繼電保護電力系統的短路保護關鍵技術研究

王 瀚

（國網重慶市電力公司璧山供電分公司，重慶 402760）

1 繼電保護電力系統的短路故障分析

1.1 絕緣體分析

絕緣體故障主要是指絕緣體破損而造成的故障現象，一旦破損發生會導致電力系統穩定性下降并形成短路故障。這是因為在絕緣體出現破損之后，導致其性能明顯下降，甚至無法發揮絕緣功能，導致電力系統中所傳輸的電流量明顯增加。此時，一旦系統中流動的電流值超過標準值，則會導致故障現象。

而造成這一現象的原因是多方面的，例如部分裝置的運行環境溫度偏高，高溫會加劇絕緣裝置老化，最終引發故障；或者在潮濕的工作環境下，也會導致絕緣體老化，并且隨著空氣中大量的水分子被吸附在絕緣體表面后，再有電流通過，將導致水分子與電流產生反應，最終引發故障，甚至電力系統的安全問題。

1.2 電力用戶分析

電力用戶故障是指用戶家中大功率用電設備不斷增加而造成巨大的電路負荷，再加之居住區人口密度增加，給電力系統帶來巨大的壓力。除此之外，在電力用戶長時間使用中，線路的老化與破損也是常見現象，因為工作人員忽視日常檢查與維修、沒有及時更換故障設備等行為，最終導致故障現象發生。

1.3 二次回路絕緣損壞分析

二次回路絕緣損壞主要集中在控制回路中，是電力系統常見故障現象。一旦繼電保護裝置發生二次回路絕緣損壞，系統有較高風險出現拒動或者誤動問題；若二次導線或者控制電纜本身存在質量問題，隨著運行時間的推移，電力系統可能出現絕緣擊穿等安全事故，甚至威脅工作人員的生命安全。

2 短路保護關鍵技術

2.1 熔斷器保護

熔斷器保護是短路保護的常見形式，主要由熔斷器完成。熔斷器主要包括絕緣管、熔體等幾部分。體串被連接在被保護的電路中，當短路現象發生后，因為瞬時電流過大而導致熔體瞬時熔斷，達到快速阻斷電流的目標，完成系統保護。

現階段，市場上常見的熔斷器主要分為5種，其相關資料如表1所示。

表1 熔斷器信息

2.2 相電流保護

相電流保護的關鍵點是利用電流互感器，采用機械的方式達到短路保護的目的。在該技術應用階段，相電流保護系統可以通過互感器去除電流，這樣電流在通過繼電器后，可以保障回路上存在常閉節點。該節點在短路發生后可以產生作用，電磁力與彈簧壓力發生相互作用而抵消，并在此時去除主接觸器的吸合電流，從而有效保護電流。

2.3 零序電流保護

該技術的關鍵點是利用接地時的零序電流保護動作的裝置，即為零序電流保護，在技術應用中可以通過專用的零序電流互感器完成接地保護。當三相電流平衡時，電力系統運行期間不會產生零序電流，但是依然三相電流平衡情況被打破，則會產生零序電流。零序保護就是通過互感器來采集電力系統中的零序電流值，當采集的電流超過一定數額時，操控系統控制保護接觸器吸合，進而斷開電路。有經驗證明，零序電流保護的優點明顯，主要表現為：①零序過電流具有更高的保護靈敏度，一旦識別異常電流后即可做出反應；②該系統受系統運行方式的影響小，因此可以用于不同系統的保護；③過負荷與系統振蕩等因素對零序電流保護效果的影響不明顯。

為了強化零序電流保護效果，在應用中還應關注以下問題：①當電流回路斷線時零序電流保護可能造成保護誤動作，這是不容忽視的問題，為了解決該問題，一般可考慮利用相鄰電流互感器零序電流閉鎖，在經過上述處理后可以解決該問題。②出現零序電流的情況并非唯一，例如若電力系統發生不對稱運行后也有可能產生零序電流，例如單相重合閘過程中的兩相運行，或者空投變壓器時產生的不平衡勵磁涌流等，上述現象都有可能造成零序電流保護啟動，因此相關人員應該做好鑒別。

2.4 距離保護

距離保護主要表示故障點至保護安裝地點之間的距離，而距離繼電器是根據距離的遠近而確定動作時間的一種保護裝置。研究認為，當前我國電力系統中35kV及以上電壓電力系統在運行期間，受到系統運行方式以及電網接線方式等因素影響，系統難以真正兼顧靈敏性與快速切除故障的要求，所以為了能夠保障電力系統安全，則需要增加保護裝置。在這一背景下，距離保護通過距離（阻抗）繼電器，按照端子上所添加的電壓與電流探測保護安裝位置與短路點之間的阻抗，依然短路點與保護安裝維持的距離較近時，系統所檢測的阻抗值相對小，系統的動作時間更短；相比之下，隨著距離的增加，則裝置動作時間增長、阻抗更大，使工作人員有充足的時間清除故障路線。

