電力系統(tǒng)的繼電保護探究及技術(shù)應(yīng)用分析

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司 戴智慧

近年來，在經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的影響下，城市對電力需求的持續(xù)增加，變電站工程的建設(shè)數(shù)量和規(guī)模持續(xù)增加，為經(jīng)濟、生活帶來了便利。繼電保護系統(tǒng)是電力系統(tǒng)管理較為重要的裝置，其在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電以及電能轉(zhuǎn)換等工序中發(fā)揮著電氣量保護作用。從某方面說，繼電保護系統(tǒng)的運行質(zhì)量，直接決定了電力系統(tǒng)的運行質(zhì)量與整體安全性。為此，重視起對繼電保護系統(tǒng)問題的解決，保障其運行質(zhì)量至關(guān)重要。如果不注意裝置的設(shè)計和技術(shù)的應(yīng)用，其可對繼電保護系統(tǒng)正常使用帶來影響，對電網(wǎng)帶來沖擊，甚至還可能因此引發(fā)停電事故，引發(fā)嚴重經(jīng)濟損失。

1 電力系統(tǒng)的主要故障問題

1.1 外部電磁感應(yīng)問題

電力系統(tǒng)的內(nèi)部導(dǎo)體與外殼的間距相對較小，這種過小的間距造成了電磁耦合的增強，因為電力系統(tǒng)的電磁耦合過于強大，因此會造成運行電流的上升幅度在短期內(nèi)過高過快。在常規(guī)的運作模式下，系統(tǒng)可以依靠繼電保護來實現(xiàn)三相電流的相對平衡[1]。但是，因電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性和布置設(shè)計，以及導(dǎo)體和外殼無法達成百分百的方案等因素所帶來的影響，內(nèi)部導(dǎo)體與外殼間無法達成絕對的平衡，即會出現(xiàn)偏差，這種偏差的存在讓電力系統(tǒng)必然會出現(xiàn)外部電磁感應(yīng)問題，因此如何避免這一問題成為屏蔽系統(tǒng)主要故障的關(guān)鍵。

作為引發(fā)電磁感應(yīng)問題主要因素的電力系統(tǒng)外殼，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上被分成了連續(xù)性結(jié)構(gòu)和非連續(xù)性結(jié)構(gòu)兩種，因結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同，最終產(chǎn)生的感應(yīng)電流狀態(tài)也不同。在電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相的內(nèi)部故障時，其外殼會發(fā)生感應(yīng)電流和電壓，如果此時的外殼是連續(xù)性結(jié)構(gòu)設(shè)計，沿母線方向的各段殼體之間會發(fā)生電氣連通的情況，在這種情況下，母線電流就會在電力系統(tǒng)的外殼處引發(fā)感應(yīng)電壓，感應(yīng)電流也因為電氣連通的緣故以縱向電流形態(tài)存在。如果此時的外殼是非連續(xù)性設(shè)計，則各段殼體的電氣無法實現(xiàn)連通，處于隔斷的狀態(tài)，母線電流雖然也會在外殼上引起感應(yīng)電壓，但由于電氣隔絕，所以不會出現(xiàn)連續(xù)性結(jié)構(gòu)下的縱向電流，而是在隔斷的外殼處形成局部感應(yīng)電流。

1.2 瞬時過電壓問題

電力系統(tǒng)中，硬件的運行時間一長線路容易老化，同時線路故障發(fā)生率也會變高，穩(wěn)定性也會變差，難以確保線路的正常運轉(zhuǎn)。引起通訊線路破壞的因素較多，如瞬時高電流、電壓等，均會損壞通信線路，以及影響線路兩邊的有關(guān)設(shè)備，另外雷雨也可能對通信線路等硬件造成損壞。所以在電力系統(tǒng)的運行過程中，隔離開關(guān)和斷路器等一般設(shè)計為分合閘操作，在這種設(shè)計下，電力系統(tǒng)會有快速暫態(tài)過程，快速暫態(tài)容易讓接地外殼的電位出現(xiàn)短時上升，在較短的時間中迅速增大，在超過保護介質(zhì)的承受力后，就會出現(xiàn)擊穿故障。

以隔離開關(guān)為例，隔離開關(guān)合閘時，動靜觸頭的距離逐步縮小，當斷口間距離難以承受電壓差時，斷口間發(fā)生擊穿，電弧受觸頭的運動、氣體氣流影響、電源電壓變化等影響，將會反復(fù)發(fā)生電弧擊穿、熄滅，形成一連串的高頻脈沖波，在脈沖波形成后，會按照一定速度進行傳播，當脈沖波傳播到母線終端或保護區(qū)分等波阻抗發(fā)生顯著變化部位時行波將全反射，導(dǎo)致該部分殼體電位上升，該高頻低能、持續(xù)時間較短的瞬時過電壓，會導(dǎo)致空氣氣隙擊穿而出現(xiàn)聲、光現(xiàn)象，不僅影響到變電站的運作效率，而且還給電力系統(tǒng)造成了安全隱患[2]。

