電氣自動化系統中繼電保護的安全技術探討

文／石鏘鏘、邵峰、張云 杭州綠能環保發電有限公司 浙江杭州 310053

引言：

隨著繼電保護裝置與技術在電氣工程中的普遍應用，大大凸顯了繼電保護的技術優勢，為繼電保護安全技術等的研究和創新提供了新的可能。雖電氣自動化系統中繼電保護取得了相對成功的應用效果，但在具體的工作中安全問題頻繁出現，當前及未來的工作中相關人員需根據行業發展趨勢，創新繼電保護的安全技術，構建科學的技術體系和工作路徑。

1.繼電保護工作原理

電氣系統一旦發生故障將引發電流增大、電壓降低，還伴隨著電流與電壓間相位變化，而利用繼電保護可通過故障時物理量與正常運行時物理量的差異來分析故障，實現保護，如反映電流增大的過電流保護、反映電壓降低的低電壓保護。繼電保護一般包含測量部分、邏輯部分和執行部分，測量部分可測定被保護設備輸入的電流及電壓信號，將處理后的結果與已給定的整定值進行比較，判定是否有起動的必要性；邏輯部分可有測量部分各輸出量的大小、性質及其組合、輸出順序，使保護裝置以一定的邏輯程序完成相應的指令，與此同時將信號傳輸給執行部分；執行部分可接收邏輯部分所傳輸的信號，完成保護裝置所承擔的任務，發送跳閘或信號脈沖。

以線路過電流保護為例，如圖1 所示，電流繼電器KA 的線圈接在被保護線路電流互感器TA 的二次回路，也就是保護的測量回路，可自動監控被保護線路的運行狀態，測定線路中的電流值大小。正常條件下，一旦線路中通過最大負荷電流，繼電器無任何動作；如在被保護線路K 點有短路故障，線路上的電流值在瞬時增大，電流互感器TA 二次側的電流也以變比相應增大，當通過電流繼電器KA 的電流值超過整定值，繼電器開始保護動作，觸點閉合，接通邏輯電路中時間節電器KT 的線圈回路，與此同時，時間繼電器起動并根據短路故障的持續時間確定保護動作的邏輯判定，時間繼電器KT 動作，延時觸點閉合，接通執行回路中的信號繼電器KS 和斷路器QF 的跳閘線圈回路，使繼電器跳閘，切除短路故障[1]。

圖1 線路過電流保護原理

2.繼電保護裝置的特點

現階段大部分電氣自動化系統都配備有繼電保護裝置，該裝置具有以下幾個突出特征：（1）選擇性，指的是由故障設備或線路本身的保護切除故障，一旦電氣系統出現短路故障，繼電保護裝置開始動作，此保護階段僅切除故障元件，最大程度上控制停電區域，以減小故障停電引發的問題。保護裝置的這種可挑選故障元件的能力，就是其保護的選擇性。（2）速動性，為最大程度上減小故障引發的損失，減少用戶在故障時低電壓下的工作時間、提高電氣系統的運行穩定性，繼電保護裝置一旦識別到故障，必須立即啟動保護動作，快速切除故障，以避免故障范圍擴大。（3）可靠性，指的是保護裝置在應該動作時動作，不應該動作時不動作的能力。為增強可靠性，一般應優先采用較為簡單的保護方式，利用可靠的元件、簡單的回路構成保護裝置，并進行必要的檢測、閉鎖與雙重化。（4）靈敏性，指的是繼電保護在其保護范圍內對發生故障或不正常工作狀態下的反應能力。現階段市場上的很多繼電保護裝置中都采用了自動化等技術，裝置在使用過程中的靈敏度異常高[2]。

