繼電保護狀態檢修的研究

宋 柯，何 滔，鄭焯文，童 松，張海翔，呂飛鵬

(1.國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 雅安 625304;2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 引言

20世紀90年代以來，隨著計算機技術、通信技術、信息技術在電力系統領域的拓展應用，使電氣設備的狀態檢修技術有了實施的基礎。狀態檢修，即在設備狀態監測的基礎上，根據監測和分析診斷的結果科學安排檢修時間和項目的檢修方式，通常，包含狀態監測、狀態診斷、檢修決策3個環節［1］。目前，架空線路、油浸式變壓器、SF6斷路器等一次設備已經開始按照狀態檢修的導則要求有序地開展狀態檢修的工作。而繼電保護裝置作為電力系統最重要的二次設備之一，對其開展狀態檢修工作可以有效地提高設備的可用率，降低繼電保護檢修工作量，提高設備的管理水平，是電網經濟發展的必然要求。

近年來，開展繼電保護裝置狀態檢修研究的呼聲很高，眾多學者在理論和實踐上展開了深入的探索和研究。文獻［1］提出了電氣二次設備狀態檢修的研究思路。文獻［2］利用SEL保護的可編程邏輯功能實現操作回路監視及探討了繼電保護狀態檢修的實現方案。文獻［3］提出了一種繼電保護狀態檢修的技術體系結構。文獻［4-6］研究了繼電保護裝置的最佳檢修周期。

在上述學者研究成果的基礎上，分析了繼電保護檢修技術的現狀及技術應用的難點，提出了實現繼電保護狀態檢修的關鍵技術，分析了繼電保護狀態檢修體系結構，為繼電保護狀態檢修的實用化作出了一些嘗試。

1 繼電保護狀態檢修現狀及難點

目前，繼電保護檢修仍以定期檢修為主。而這種單純按固定時間間隔對設備進行檢修，不考慮設備實際情況的檢修方式存在很大的強制性和盲目性，造成電氣設備的可用度下降，以及人力、物力、財力的浪費，同時定期檢修也會在一定程度上影響繼電保護裝置的使用壽命，過度檢修和檢修不足并存，并且兩次檢修之間出現的保護故障往往不能及時發現，為電力系統的安全穩定運行埋下了隱患。

隨著微機保護應用技術的迅速發展，保護裝置本身具備了很強的自檢功能，理論上可以實現對于逆變電源，電流、電壓輸出回路，保護定值的完整性，保護的輸出/輸入接點，保護的數據通信環節的監視，以及保護裝置重要信息的數據遠傳，這為繼電保護裝置實現狀態檢修奠定了堅實的基礎。

雖然微機保護本身具備了狀態檢修的實施基礎，但是除了繼電保護裝置本身外，還包括交流輸入、直流回路、操作控制回路等。因而對于繼電保護的狀態檢修必須作為一個系統性的問題來考慮，才能使保護狀態檢修技術在實際應用中得到推廣，而這些二次回路是由若干繼電器和電纜組成，點多、分散，對其實現“無盲點”監測具有相當的難度，導致繼電保護的狀態檢修工作難以推進。

目前，對這些二次回路的監測手段還不多，而近年來由于二次回路的故障造成繼電保護裝置不正確動作的比例相當高。據歷史統計資料顯示［7］，2008年國家電網公司220 kV及以上交流系統的繼電保護裝置不正確動作18次，其中TA回路絕緣破損1次、電壓測量回路異常1次、保護裝置內部參數設置錯誤1次、電源插件異常1次。這些缺陷發生在兩次定期檢修之間，若能通過狀態監測及早發現，對有效提高繼電保護正確動作次數具有極大的幫助。

因此，實施繼電保護裝置狀態檢修應完整監測:直流系統，包含直流動力、操作及信號回路絕緣良好、回路完整;交流測量系統，包含TV、TA二次回路絕緣良好、回路完整，測量元件的完好;邏輯判斷系統，包含硬件邏輯判斷回路和軟件功能。

