電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性研究

關(guān) 悅

哈爾濱電氣國際工程有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000

0 引言

目前，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國電力行業(yè)和電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，可以保障人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)的順利進(jìn)行[1]。但由于電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，其運(yùn)行過程中不可避免地會出現(xiàn)電氣故障，電氣故障無論大小，都會影響人們的生產(chǎn)生活。因此，應(yīng)提高電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的可靠性，以保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，促進(jìn)我國電力工業(yè)的發(fā)展[2]。

1 繼電保護(hù)可靠性的重要性

電力系統(tǒng)是一個功能復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大的系統(tǒng)，系統(tǒng)外加電源或?qū)Т朋w與系統(tǒng)內(nèi)部各個組成部件有機(jī)相連。任何重要部件引起的電源故障問題都會不同程度地影響系統(tǒng)的正常可靠運(yùn)行。繼電保護(hù)作為新興電力技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，能確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提升供電質(zhì)量，從而獲得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。

電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、要求嚴(yán)格，受客觀因素和人為因素的影響，容易發(fā)生電氣故障，而且電力系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，就會直接影響整體線路的穩(wěn)定運(yùn)行，干擾正常供電[4]。因此，必須保證電力系統(tǒng)設(shè)備的可靠運(yùn)行，正確設(shè)置繼電保護(hù)裝置。

2 繼電保護(hù)可靠性的衡量指標(biāo)

2.1 可靠度

可靠性是指電子元件在一定條件和規(guī)定時間下，可以正常完成規(guī)定功能的概率[5]，一般用字母R表示?？煽慷仁菑氖褂瞄_始到失效的時間，其表達(dá)式為

式中：R(t)為電子元件的可靠度；t為規(guī)定條件下的使用時間；P為電子元件在一定條件和規(guī)定時間下正常完成規(guī)定功能的概率；T為電子元件的壽命。

如果有N個電子元件繼電保護(hù)產(chǎn)品從開始工作到t時刻的失效數(shù)為N(t)，當(dāng)N足夠大時，繼電保護(hù)產(chǎn)品在t時刻的可靠度可近似表示為

隨著時間不斷增長，R(t)將不斷下降。其是介于1與0之間的數(shù)，即0≤R(t)≤1。

2.2 累計(jì)失效概率

累積失效概率是指電子元件在規(guī)定要求下，工作到失效時間的概率[6]，用F（t）表示，表達(dá)式為

如果N個電子元件繼電保護(hù)產(chǎn)品從開始工作到t時刻的失效數(shù)為N(t)，當(dāng)N足夠大時，繼電保護(hù)產(chǎn)品在t時刻的累積失效概率可近似表示為

3 繼電保護(hù)的類型

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)主要分為系統(tǒng)主保護(hù)、后備保護(hù)、輔助故障保護(hù)和斷路器異常動作運(yùn)行故障保護(hù)四大類[7]。其中，防止主保護(hù)與后備保護(hù)在無設(shè)備故障情況下的誤動作故障十分重要。例如，在為一臺110 kV單相交流電力變壓器配置繼電保護(hù)電路時，如果電力變壓器后備保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作，會進(jìn)一步增加引起保護(hù)設(shè)備和保護(hù)系統(tǒng)動作的故障的停電保護(hù)范圍[8]。

3.1 系統(tǒng)主保護(hù)

系統(tǒng)主保護(hù)可以維持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、保護(hù)設(shè)備安全，能以最快的速度排除各類被保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的電力線路故障。主保護(hù)功能包括差動保護(hù)、氣體保護(hù)等功能。

3.2 后備保護(hù)

后備保護(hù)是在系統(tǒng)主保護(hù)斷路器或輔助斷路器發(fā)生拒絕運(yùn)行動作時專門用來快速排除故障動作的保護(hù)。

后備保護(hù)功能包括過流保護(hù)、零序電流保護(hù)、間隙零序過流保護(hù)等功能。后備保護(hù)一般可分為遠(yuǎn)程后備保護(hù)和近端后備保護(hù)。

3.2.1 遠(yuǎn)程后備保護(hù)

在遠(yuǎn)程后備保護(hù)中，在電網(wǎng)主保護(hù)裝置啟動故障、主斷路器或開關(guān)控制失靈時，可以通過遠(yuǎn)程保護(hù)系統(tǒng)連接至相鄰的獨(dú)立電力設(shè)備和系統(tǒng)或供電設(shè)備線路間，以快速實(shí)現(xiàn)故障啟動。

