電力系統繼電保護可靠性研究

關 悅

哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000

0 引言

目前，隨著國內經濟的快速發展，我國電力行業和電網建設規模不斷擴大，可以保障人們日常生活和生產的順利進行[1]。但由于電力系統運行環境的復雜性，其運行過程中不可避免地會出現電氣故障，電氣故障無論大小，都會影響人們的生產生活。因此，應提高電力系統繼電保護的可靠性，以保證電力系統的正常運行，促進我國電力工業的發展[2]。

1 繼電保護可靠性的重要性

電力系統是一個功能復雜、結構龐大的系統，系統外加電源或導磁體與系統內部各個組成部件有機相連。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的正?？煽窟\行。繼電保護作為新興電力技術系統的關鍵部分，能確保電力系統的安全運行，提升供電質量，從而獲得良好的社會效益和經濟效益[3]。

電力系統的運行環境復雜、要求嚴格，受客觀因素和人為因素的影響，容易發生電氣故障，而且電力系統一旦發生故障，就會直接影響整體線路的穩定運行，干擾正常供電[4]。因此，必須保證電力系統設備的可靠運行，正確設置繼電保護裝置。

2 繼電保護可靠性的衡量指標

2.1 可靠度

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

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

如果有N個電子元件繼電保護產品從開始工作到t時刻的失效數為N(t)，當N足夠大時，繼電保護產品在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，即0≤R(t)≤1。

2.2 累計失效概率

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

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

3 繼電保護的類型

電力系統繼電保護主要分為系統主保護、后備保護、輔助故障保護和斷路器異常動作運行故障保護四大類[7]。其中，防止主保護與后備保護在無設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電路時，如果電力變壓器后備保護系統產生誤動作，會進一步增加引起保護設備和保護系統動作的故障的停電保護范圍[8]。

3.1 系統主保護

系統主保護可以維持電網系統穩定性、保護設備安全，能以最快的速度排除各類被保護電網設備和系統的電力線路故障。主保護功能包括差動保護、氣體保護等功能。

3.2 后備保護

后備保護是在系統主保護斷路器或輔助斷路器發生拒絕運行動作時專門用來快速排除故障動作的保護。

后備保護功能包括過流保護、零序電流保護、間隙零序過流保護等功能。后備保護一般可分為遠程后備保護和近端后備保護。

3.2.1 遠程后備保護

在遠程后備保護中，在電網主保護裝置啟動故障、主斷路器或開關控制失靈時，可以通過遠程保護系統連接至相鄰的獨立電力設備和系統或供電設備線路間，以快速實現故障啟動。

3.2.2 近端后備保護

近端后備保護一般是指當主電網和主保護斷路器都不能按原規定動作安全工作時，由另兩組主電力設備系統或變電站通過另配的一組遠距離備用斷路器保護主配電線路。

4 繼電保護可靠性的影響因素

4.1 外部環境因素

4.1.1 環境溫度

溫度的異常變化將使密封元件內部的絕緣涂層熔化脫落，會導致密封元件材料失效和密封劑老化開裂，甚至會腐蝕破壞密封絕緣殼，使填充絕緣材料大量泄漏，降低密封元件內部的安全電氣性能。由不同結構材料制成的繼電保護產品對環境溫度及其變化的敏感性和反應不同，可對繼電保護可靠性產生不同的影響。

4.1.2 環境濕度

潮濕的使用環境往往會導致材料的機械功能和機械化學性能發生顯著變化，如機械體積急劇膨脹，機械強度大幅降低，機械變形等。由于涂層吸濕，密封涂層制品內部的密封防潮性能會降低或部分破壞，涂層繼電保護產品表面上的防潮層易被剝離。

4.1.3 沖擊和振動

在繼電保護中，構件的結構穩定性可以影響繼電保護的可靠性。在電力系統運行中，各構件之間劇烈的振動碰撞形成的應力沖擊會導致繼電保護產品結構出現振動變形、彎曲、開裂、斷裂等問題，影響繼電保護的可靠性。

