電力繼電保護故障的檢測與維修技術研究

李 嬌

（國能中衛熱電有限公司，寧夏 中衛 755000）

0 引 言

隨著電力系統復雜性的不斷提升，電力繼電保護的作用越來越重要。然而，電力系統中的故障種類繁多，包括短路、過載、接地等，不僅會影響電力系統的正常運行，還可能對電力系統的安全造成威脅。因此，電力繼電保護的故障檢測和維修技術研究具有重要的實際意義。本文將從電力繼電保護的故障檢測和維修策略2 個方面進行深入研究，旨在提高電力繼電保護的故障檢測能力和維修效率，保障電力系統的穩定運行。

1 電力繼電保護的工作原理

電力繼電保護是一種用于保護電力系統設備和線路安全的自動裝置，主要功能是在電力系統出現故障時，能夠迅速、準確地檢測到故障，并發出信號使斷路器動作，切斷故障電路，以保護電力系統的安全運行。要想理解電力繼電保護的工作原理，必須做好電流和電壓的測量工作。當電流或電壓超過一定閾值時，說明故障已經發生，需要立即處理。具體來說，電力繼電保護主要由測量部分、比較部分、判斷部分以及執行部分等幾個部分組成，如圖1 所示。測量部分負責對電力系統的電流和電壓進行實時監測，通常包括電流互感器、電壓互感器以及功率計等設備。這些設備將電力系統中的電流和電壓轉換為可以傳輸給繼電保護裝置的信號。比較部分負責對測量到的電流和電壓信號進行處理，與預設的閾值進行比較。如果測量到的電流或電壓超過閾值，則比較部分就會發出信號，通知繼電保護裝置。判斷部分根據比較部分發出的信號，判斷是否發生故障。如果判斷出發生了故障，則判斷部分就會發出信號，通知繼電保護裝置。執行部分是繼電保護裝置的核心部分，它接收到判斷部分的信號后，會立即啟動斷路器，切斷故障電路。這樣可以防止故障擴大，保護電力系統的安全運行。總的來說，電力繼電保護的工作原理是通過實時監測電力系統的電流和電壓，并與預設的閾值進行比較，判斷是否發生了故障。如果發生了故障，就立即啟動斷路器，切斷故障電路。這種工作原理可以有效防止電力系統的故障擴大，保護電力系統的安全運行。

圖1 繼電保護裝置構成

2 電力繼電保護故障的類型

2.1 短路故障

短路故障是電力系統中最常見的一種繼電保護故障類型，指電力系統中的某個部分或元件出現異常，導致電流在2 個不相連接的導線之間直接流通，形成短路。該故障會導致電流突然增大，電壓下降，嚴重時可能引發火災、設備損壞等嚴重后果，甚至危及人身安全。

短路故障的原因可以歸結為以下幾點：一是長期運行的設備由于絕緣材料的老化、磨損，容易發生短路故障；二是線路接頭處由于接觸不良、松動等，可能導致局部電阻增大，從而引發短路；三是電力系統負荷過大，超過了設備的承載能力，可能導致設備過熱，引發短路故障；四是雷電、水災等自然災害可能導致電力系統設備受損，引發短路故障；五是工作人員在安裝、檢修過程中可能誤操作，導致設備短路。

2.2 接地故障

接地故障是指電力系統中的某一部分或全部設備因絕緣損壞而與地形成短路，導致電流不能正常流動的現象，對電力系統的安全穩定運行具有重要影響。其中，直接接地故障指電力設備的金屬外殼直接與地線相連，當發生接地故障時，電流可以直接通過設備外殼流回地線，從而避免對設備和人身安全造成危害。非直接接地故障指電力設備的金屬外殼未直接與地線相連，而是通過其他途徑與地相連。當發生接地故障時，電流無法通過設備外殼流回地線，可能對設備和人身安全造成危害。多點接地故障指電力系統中存在多個部分同時發生接地故障的情況。這種情況下，電流可能通過多個路徑流回地線，增加了故障定位和處理的難度。間歇性接地故障指電力系統中的接地故障時有時無。這種類型的接地故障對繼電保護系統的穩定性和可靠性提出了更高的要求。永久性接地故障指電力系統中的接地故障持續存在，且難以恢復。這種情況可能導致設備損壞、火災等嚴重后果，需要采取緊急措施進行處理。為防止接地故障對電力系統造成損害，繼電保護系統應具備快速、準確判斷接地故障的能力，并及時采取相應的保護措施。常見的繼電保護措施包括過電流保護、差動保護、零序保護等。同時，加強設備的巡檢和維護，及時發現并排除潛在的安全隱患，也是預防接地故障的重要手段。