3.2.2 近端后備保護(hù)

近端后備保護(hù)一般是指當(dāng)主電網(wǎng)和主保護(hù)斷路器都不能按原規(guī)定動作安全工作時，由另兩組主電力設(shè)備系統(tǒng)或變電站通過另配的一組遠(yuǎn)距離備用斷路器保護(hù)主配電線路。

4 繼電保護(hù)可靠性的影響因素

4.1 外部環(huán)境因素

4.1.1 環(huán)境溫度

溫度的異常變化將使密封元件內(nèi)部的絕緣涂層熔化脫落，會導(dǎo)致密封元件材料失效和密封劑老化開裂，甚至?xí)g破壞密封絕緣殼，使填充絕緣材料大量泄漏，降低密封元件內(nèi)部的安全電氣性能。由不同結(jié)構(gòu)材料制成的繼電保護(hù)產(chǎn)品對環(huán)境溫度及其變化的敏感性和反應(yīng)不同，可對繼電保護(hù)可靠性產(chǎn)生不同的影響。

4.1.2 環(huán)境濕度

潮濕的使用環(huán)境往往會導(dǎo)致材料的機(jī)械功能和機(jī)械化學(xué)性能發(fā)生顯著變化，如機(jī)械體積急劇膨脹，機(jī)械強(qiáng)度大幅降低，機(jī)械變形等。由于涂層吸濕，密封涂層制品內(nèi)部的密封防潮性能會降低或部分破壞，涂層繼電保護(hù)產(chǎn)品表面上的防潮層易被剝離。

4.1.3 沖擊和振動

在繼電保護(hù)中，構(gòu)件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以影響繼電保護(hù)的可靠性。在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，各構(gòu)件之間劇烈的振動碰撞形成的應(yīng)力沖擊會導(dǎo)致繼電保護(hù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動變形、彎曲、開裂、斷裂等問題，影響繼電保護(hù)的可靠性。

4.2 人為因素

在繼電保護(hù)工作中，應(yīng)該落實(shí)繼電保護(hù)管理人員和值班操作人員的安全責(zé)任。安裝作業(yè)人員未按設(shè)計(jì)規(guī)程和要求進(jìn)行接線動作，使接線極性被接錯，維修工作中存在人員錯誤操作等問題在電網(wǎng)工程中很常見。在分析繼電保護(hù)的可靠性時，常忽略設(shè)計(jì)和安裝人員以及電氣設(shè)備制造人員的工作可靠性，使繼電保護(hù)工作中存在危險因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2.20×106 kV系統(tǒng)的事故中，人為因素導(dǎo)致的事故約占故障總數(shù)的38%。

5 提高繼電保護(hù)可靠性的措施

5.1 降額設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)元件的壽命在設(shè)計(jì)和使用周期中可能受應(yīng)力（電應(yīng)力和溫度應(yīng)力）影響，作用于電子元件的電應(yīng)力和溫度應(yīng)力系會直接影響電子元件的故障率。因此，應(yīng)力必須低于工作元件本身的工作壽命額定值，以延緩電子設(shè)備及其關(guān)鍵性能參數(shù)的退化，從而延長其工作壽命，提高長期使用和操作的可靠性。

在進(jìn)行降額設(shè)計(jì)時，降低額度越高，元件性能也更好，但是會增加使用成本，因此必須做好分析。目前，已經(jīng)制定了降額設(shè)計(jì)的相關(guān)原則，在降額設(shè)計(jì)時需要注意以下內(nèi)容。

（1）標(biāo)準(zhǔn)中推薦繼電保護(hù)產(chǎn)品的降額量數(shù)不是絕對的，應(yīng)根據(jù)繼電保護(hù)產(chǎn)品特性適當(dāng)?shù)卣{(diào)整范圍。

（2）某些元件的參數(shù)不能降額。

（3）電子元件應(yīng)用時的應(yīng)力系數(shù)越低，元件的總體可靠性越高，但要做好控制，使用聚苯乙烯電容等，額度降低過多容易引起電平過低故障。

（4）要想降低電子元件的繼電保護(hù)產(chǎn)品故障率，需要增強(qiáng)生產(chǎn)設(shè)備的可靠性，這樣才能確保元件的使用穩(wěn)定。

（5）需要根據(jù)電子元件的功能，額外增加觸點(diǎn)元件的數(shù)量等，同時避免減弱設(shè)備工作的總體可靠性。

5.2 三次設(shè)計(jì)

