電廠繼電保護(hù)技術(shù)的基本原理及其應(yīng)用

國電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司 張清棠

1 引言

在電廠電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置的最大功用就是幫助管理人員及時發(fā)現(xiàn)各電氣設(shè)備運(yùn)行中的各類異常情況，以便及時進(jìn)行處理，確保電力生產(chǎn)安全可靠。盡管繼電保護(hù)裝置能夠在監(jiān)測到電氣設(shè)備運(yùn)行中的問題后能及時給予響應(yīng)，果斷地進(jìn)行隔離，避免了問題的進(jìn)一步惡化，但系統(tǒng)本身卻因諸多因素影響造成可靠性降低[1]。下文主要針對電廠繼電保護(hù)技術(shù)應(yīng)用及提升繼電保護(hù)可靠性措施展開討論，希望能為促進(jìn)電力事業(yè)良性發(fā)展作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

2 電廠電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)內(nèi)涵

繼電保護(hù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，具備電力數(shù)據(jù)信息采集、處理及網(wǎng)絡(luò)傳輸自動化優(yōu)勢特征，可使電力系統(tǒng)自動完成狀態(tài)檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，降低電力系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)。繼電保護(hù)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 繼電保護(hù)系統(tǒng)

2.1 電廠繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn)

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)重要組成部分之一，對電力系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性產(chǎn)生著非常重要的影響。隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與高新技術(shù)的充分融合實(shí)現(xiàn)了電力運(yùn)維的優(yōu)化升級，尤其在將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用之后，相關(guān)算法得到明顯改善，尤其在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，繼電保護(hù)裝置靈敏性得到快速提升。

首先，當(dāng)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)在所設(shè)定的參數(shù)閾值內(nèi)浮動時，繼電保護(hù)便處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)數(shù)值變化超過設(shè)定參數(shù)閾值時，繼電保護(hù)裝置便自行啟動，實(shí)施必要的保護(hù)操作，降低電力系統(tǒng)故障帶來的損害，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

其次，最前沿電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)融合了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等高新技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)信息傳輸即時性與準(zhǔn)確性，使電力系統(tǒng)故障排除能力得到顯著提升，除能夠利用精確算法排除電力系統(tǒng)故障外，還能對故障類型、故障點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而為電力運(yùn)維人員快速找到解決辦法提供了便利，極大地保障了電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[3]。

2.2 發(fā)電廠繼電保護(hù)的原理

在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置中，最主要組成部分包含測量裝置、邏輯判斷組件及執(zhí)行保護(hù)模塊三部分。繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行原理是系統(tǒng)邏輯判斷部分通過對比自采集數(shù)據(jù)與額定參數(shù)差異，了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)電流突然增大時，電壓及電流之間的相位就會發(fā)生明顯變化，此時繼電保護(hù)系統(tǒng)邏輯判斷組間就會結(jié)合數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行是否啟動保護(hù)判斷。判斷時首先準(zhǔn)確分析測試裝置特有參數(shù)的性質(zhì)及準(zhǔn)確性，然后將分析結(jié)果輸入執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行保護(hù)組間便根據(jù)指令自行啟動保護(hù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動控制。繼電保護(hù)裝置原理分析如圖2所示。

圖2 繼電保護(hù)裝置原理分析

相較于其他電氣裝置，繼電保護(hù)裝置在其運(yùn)行過程中，其運(yùn)行可靠性很容易受到外界因素的影響，為此，必須通過相關(guān)措施應(yīng)用將各種因素的影響降至最低，盡可能地保障自可靠性不受影響，從而在電氣設(shè)備出現(xiàn)故障時，繼電保護(hù)裝置能快速反應(yīng)，進(jìn)行隔離保護(hù)，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 電力系統(tǒng)中常出現(xiàn)的問題