2 實現技術

2.1 保護二次回路

隨著微電子技術、計算機技術的快速發展，可編程邏輯PLC技術已經廣泛應用于各行各業中。對繼電保護狀態的監測，這種技術使過去采取硬件式結構的操作箱回路可通過軟件編程來實現，有效地通過操作箱的智能化延伸到保護裝置的自檢范疇內。例如美國SEL提供的數字仿真式繼電保護平臺基于平臺化技術，利用可邏輯編程的PLC功能根據不同的需要靈活、有效地設計微機操作箱，解決了二次回路狀態檢修的問題，可為實現保護系統完整的狀態監測創造了必要的條件。

但上述技術適合于在新興的智能變電站中應用，若在常規變電站采用智能化的操作箱，不僅增加了系統的復雜性，從而降低系統的可靠性，而且應用在大量低壓保護上也不經濟。因此，針對常規的變電站，提出了遠程傳動對二次回路進行試驗的方法來檢測回路的可靠性。

首先，在用電低谷時，提前向用戶發出停電通知，然后進行遠程傳動實驗。在監測中心對保護裝置發送一次遠程傳動命令后，執行一次跳閘-重合閘的操作。整個過程只需要1～2 s，對用戶和電網的影響不大，可檢驗保護出口到斷路器執行機構之間的回路接線是否正確，還順帶檢測了斷路器動作的正確性。

該方法很適合低壓饋電線路，對于不是很重要的負荷，理論上可以通過使保護裝置有計劃性的動作，實現跳閘-重合閘回路的檢測，從而替代定期檢驗，大大降低了檢驗的工作量。對于變壓器保護，如果能夠由站內其他變壓器轉帶負荷，也是可以進行遠程傳動試驗的。

2.2 斷路器狀態的監測

從實現保護的意義來講，作為電力系統重要一次設備的斷路器是繼電保護裝置在一次設備的延伸。因此，對斷路器跳閘接點的有效監視是繼電保護狀態監測的重要環節之一。

常用的方法是檢驗常開、常閉輔助接點(52A、52B)，正常情況下52A和52B的狀態是相反的，如果狀態相同，就表明斷路器很有可能處于異常狀態，應在一定延時后予以報警。具體情況如下:若52A和52B同時閉合，則表明:①二次回路或輔助接點有缺陷;②斷路器有缺陷。若52A和52B同時斷開，則表明①二次回路或輔助接點有缺陷;②斷路器處于隔離狀態;③斷路器有缺陷。

一般斷路器檢修需要確保操作動作機構正常，跳合閘回路正確，斷路器的遮斷容量滿足系統要求，這種定期檢修方式只能給予斷路器大致的維修指導，而保護記錄了斷路器每次動作的情況，可為更精確地評估斷路器的狀態提供參考信息。

2.3 TV、TA的監測

電壓回路的監視一般由3個環節組成，如圖1所示。

1)單相或兩相電壓失卻:若在檢測零序電壓時，零序和負序電流為0，則表明電壓回路有故障。

2)帶負荷時三相電壓失卻:在此情況下無法檢測到零序電壓，因而不能啟動電壓回路監測功能，一般根據電流的變化量來啟動電壓回路監測功能。

3)線路充電時三相電壓失卻:此情況的發生一般由兩個原因引起，一是近區故障，二是TV回路有故障，前者需要加速跳閘，后者需要閉鎖保護。

圖1 電壓回路監視示意圖

電流回路的監視示意圖如圖2所示。

圖2 電流回路監視示意圖

一般地，若在無零序電壓的情況下監測到零序電流，則表明電流回路異常。另外，由于電壓互感器的聯接需要反映一次側的零序電壓，所以變壓器必須是一次側接地或三相5柱式，采用瞬間閉鎖、延時警告的邏輯。