3.電氣自動化系統中繼電保護裝置安全問題

3.1 電磁干擾

目前市場上的繼電保護裝置，其中都采用了很多現代化技術，這些技術對提高裝置保護能力具有重要的意義。但結合電氣自動化系統中繼電保護的使用情況，電磁干擾問題時有發生，具體有以下幾種：步話機干擾，一些情況下在繼電保護裝置周邊有步話機，該設備在使用過程中有輻射電場，電場可經由耦合方式被傳送到電氣設備及線路，繼電保護裝置無法采集到準確的信號，因為信號準確度不足，影響了結果判定；隔離開關干擾，在操作隔離開關時，觸電間隔部位的電弧閃絡現象嚴重，存在高頻電流、操作過電壓，一旦電流經過母線，將產生磁場，對周圍設備存在明顯干擾；斷開直流回路干擾，如電氣自動化系統期間遇到斷開直流回路問題，繼電保護裝置的繼電器線圈立即聚集過量磁能，在雜散電流與磁能的融合過程中，將產生串聯高頻諧振回路，裝置運行異常[3]。

3.2 裝置觸電

電氣自動化系統的繼電保護裝置也常常面臨觸電問題，此類問題大多發生在調試與操作階段，主要由安裝缺陷、維護保養不到位所導致，如缺乏安裝把控和經常性的維護保養工作，裝置中的部分零部件松動、元器件損壞、線路松脫滑落，都無法保障繼電保護裝置的安全性與可靠性，增大了電氣自動化系統的運行風險。在繼電保護裝置存在異常的情況下，一旦電氣自動化系統內設備或者線路存在故障，繼電保護裝置無法第一時間啟動保護動作，故障范圍將持續擴大。

3.3 短路

繼電保護裝置在運行期間出現短路問題的幾率較高，此類故障的危害較大，一般為電源線中斷連接、連接位置不當、線路老化等導致，在出現這些問題時，隨著時間的延長，繼電保護裝置面臨的短路威脅日漸增大。裝置的短路故障指的是兩個或多個電氣設備間電氣接觸面接觸不良或者斷開導致的電路電阻急劇降低，電流激增的問題，如發生此現象，電氣自動化系統將面臨火災、電氣設備損壞等威脅。

3.4 測量元件選型不合理

電氣自動化系統中為發揮繼電保護裝置的作用，相關人員必須意識到測量元件的重要性，依據實際情況做好測量元件的選型工作。但顯然，有關人員在實際的工作中往往不注重測量元件的選型，比如所選擇的電流互感器倍率、型號等難以符合實際需求，后續運行中測量元件難以發揮其作用，增大了電氣風險。

3.5 系統軟件故障

根據實際經驗，系統軟件經常有功能缺失、邏輯錯誤、防護能力低下等問題，如未及時發現和處理這些問題，繼電保護裝置投入使用后，裝置經常有動作錯誤現象。在功能缺失方面，主要是因為設計人員在前期的工作中沒有從繼電保護需求出發來設計系統軟件，所設計的功能過于單一，缺乏故障自診、在線監測功能，比如，因為無故障自診功能，系統運行過程中很難發現繼電保護裝置的問題，裝置無法正常運行。在邏輯錯誤方面，一些電氣自動化系統不具備較強的邏輯分析能力，智能化程度偏低，沒有采用市場上先進的人工智能技術、算法等，導致系統運行期間無法進行邏輯分析，影響了系統、裝置的安全性。

4.電氣自動化系統繼電保護安全技術的類型

4.1 線路繼電保護

電氣自動化系統中線路繼電保護相對常見，其包含了多種形式，如大接地短路電流保護，在110kV 及以上電壓系統中，中性點直接接地，單相接地出現短路現象時，接地電流異常大，達到了500A 以上，一旦有一相出現接地故障，繼電保護裝置將自動動作，使斷路器跳閘，切除故障線路。再比如小接地短路電流保護，在35kV 及以下電壓系統中，中性點不接地經消弧線圈接地，單相接地有短路問題時，故障點流過很小的電容電流，一旦一相有接地故障，線電壓依舊三相對稱，能正常供電，允許運行1到2h，此時無需跳閘，但如果有兩點接地短路故障，短路電流異常大，相間短路保護立即動作，使斷路器跳閘。