1.3 電力系統(tǒng)裝置外殼接觸電壓問題

在系統(tǒng)運行和維養(yǎng)中，工作人員和繼電保護裝置不存在間隔性，工作人員能夠無阻礙和繼電保護裝置的外殼自由接觸，如果不將接觸電壓控制在安全范圍中，會提高工作人員的人身安全威脅。一般思路是將故障電流控制在最小電阻回路，然后通過接地網(wǎng)釋放，以此避免外殼的接觸電壓均對工作人員的人身安全造成威脅[3]。

在系統(tǒng)運作中，會對工作人員個人安全帶來威脅的故障有以下兩種，一種是發(fā)生在裝置內(nèi)部的故障，常見的有母線導(dǎo)體與外殼之間發(fā)生閃絡(luò)，另一種是發(fā)生在裝置外部的故障，也就是在外殼上形成的感應(yīng)電流。在處理故障問題時，需要結(jié)合內(nèi)外故障的特點做針對性的預(yù)防，根據(jù)接地電流的變化情況、感應(yīng)電壓變化情況、電流路徑差異、電壓上升差異進行調(diào)整，減少工作人員接觸繼電保護裝置中可能面臨的人身安全威脅。

2 繼電保護的技術(shù)運用

2.1 繼電保護裝置的優(yōu)化原理

在優(yōu)化過程中，公式Q=2πfCU2是比較重要的算式，借助該公式可對繼電保護裝置的出力大小與電壓、頻率、容量大小的關(guān)系進行計算和明晰。式中：Q表示電容器的功率，單位Var；f表示系統(tǒng)頻率50Hz/60Hz，C為電容器容量，單位uF；U表示系統(tǒng)電壓，單位kV，在公式中，核心點在于C數(shù)值，該數(shù)值的變化會讓Q值也跟著發(fā)生改變，國外有案例利用將頻率f改變來使大小發(fā)生變化，而國內(nèi)主要是改變繼電保護裝置電壓U。

2.2 繼電保護裝置的優(yōu)化思路

繼電保護裝置是由控制器、電壓調(diào)節(jié)器和電源三個部分共同組成。保護裝置的控制器依據(jù)九區(qū)圖原理對電力系統(tǒng)的電流和電壓等信號進行聯(lián)系，并對電壓值和cosφ值進行合理設(shè)定。控制器在設(shè)定中會對電壓與cosφ進行檢測，如果未達標準，會對變壓器調(diào)節(jié)，讓繼電保護裝置的輸出得到調(diào)整，確保電壓和cosφ符合標準[4]。

電壓調(diào)節(jié)器屬于有載自耦的調(diào)壓器，通過優(yōu)化計算，能夠得出調(diào)節(jié)器中輸出的電壓是母線電壓±10%調(diào)節(jié)范圍。通過對其進行控制，采用9檔，每檔調(diào)節(jié)額定電壓的5%。

繼電保護裝置（C）氛圍線路型和變電站兩種，二者在結(jié)構(gòu)上并無不同，唯一的差別在容量上。后者略高，約為750～18000kVar，前者為300～1000kVar。就功能來說，變電站主要利用對主變分接頭進行控制來達到對母線電壓進行控制的效果，但線路型卻不具備；與此同時，變電站可通過對型號的控制，將主變電源側(cè)三相電流電壓實現(xiàn)，而線路型則是通過對BC相線電壓A相電流予以控制。

2.3 繼電保護的系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)階段，電壓綜合自動控制裝置（VQC）得到了較為廣泛的運用，但是在地區(qū)的限制下，難以對全部電壓設(shè)備以及容量進行控制，還極易由于節(jié)點分散工資使得功率在分布方面出現(xiàn)不合理的情況。所以，必須對裝置設(shè)備進行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計措施主要包含以下幾點。

建立控制系統(tǒng)。在相關(guān)電力回路中對繼電器進行安裝，借助五類雙絞線將各個模塊連接起來，然后組成一個互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來順利實現(xiàn)電力控制。各模塊對一個單元地址進行設(shè)置，接著輸入至控制主機，創(chuàng)建有關(guān)控制關(guān)系，經(jīng)過輸出單元由繼電器進一步控制電力系統(tǒng)。各繼電器是獨立存在的，屬于對等關(guān)系，能夠采取集中控制以及現(xiàn)場分散控制；BAS系統(tǒng)與電力系統(tǒng)連接，能夠在BAS控制面板里面全面監(jiān)控電力系統(tǒng)的實際情況。

系統(tǒng)采取相應(yīng)的編程軟件。操作者能夠?qū)ο到y(tǒng)實施編程。這有利于更好地適應(yīng)未來可能出現(xiàn)的系統(tǒng)改變，在改造小型電力系統(tǒng)的過程中，僅需修改編程就能夠?qū)崿F(xiàn)；借助PC接頭模塊，將計算機以及系統(tǒng)充分聯(lián)系起來；在控制室安裝一臺電力計算機，借助網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)實施編程，通過圖形模擬更好地展現(xiàn)設(shè)備平面圖，在圖上顯示各設(shè)備的具體使用情況。在網(wǎng)絡(luò)的界面上，不僅能夠?qū)Ω鲄^(qū)域的電力系統(tǒng)狀態(tài)進行全面監(jiān)控，而且可實時關(guān)閉、開啟動作。操作者能夠借助界面進一步監(jiān)視電力系統(tǒng)的實際情況，使用鼠標對圖形進行點擊，然后實施控制。

