继电保护系统对一次设备可靠性的影响

宋 旭

（国家能源集团宿迁发电有限公司，江苏 宿迁 223803）

0 引 言

继电保护系统能够实时监控电力系统，当发生故障或异常情况时进行运算判断，发出异常报警信号，或直接将故障部分快速切除隔离。一方面减少故障设备的损坏程度，另一方面保证其他设备的正常运行，减少停电面积和时间，维持电网最大化持续正常运行，保证生产、生活的需要[1]。随着电网规模越来越大，彼此的联系也越来越复杂，这对继电保护系统提出了更高的要求，不但要从硬件和软件上提高设备的管理水平，还要在技术上及时研发、创新与完善，在管理上采用更科学先进的方法。

1 继电保护系统概述

继电保护的发展经历了电磁式继电保护、晶体管式继电保护、集成电路继电保护以及微机继电保护4个阶段。随着电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，人工智能技术如人工神经网络、遗传算法、进化规模及模糊逻辑等相继在继电保护领域研究应用，继电保护向计算机化、网络化、一体化、智能化方向发展。

继电保护系统包括保护装置、测控装置、同期装置、快切装置、互感器、二次回路、双电源切换装置、监控系统、故障录波系统以及对时系统等[2]。在技术上必须满足选择性、速动性、灵敏性以及可靠性的四性基本要求。分类有电流保护、电压保护、距离保护、接地保护、励磁保护、频率保护、功率保护、匝间保护、失步保护、起停机保护、误上电保护、失灵保护、充电保护、加速保护、非全相保护、过负荷保护、同期并列、快速切换、重合闸、行波保护、电弧光保护、瓦斯保护、冷却器全停保护等以及电动机的缺相保护、堵转保护、长启动保护、阻塞保护、欠载保护、缺相保护、相序保护以及欠压保护等。

2 继电保护系统的作用

一是实时在线监测电力系统电压和电流的运行方式等，异常时发出报警，提供越限的数值、继电保护动作情况、自动装置动作情况以及断路器跳闸顺序等报文记录信息，供人员参考。二是实现电力系统自动化、远方集中控制以及工业生产的自动顺序控制，方便运行人员操作，故障处理快速及时。三是当一次设备发生异常时，能自动、迅速且有选择性地将故障设备从电力系统中切除，使故障设备免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行，降低故障损失。

电网单相接地故障占到总故障的70%以上，多数接地故障为暂时性故障，放电电弧过零时会熄灭，间隔0.15～0.5 s后，断路器重新合闸，成功率在80%以上，极大减少了线路停电的次数，提高电力系统并列运行的稳定性。在220 kV及以上电压等级的电网中，普遍采用分相操作的断路器。由于设备质量和操作等原因，运行中可能出现三相断路器动作不一致的异常状态，致使三相电流严重不平衡，产生负序电流和零序电流。负序电流建立的发电机气隙旋转磁场与转子的转动方向相反，以两倍的同步速度切割转子[3]。在转子本体、阻尼条及励磁绕组中感生出倍频电流，该电流在转子中引起额外的损耗和发热，会使发电机转子严重烧伤。而且由于趋肤效应，这些电流主要集中在表面的薄层中流动，在转子端部沿圆周方向运动形成环流，流过转子槽楔和齿与套箍的许多接触面，这些接触部位电阻较高，发热尤为严重。另外，负序电流的旋转磁场产生两倍频率的交变电磁转矩，也会使机组产生100 Hz的振动，引起金属疲劳和机械损伤。负序保护根据负序电流的数值，判断是否在设备的承受范围之内，若超出范围则切除设备，使设备免遭损害。

