的操作箱，操作箱對這些指令進行處理后通過控制電纜發(fā)送到斷路器機構(gòu)的控制回路，最終完成操作。使用操作把手操作也稱為強電手操，它的作用是防止監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生故障時（如后臺機“死機”等）無法操作斷路器。所謂“強電”，是指操作的啟動回路在直流220V電壓下完成，而使用后臺機操作時，啟動回路在微機測控的弱電回路中。動作流程為：操作把手——操作箱——斷路器。

③微機保護在保護對象發(fā)生故障時，根據(jù)相應(yīng)電氣量計算的結(jié)果

做出判斷并發(fā)出相應(yīng)的操作指令。操作指令通過裝置內(nèi)部接線到達(dá)操作箱，操作箱對這些指令進行處理后通過控制電纜發(fā)送到斷路器機構(gòu)的控制回路，最終完成操作。動作流程為：微機保護——操作箱——斷路器。

微機測控與操作把手的動作都是需要人為操作的，屬于“手動”操作；微機保護的動作是自動進行的，屬于“自動”操作。操作類型的區(qū)別對于某些自動裝置、聯(lián)鎖回路的動作邏輯是重要的判斷條件，將在相關(guān)的章節(jié)中具體介紹。

1.4.1 110kV電壓等級二次設(shè)備的分布模式

針對110kV電壓等級設(shè)備，目前各大商一講微機保護與操作箱整合為一臺裝置，即操作箱不再以獨立裝置的的形式配置。以110kV線路為例，各大廠商配置如表1-1所示。

表1-1

從組屏方案上來看，微機保護和信號按鈕安裝在110kV線路保護屏上，微機測控、操控把手及切換把手安裝在110kV線路測控屏上。

1.4.2 35/10kV電壓等級二次設(shè)備的分布模式

針對35/10kV電壓等級的設(shè)備，各大廠商均已將其二次設(shè)備系統(tǒng)整合為一臺裝置，推薦就地安裝模式（即一次設(shè)備為開關(guān)柜時，二次設(shè)備全部安裝在開關(guān)上）以節(jié)省控制電路。例如，對10kV線路，許繼公司配置的設(shè)備型號是WXH-821，南瑞公司配置的設(shè)備型號是RCS-9611，它們都是保護、測控和操作箱一體化的裝置。一般來講，35kV線路與10kV線路使用的二次設(shè)備型號是相同的，這是因為其保護配置相同。

第二章 電流互感器和電壓互感器

關(guān)于電流互感器和電壓互感器的具體工作原理，言語篇幅就不在詳細(xì)介紹了，本章主要以及各問題為例對這兩種設(shè)備的選擇進行一下簡要的介紹。

2.1.電流互感器的選擇

電流互感器（CT）的作用是將一次設(shè)備中的大電流轉(zhuǎn)換成功二次設(shè)備使用的小電流，其工作原理相當(dāng)一個阻抗很小的變壓器。電流互感器一次繞組與主電路串聯(lián)，二次繞組接負(fù)荷。

2.1.1 5A還是1A?

電流互感器的變比一般為X：5A。它的含義是：首先，X不小于該設(shè)備可能出現(xiàn)的最大長期負(fù)荷電流，如此即可保證一般情況下CT二次側(cè)電流不大于5A；其次，在被保護設(shè)備發(fā)生故障時，在短路電流不使CT飽和的情況下，CT二次側(cè)電流可以按照此變比從一次電流折算。

在超高壓電廠和變電站中，如果高壓配電裝置遠(yuǎn)離控制室，為了增加電流互感器的二次允許負(fù)荷，減小連接電纜的導(dǎo)線界面及提高準(zhǔn)確等級，多選用二次額定電流為1A的電流互感器。相應(yīng)的，微機保護裝置也應(yīng)選用交流電流輸入為1A的產(chǎn)品。根據(jù)目前新建110kV變電站的規(guī)模及布局，絕大多數(shù)都是選用二次側(cè)電流為5A的電流互感器。

2.1.2 10P10、0.5還是0.2？

在變電站中，電流互感器用于三種回路：保護回路、測量回路和計量回路，而這三種回路對電流互感器的準(zhǔn)確級要求是不同的。最常見的三種準(zhǔn)確級就是我們上面所列的用于保護的10P10、用于測量的0.5和用于計量的0.2。簡單地講，測量、計量級繞組著重于精度，即誤差要??；保護級繞組著重于抗飽和能力，即在發(fā)生短路故障時，一次電流超過額定電流許多倍的情況下，一次電流與二次電流的比值仍在一定允許誤差范圍內(nèi)接近理論變比。

對于0.5、0.2級電流互感器而言，0.5或0.2就是其比值誤差，計算公式為：(IA-IB)/ IB。

式中IA為二次側(cè)實測電流；IB為根據(jù)一次側(cè)實測電流和理論變比折算出的理論二次電流。

比值差的最小值分別為±0.5％和±0.2％。需要注意的，此類電流互感器的不保證在短路條件下滿足此比值差。

對于保護級（P）的電流互感器而言，準(zhǔn)確級分為5P和10P兩種，其額定一次電流下的比值誤差是固定的，分別為±1％和±3％，復(fù)合誤差分別為5％和10％。5P20級的電流互感器的含義我們可以簡單的認(rèn)為是：在電流互感器一次電流為20倍額定電流時，其二次電流誤差為5％。一般來講，10P級已經(jīng)能夠滿足110kV變電站的需要，至于是10倍還是20倍過流，需要根據(jù)實際的潮流及短路計算確定。

