繼電保護和安全自動裝置檢驗方法的研究

寧夏送變電工程有限公司 張 琛

電力系統作為現代社會的支柱，為各行各業的運行提供了不可或缺的能源支持。然而，這一系統的復雜性和高度互聯性使其容易受到各種內外部因素的影響，從而導致事故和停電。為確保電力供應的連續性和穩定性，繼電保護和安全自動裝置成為不可或缺的組成部分。該兩種裝置的任務是快速檢測電力系統中的故障，并采取措施以隔離問題，從而防止事故的進一步蔓延。

然而，受時間、環境和操作等多種因素的影響，繼電保護和安全自動裝置的可靠性和性能不是一成不變的。因此，對繼電保護和安全自動裝置進行定期檢驗和評估至關重要，不僅有助于發現潛在問題，還有助于驗證裝置是否能夠在不同情況下正常運行。

1 繼電保護和安全自動裝置檢驗的關鍵問題

1.1 誤動檢測和排除

變壓器負載、線路阻抗、電壓水平等系統參數的突然變化或波動，可能導致保護裝置錯誤地識別這些變化為故障，觸發誤動。電力系統中的諧波、電壓暫降、電壓浪涌等電源質量問題也可能導致保護裝置誤判為故障發生，進而產生誤動[1]。如果通信網絡出現故障或延遲，保護裝置可能無法及時接收或傳輸信息，也可能導致誤動。

此外，不正確的保護裝置參數設置或邏輯錯誤也可能導致誤動。這包括閾值設定、時間延遲和動作邏輯等。或者誤操作、意外的人為干預以及控制室操作錯誤也可能觸發誤動。除此之外，保護裝置的軟件或固件可能存在漏洞或錯誤，導致不正確的動作。極端的環境條件，如閃電、強電磁場或惡劣天氣也可能干擾裝置的正常運行，引發誤動。

1.2 參數校準和精度驗證

隨著時間的推移，電保護和安全自動裝置的元件及部件包括電流互感器、電壓互感器、繼電器等設備會受到磨損或老化的影響，導致參數不再準確。同時，環境因素如溫度和濕度的變化可能對電保護裝置的性能產生影響。不適當的環境條件可能導致元件漂移或性能下降，需要校準來糾正這些變化。電保護裝置通常依賴于電源供應，供電不穩定或受干擾可能導致裝置性能不穩定，進而影響參數的準確性。

此外，制造和安裝過程中的錯誤可能導致裝置本身存在參數錯誤。例如，不正確的線纜連接、電源相位錯誤或組裝問題可能影響裝置的性能。操作人員在配置參數時也可能出現錯誤，如誤輸入數字、設置不正確的動作時間延遲等。這些人為錯誤可能導致裝置不準確地響應電力系統的狀態變化。

1.3 硬件故障檢測

在制造過程中，一些缺陷可能導致硬件元件的質量問題，主要包括焊接不良、材料質量問題、元件設計錯誤等。電力系統中的電壓暫降、電壓浪涌、諧波和電磁干擾等問題也可能對裝置的硬件產生不利影響，導致失效或性能不穩定。此外，不定期地維護或維修操作可能引發硬件元件的故障，或者突發的電氣過載、短路或電流超負荷情況可能對電保護裝置的硬件產生壓力，導致其故障且性能下降。

2 繼電保護和安全自動裝置的檢驗方法

2.1 實驗室測試

2.1.1 靜態參數測試

靜態參數測試的主要目的是驗證繼電保護和安全自動裝置的設置參數是否正確，包括檢查設備的閾值、時間延遲、動作邏輯等設置，并評估其性能是否符合設計要求。在測試開始前，需要確保裝置的參數設置是正確的。包括輸入正確的額定電流、電壓、變比等參數，以確保裝置的基本配置正確。靜態參數測試通常涉及模擬不同電力系統狀態和故障條件，例如模擬短路故障、過電流事件、電壓暫降等，以檢驗裝置的響應[2]。一旦測試條件設置完成，測試人員會記錄裝置的動作時間、靈敏度和準確性。靜態參數測試還包括評估裝置的響應時間，即從故障發生到裝置啟動動作的時間。