在两端电源并列操作时需进行同期检测，避免两侧因电压和相位差过大导致合闸冲击电流过大损坏设备。当工作电源失去时，快速投入备用电源，保证在运设备继续运行，或联锁投入备用设备，保持机组和系统的正常运行。当设备故障时，记录电压和电流波形、继电保护、自动装置动作以及断路器跳闸等情况，有利于事后判断故障类型和动作的准确性，以便采取下一步的操作。此外，电动机的堵转保护、长启动保护、阻塞保护以及过载保护等能避免电动机大电流长时间运行，发热严重损坏设备[4]。缺相保护能避免因非全相运行时发热和振动过大导致的损坏，相序保护能避免设备反转损坏。

3 继电保护系统常见的问题及解决措施

3.1 定值的问题

3.1.1 整定计算的错误

导致整定计算错误的原因有以下7点。一是电力系统参数或设备参数的标称值与实际值有差别；二是对保护装置的原理、结构及性能掌握不彻底、不全面；三是设计图纸和实际设备参数不一致；四是设备资料不齐全，或按照惯例和经验整定；五是系统间的配合不到位；六是整定计算人员责任心不强或技术水平不高；七是整定计算书复核不彻底等。

解决问题的办法如下，首先仔细全面收集现场设备资料，保证资料和实际参数高度一致，提高对一次系统和二次设备的熟悉程度，加强对设计方案的学习掌握，熟悉系统全局。其次提高整定计算人员的责任心和严谨性，每项都要按照规范标准执行，加强对新标准和新规范的学习和掌握。再次设置专门的整定计算人员，结合试验报告和设备说明书定期进行整定计算。最后规范定值整个流程，严肃认真对待，仔细复核，必要时多人多次复核，报批后执行。

3.1.2 人为整定的错误

人为的误整定错误有看错数值、看错位置、一次和二次定值没有转换、看错互感器变比、临时定值校验后不恢复以及定值区设定错误等。主要是因为工作不仔细，检查不全面，整定后核对不仔细，遗漏整定项、监督不到位及不遵守工作流程等原因造成。

在进行装置定值整定时一定要至少两人同时进行，相互监督、核对，并签字确认。定值核对时要在查看功能里核对，不要用修改功能核对，避免误操作。加强保护装置的密码保护，不要轻易外泄，并定期更换，而且重要工作时，管理人员必须在场，加强监督。在检修人员工作结束后，运行人员也要执行相同的检查程序，确保定值正确、完整。非必要时，工作过程中不要换人，保证工作的连续性，确保熟悉人员操作。设备投运后，加强对设备运行参数的检查，综合判断定值的正确完整性，必要时加以修改。

3.2 装置设备损坏

装置设备损坏将使设备失去保护，也可能造成保护误动。损坏的原因有自然老化超寿命服役、运行环境差（温度高、湿度大、灰尘大、电磁干扰大、腐蚀性气体以及振动大等）老化加速、电压质量差干扰波动大、维护不规范带电拔插插件、维护时的静电损伤电路板、设备维护不到位、校验时误加电压电流以及设备质量不高等[5]。

根据反措及技术监督要求，数字式保护装置的电源板（或模件）宜每4～5年更换一次，以免由此引起保护拒动或误启动。根据行业实际经验，保护装置宜8～10年予以更换。如果装置校验中发现采样精度不够、出口时间增长以及出口功率降低等异常情况时，应尽快予以更换。

根据规定，保护装置运行时室内最大相对湿度≥75%，温度应在5～30 ℃，防止灰尘和不良气体侵入，振动不能过大。可定期采用红外成像的检查方式查看装置的温度和重点部位发热情况有无异常，采用听、闻的方式检查装置有无异音，判断装置的老化情况等。此外，装置直流电源电压纹波系数应≥2%，最低电压不低于额定电压的85%，最高电压不高于额定电压的110%。

在检修过程中一定要规范操作，避免意外损伤。检修内容不限于电路板检查、清扫以及插脚除锈等。保护装置校验时，按照校验报告逐项认真执行，避免加错电压和通流过大，避免接线错误等，要重视设备的绝缘测试工作。

