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高压开关设备中微机综合保护装置的作用与选择

近年来，微机综合保护装置在中高压配电系统项目中的应用显著增加。这些装置用户友好，并克服了传统继电保护的缺点，如接线复杂、可靠性低以及设置和调试程序繁琐。微机综合保护装置具有全面的自诊断功能，使检测和调试非常方便。

一旦检测到异常，中央处理单元（CPU）会命令信号发生器发出相应的声光报警信号。此外，还可以轻松实现各种辅助功能，例如打印故障信息和记录事件后的保护动作时间。许多制造商生产这些装置，每个产品都具有不同的功能和硬件配置，因此选择最合适的综合保护装置具有一定的挑战性。

I. 微机综合保护装置的选择

为了确保微机综合保护装置能够正确准确地完成其继电保护任务，在设计阶段应基于对可靠性、响应时间、维护和调试便利性及附加功能的全面评估进行选择。

1.1 微机综合保护装置的可靠性

微机综合保护装置的信号输入与传统继电保护相同：电压和电流信号从电压互感器（VTs）和电流互感器（CTs）引入，由变换器转换成保护装置所需的标准信号，并通过滤波去除低阶和高阶谐波及其他干扰信号。模数（A/D）转换器将模拟信号转换为数字信号。CPU对数字输入进行计算，与预设值进行比较，做出判断，并决定是否触发报警或跳闸。

为了满足可靠性要求，测量和保护输入信号由装置内的独立处理单元处理和输出。这确保了高测量精度，并在严重故障时提供了充足的裕度。当故障信号电流达到正常值的20倍时，装置不应出现A/D溢出或饱和，这通常能满足典型工程应用的可靠性要求。

1.2 微机综合保护装置的响应时间

在设计和选择过程中，只能根据三个指标来判断保护装置的质量：计算精度、响应时间和计算负载。这三个因素是相互矛盾的：较低的计算精度和较小的计算负载会导致更快的响应时间，而较高的精度和较大的负载则会导致较慢的响应时间。一般来说，对于电网终端用户，计算负载应大于3倍，计算精度应高于0.2%，最大响应时间应小于30毫秒，以满足典型的工程响应时间要求。

1.3 微机综合保护装置其他功能的选择

综合保护装置包含大量集成电路芯片，需要高水平的技术知识进行维护。在选择时，应优先考虑模块化和通用硬件的装置，以便通过更换模块解决硬件故障，从而提高工作效率。

此外，保护装置应内置EPROM模块，使所有设定值能够以数字形式存储。现场人员可以在调试或电路故障修复后轻松调用这些设定值，而无需重新写入数据。为了与整体项目的自动化监控系统集成，保护装置应具有通信能力，通过数据总线轻松组网，并将动作信息传输到上级自动化监控系统。