當(dāng)期，我國正處于社會經(jīng)濟(jì)高速穩(wěn)定發(fā)展時期，電能在此過程中發(fā)揮了非常重要的作用，同時也暴露出許多問題。當(dāng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)不能滿足實(shí)際工作需求時，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理布局，確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)行和穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)踐中，最常見系統(tǒng)故障問題是系統(tǒng)故障引發(fā)的停電事故、電網(wǎng)自身缺陷而引發(fā)的大面積斷電問題、繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性不足引起的系統(tǒng)故障診斷不出問題，種種問題都會造成電力系統(tǒng)運(yùn)行管理不足。因此，為改善電力系統(tǒng)中出現(xiàn)問題，應(yīng)該從技術(shù)上提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

4 電力系統(tǒng)安全控制中繼電保護(hù)應(yīng)用研究

4.1 繼電保護(hù)可靠性衡量指標(biāo)

4.1.1 可靠性

可靠性就是指繼電保護(hù)系統(tǒng)在相對條件及時間下的電子元件能夠正常完成的功能，一般用字母R表示，而可靠度則指設(shè)備運(yùn)行開始到失效的時間，其表達(dá)式為：

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

假設(shè)N個電子元件繼電保護(hù)產(chǎn)品初始時間t 時刻的失效數(shù)為N(t)，當(dāng)N 達(dá)到足夠數(shù)量時，繼電保護(hù)裝置在t 時刻的可靠度表示為：

隨著繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行時間的延長，R(t)會逐漸下降，但始終介于0～1。

4.1.2 累積失效概率

累積失效概率即在規(guī)定要求下，電子元件工作至失效時間的概率，一般以F(t)表示，其具體表達(dá)式為：

例如，當(dāng)N個電子元件繼電保護(hù)產(chǎn)品從開始工作到t時刻的失效數(shù)為N(t)，當(dāng)N達(dá)到足夠數(shù)量時，t時刻繼電保護(hù)裝置累積失效概率計(jì)算可通過式（4）、式（5）完成：

4.2 短路電流計(jì)算分析

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，為提升保護(hù)措施正確性，必須對繼電保護(hù)電力系統(tǒng)短路電流進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從而為科學(xué)編制保護(hù)方案提供數(shù)據(jù)參考。在繼電保護(hù)電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算過程中，包含內(nèi)容眾多，如補(bǔ)償器安裝、主變壓器電阻、系統(tǒng)線路以及負(fù)荷線路等。

4.2.1 系統(tǒng)線路計(jì)算

如將110kV 系統(tǒng)電流設(shè)置為50km，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需求就應(yīng)將SB 設(shè)置為100mWA。某電力系統(tǒng)VB1設(shè)定值為110kV，通過計(jì)算得到系統(tǒng)電壓平均參數(shù)為115kV，對應(yīng)的線路阻抗為：X1=0.4/km，其計(jì)算式為：

帶入?yún)?shù)后，最終判定系統(tǒng)短路電流為0.165A。

4.2.2 負(fù)荷線路計(jì)算

負(fù)荷線路電流計(jì)算是電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算中不可或缺的重要部分之一，其計(jì)算準(zhǔn)確性將對繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性產(chǎn)生直接影響。在具體工作實(shí)踐中，如將110kV 繼電保護(hù)電力系統(tǒng)中的35kV 的一側(cè)VB2設(shè)置為37kV，帶入式（6）得到：

此外，如果系統(tǒng)電流10 kV 一側(cè)的VB3為10.5kV，套用此公式可計(jì)算短路電流為7.256A。

5 提升電廠繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的有效措施

5.1 改善自然環(huán)境

針對目前自然界雷電影響進(jìn)行電力系統(tǒng)防雷工程建設(shè)，以消除各級雷電的影響。首先，必須消除直接雷擊對繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響。其次，感應(yīng)雷保護(hù)采用多級防雷箱和防雷裝置，以盡可能地消除瞬態(tài)感應(yīng)電動勢的影響，確保繼電保護(hù)系統(tǒng)不受感應(yīng)電流的影響。最后，合理的布局消除電壓差，減少由于壓降引起的高電壓或大電流對繼電保護(hù)裝置的影響。