3.3 保护装置程序问题

保护装置的软件是核心部分，是实现各种功能的指挥系统。目前普遍存在的一种现象是保护装置硬件部分是可视化的，大多维护人员通过直观了解就可以胜任工作，而软件程序部分不公开发布，对软件程序部分的了解缺失太多，必须引起重视。软件设计时应全面综合考虑实际运行中可能发生的情况，采取预防措施及解决办法，保证装置的可靠性。如装置自检功能，检测出现的采样、转换以及干扰等各种错误，采用多次运算或多处理器运算，多条件综合判断跳闸出口的正确性，防止设备误动。当装置程序陷入死循环时应及时自启动，缩短失去保护的时间。软件的投入使用必须经过严格的调试、测试及运行考验。而实际上，为了及时处理出现的问题，测试版软件不成熟就投入使用的现象时常发生，对此必须严格杜绝。为了保证系统的运行速度和可靠性，保护装置的处理器平均负荷率不能超过50%，宜采用专用版的CPU，在符合硬件性能的基础上编程设计，以期达到软硬件的完美结合。这就要求在设计和采购时应尽量杜绝通用版处理器。保护装置跳闸出口校核逻辑如图1所示。

图1 保护装置跳闸出口校核逻辑图

3.4 接线错误

接线错误有互感器极性接反、互感器绕组使用错误、不按图纸接线、图纸设计错误、端子排位置错误或型号错误、线号错误、并线位置不合理、多线头并接错误、线型选用错误、接地点地点、数量选择错误、屏蔽层接法工艺错误、对线错误、电缆选型错误、电缆芯线混用错误、接线工艺不良、辅材选用不当或辅材减配以及二次电缆路径不规范等[6]。

保证二次接线正确性的方法和手段有以下几点：一是提高设计人员的系统和设备熟悉程度，严格按照规范和标准设计，并执行严格的审图程序；二是严格按图接线，规范施工，提高接线工艺和辅材质量；三是施工过程中加强监督和检查核对；四是利用根部通流、加压法以及向量图等方法，验证二次回路的正确性；五是加强系统与设备的调试工作和传动试验，严格按照方案逐步进行，做到无漏项、无异常，加强验收工作。此外，二次回路上的工作和拆接线尽量保证同一个人进行，避免因工作不熟悉导致接线错误。

3.5 干扰引起误动

电力系统干扰分为内部干扰和外部干扰两种，也可以分为串模干扰和共模干扰。传输的途径有直接入侵和电磁感应，导致的后果有损坏设备、引起保护误动和拒动等。图2为电磁干扰耦合与传播图。

图2 电磁干扰耦合与传播图

目前提高干扰所采取的方法大致可以分为降低干扰源的强度、抑制干扰信号的侵入以及提高保护装置自身抵御干扰的能力3大类。

具体预防干扰的措施中，二次电缆应使用单层或双层屏蔽电缆，且屏蔽层在开关场和继保室两端同时可靠接地。现场接地网和继电保护室等电位连接，继电保护室设置墙体屏蔽层，采用光纤远距离传输信号。提高UPS和直流电源的质量，减少干扰电压，合理安排UPS和直流负载，避免电能污染和交流窜直流。合理布置电缆路径，动缆控缆分开走向。己在控制室一点接地的电压互感器二次线圈，宜在开关场将二次线圈中性点经放电间隙或氧化锌阀片接地。提高接地网质量，降低设备接地电阻[7]。保护装置软件程序冗余设计，具有自检和纠错功能，硬件部分内外电路光电隔离，强电弱电隔离，保证跳闸出口继电器功率不低于5 W的要求。严格落实反措和技术监督实施细则等规范性文件，提高继电保护系统的抗干扰能力，严格遵守保护装置24 V开入电源不出保护室的原则，以免引进干扰。此外，为保护装置免受浪涌浸袭，在电源的交流输入侧线路滤波器前并接浪涌吸收器，在输出直流侧并接过压抑制器或吸收电容。中间互感器的一、二次线圈间要有屏蔽层，中间变流器的一次侧并联非线性电阻或电容，在继电器线圈上并联二极管或稳压管等。保护装置抗干扰硬件回路如图3所示。