建立優(yōu)化動態(tài)數(shù)學(xué)模型。設(shè)電網(wǎng)包含的節(jié)點有n個，然后將24h電能損耗作為目標函數(shù)，控制變量分別是變壓器分接頭位置、補償量。模型如下：

在上述模型中，V、Q、T、Si指的是電壓、量、變壓器接頭位置、變電站VQC限值，另外Δt指的是負荷近似維持不變的時間段，本文通過Δt=1h、ft（Qt，Tt）=0來反映t時段功率平衡方程式組。

計算方法優(yōu)化。電力系統(tǒng)有很多顯著特征，如難度高、計算復(fù)雜。基于此，能夠采取推動潮流計算效率提高以及優(yōu)化編碼等措施，對計算方法進行全面、科學(xué)的優(yōu)化。可以應(yīng)用遺傳算法，能夠有效合理地解決優(yōu)化存在的問題，推動潮流計算效率的加強。其一，進行迭代計算的過程中對需要對潮流計算精度進行全面調(diào)整，諸如在計算初始階段對精度進行降低，后期則相反；其二，進行具體計算前需要進行比較檢查，重點內(nèi)容在于計算個體和計算完成個體是否存在相同抑或是相似的地方，然后結(jié)合計算經(jīng)驗對計算群體予以調(diào)整，進而讓計算工作量得到降低。

2.4 繼電保護裝置的運作設(shè)計

對于數(shù)字電路而言，每一信息都是根據(jù)一固定序列排列，因此可利用一定校驗算法，形成原始碼與校驗碼的聯(lián)系，在此基礎(chǔ)之上，對原始碼即可通過校驗碼進行錯誤辨識，即通過對某一功能模塊進行監(jiān)視，或是監(jiān)視繼電保護裝置工作時間是否在規(guī)定時間內(nèi)，以此來對功能予以判斷。定時監(jiān)視法可應(yīng)用在硬件上，也可應(yīng)用軟件上，還可在軟件混合狀態(tài)下監(jiān)測，如到計算機保護，因受到強磁干擾影響，微處理器工作從正常程序軌道偏離，無法響應(yīng)。在這一情況下，定時監(jiān)視法就會強行復(fù)位微處理器，以達到接式微處理器運行目的。

對于部分環(huán)境情況嚴峻，會對人員造成危害的，不適宜人工操作的，也可以選擇引入人工智能，從而替代人工完成一些必要的工作，針對電力系統(tǒng)進行故障排查。

在設(shè)計繼電保護裝置的過程中，必須根據(jù)相關(guān)規(guī)定將其更換為符合標準的復(fù)合性材料。除此之外，針對導(dǎo)電鋁排或者銅排，必須為其裝設(shè)熱縮保護套。如此就能夠較好地避免因帶電體的裸露而帶來的意外人員傷亡事故，與此同時，還必須對有害氣體進行嚴格控制，以免對導(dǎo)電鋁排或者銅排帶來腐蝕，影響其性能。此外，在日常維護管理中，為了更好的保障保護爬距處于標準范圍內(nèi)，還需要定期進行間隔距離的校驗，及時做好相應(yīng)調(diào)整或者配件更換。

在對繼電保護裝置實施檢測期間，必須根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求來嚴格落實，確保繼電保護裝置能夠始終保持在最佳運行狀態(tài)下。必須根據(jù)《電力安全工作規(guī)程》《電力設(shè)備過電壓保護設(shè)計技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)要求對電力設(shè)備過電壓保護技術(shù)實施強化管理。同時，還必須定期對繼電保護裝置進行預(yù)防性試驗，及時掌握其存在的問題，做好預(yù)防性糾偏調(diào)整處理，確保其始終處于最佳運行狀態(tài)。研究人員可在繼電保護裝置中配置專門的濾網(wǎng)或者網(wǎng)柵，最大限度上防止灰塵的進入，同時加強通風(fēng)，降低潮濕度。針對相對較為潮濕的區(qū)域，那么需要配置相應(yīng)的去潮濕裝置。在進出電纜孔時還必須注意配置相應(yīng)的阻燃材料，同時加強封填處理，針對可能進入潮氣的部件做好相應(yīng)的封堵處理，降低設(shè)備濕度。

在對繼電保護裝置實施安裝處理時，必須重視其對相應(yīng)材料的檢查，并注意保證所選擇配件均有較強保護性能，以便更好的提升整體保護性能。在進行安裝處理期間，必須根據(jù)具體的工藝要求來進行合理處理，加強線路加固、元件打磨等操作，以免上述因素對繼電保護裝置的保護性能帶來影響。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對繼電保護裝置進行設(shè)計和優(yōu)化，可促進內(nèi)部電壓的提高，并對能量損耗的情況進行降低，進而降低電力系統(tǒng)的故障發(fā)生概率，確保繼電保護裝置在電力系統(tǒng)中發(fā)揮出更好的作用。