結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境引入溫度控制組件，利用溫度控制組件自適應(yīng)功能消除高溫或低溫對繼電保護(hù)系統(tǒng)的干擾，并通過風(fēng)扇冷卻及加熱方式進(jìn)行繼電保護(hù)工作柜的溫度調(diào)節(jié)。

5.2 加強(qiáng)二次回路的巡查

通過加強(qiáng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置二次回路檢查，及時發(fā)現(xiàn)工作過程中的安全隱患和故障，促進(jìn)繼電保護(hù)裝置安全可靠運(yùn)行。

通常情況下，檢修人員在進(jìn)行裝置二次回路巡查時，僅對繼電保護(hù)裝置外殼及其他部件外觀進(jìn)行檢查，如果外殼或其他部件損壞，應(yīng)立即檢查繼電保護(hù)裝置的電阻。如果檢查表明電阻器過熱，則必須進(jìn)行修理。

在某些檢查中，必須對轉(zhuǎn)換開關(guān)和指示器等設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行檢查，確保其處于安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)中。通過規(guī)范化二次回路檢查，可及時發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置中可能存在的隱患問題，并及時采取必要手段進(jìn)行處理[5]。

5.3 提高設(shè)備安全質(zhì)量

為保證繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，電力企業(yè)必須對繼電保護(hù)裝置的安全性和運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行綜合分析，從而保證其運(yùn)行過程不受外界因素影響。

首先，企業(yè)在采買繼電保護(hù)裝置時，通過規(guī)范化流程加強(qiáng)質(zhì)量管理，按照設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備采購，從源頭上保證設(shè)備質(zhì)量符合安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

其次，在繼電保護(hù)裝置安裝過程中，按行業(yè)規(guī)范要求進(jìn)行安裝，并通過科學(xué)的調(diào)試手段驗(yàn)證設(shè)備是否處于安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)中。

最后，在后續(xù)使用過程中，要建立相對完善的運(yùn)維制度，安排專業(yè)運(yùn)維人員進(jìn)行定期檢定與維護(hù)。對于存在潛在故障的設(shè)備進(jìn)行及時維修處理，必要時必須予以更換，以保證機(jī)電保護(hù)設(shè)備裝置始終處于健康穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)中，提升電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

5.4 強(qiáng)化技術(shù)人員專業(yè)素養(yǎng)

電力運(yùn)維技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)的高低將影響到繼電保護(hù)裝置運(yùn)行效率及質(zhì)量，電力企業(yè)一定要加強(qiáng)高素質(zhì)技術(shù)人員引進(jìn)及培養(yǎng)，讓其在工作實(shí)踐中充分發(fā)揮自身價值，運(yùn)用自身知識及技術(shù)優(yōu)勢，保證繼電保護(hù)裝置運(yùn)行安全性。

在技術(shù)人員教育培訓(xùn)中，將最前沿電力技術(shù)及相關(guān)科學(xué)技術(shù)納入培訓(xùn)內(nèi)容，并在培訓(xùn)之后采取嚴(yán)格的考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，確保所選聘的技術(shù)人員都是專業(yè)知識豐富、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富，確認(rèn)真負(fù)責(zé)的人，確保其在工作實(shí)踐中能從容應(yīng)對各種挑戰(zhàn)。

6 結(jié)語

電力企業(yè)在日常管理工作中科學(xué)應(yīng)用電力系統(tǒng)安全自動控制技術(shù)與繼電保護(hù)技術(shù)的主要目的在于提升電力系統(tǒng)自動化、智能化與保證電網(wǎng)安全高效運(yùn)行兩方面。

為此，企業(yè)應(yīng)在具體工作實(shí)踐中，通過對電力系統(tǒng)運(yùn)行問題分析與短路電流計(jì)算，科學(xué)使用繼電保護(hù)技術(shù)，并在系統(tǒng)采購、安裝、運(yùn)維中加強(qiáng)質(zhì)量控制，確保其始終處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)中，從而盡可能地消除電力系統(tǒng)安全隱患，保障廣大用戶用電穩(wěn)定性。