電力系統(tǒng)繼電保護定期校驗問題綜述及其展望

趙曉明，吳建偉

（1．浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；2．浙江省送變電工程公司，杭州 310016）

電力系統(tǒng)繼電保護等二次設備在電網(wǎng)穩(wěn)定運行中起著舉足輕重的作用，但二次設備運行中一般不允許對其加以試驗，所以在繼電保護新設備投入運行前必須做詳盡的交接試驗。如果在基建過程中保護設備校驗不到位，在投入運行后就可能出現(xiàn)問題，另一方面保護自身也可能存在一定缺陷，隨著運行時間的增加，潛在的問題逐一顯現(xiàn)。繼電保護定期校驗是發(fā)現(xiàn)和處理各種潛在缺陷的重要手段，規(guī)程要求所有繼電保護裝置應進行定期校驗工作，校驗周期一般隨一次設備檢修預防性試驗而實施。

1 浙江500 kV電網(wǎng)主要保護配置情況

浙江500 kV電網(wǎng)中，繼電保護設備多為進口，其中主要設備提供商為AREVA公司、ABB公司、GE公司等。近兩年隨著國產(chǎn)設備的性能不斷提升，國產(chǎn)設備所占比例逐漸提高。繼電保護設備多為微機型裝置，保護原理先進，自動化程度高，提供靈活的用戶可編程PSL邏輯功能，但保護邏輯復雜，某些保護裝置抗電磁干擾能力弱，運行時可能會出現(xiàn)一些故障。表1給出了浙江500 kV電網(wǎng)主要保護配置情況，從表中可以看出保護品種型號較多，給調試工作提出了更高的要求。

表1 浙江500 kV電網(wǎng)主要保護配置情況

2 定期校驗中遇到的問題

2.1 REB103母差保護問題[1-2]

ABB公司生產(chǎn)的REB103型中阻抗母線差動繼電器由于具有靈敏度高、動作速度快、可靠性高等優(yōu)點，在浙江省500 kV及220 kV電壓等級電網(wǎng)中得到了廣泛的應用。但在多個500 kV變電站的母差保護定期校驗中，發(fā)現(xiàn)了多起REB103型母差保護不安全運行事例。

（1）誤將備用間隔母差保護輔助TA一次側短接，可能導致母線故障時母差拒動。分別在3個500 kV變電站的母差保護定校中發(fā)現(xiàn)，備用間隔母差保護輔助TA一次側短接。如圖1所示，IT3和IL分別為等效流入和流出差動保護的電流，ZMCC為備用間隔輔助TA等效開路測量阻抗。正常情況下ZMCC阻抗很大，可認為幾乎開路，當備用輔助TA一次側短接時，相當于ZMCC由開路阻抗變?yōu)槎搪纷杩?，差動回路被旁路，阻抗值急劇下降，這時一旦母線故障，ID1差動電流將被嚴重分流，母差保護將拒動。

圖1 REB103母差保護備用間隔輔助TA短接時等效電路

（2）在某些特殊操作方式下，若母聯(lián)或分段斷路器在現(xiàn)場就地合閘，而母差保護中母聯(lián)或分段的電流切換沒有完成，會引起母差保護TA斷線告警，導致保護退出運行。在母聯(lián)或分段斷路器改非自動時，應注意母聯(lián)或分段操作電源與母差保護操作電源的選擇。另外，因為母聯(lián)及分段的合閘出口是在母差保護屏上，建議增加合閘出口壓板，以增加在檢修母差保護時的安全性。

（3）少數(shù)變電站停用母差保護操作規(guī)程步驟中規(guī)定先插入保護出口閉鎖插拔，然后拉開裝置電源，進行大電流試驗端子切換。按照上述操作步驟，裝置電源失去時保護裝置的雙位置繼電器將不能動作，這時如果切換大電流試驗端子產(chǎn)生的差流超過100 mA，長時間通過差動回路有可能造成繼電器損壞。建議在斷開裝置電源前先按下保護BLOCK閉鎖按鈕，手動閉鎖差動保護，這樣在大電流試驗端子切換過程中就不會有電流通過差動回路，或在停用保護時不斷開裝置電源，這樣當繼電器檢測出差流后，通過雙位置繼電器自動斷開跳閘回路、短接差動回路電阻。