4.2 變壓器繼電保護

針對變壓器的繼電保護，一般有短路保護與瓦斯保護兩種。首先，短路保護，著重解決的是變壓器在運行過程中的阻抗問題、過電流現象。在解決變壓器阻抗問題時，可利用阻抗元件的保護功能完成，本質上是對變壓器進行自動斷電，以從源頭上預防阻抗現象；過電流繼電保護方面，主要需保持變壓器兩側端元件、電源電流保護裝置的高度配合性，以通過此方式繼電保護各類電流元件，確保電流元件在運行一段時間后自動斷電，避免過電流現象[4]。其次，瓦斯保護，針對的是變壓器油箱的保護，如油箱在運行期間遇到了各類故障，將同步伴隨著故障電弧，隨著時間的延長，油箱內油與絕緣材質之間勢必出現分解反應，必然伴隨著有毒有害氣體，為此，從安全性角度必須做好變壓器油箱的繼電保護，及時斷開電源。

4.3 發電機繼電保護

在發電機中采用繼電保護方式，主要需注意以下兩個方面：（1）確定保護內容、范圍及要點，特別需關注定子組匝的保護，主要是因為當定子組匝受內外部因素影響而出現短路等故障時，將存在明顯的局部升溫現象，特殊情況下甚至會損壞絕緣層結構，發電機啟動或運行困難，面臨較大威脅。從這一方面分析，為在發電機中發揮繼電保護的作用，相關人員可根據定子繞組的結構構成及運行情況，在其內布置匝間保護傘，避免發生短路現象。（2）發電機單相接地的情況下，如流經電流值超出限值，專業人員需在恰當的位置安裝保護接地裝置，同時分析電流、相位中心點的各方面情況。

5.電氣自動化系統中繼電保護安全技術的工作要點

5.1 調試檢查

結合大部分電氣自動化系統的運行情況，繼電保護安全問題多由以下因素所引起：繼電保護裝置存在安裝問題，或者裝置本身存在設計漏洞與制造缺陷，當該裝置長時間運行時，故障幾率高。針對此現象，為提高繼電保護裝置的可靠性，有關人員需做好裝置的調試與檢查，安排專人按照行業規范負責操作調試、直流短路調試。安裝操作調試階段，有關人員需檢查繼電保護裝置的外觀是否完好，有無破損或者其他問題，并將裝置的技術參數與實際需求相對比，在無任何異常的情況下進入試運行階段[5]。當裝置開始運行后，有關人員需記錄裝置在試運行期間的各項參數，并給裝置進行功能性試驗，以評估裝置的性能、功能能否達到要求。功能性試驗主要應完成絕緣檢查、開關分合閘檢查、邏輯檢驗、開關傳動檢查等。

5.2 合理應用抗干擾技術

繼電保護裝置運行過程中，周圍如存在干擾源，裝置可能接收到錯誤信號，對這些錯誤信號進行處理后發送的指令錯誤，執行錯誤的保護動作，此情況下難以發揮裝置的保護作用。為此，電氣自動化系統中繼電保護的安全工作中，有關人員需合理利用抗干擾技術，結合繼電保護裝置附近的干擾源，綜合應用隔離、接地、控制強電回路感應耦合等處理方式。在隔離處理過程中，有關人員需通過物理隔離處理模擬量、開關量輸入與輸出、強弱信號電纜，阻斷外部環境與繼電保護裝置的接觸路徑。在隔離模擬量過程中，需在繼電保護裝置的交流輸入回路中配備隔離變壓器，與此同時在變壓器一次、二次繞組中間設置經過接地處理的屏蔽層。開關量輸入與輸出隔離也需利用專業設備來實現，一般應在斷路器與隔離開關等裝置輔助觸點等位置配備光耦合器，預防強電回路的電磁干擾。為實現強弱信號電纜隔離目標，有關人員需根據電氣自動化系統的構成特點及運行情況，使用獨立電纜，將此電纜作為信號電纜使用，并嚴格控制信號電纜與電力電纜之間的距離，否則，一旦二者的距離過近，相互干擾現象嚴重。如在實際的工作中采取減少強電回路感應耦合措施，能預防電氣設備感應耦合對繼電保護裝置的干擾，具體的操作中需采取同根電纜內設置電流互感器回路全部相線和中性線、嚴禁高壓母線與暫態電流入地點敷設電纜、保持電纜與高壓母線距離的合理性等方式。