图3 保护装置抗干扰硬件回路图

3.6 振动引起的故障

振动过大会导致设备疲劳损伤和接头松动，可能会引起保护误动或开路拒动。采取的预防措施为尽量减小设备的振动，加强设备的紧固工作，提高设备制造水平和抗振动性能，保证二次回路的正常导通。

3.7 误碰与误操作引起事故

误操作引起的故障有差动电流回路误接线、误投保护出口压板、二次线头误碰导体、试验后接线未恢复、误拉合装置电源、工具（掉落）误碰设备以及差动保护电流端子连接不到位等。所要采取的防范措施为在差动保护调试和传动试验完成后，设备送电前停用，带电后检查电流方向和设备无异常后才能投入使用。二次插头、连接片以及压板恢复后，测量回路接通情况，设备操作过程必须严格仔细，按照审定批准的操作票逐项进行，并每一步检查到位。设备检修时做好危险点分析及预控，加强监护，按照规范操作，带电作业必须由熟练工进行，所使用的工具绝缘包扎，人体不要触碰带电部位，避免误碰运行设备等[8]。

3.8 互感器二次侧故障

电压互感器二次侧不能短路，这是因为电压互感器的内阻抗很小，一旦二次回路短路就会出现很大的电流，从而损坏二次设备甚至危及人身安全。电流互感器二次侧不能开路，因为一旦开路，一次侧电流将全部成为磁化电流，造成铁心过度饱和磁化，产生高电压，击穿设备。

采取的预防措施有电压互感器可以在一、二次侧装设熔断器，以保护其自身不因二次侧短路而损坏。电流互感器二次回路不应装设开关或熔断器，防止开路。二次回路并接防开路保护装置，正常运行时泄漏电流极小，呈高阻状态，当CT二次回路开路产生高电压时，保护装置迅速动作将CT二次侧短路，防止高电压损坏设备。所有在互感器二次回路上的工作结束后，必须测量回路的通断情况和阻值情况，此外在正常的运行过程中应加强设备接线的巡检力度，防止接线松动[9]。

除了上述的继电保护系统常见的问题及解决措施外，还要加强管理，高质量完成工作。加强继电保护试验仪器、仪表的管理工作，每1～2年对微机型继电保护试验装置进行一次全面检测，确保试验装置的准确度及各项功能满足继电保护试验的要求，防止因试验仪器、仪表存在问题而造成继电保护误整定、误试验。建立标准实验室，规范化设备校验流程，提高保护校验的准确性。

组建继电保护技术监督体系，成立继电保护技术监督工作小组。定期召开技术监督工作会，对设备情况进行评估，通报存在的问题，制定整改计划并严格落实到位。加强定期检修、定期维保以及定期巡视工作，加强资料的管理，归整检修记录、校验报告、调试报告、图纸及说明书等资料，便于查阅[10]。严格落实各种规章制度和管理办法，提高设备的健康水平。加强密码和定制单的管理，每年开展一次定值整定计算，防止因发生技改和异动情况导致老定值与实际不符。此外，加强人员的技能培训，提高人员的检修能力和事故处理能力。

4 结 论

继电保护系统对电力系统的安全、稳定、可靠运行至关重要，必须在大电网可靠性评估中定量分析继电保护系统对一次设备可靠性影响。将继电保护系统和一次设备一起参与可靠性评估，并依照评估结果指导以后的工作，完善继电保护的整体性，提高设备的健康水平，提高设备规范化管理水平。今后随着电网一次系统的发展和技术革新，继电保护系统也应同时更新，一方面要不断完善标准、规范，提高设备的管理水平；另一方面采取新技术、新材料以及新工艺提高设备的可靠性，丰富设备的功能。此外可以开发具有诊断功能的设备，利用一次设备的振动值、温度、电流、电压以及放电干扰波等参数综合判断一次设备的健康水平，使一次设备的健康情况在控且可控。