2.1.2 動態性能測試

動態性能測試的主要目的是驗證裝置的動態響應能力，確保其能夠在電力系統中的各種動態事件下迅速而準確地采取行動，以保護電力系統的安全和穩定性。在測試中，模擬各種動態事件，如短路、過電流、電壓暫降、頻率偏離等代表電力系統可能面臨的各種故障和異常情況。同時，記錄裝置的動作時間，即從動態事件發生到裝置采取保護動作的時間。分析這些響應時間可以評估裝置的快速響應能力。

再通過檢查動作序列、閾值設置和保護邏輯的準確性等步驟驗證裝置的動作邏輯，確保其在不同動態事件下按照設計要求正確響應。如果在測試中出現誤動，需要進行詳細分析，以確定誤動的原因。主要包括檢查參數設置、環境條件、設備狀態等，以采取糾正措施。對關鍵性能指標，需要進行多次測試以驗證結果的一致性和可重復性，進而排除測試誤差和隨機干擾。基于測試結果，報告中應提供參數設置的優化、軟件升級或設備更換等建議，以改進裝置的性能和準確性。

2.2 現場測試

2.2.1 基本功能測試

首先確保所有電纜、連接器和繼電保護設備都連接正確。同時，檢查電纜的絕緣和外觀，以保證繼電保護設備的電源供應正常。然后驗證繼電保護設備的參數設置與設計規格是否一致，以及設備的保護參數、時間延遲和閾值等設置是否正確。在進行手動操作測試時，模擬故障情況，檢查設備能否正確響應。并且測試不同保護元件的動作時間，以確保在故障時能夠及時觸發保護操作。如果繼電保護設備需要與其他設備通信，如SCADA 系統或其他保護設備，還要保證通信通道正常工作[3]。再通過測試通信鏈路，確保數據傳輸準確和及時。此外，測試設備的告警功能、檢查告警系統的設置以及模擬各種故障和事件，如過流、短路、地故障等，也是重要的測試內容。

其次記錄每項測試的結果，包括動作時間、通信狀態、告警和故障模擬的情況。如果測試發現問題，還需要記錄詳細的錯誤信息。根據測試結果，總結設備的性能和可靠性，并分析任何問題并提出改進建議。

2.2.2 額定工況測試

在進行繼電保護和安全自動裝置的額定工況現場測試時，要確保所有設備和系統處于正常運行狀態，包括電源供應、控制系統和通信鏈路。核對相關文檔，包括設計規格、設備參數設置和圖紙。隨后，驗證繼電保護設備的參數設置與設計規格一致，特別是保護參數、時間延遲和閾值設置。進行電流和電壓測量，檢查測量設備的準確性和校準情況。

在額定工況下，模擬各種故障和事件，如過載、短路、地故障等，觀察繼電保護設備的動作，確保其能夠及時觸發并按設計要求正常工作。同時，測試通信功能，確保通信鏈路正常運作，數據傳輸準確及時。驗證告警系統，確保能夠準確報告設備狀態變化，并檢查設置是否正確。記錄每項測試結果，包括動作時間、通信狀態、告警和故障模擬情況，以備后續分析。同時，根據測試結果總結設備的性能和可靠性，分析出現的問題并提出改進建議[4]。這一流程將確保繼電保護和安全自動裝置在額定工況下能夠可靠運行，保障系統的安全穩定運行。

2.3 模擬仿真測試

2.3.1 軟件仿真

在繼電保護和安全自動裝置的檢驗方法中，軟件仿真測試是一項關鍵的步驟，用以驗證這些設備在各種電力系統情況下的性能。以下是軟件仿真測試的操作流程：選擇適合的仿真軟件工具，如ETAP、PSCAD 或DIGSILENT，以建立一個準確反映實際電力系統拓撲和參數的電力系統模型。接著，配置繼電保護設備的參數，確保其與實際設備的設置一致。這包括各種保護參數，如過流、跳閘、差動等。

