基于后備保護配置的繼電保護可靠性分析

劉光輝，鄧春燦，付魯川

（1.國網西藏電力有限公司拉薩供電公司，西藏 拉薩850000；2.國網西藏電力有限公司檢修公司，西藏 拉薩850000；3.國網陜西省電力公司，陜西 西安710048）

0 引 言

繼電保護是保障電網安全、穩定運行不可或缺的重要設備。《繼電保護和安全自動裝置技術規程》（GB/T 14285—2006）明確指出，繼電保護應符合可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。對于選擇性、靈敏性和速動性的要求很好理解；而對于可靠性，技術規程的描述是保護該動作時應動作，不該動作時不動作。但如何對繼電保護裝置進行合理的配置和整定[1-3]，實現電網安全、穩定運行對繼電保護可靠性的要求值得深入分析。

1 可靠性與選擇性、靈敏性、速動性的關系

選擇性是指首先由故障設備或線路本身的保護切除故障，當故障設備或線路的保護或斷路器拒動時，才允許由相鄰設備、線路的保護或斷路器失靈保護切除故障。可以理解為是“可靠性”中的“該動作時應動作，不該動作時不動作”要求的具體體現。在保護范圍內故障，其保護按照既定程序或邏輯正確動作就是“應動作”，未在保護范圍內的保護不動作則理解為“不該動作”。對于縱聯和差動保護來講，其選擇性是天然的，在定值靈敏度滿足要求的前提下，其保護范圍也就是選擇性只與電流互感器的安裝位置有關。其他保護的選擇性則由整定值來確定。

靈敏性是指在設備或線路發生故障時保護裝置具有的正確動作能力的裕度。速動性是指保護裝置應能盡快地切除故障，提高系統穩定性。顯然“靈敏性”和“速動性”均是“該動作時應動作”的具體體現。“該動作時應動作”既有靈敏性的要求，也有速動性的要求，不僅要能動作，而且要根據電網穩定運行的要求快速動作。靈敏性完全由整定值來決定，定值的靈敏系數必須滿足規程的要求。縱聯保護、差動保護及無法切除被保護設備全范圍故障的突變量和1段保護的速動性由保護裝置本身性能確定，其他后備保護的速動性由整定計算的定值配合確定[1-3]。

顯然，可靠性是電網安全運行對繼電保護的最終要求，選擇性、靈敏性和速動性都是為可靠性服務的。可靠性的實現是通過選用由可靠的硬件和軟件構成的裝置，合理配置和整定繼電保護，在滿足選擇性、靈敏性和速動性的前提下，充分發揮繼電保護的整體性能，最終能夠在電力系統發生故障時動作并可靠切除故障。

2 按遠后備配置繼電保護可靠性分析

《3 kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》（DL/T 5842007）指出，任何電力設備都不允許無保護運行。從技術上來講，運行中的電力設備，一般應有分別作用于不同斷路器，且整定值有規定靈敏系數的兩套獨立的繼電保護裝置作為主保護和后備保護[2]，以確保電力設備安全。筆者將其簡稱為“雙保護、雙斷路器”或者“N-1”原則，也就是當一套保護或者一臺斷路器拒動時，繼電保護仍然能夠發揮作用將故障切除，是繼電保護配置可靠性的具體量化體現，也是一個可靠性裕度的概念。

以圖1的110 kV電網為例，說明“有保護運行”和“無保護運行”概念。

圖1 110 kV電網接線及保護配置示意圖

線路1和2分別配置保護A和B，按照110 kV電網繼電保護的設計和配置原則，110 kV線路一般只配置一套微機保護裝置，按遠后備原則進行整定。保護A應對線路2故障有規定的靈敏度。若線路2的保護B因交流回路、直流電源故障或其他原因造成的裝置整套退出時，由于保護A對線路2故障完全能夠動作并切除，因此從技術上來講線路 2不能繼續運行。

當線路2的保護B退出運行后，雖然保護A對線路2故障完全能夠動作并隔離，但從對繼電保護可靠性的要求來講，不滿足“雙保護、雙斷路器”或者“N-1”原則，繼電保護的可靠性不滿足要求。即線路2故障時，如果保護A拒動，或者保護A作用的斷路器拒動，都將導致故障無法切除。這是電網安全穩定運行所不允許的。

保護B退出，即意味著線路2是“無保護運行”，此時可作為繼電保護特殊運行方式來處理。根據規程規定，保護特殊運行方式應經所在單位總工程師批準，并備案說明。

遠后備配置的主要優點是從物理上保證了兩套保護的獨立性，同時失去兩套保護的可能性極小。遠后備配置的主要缺點：一是由于存在定值配合問題，故障切除時間較長；二是由相鄰上級變電站切除故障，擴大了停電范圍。

3 按近后備雙重化配置保護的可靠性分析

對于220 kV及以上電壓的復雜電網，為了提高故障的切除速度，同時也由于上一級斷路器配置的繼電保護裝置往往無法對相鄰故障元件實現完全的后備保護，一般按近后備雙重化配置繼電保護。如果斷路器拒動，則通過失靈保護斷開相鄰斷路器[4,5]。保護的雙重化和斷路器失靈保護的配置是實現“近后備”的必要配置，也是對繼電保護可靠性的最基本要求。