三次設(shè)計(jì)，也稱田口法，是日本學(xué)者田口玄一開發(fā)的一種二次優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。三次設(shè)計(jì)的主要作用是使用成本低的電子元件制造高質(zhì)量、高可靠性的繼電保護(hù)產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)過程中，參數(shù)化設(shè)計(jì)是三次設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，可以確保繼電保護(hù)產(chǎn)品整體性能流暢穩(wěn)定，使系統(tǒng)信號輸出值達(dá)到最大的動態(tài)信噪比水平。

5.3 耐環(huán)境設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)繼電保護(hù)產(chǎn)品時，應(yīng)合理預(yù)測繼電保護(hù)產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)與使用環(huán)境條件，并制訂相應(yīng)的可行方案和應(yīng)對環(huán)境變化的措施。在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造和整機(jī)生產(chǎn)試制等階段，應(yīng)避免在工業(yè)實(shí)驗(yàn)室和室內(nèi)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)，應(yīng)該到工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場在各種預(yù)期使用環(huán)境條件下對繼電保護(hù)產(chǎn)品進(jìn)行能力試驗(yàn)，如工業(yè)設(shè)備耐久性試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、環(huán)境條件能力試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等。

5.4 簡化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)產(chǎn)品的簡化和標(biāo)準(zhǔn)化是企業(yè)提高繼電保護(hù)可靠性的關(guān)鍵措施。其中，繼電保護(hù)產(chǎn)品的簡化是指在充分滿足特定功能要求的前提條件下，繼電保護(hù)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)越簡單越好，因?yàn)閺?fù)雜零件的數(shù)量越少，故障概率可能也越低。進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時，應(yīng)該注意以下內(nèi)容。

（1）繼電保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)避免過于追求高層次精度和工藝復(fù)雜性，盡量合理選用標(biāo)準(zhǔn)件。

（2）繼電保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)也應(yīng)保證產(chǎn)品在各種復(fù)雜、惡劣的極限工況下保持穩(wěn)定的工作可靠性?？蛇m當(dāng)運(yùn)用保險機(jī)構(gòu)、連鎖救援機(jī)構(gòu)等應(yīng)急安全技術(shù)裝置或采取相應(yīng)安全應(yīng)急措施。

（3）繼電保護(hù)產(chǎn)品是由很多零件有機(jī)結(jié)合成的整體，在繼電保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中要注意零件之間的有機(jī)組合。

繼電保護(hù)產(chǎn)品需要固定密封，要求采用固定零件連接或固定連接方式。固定零件包括螺栓孔套和螺絲緊固螺母、焊接固定螺栓、銷鍵圈和銷鍵環(huán)、齒輪圈和齒條、滑板、導(dǎo)軌、主軸、軸承、法蘭、密封圈，或直接與軸封接觸，或間接與接頭外殼進(jìn)行密封和連接等。接頭零件的故障率較高，容易發(fā)生故障或者誘發(fā)其他系統(tǒng)故障。因此，在接頭零件的可靠性設(shè)計(jì)中，要特別注意提高接頭零件的工作可靠性，保證接頭強(qiáng)度、剛度、配合精度和密封符合要求。

5.5 結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)

在繼電保護(hù)中應(yīng)用整體布局理念，確保布局合理，從根本上消除繼電保護(hù)中的危險因素，使所有操作維護(hù)人員從危險狀態(tài)下解放出來，真正提高繼電保護(hù)的可靠性和整體安全性。

例如，在設(shè)計(jì)高運(yùn)行可靠性的大型現(xiàn)代起重機(jī)械設(shè)備的繼電保護(hù)時，需要設(shè)置各種可靠且具有必要保護(hù)功能的機(jī)械安全控制裝置，以完全防止機(jī)械設(shè)備過載、超額定行程、超溫、超差壓、誤動操作、誤壓接觸、外部電氣環(huán)境溫度突變危險（如電力、燃?xì)猓┑葐栴}，并限制事故的迅速擴(kuò)大。一般用戶通過在線監(jiān)測儀表能夠及時自動捕捉各種異常電壓信號和變化，當(dāng)電壓超過允許限值范圍時，能夠立即發(fā)出事故報警信號、故障狀態(tài)顯示信息，使儀表自動故障停機(jī)。

6 結(jié)論

文章對繼電保護(hù)可靠性進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）為了全面提高電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的可靠性，要結(jié)合多種可靠性技術(shù)；

（2）電力系統(tǒng)使用的電子設(shè)備等級越高，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的可靠性越強(qiáng)。