2.3 過負荷故障

過負荷故障是指電力系統在運行過程中，由于某種原因導致負荷電流超過額定值，從而使電力設備承受過大的熱效應和電動力效應，進而影響電力系統的正常運行。過負荷故障可以分為短期過負荷和長期過負荷兩種。短期過負荷主要是由于電力系統突然增加大量負荷，如大型電動機啟動、電容器投入等，使電力設備的電流在短時間內迅速增大。這種過負荷通常是暫時性的，一旦負荷減少，電流就會恢復到正常值。然而，如果過負荷持續時間過長，可能會導致電力設備的絕緣材料老化，甚至引發火災。長期過負荷則是由于電力系統持續存在過大的負荷，如電網建設不合理、電力設備選型不當等，使電力設備的電流長時間保持在高于額定值的狀態。長期過負荷會對電力設備造成嚴重的損害，如縮短設備的使用壽命、增加設備的維修成本等。過負荷故障的發生，不僅會影響電力設備的正常運行，還可能對電力系統的安全穩定性造成威脅。

3 電力繼電保護故障檢測技術研究

3.1 基于電流差動原理的故障檢測技術

基于電流差動原理的故障檢測技術是電力繼電保護中的一種重要方法，其基本原理是通過比較同一供電網絡中兩個相鄰電源之間的電流差異，來判斷是否存在故障。在實際應用中，這種技術的實現通常需要2 個電流互感器，分別安裝在電源的兩端。這兩個電流互感器可以精確地測量出通過它們之間的電流差異，為后續的故障檢測提供了準確的數據。當電力系統的某個部分出現故障時，此部分的電流會發生變化，這種變化會影響到通過電流互感器的電流，導致電流差值的變化。通過對這些變化的實時監測和分析，就可以確定故障的位置和類型，從而進行有效的保護。基于電流差動原理的故障檢測技術具有響應速度快、準確度高的優點，因此在電力系統中得到了廣泛的應用。然而，這種技術也存在一定的局限性，比如對系統參數的變化敏感，對干擾信號的處理能力較弱等。因此，在實際的應用中，還需要結合其他的繼電保護技術，以提高故障檢測的準確性和可靠性[1]。

3.2 基于功率方向原理的故障檢測技術

基于功率方向原理的故障檢測技術是一種在電力系統中廣泛應用的繼電保護故障檢測方法。該技術主要利用電力系統中各節點的功率方向信息，通過監測數據，對于功率方向變化情況進行研判，實現對繼電保護設備故障的檢測和診斷。功率方向原理是指在電力系統中，由于電流的正負性以及電壓的大小，導致各節點的功率方向發生改變。這種改變可以通過測量節點的電壓、電流以及它們之間的相位關系來實現。通過對這些參數的實時監測，可以發現系統中的異常情況，從而判斷是否存在繼電保護設備的故障[2]。

基于功率方向原理的故障檢測技術可以實時監測電力系統中各節點的功率方向變化，及時發現異常情況，提高了系統的可靠性和安全性。由于該技術主要依賴于功率方向的變化，而與具體的電壓、電流值關系不大，因此具有較強的抗干擾能力。基于功率方向原理的故障檢測技術可以應用于各種類型的電力系統，包括同步電網、異步電網以及交直流混合電網等。通過對功率方向變化的分析，可以準確確定故障發生的位置和范圍，為后續的故障處理提供了有力的支持。然而，基于功率方向原理的故障檢測技術也存在一些局限性，如對于某些瞬時性的故障，由于其持續時間較短，可能導致檢測不到或者誤判。此外，該技術對于系統的動態特性和參數變化較為敏感，可能需要進行一定的優化和調整。總之，基于功率方向原理的故障檢測技術是一種有效的繼電保護故障檢測方法，具有較高的實用價值和廣泛的應用前景。在未來的研究和實踐中，可以進一步優化和完善該技術，提高其在電力系統中的應用效果[3]。