現階段，在距離保護機制下，為滿足繼電保護對靈敏度以及速動性的性能要求，普遍選擇了3段動作范圍時限特性模式。3段分別被稱為距離保護的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，分別對應電流速斷、限時電流速斷與過電流保護。在上述劃分方法的基礎上，當距離保護處于Ⅰ段時，系統處于瞬時動作狀態，此段所保護的范圍約為全線路長的85%左右；當距離保護距離為Ⅱ段時，其保護范圍小于等于下一段線路與Ⅰ段的距離，同時有一個高出動作時間的時限，確保保護動作在短路現象發生后可以做出選擇。最后的Ⅲ段則與過電流保護類似，阻抗性能更強，無論是保護范圍還是動作時限，都比Ⅰ段、Ⅱ段更高。

3 繼電保護電力系統短路故障應對措施

3.1 安裝避雷裝置

在處理繼電保護電力系統短路故障時，自然因素的影響不容忽視，例如電力系統經常會因為雷擊而造成線路損壞，造成短路、火災等問題。因此，為了避免此類問題發生，則需要安裝避雷裝置，通過避雷器可以避免雷電在電力系統中引起電壓瞬間升高而造成破壞。在安裝避雷裝置中應重點關注以下問題：①避雷器應設置在變壓器與高壓熔斷器之間。②避雷器防雷接地下引線使用“三位一體”接地方式，即低壓側中心點、接地引下線、配電變壓器金屬外殼連接在一起，之后連接接地裝置即可。③在多雷區等特殊位置應安裝低壓避雷器。

3.2 斷開故障點電源

繼電保護電力系統的內部結構復雜，各個構件精密度高，任意環節出現質量問題都會嚴重影響整個電力系統的運行。因此，對于工作人員而言，應及時處理電力系統的故障，避免故障范圍擴大而導致系統崩潰。為實現該目標，工作人員應根據系統故障狀態不斷縮小故障識別范圍，最終解決故障。根據相關學者研究結果，為實現該目標可采用動態記錄裝置來統計電流信息，或者通過替換法來尋找故障點，指派具有豐富經驗的工作人員，結合繼電保護故障現象來判斷故障點分布情況，在確定疑似故障點位置后更換功能相同的元件。若故障消除，則證明替換的元件存在質量缺陷；否則，可以替換下一元件。分段處理方法也是斷開故障點電源的常見方法，當繼電保護故障發生后可以根據繼電保護設備規則將其劃分為若干個等級，按照設計的順序逐一排查，直至精準找出故障點為止。

3.3 做好日常維護

電力系統日常維護可以降低繼電保護電力系統短路故障發生率，減少故障損失，因此在日常工作中，工作人員應該關注以下3方面內容：①做好電力設備的日常保養與維護。為進一步提升設備的性能，未來工作中應做好設備清潔工作，及時清理設備表面的雜物與塵土等，避免因為塵土進入電力設備內部而影響其性能。②合理使用防腐策略。防腐是電力設備運維管理的重點內容，一般可根據不同部位制定相應的防腐措施，例如所有裸露在外的導體接頭部位，在防腐中可直接涂抹電力復合樹脂，該材料可以減少接頭部位的氧化。同時電力系統中通常會將低碳鋼作為接地網埋入土壤中，容易造成腐蝕而影響其性能，所以在防腐處理中工作人員可選擇導電防腐涂料，在條件允許情況下以鍍鋅鋼材為材料也可以避免腐蝕發生，保證電力系統正常運行。③考慮到繼電保護裝置對性能的特殊要求，在日常運行維護中應嚴格控制各個空間的環境，如繼電保護室、主控室的最大相對濕度應小于等于75%，理想的運行環境可控制在10~26℃，通過嚴格控制相關數據可以降低環境因素對繼電保護裝置運行的影響。同時，繼電保護與自動裝置連接片、切換開關等設備的性能需要每月核對一次。針對繼電保護及其自動裝置的多套運行定制情況，在運行方式變動時應嚴格按照調度指令切換運行定制，并記錄清楚。隨著相關技術的發展，基于自動化的小波變換技術成為消除短路故障的有效方法。該技術可以通過暫態分量等方法，精準區分暫態分量與由干擾信號所產生的暫態分量信號。與傳統的處理方法相比，該方法具有更快的響應速度，可以保障繼電保護電力系統保護裝置動作速度，使電力系統在發生短路時盡快做出響應。從技術優勢來看，該方法能夠從海量的短路保護信號中提取關鍵數據，有強大的信號特征分析控制能力，其消噪能力強，應該成為未來運行維護的突破口。

4 結語

繼電保護電力系統短路保護成為保障電力系統正常運行的關鍵點。為了能夠順應未來電力系統發展要求，工作人員應該深入了解短路故障的發生原因以及短路保護的技術方案等，能夠根據實際情況合理選擇應對措施，這是降低電力系統故障發生率的重要組成部分。未來，為了能夠降低電力系統故障發生率，工作人員應該將關注的重點放在日常運維管理、安裝補償器等方面，不斷提升電力系統整體性能，這對于減少短路損失也有重要意義，可以最大限度地滿足居民的日常生活。