（4）根據(jù)設計要求，有些情況下母差保護動作后跳閘繼電器需要自保持且需要手動復歸，否則合閘開關會立即跳開，這就要求在保護鎖存跳閘繼電器動作后要及時復歸。

（5）如果母差保護大電流試驗端子的絕緣不良會出現(xiàn)電流回路分流，這種潛在的危險在母線輕負荷運行時不易發(fā)現(xiàn)，但一旦發(fā)生故障，則有可能造成母差保護拒動或誤動。大電流試驗端子底座有些是固定在導電的金屬板上，如果安裝不當，就有可能發(fā)生試驗端子通過導電的金屬板接地造成電流回路分流。建議制造廠家在安裝大電流試驗端子時改用絕緣板來固定，避免給運行帶來安全隱患。

（6）某變電站因擴建新上間隔，對REB103母差保護進行帶負荷試驗。當切換新上間隔TA大電流試驗端子時，保護并沒有出現(xiàn)預期的TA斷線告警現(xiàn)象，沒有因此被閉鎖，在這種工況下一旦母線發(fā)生區(qū)外故障，故障電流將流進差動回路，保護將可能誤動。重做上述試驗，發(fā)現(xiàn)問題的產(chǎn)生歸結于保護備用輔助TA勵磁電流的分流影響，致使TA斷線告警靈敏度降低。為避免上述情況發(fā)生，尤其是在線路輕負荷下發(fā)生，建議適當降低TA斷線定值，提高其靈敏度。

（7）在某變電站REB103母線保護定校中發(fā)現(xiàn)，主變220 kV失靈保護解除母線復壓閉鎖回路設計上存在一個嚴重缺陷，有可能造成事故范圍的擴大。改進措施：對母線互聯(lián)切換回路接線進行改進，如圖2虛線框所示，利用互聯(lián)切換中間繼電器的備用常開接點，在主變解復壓閉鎖回路中并入互聯(lián)重動接點。“互聯(lián)”方式運行時并接正、副母復壓開放元件兩個回路，可實現(xiàn)母線互聯(lián)時主變失靈保護同時解除兩段母線復壓閉鎖。

圖2 主變解復壓閉鎖回路

2.2 保護整定值和可編程邏輯問題

（1）在定期校驗中多次發(fā)現(xiàn)保護定值輸入錯誤。比如ABB主變后備距離保護REL511定值整定與定值單不一致；ALSTOM公司P141失靈保護定值按缺省模式放置未整定；線路距離保護LFZR保護裝置尤其是其第二套定值未整定等。

（2）某些保護定值在定值單中并未給出，屬于隱含項，但這些定值同樣需要整定。如某變電站ABB主變后備距離保護REL511將電壓二次額定值整定成100 V，實際應該為57.7 V，導致與電壓相關元件動作值提高至整定值的1.732倍，可能影響TV斷線后斷開相元件的正確判別；又如ABB主變大差動保護RET521中頻率測量元件FRME未開放，該整定項定值單中沒有，導致過勵磁保護不能動作。

（3）某些保護定值單中的定值整定有誤。比如某線路差動保護P546兩側啟動電流整定不一致，導致兩側動作電流不一致；又如某主變故障錄波器非電量錄波整定與實際接線和設計不符，將導致不能正確錄波。

（4）某變電站定期校驗中發(fā)現(xiàn)RET670過勵磁保護無法啟動220 kV以及500 kV斷路器失靈保護[3-4]，只有在提高過勵磁保護出口跳閘脈寬整定時間時才能正常啟動失靈保護，導致在主變故障時事故擴大。改進措施：利用TRIP命令和過勵磁內部邏輯START輸出通過一個邏輯與門形成新的TRIP′命令，克服了單純提高跳閘脈寬整定時間有可能造成誤啟動失靈保護的安全隱患，如圖3所示。