2.1.3星形還是三角形？

電流互感器二次繞組的接線常用的有三種，完全星形接線、不完全星形接線和三角形接線，其接線形式及電流方向如圖3-1所示。

完全星形接線：三相均配置電流互感器，可以反映單相接地故障、相間短路及三相短路故障。目前，110kV線路及變壓器、10kV電容器等設(shè)備配置的電流互感器均采用此接線方式。

不完全星形接線：僅在A、C兩相配置電流互感器，反映相間短路及A、C相接地故障。目前，10kV架空線路在不考慮“小電流接地選線”功能（以下簡稱“選線”）的情況下多采用此接線方式，以節(jié)省一組電流互感器；否則，必須配置三組電流互感器，以獲得零序電流實現(xiàn)“選線”功能。10kV線路采用電纜出線方式時，由于配置了專用的零序電流互感器實現(xiàn)“選線”功能，電流互感器均按不完全星形接線方式配置。

三角形接線：三相均配置電流互感器。在繼電器保護時代，這種接線用于“Y，d11”接線的變壓器的差動保護的高壓側(cè)，使變壓器星形側(cè)二次電流超前一次電流30°，從而和變壓器低壓側(cè)（電流互感器接成完全星形）二次電流相位相同。目前，主變微機差動保護本身可以實現(xiàn)因主變接線組別造成的相位角差的校正，主變星形側(cè)和三角形側(cè)電流互感器均采用完全星形接線。三角形接線已經(jīng)不再使用。

2.1.4 A、C還是A、B、C？

變電站主要設(shè)備的電流互感器配置情況如圖2-2所示。

在圖2-2中，針對不同設(shè)備保護、測控的需要，電流互感器的配置也是不同的。

①變壓器和電容器屬于元件保護，必須在三相都配置電流互感器；

②110kV線路屬于大電流接地系統(tǒng)，配置有零序電流保護，而且發(fā)生單相接地故障時保護應(yīng)動作跳閘，所以必須在三相都配置電流互感器；

③10kV線路屬于小電流接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地后允許單相接地運行一段時間，為節(jié)省一組電流互感器，往往只在A、C兩相配置電流互感器。同時，這種配置在同一母線上同時發(fā)生兩條線路單相接地故障時，有2/3的機會只切斷一條線路。由于兩相CT無法計算出零序電流，所以在電纜出線中配置了專用的零序電流互感器，用于測量零序電流供小電流接地選線裝置使用。10kV線路的電流互感器配置原則與10kV線路類似。

2.1.5接地還是不接地？

電流互感器的二次側(cè)不允許開路，而且在星形接線中，電流互感器二次側(cè)中性點必須接地，只是在不同情況下的接地點不同。在110kV變電站中，只有主變高、低壓側(cè)用于差動保護的電流互感器二次側(cè)是在主變保護屏一點接地，其余均是在電流互感器現(xiàn)場接地（按不配置110kV母線差動保護考慮）。具體的接地方法將在各章節(jié)里詳細(xì)講述。

用于元件差動保護的各電流互感器的二次側(cè)必須在一點接地，例如主變差動保護、母線差動保護。高壓線路差動保護是依靠光纖傳輸電流量（經(jīng)過變換以后）進行比對實現(xiàn)的，不是直接由差電流啟動保護元件，所以線路兩端電流互感器二次側(cè)各自單獨接地。

2.2.電壓互感器

電壓互感器的作用是將電力系統(tǒng)的一次電壓按一定的變比轉(zhuǎn)換為要求的二次電壓，其工作原理與變壓器基本相同。電壓互感器的一次繞組并聯(lián)接在主電路上，二次繞組接負(fù)荷。

2.2.1 Vv、星形還是開口三角?

電壓互感器的接線方式主要有Vv接線和星形/星形（開口三角）兩種，如圖2-3所示。

Vv接線為不完全三角形接線，其一次繞組不能接地，二次繞組接地。V-V接線的特點是：只用兩支單相電壓互感器就可以獲得三個對稱的線電壓，但是無法得到相對地的電壓。Vv接線以前較廣泛地應(yīng)用于各種電測儀表，目前新建110kV變電站已經(jīng)不再使用這種接線方式。

星形/星形（開口三角）接線是目前廣泛采用的接線方式，其一次繞組和二次繞組均接地。在這種接線方式中，從星形二次繞組可以獲得相對地的電壓、線電壓和相對中性點電壓,從開口三角繞組獲得零序電壓。所以，在電壓互感器二次側(cè)，每相配置三個線圈，取每相的0.5級二次線圈結(jié)成星形接線，用于提供測量及保護電壓；取每相的0.2級二次線圈結(jié)成星形接線，用于提供計量電壓；取每相的3P級二次線圈結(jié)成開口三角接線，用于提供零序保護電壓。在以后各章節(jié)中，論及電壓互感器時，均指此種接線方式。

審核編輯：郭婷