4.2 人為因素

在繼電保護工作中，應該落實繼電保護管理人員和值班操作人員的安全責任。安裝作業人員未按設計規程和要求進行接線動作，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工程中很常見。在分析繼電保護的可靠性時，常忽略設計和安裝人員以及電氣設備制造人員的工作可靠性，使繼電保護工作中存在危險因素。據統計，在2.20×106 kV系統的事故中，人為因素導致的事故約占故障總數的38%。

5 提高繼電保護可靠性的措施

5.1 降額設計

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

在進行降額設計時，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，已經制定了降額設計的相關原則，在降額設計時需要注意以下內容。

（1）標準中推薦繼電保護產品的降額量數不是絕對的，應根據繼電保護產品特性適當地調整范圍。

（2）某些元件的參數不能降額。

（3）電子元件應用時的應力系數越低，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產品故障率，需要增強生產設備的可靠性，這樣才能確保元件的使用穩定。

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

5.2 三次設計

三次設計，也稱田口法，是日本學者田口玄一開發的一種二次優化設計方法。三次設計的主要作用是使用成本低的電子元件制造高質量、高可靠性的繼電保護產品。在設計過程中，參數化設計是三次設計的重要內容，進行參數設計，可以確保繼電保護產品整體性能流暢穩定，使系統信號輸出值達到最大的動態信噪比水平。

5.3 耐環境設計

設計繼電保護產品時，應合理預測繼電保護產品的實際生產與使用環境條件，并制訂相應的可行方案和應對環境變化的措施。在機電系統設計制造和整機生產試制等階段，應避免在工業實驗室和室內環境模擬實驗室中試驗，應該到工業應用現場在各種預期使用環境條件下對繼電保護產品進行能力試驗，如工業設備耐久性試驗、壽命試驗、環境條件能力試驗、可靠性試驗等。

5.4 簡化設計和標準化設計

繼電保護產品的簡化和標準化是企業提高繼電保護可靠性的關鍵措施。其中，繼電保護產品的簡化是指在充分滿足特定功能要求的前提條件下，繼電保護產品的內部結構越簡單越好，因為復雜零件的數量越少，故障概率可能也越低。進行簡化設計和標準化設計時，應該注意以下內容。

（1）繼電保護產品設計應避免過于追求高層次精度和工藝復雜性，盡量合理選用標準件。

（2）繼電保護產品設計也應保證產品在各種復雜、惡劣的極限工況下保持穩定的工作可靠性?？蛇m當運用保險機構、連鎖救援機構等應急安全技術裝置或采取相應安全應急措施。

（3）繼電保護產品是由很多零件有機結合成的整體，在繼電保護產品設計中要注意零件之間的有機組合。

繼電保護產品需要固定密封，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、齒輪圈和齒條、滑板、導軌、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行密封和連接等。接頭零件的故障率較高，容易發生故障或者誘發其他系統故障。因此，在接頭零件的可靠性設計中，要特別注意提高接頭零件的工作可靠性，保證接頭強度、剛度、配合精度和密封符合要求。

5.5 結構安全設計

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

例如，在設計高運行可靠性的大型現代起重機械設備的繼電保護時，需要設置各種可靠且具有必要保護功能的機械安全控制裝置，以完全防止機械設備過載、超額定行程、超溫、超差壓、誤動操作、誤壓接觸、外部電氣環境溫度突變危險（如電力、燃氣）等問題，并限制事故的迅速擴大。一般用戶通過在線監測儀表能夠及時自動捕捉各種異常電壓信號和變化，當電壓超過允許限值范圍時，能夠立即發出事故報警信號、故障狀態顯示信息，使儀表自動故障停機。

6 結論

文章對繼電保護可靠性進行分析，可以得出以下結論：

（1）為了全面提高電力系統繼電保護的可靠性，要結合多種可靠性技術；

（2）電力系統使用的電子設備等級越高，電力系統繼電保護的可靠性越強。