圖3 RET670裝置過勵磁保護可編程邏輯修改

（5）某些保護可編程邏輯配置錯誤導致保護裝置內部不能正確發(fā)信，以及存在裝置邏輯不完善等問題[5]。

2.3 圖紙設計問題

（1）在定校中發(fā)現(xiàn)某些繼電保護二次回路設計錯誤。比如某變電站ABB保護REL561裝置的零序TA回路設計誤短接，這將導致線路保護的零序反時限保護不會動作。另外還有些重要的信號回路設計遺漏，沒有將其接入至監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）圖紙與現(xiàn)場實際接線不符。定校中發(fā)現(xiàn)此類問題具有一定普遍性，尤其是運行時間較久遠的變電站，這給運行人員和檢修人員帶來不便和安全隱患。

2.4 保護設備問題

（1）定校中發(fā)現(xiàn)有些電磁式繼電器的動作電壓偏低或偏高，有的接點粘牢或卡死，有的干脆拒動。

（2）保護裝置死機問題。如距離保護LFZR多次發(fā)生死機現(xiàn)象[6]，與電磁干擾特別是電磁瞬變脈沖干擾（EFT/B）有關。圖4為繼電器觸點閉合時彈跳實測波形，可以理解為近似的EFT/B標準波形，經(jīng)實測是引發(fā)EFT/B干擾的主要干擾源。試驗表明EFT的干擾一般不會損壞裝置，但因為裝置微處理器及外圍器件的各個邏輯元件都有相應的電平和噪聲容限，侵入系統(tǒng)的外來噪聲一旦超過了某種容限，就可能造成微處理器系統(tǒng)出錯，使受干擾設備工作出現(xiàn)“軟”故障，如程序混亂、數(shù)據(jù)丟失、邏輯回路不正常工作，數(shù)字系統(tǒng)的位錯、系統(tǒng)復位、內存錯誤以及死機等現(xiàn)象。對EFT干擾的抑制可以采用隔離、屏蔽、濾波、退耦、接地、限幅以及合理布線以減少雜散電容等措施。本例中，將保護動作及TV斷線掉牌信號繼電器用另一種型號繼電器代替以減少電感、雜散電容耦合程度，內部故障信號消失，保護裝置不再非正常重啟和死機，EFT干擾被可靠抑制。

圖4 繼電器觸點閉合時彈跳實測波形

（3）定校中多次發(fā)現(xiàn)Hathway故障錄波器裝置內電壓回路極性反接，導致錄波不正確。另外也多次發(fā)現(xiàn)Hathway故障錄波器的觸發(fā)不正常、部分模擬量元件損壞等問題。

（4）在對某主變距離保護進行試驗時，發(fā)現(xiàn)TV斷線邏輯5項預期結果中有1項“突變量”未滿足，后與廠家一起反復試驗，確認這套微機保護裝置DSP模塊有問題，現(xiàn)場更換了CPU板后問題得以解決。

2.5 二次回路接線問題

（1）定校中發(fā)現(xiàn)多處二次回路接線錯誤，比如某主變大差保護RET521 35 kV側TA二次繞組錯接為計量0.5S級繞組，可能導致主變35 kV側區(qū)外故障時TA飽和，引起RET521保護誤動等。

（2）接線松動，尤其是屏內某些接線。比如某主變220 kV開關本體三相不一致保護接線松動，將導致主變220 kV開關三相不一致時保護拒動。某主變5032開關監(jiān)控屏內跳閘接線松動，可能導致主變保護動作時開關三相不一致跳開關等。

（3）二次回路絕緣不好，導致直流接地以及交流、直流電源相互間干擾。

（4）定校中發(fā)現(xiàn)某些繼電保護與安全自動裝置壓板標簽貼錯或漏標。

3 繼電保護校驗技術展望

3.1 繼電保護試驗新方法研究

隨著特高壓電網(wǎng)繼電保護、數(shù)字化變電站等新技術的不斷深入發(fā)展，這些新設備的試驗方法將是下一個研究熱點。目前的現(xiàn)場繼電保護試驗，基本上以穩(wěn)態(tài)試驗為基礎，所加的試驗量均為穩(wěn)態(tài)量，沒有體現(xiàn)電網(wǎng)故障時的電磁暫態(tài)過程。利用數(shù)字化仿真電磁暫態(tài)過程，比如通過PSCAD軟件建模，再通過繼電保護設備進行故障回放，可以更加嚴格地檢驗繼電保護設備的性能。