5.3 在線監測

電氣自動化系統中為實現繼電保護的安全目標，有關人員需分析故障類型及影響，做好巡查工作。傳統的條件下多以人工巡查為主，在繼電保護裝置發生故障以后或者產生了拒動等問題以后，由專人根據實際情況來處理。在技術發展的今天，為提高繼電保護裝置的安全水平，相關人員在前期設計電氣自動化系統時可在其中添加故障自檢模塊，賦予其靜態自檢、動態自檢兩種方式。靜態自檢指的是在符合特定標準后全面檢查繼電保護裝置運行狀態的方式，如裝置保護退出運行、通電開機后直接進行故障檢測。動態自檢強調動態性，指的是裝置在保護投運狀態下由程序執行空隙時間完成重復檢查，通過一系列檢查可判定裝置保護效果，一旦檢查出異常情況，則需停止一切操作。在設計電氣自動化系統時可引入信息技術，使系統具備自動報警功能，工作人員需依據繼電保護裝置的運行特點，設置相應參數的警戒值，后續系統投入使用后，自動化模塊能主動采集設備的狀態、參數等信息，并將采集數據與警戒值對比，如二者偏差過大，說明繼電保護裝置存在異常，需立即停止相應的操作，發送預警信號，安排專人進入現場排查原因并制定解決措施。

5.4 故障診斷

為保持裝置安全運行，相關人員在具體的工作中需做好故障診斷，否則一旦未做好故障診斷，或者故障診斷結果的準確性不足，裝置運行中可能遇到各種問題。現階段比較常用的故障診斷方式有觀察法、對比法、替換法、斷開法等，每種方法都有其特點，一般應組合使用。如觀察法，主要由專業人員通過感官感受、工作經驗來發現故障，涉及目視、觸摸、聽音等過程，此故障處理方式下對人員專業能力有極高要求，人員只有具備了豐富的工作經驗，才能通過觀察法判定和分析故障。繼電保護裝置的故障分析中，對比法為比較常用的方式，需將采集數據與正常狀態下的數據相對比，判定裝置是否存在故障，完成故障定位，在確定了故障類型及原因后，再安排專人處理故障。替換法下的故障診斷中，有關人員需替換掉電氣自動化系統中的繼電保護裝置，可以替換裝置本身，也可以替換裝置中的部分元器件，如在替換了裝置或者元器件以后恢復正常，則可判定裝置故障由裝置、元器件問題導致，此時可深入分析故障并處理。如替換了裝置或者元器件后，裝置未恢復正常狀態，需繼續替換，直到找到故障。在故障征兆不明顯、其他方法無法獲取故障信息的情況下，替換法相對有效。

5.5 設計智能運維系統

現階段的條件下人工智能技術的應用范圍持續擴大，能為各項工作提供便捷。在繼電保護的安全工作中，有關人員可嘗試應用人工智能等技術設計智能運維系統，借助該系統維護繼電保護裝置。當設計出智能運維系統并使該系統投入使用后，智能化模塊可自動采集繼電保護裝置的各方面信息，以這些信息為基準系統能自動給出運維工作建議，提高工作的智能化水平。為科學利用智能運維系統，主要需注意以下方面：合理確定系統的功能架構，一般應包含數據源數據、存儲分析、應用層，工作人員需了解每一層級的構成及任務，細化每一層級的構成；確定科學的系統維護流程，以保障每一人員能在后續的工作中執行此流程，維護和更新系統，發揮系統在繼電保護裝置運維中的作用。

5.6 優化安全技術的各種機制

目前電氣自動化系統的繼電保護安全技術相對多樣和先進，但實際的工作中常常存在管理漏洞，面對這些問題，相關人員需不斷優化安全技術的各種機制，以增強管理規范性和有效性，使繼電保護安全工作中各部門、崗位人員能相互合作，共同執行安全技術工作機制，保障工作流程的合理性，降低繼電保護裝置運行中的風險，從管理角度解決裝置的安全問題。

結語：

安全技術對提高電氣自動化系統、繼電保護裝置的可靠性具有重要的意義，當下我國的繼電保護安全技術雖有顯著發展，但具體的工作中依舊面臨各種安全問題，未來相關人員需創新技術形式，優化管理路徑，建立現代化工作體系。