模擬各種故障和事件，如短路、過載、地故障以及線路斷線等，以測試繼電保護設備在不同情況下的響應，逐步調整仿真參數，以模擬不同故障類型和嚴重程度。分析仿真結果，包括繼電保護設備的動作時間、動作特性以及設備之間的協同工作。這有助于驗證保護設備是否能夠準確識別和處理各種故障情況。根據仿真測試的結果，優化繼電保護設備的參數設置，以提高其性能和可靠性。

這可能涉及調整保護參數、時間延遲和閾值等，以滿足設計要求。記錄所有仿真測試的結果和參數設置，創建相關文檔，包括模型文件和測試報告。同時，將優化后的參數設置應用于實際繼電保護設備，并進行現場測試，以驗證軟件仿真結果的準確性和可行性。通過這一流程，軟件仿真測試允許在不干擾實際電力系統運行的情況下，全面評估繼電保護和自動裝置的性能，并提前識別和解決潛在問題，從而提高系統的可靠性和安全性。

2.3.2 硬件仿真

選擇適合的硬件仿真設備，如數字模擬轉換器（DAC）、數字信號處理器（DSP）、實時模擬器等，以模擬電力系統的各種信號和事件。構建電力系統的物理模型，包括發電機、變壓器、線路、負載等，以反映實際系統的拓撲和參數。連接繼電保護設備與硬件仿真設備，確保連接正確，使繼電保護設備成為仿真電力系統的一部分，并實現實時通信。在硬件仿真設備上配置繼電保護設備的參數，包括過流、跳閘、差動等參數，確保其與實際設備的設置一致。

使用硬件仿真設備模擬各種故障和事件，如短路、過載、地故障等，以測試繼電保護設備的響應。可以實時改變仿真條件，以驗證不同情況下的性能。分析仿真測試的結果，包括繼電保護設備的動作時間、動作特性和設備之間的協同工作，以驗證保護設備是否能夠正確識別和處理各種故障情況。根據仿真測試的結果，優化繼電保護設備的參數設置，調整保護參數、時間延遲和閾值等，以滿足設計要求。并且，記錄所有硬件仿真測試的結果和參數設置，并創建相關文檔，包括模型文件和測試報告。

2.4 自動化測試方法

選擇適合的自動化測試設備和工具，如自動測試儀器、測試腳本開發平臺和數據采集系統，以支持自動測試的執行。確保測試環境符合要求，包括電力系統的連接、通信鏈路的設置和電源供應等。利用測試腳本開發平臺創建自動化測試腳本，這些腳本會執行一系列測試步驟，包括模擬故障、設定參數、記錄數據等。在測試腳本中，設定繼電保護設備的參數，以確保其與實際設備的設置一致。執行自動化測試腳本，腳本會模擬各種故障和事件，觀察繼電保護設備的響應，同時自動化測試設備會記錄數據并生成測試報告。

同時，對自動化測試生成的數據和測試報告進行分析和驗證，以驗證繼電保護設備的性能，包括動作時間、動作特性和設備之間的協同工作。根據自動化測試的結果，對繼電保護設備的參數設置進行優化，包括調整保護參數、時間延遲和閾值等，以滿足設計要求。記錄自動化測試的結果和參數設置，并創建相關文檔，包括測試腳本、測試報告和數據記錄。

3 測試方法比較和概述

針對上文提到的檢測方法，表1可以幫助對不同測試方法進行比較和概述，包括其特點、適用場景以及優點。

表1 不同測試方式對比

繼電保護和安全自動裝置的檢驗方法對于電力系統的穩定性和可靠性至關重要。通過研究和實踐這些方法，能夠更好地了解如何評估和驗證這些設備的性能，以確保電力系統在不同情況下的安全運行。