以往縱聯(lián)保護的通道聯(lián)調試驗無論是高頻縱聯(lián)保護（比如高頻允許式距離保護）還是光纖縱差保護均受試驗裝置所限，只能在變電站兩側依次加故障量，不能充分模擬故障狀態(tài)。新的繼電保護試驗裝置已經(jīng)具備GPS觸發(fā)功能，可以在變電站兩側設置統(tǒng)一觸發(fā)時間，兩側試驗裝置將同步輸出故障量，模擬的故障狀態(tài)更趨于實際，對于區(qū)外故障和較復雜邏輯比如弱饋邏輯、信號轉發(fā)邏輯等均能較為真實的反映。這種更具真實意義的通道聯(lián)調方法對依靠縱聯(lián)通道的主保護具有更好的驗證作用。

特高壓輸電技術是電網(wǎng)技術的制高點，面對發(fā)展特高壓這一重大機遇，應積極開展這方面的科研工作。例如可以預先開展諸如特高壓電網(wǎng)繼電保護數(shù)字仿真研究等項目，增強自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的關鍵技術，實現(xiàn)技術升級，同時培養(yǎng)和儲備高水平的人才隊伍。對于新方法的研究，一是制定新的、科學的試驗標準和試驗規(guī)程以及標準化作業(yè)指導書；二是開展數(shù)字化仿真試驗；三是開展以提高效率為目的的校驗過程自動化研究。

3.2 基于IEC 61850技術的保護定期校驗技術研究

以IEC 61850技術為代表的下一代數(shù)字化變電站技術是當前繼電保護和控制領域的研究熱點。與傳統(tǒng)變電站不同，數(shù)字化變電站更換了保護和控制設備甚至一次設備之間的電纜連線，取而代之的是依靠光纖等通信介質在以太網(wǎng)上交換數(shù)據(jù)進行保護和控制行為。數(shù)字化變電站保護定期校驗在安全措施和單元劃分上與傳統(tǒng)的保護定校有很大不同：傳統(tǒng)的二次回路特別是跳閘回路一般均有可見的隔離斷開點，校驗單元和范圍劃分與一次設備相一致，基本以獨立間隔為單元，各個校驗單元一般較為獨立，相互關聯(lián)少。而數(shù)字化變電站保護之間全部靠光纜通信交換數(shù)據(jù)，跳閘等回路沒有直觀的物理斷開點，安全措施又不能單純地依靠斷開光纜簡單處置，在實踐中一般通過設置GOOSE軟隔離壓板阻斷與運行設備相關的跳閘回路，劃分交換機VLAN使運行保護數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡層面上邏輯隔離，科學合理地劃分校驗單元也是做好安全措施的關鍵點。

同時以下幾個技術問題值得關注：數(shù)字化變電站建模，數(shù)字化變電站保護與控制設備擴建技術，數(shù)字化變電站的運行維護，基于IEC 61850技術變電站的各項規(guī)程、規(guī)范、指導書等的制定，數(shù)字化變電站的安全性、可靠性評價等。

3.3 繼電保護狀態(tài)維修技術研究

狀態(tài)維修技術已成功地用于發(fā)電廠設備的維修，并正在用于輸變電設備的檢修。隨著電網(wǎng)容量的增大，維修費用占電力成本的比例也不斷提高。如何采取合理的維修策略和正確確定維修計劃，以保證在不降低安全性、可靠性的前提下節(jié)省維修費用，成為電力設備維修部門面臨的重要課題。

以可靠性為中心的狀態(tài)維修是在元件可能故障對整個系統(tǒng)可靠性影響評估的基礎上，確定維修計劃的一種維修策略。預測性維修是根據(jù)對潛伏故障進行在線或離線測量的結果和其他信息來安排維修的技術。數(shù)字化變電站的保護具備很強的自診斷功能，無論從保護裝置本身還是網(wǎng)絡都有實時的監(jiān)視診斷功能，一旦裝置故障會立即報警和采取相應的閉鎖措施。一次設備的數(shù)字化、智能化給全站統(tǒng)一狀態(tài)維修提供了必要條件，可預見將來的設備檢修將大大弱化一、二次設備之分，統(tǒng)一的狀態(tài)維修將成為趨勢。

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