2. 综合保护装置与全厂自动化控制系统的关系

根据工厂自动化控制系统的配置和通信要求，微机综合保护装置的自动化系统通常分为三层：开关层、变电站层和中央控制室。

2.1 开关层

开关层由各种类型的微机综合保护装置组成，直接安装在开关柜上。每个装置直接处理其所在柜的测量、保护信号和控制功能。具体功能如下：

(1) 进线柜

• 保护功能：瞬时过流跳闸、延时过流跳闸。

• 测量功能：三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能。

• 监控功能：断路器开/闭位置。

• 控制功能：手动开/闭（在柜上）、远程控制开/闭。

• 报警功能：故障跳闸、警告信号、开/闭、装置故障、故障录波等。

(2) 变压器柜

• 保护功能：瞬时过流跳闸、延时过流跳闸、反时限过载、单相接地故障、重瓦斯跳闸。

• 测量、监控和控制功能：同进线柜。

• 报警功能：故障跳闸、轻瓦斯、温度报警、警告信号、开/闭、装置故障、故障录波等。

(3) 母线柜

• 保护、监控和控制功能：同进线柜。

• 报警功能：故障跳闸、装置故障、故障录波等。

(4) 电机柜

• 保护功能：瞬时过流跳闸、延时过流跳闸、过载、单相接地故障、低电压、过热。

• 测量功能：三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能。

• 监控功能：断路器开/闭位置。

• 控制功能：手动开/闭（在柜上）、远程控制开/闭。

• 报警功能：故障跳闸、警告信号、开/闭、装置故障、故障录波等。

在各自开关柜内采集数据后，保护装置通过总线将数据传输到变电站层的监控计算机。该系统大大减少了控制电缆的数量，缩短了现场调试时间，提高了工作效率。

2.2 变电站层

变电站中的许多信号需要通过工厂的工业以太网传输到中央控制室，同时变电站接收来自中央控制室的信号并向保护装置发出控制命令。变电站层通常由工业控制计算机、打印机和显示器组成。其主要功能包括配置和管理开关柜综合保护装置、监控系统运行、建立和管理变电站数据库以及与中央控制室通信。

由于制造商对其保护装置软件和电气计算方法保密，变电站层还必须处理通信协议转换，以促进中央控制室与保护装置之间的信号传输和接收。

2.3 通信网络

开关柜与变电站之间的通信可以使用MODbus总线网络，最多支持64个从站。通信网络与设备之间采用光电隔离，防止外部干扰。变电站与中央控制室之间的通信使用光纤介质的工业以太网，通信速率大于1 Mbps。

2.4 软件

系统软件可以使用国际标准架构的主流平台，如Windows NT。软件模块应包括：主控软件、图形软件、数据库管理软件、报表生成软件和通信软件。

在选择软件时，主控软件应具有高度模块化。高模块化允许现场人员根据现场条件轻松调用软件，而无需额外编程，大大减少了调度员和维护人员的操作和维护工作量，提高了工作效率。

3. 选择微机综合保护装置硬件时应注意的问题

此外，在选择微机综合保护装置的硬件时，还应注意以下问题：

• 使用密封加固的机箱，抗强振动和干扰，紧凑的安装尺寸适合恶劣环境和柜内安装。

• 采用工业级双CPU结构，每个装置包含一个主CPU和一个通信CPU。两个CPU以互检模式工作，提高了装置的响应时间和准确性，防止误操作或拒动，增强了稳定性和可靠性。

• 全范围温度自动补偿，使装置能在-20°C至+60°C的环境中长期运行。

• 装置内部测量和保护信号分别处理，既满足精度要求，又满足保护范围和可靠性要求。

• 使用专用频率采样电路精确跟踪电网频率，使电量计算更准确。

• 数字输入和输出信号采用光电隔离，柜内布线使用屏蔽电缆，有效防止外部干扰信号，提高装置的抗干扰能力。

• 使用大屏幕LCD显示屏和软键盘，数值显示更清晰，操作更方便。

• 调试和运行后，各种保护模式的设定值以数字形式存储在EPROM中，便于调试或电路故障修复后的调用。

• 包含适用于控制各种类型断路器的综合断路器控制电路，便于变电站升级。

• 具备全面的事故分析能力，包括保护动作事件记录、电量信号越限记录和故障录波。

4. 微机综合保护装置在高压开关设备中的作用

微机保护装置保护电路免受异常状况的影响。它们在高压开关设备中的作用如下：

微机保护装置具有强大的数据处理、逻辑运算和信息存储能力，具有先进的内部架构。它们提供传统的继电保护的全部保护功能。通过接收来自电流互感器和电压互感器等测量组件的信号，装置可以监测、控制和保护电路状态。这包括短路、过载、单相接地故障等保护。没有保护装置的情况下，这些功能在高压开关设备中是通过继电器实现的。使用微机保护装置后，还增加了诸如远程控制的容易接受、与上级系统通信以传输电路的电流、电压、功率和电能量信号，以及方便调整保护设定等功能。