3.3 基于阻抗譜分析的故障檢測技術

電力系統的繼電保護裝置用于檢測和處理故障，以確保電力系統的穩定運行。然而，由于電力系統中的復雜性和不確定性，傳統的繼電保護故障檢測技術可能無法有效檢測出所有的故障。因此，基于阻抗譜分析的故障檢測技術應運而生。阻抗譜分析是一種通過測量系統的復阻抗分布，分析其頻率響應特性，從而識別系統內部和外部故障的方法。它不需要對系統進行實時監控，只需要獲取系統的穩態或暫態數據，就可以進行故障檢測。

基于阻抗譜分析的故障檢測技術主要包括以下幾個步驟：首先，獲取電力系統的復阻抗數據；其次，通過傅里葉變換將時域數據轉換為頻域數據；再次，通過分析和比較不同頻率下的阻抗值，識別出可能的故障類型；最后，根據故障類型采取相應的保護措施。

這種技術具有以下優點：第一，可以有效檢測出電力系統中的各種故障，包括接地故障、短路故障、過載故障等；第二，檢測速度快，可以在短時間內完成大量數據的處理；第三，不需要對電力系統進行實時監控，可以有效減少系統的運行成本[4]。

4 電力繼電保護故障維修策略研究

4.1 故障診斷方法

故障診斷是電力繼電保護系統維修的第一步，其目的是確定系統中存在的問題以及問題的性質。常用的故障診斷方法主要有以下幾種：其一，通過觀察系統的運行狀態，如電流、電壓、功率等參數的變化，結合設備的工作環境和歷史數據，可以對故障進行初步判斷；其二，通過對設備的物理量進行直接或間接的測量，如使用示波器、電能表等儀器，可以直接發現設備的異常情況；其三，通過對設備工作機理和工作原理的理解，結合設備的運行數據，可以進行深入分析，找出可能的故障原因；其四，利用專家的知識和經驗，通過推理，可以對故障進行診斷。

4.2 故障定位方法

故障定位是確定故障發生的具體位置，以便進行有效的維修。常用的故障定位方法主要有以下幾種：一是通過比較設備在正常狀態下和故障狀態下的性能參數，可以確定故障發生的位置；二是通過向設備的信號輸入端注入特定的信號，可以觀察到設備的響應變化，從而確定故障的位置；三是通過分析設備的振動特性，可以確定故障的位置[5]。

4.3 故障維修策略設計

電力繼電保護故障維修策略設計是電力系統運行管理的重要組成部分，其目標是在保證電力系統安全穩定運行的前提下，盡可能減少故障對電力系統的影響，提高電力系統的可靠性和可用性。

首先，對電力繼電保護故障進行準確的診斷，包括對故障的性質、位置、嚴重程度等進行詳細的分析，以便為后續的維修工作提供準確的依據。這一步驟通常需要借助于先進的檢測設備和技術，如故障錄波器、在線監測系統等。

其次，根據故障的具體情況制定出合理的維修策略，包括選擇合適的維修方法、確定維修的時間和地點、預測維修的效果等。在這一步驟中，需要充分考慮電力系統的運行特性和安全要求，以確保維修工作的順利進行。

再次，需要對維修工作進行嚴格的管理和控制，包括對維修工作的進度、質量、成本等進行實時的監控，以便及時發現和解決可能出現的問題。同時還需要對維修工作的效果進行評估，以便不斷優化維修策略，并建立完善的故障維修記錄和信息管理系統，積累和總結維修經驗，提高維修效率和效果。

最后，通過對故障信息的分析和研究，可以發現電力系統潛在的問題和風險，為電力系統的改進和優化提供參考。總的來說，電力繼電保護故障維修策略設計是一個系統性、綜合性的工作，需要充分利用現代信息技術和管理理論，不斷提高專業水平和工作效率。只有這樣，才能在保證電力系統安全穩定運行的同時，最大限度地提高電力系統的經濟效益和社會價值。

5 結 論

電力繼電保護故障檢測技術是電力系統中非常重要的一環。本文介紹了基于電流差動原理、基于電壓差動原理、基于功率方向原理、基于阻抗譜分析的故障檢測技術，以及故障診斷和故障定位的方法。這些方法都有各自的優缺點，需要根據實際情況進行選擇。在未來的研究中，可以進一步優化和完善這些技術，提高其在電力系統中的應用效果。