以圖2的220 kV電網為例，用“雙保護、雙斷路器”或者“N-1”原則來分析雙重化配置保護的可靠性。

圖2 220 kV電網接線及保護配置示意圖

線路1配置的保護為A1、A2，線路2配置的保護為B1、B2。線路1的保護無法對線路2實現遠后備。所配置的保護均為主后一體的微機保護。線路2發生故障時，B1和B2保護互為備用，一套保護拒動的情況下仍可切除故障；線路2的斷路器拒動時，可通過斷路器失靈保護跳開電氣上相鄰的斷路器來切除故障，斷路器也滿足“N-1”要求。

對雙重化配置保護的要求是：這兩套保護在直流、交流、通道及其他邏輯和回路上必須完全獨立，防止因一個元件或環節故障造成兩套保護同時失去作用的情況發生。該要求在相關規程和反措上是非常明確的。

特別需要說明的是，按近后備雙重化配置的保護不是為了檢修的方便，而是實現“近后備”的必要配置。如果確實需要在一次設備不停電的情況下退出一套保護裝置進行檢驗，必須校核上級電網配置的保護是否對本設備故障有規程要求的靈敏度。否則應視為“無保護運行”運行。即電網發生故障時，若運行的保護拒動，故障將無法切除，不滿足配置可靠性“N-1”的要求。需要強調的是，可靠性是對實時運行的繼電保護的要求，與已經退出運行的保護無關。

顯然，如果上級電網配置的保護對本設備故障沒有規程要求的靈敏度，沒有按遠后備考慮，那么按近后備雙重化配置的保護在正常運行時不可將一套保護整套退出。退出一整套保護則可靠性無法滿足“N-1”的要求，即意味著該設備是“無保護運行”，應按繼電保護特殊運行方式進行處理。

近后備配置的主要優點是故障切除時間較短，保護動作跳閘后的停電范圍較小。近后備配置的主要缺點是保護雙重化配置增加了投資，如果兩套保護相互之間的獨立性存在問題，如共用直流電源、共用電壓或電壓互感器的一個二次繞組等，同時失去兩套保護的可能性較大。

4 按近后備雙重化配置的500 kV線路微機保護可靠性分析

對于500 kV線路，以往采用電磁式或分離元件構成的晶體管保護時，一般配置兩套縱聯保護、一套距離保護以及一套零序保護。這些保護的硬件基本獨立，一套保護裝置的硬件故障，可以將其單獨退出進行處理。由于其距離和零序保護在邏輯上與一套縱聯保護有關，從物理上來講，其可靠性為“N-2”，即線路故障時有兩套保護裝置拒動，仍能夠切除故障。而對于微機保護，一般配置兩套相互獨立的主后一體保護裝置，每套保護含縱聯保護、階段式距離保護以及零序電流保護。從物理上來講，其可靠性為“N-1”，即在線路發生故障時，由于硬件或回路上的問題導致一套保護整套拒動，另一套保護仍能夠動作切除故障。若不考慮裝置設計和制造質量，單純從物理上來講，配置微機保護后可靠性是降低了。

500 kV線路配置兩套主后一體微機保護裝置的可靠性分析如下。

在線路距離和零序電流保護1段范圍內發生接地故障時，能夠動作的保護有縱聯保護、距離1段、距離2段、距離3段、零序1段、零序2段、零序3段各2套，從邏輯上來講，共有14種保護能夠動作切除故障，可靠性為“N-13”。即使零序電流保護只保留1段的情況下，也有10種保護能夠動作，即“N-9”。

在線路末端發生接地故障時，距離1段、零序1段甚至零序2段不能動作，但邏輯上至少仍有8種保護能夠動作切除故障，可靠性為“N-7”。

上述分析是完全基于整定計算按近后備考慮的情況，未涉及遠后備的情況。如果保護均按近后備雙重化配置，從物理上來講，對于切除本線路故障的可靠性為“N-1”；從邏輯上來講，對于接地故障，至少是“N-7”。如果不設距離3段，邏輯上的可靠性為“N-5”，完全能夠滿足電網安全運行對繼電保護可靠性的要求，無需考慮對下一級設備作遠后備的問題。如果每個設備配置的保護均能夠可靠切除本設備的故障，自然就不需要考慮非要給其他設備作后備保護的情況。

另外，由以上分析可以看出，除非有特殊要求，否則在同一硬件上增加過多的保護邏輯功能對提高繼電保護可靠性的意義不大[6,7]。

5 結 論

（1）可靠性是電網安全運行對繼電保護的最終要求，選擇性、靈敏性和速動性都是為可靠性服務的。遠后備或近后備配置是不同電壓等級電網對繼電保護可靠性的具體要求。

（2）電網安全運行對繼電保護可靠性的最基本要求是：當一套保護或者一臺斷路器拒動時，繼電保護仍然能夠發揮作用將故障切除。“雙保護、雙斷路器”或者“N-1”原則是繼電保護配置可靠性的具體量化體現。

（3）220 kV及以上電網保護的雙重化配置是實現“近后備”的基本要求，并非為了檢修或運行的方便。在其中一套保護整套退出時，必須校核相鄰設備對其的遠后備靈敏度，否則應視為“無保護運行”運行。

（4）由于按近后備雙重化配置的線路保護完全能夠可靠切除本線故障，可以考慮不設距離3段保護，防止作為遠后備的距離3段保護在事故過負荷的誤動，避免重大電網事故。

（5）在滿足繼電保護可靠性要求的前提下，再冗余配置的繼電保護功能給設備的研發、整定計算、調試檢修帶來了不必要的工作量。如果整定、調試或使用不當，甚至可能造成繼電保護的不正確動作，降低了繼電保護的可靠性。