2.4 收集繼電保護裝置信息

為了科學、全面地對繼電保護裝置的狀態進行評估，合理地制定檢修策略，除了在線監測到的保護裝置狀態信息，對于繼電保護設備的基礎資料信息收集也是必不可少。

繼電保護的基礎資料主要由原始資料、檢修資料及遺傳缺陷資料組成。原始資料包含出廠資料(如設備參數、技術說明書、出廠試驗報告等)、技術協議、安裝記錄、相關會議紀要、驗收報告等;檢修資料包含巡檢記錄、例行試驗報告、消缺記錄、診斷性試驗報告等;遺傳缺陷資料包含家族式缺陷(如保護裝置的液晶顯示屏、開關電源等在設備運行后同一時間發生故障)、歷年缺陷及異常記錄、歷次狀態評價報告等。

廣泛、完整地收集繼電保護的基本資料是對其開展狀態檢修工作的重點也是難點之一，只有建立了健全的基礎資料后才能對繼電保護裝置的狀況進行全面有效的評估。

3 繼電保護狀態檢修系統

繼電保護狀態檢修的關鍵在于有效地發現保護系統的異常，及時消除保護裝置或回路的缺陷，因此，良好的狀態監視系統是保護狀態檢修的首要環節，繼電保護狀態監視系統的結構示意圖如圖3所示。

圖3 保護狀態監測系統

保護狀態監視系統基本由3部分組成:①信息采集系統;②信息分析系統;③信息傳輸系統。信息采集系統主要實現保護裝置、跳閘線圈、相關回路等關鍵信息的采集，這些是繼電保護狀態檢修系統實現的基礎;信息分析系統主要進行數據處理和分析，如保護定值的管理、保護自檢報警、保護動作報警等;信息傳輸系統一般采用光纖作為媒介，增加其抗干擾能力。

在獲取了繼電保護狀態信息的基礎上，后臺分析系統利用專家庫的知識和經驗，模擬專家的思維決策對信息進行推理判斷，判斷設備是否故障及確定故障的位置、性質，并得出檢修結論。保護狀態檢修后臺分析系統從功能上一般分為基本應用功能和高級應用功能，如圖4所示。

圖4 保護狀態檢修后臺分析系統

繼電保護狀態檢修的工作流程如圖5所示，主要分為報警信息處理機制和專家分析系統。

從圖5可看出，保護狀態檢修系統先根據報警信息類型將實時信息進行分類，再結合歷史信息和設備運行情況，對保護的健康水平進行綜合評價，判斷設備是否處于異常狀態。而專家分析系統根據繼電保護裝置的報警信息，利用推理原則進行推理分析，同時，結合運行人員的經驗判斷來診斷保護裝置可能的異常。

圖5 保護狀態檢修系統工作流程圖

4 結論

繼電保護裝置狀態檢修的應用正方興未艾，在介紹了繼電保護檢修技術現狀及狀態檢修技術應用難點的基礎上，提出了實現繼電保護狀態檢修的關鍵技術，分析了繼電保護狀態檢修系統的基本結構和功能組成，為繼電保護狀態檢修的實用化作出了一些嘗試，希望能起到拋磚引玉的作用，促進繼電保護裝置狀態檢修早日實施。

［1］吳杰余，張哲，尹項根，等.電氣二次設備狀態檢修研究［J］.繼電器，2002，30(2):22-24.

［2］高翔，劉韶俊.繼電保護狀態檢修及實施探討［J］.繼電器，2005，33(20):23-27.

［3］韓平，趙勇，李曉朋，等.繼電保護狀態檢修的實用化嘗試［J］.電力系統保護與控制，2010，38(19):92-95.

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［5］丁茂生，王鋼，賀文.基于可靠性經濟分析的繼電保護最優檢修間隔時間［J］.中國電機工程學報，2007，27(25):44-48.

［6］李紅寧，張勇軍，吳國沛，等.基于可靠性分析的微機繼電保護設備最佳檢周期研究［J］.電力自動化設備，2007，27(9):71-74，87.

［7］沈曉凡，舒治淮，劉宇，等.2008年國家電網公司繼電保護裝置運行情況［J］.電網技術，2010，34(3):173-177.