繼電保護狀態(tài)檢修的研究

宋 柯，何 滔，鄭焯文，童 松，張海翔，呂飛鵬

(1.國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，使電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修技術(shù)有了實施的基礎(chǔ)。狀態(tài)檢修，即在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測和分析診斷的結(jié)果科學(xué)安排檢修時間和項目的檢修方式，通常，包含狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)診斷、檢修決策3個環(huán)節(jié)［1］。目前，架空線路、油浸式變壓器、SF6斷路器等一次設(shè)備已經(jīng)開始按照狀態(tài)檢修的導(dǎo)則要求有序地開展?fàn)顟B(tài)檢修的工作。而繼電保護裝置作為電力系統(tǒng)最重要的二次設(shè)備之一，對其開展?fàn)顟B(tài)檢修工作可以有效地提高設(shè)備的可用率，降低繼電保護檢修工作量，提高設(shè)備的管理水平，是電網(wǎng)經(jīng)濟發(fā)展的必然要求。

近年來，開展繼電保護裝置狀態(tài)檢修研究的呼聲很高，眾多學(xué)者在理論和實踐上展開了深入的探索和研究。文獻［1］提出了電氣二次設(shè)備狀態(tài)檢修的研究思路。文獻［2］利用SEL保護的可編程邏輯功能實現(xiàn)操作回路監(jiān)視及探討了繼電保護狀態(tài)檢修的實現(xiàn)方案。文獻［3］提出了一種繼電保護狀態(tài)檢修的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)。文獻［4-6］研究了繼電保護裝置的最佳檢修周期。

在上述學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，分析了繼電保護檢修技術(shù)的現(xiàn)狀及技術(shù)應(yīng)用的難點，提出了實現(xiàn)繼電保護狀態(tài)檢修的關(guān)鍵技術(shù)，分析了繼電保護狀態(tài)檢修體系結(jié)構(gòu)，為繼電保護狀態(tài)檢修的實用化作出了一些嘗試。

1 繼電保護狀態(tài)檢修現(xiàn)狀及難點

目前，繼電保護檢修仍以定期檢修為主。而這種單純按固定時間間隔對設(shè)備進行檢修，不考慮設(shè)備實際情況的檢修方式存在很大的強制性和盲目性，造成電氣設(shè)備的可用度下降，以及人力、物力、財力的浪費，同時定期檢修也會在一定程度上影響繼電保護裝置的使用壽命，過度檢修和檢修不足并存，并且兩次檢修之間出現(xiàn)的保護故障往往不能及時發(fā)現(xiàn)，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行埋下了隱患。

隨著微機保護應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，保護裝置本身具備了很強的自檢功能，理論上可以實現(xiàn)對于逆變電源，電流、電壓輸出回路，保護定值的完整性，保護的輸出/輸入接點，保護的數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)的監(jiān)視，以及保護裝置重要信息的數(shù)據(jù)遠傳，這為繼電保護裝置實現(xiàn)狀態(tài)檢修奠定了堅實的基礎(chǔ)。

雖然微機保護本身具備了狀態(tài)檢修的實施基礎(chǔ)，但是除了繼電保護裝置本身外，還包括交流輸入、直流回路、操作控制回路等。因而對于繼電保護的狀態(tài)檢修必須作為一個系統(tǒng)性的問題來考慮，才能使保護狀態(tài)檢修技術(shù)在實際應(yīng)用中得到推廣，而這些二次回路是由若干繼電器和電纜組成，點多、分散，對其實現(xiàn)“無盲點”監(jiān)測具有相當(dāng)?shù)碾y度，導(dǎo)致繼電保護的狀態(tài)檢修工作難以推進。

目前，對這些二次回路的監(jiān)測手段還不多，而近年來由于二次回路的故障造成繼電保護裝置不正確動作的比例相當(dāng)高。據(jù)歷史統(tǒng)計資料顯示［7］，2008年國家電網(wǎng)公司220 kV及以上交流系統(tǒng)的繼電保護裝置不正確動作18次，其中TA回路絕緣破損1次、電壓測量回路異常1次、保護裝置內(nèi)部參數(shù)設(shè)置錯誤1次、電源插件異常1次。這些缺陷發(fā)生在兩次定期檢修之間，若能通過狀態(tài)監(jiān)測及早發(fā)現(xiàn)，對有效提高繼電保護正確動作次數(shù)具有極大的幫助。

因此，實施繼電保護裝置狀態(tài)檢修應(yīng)完整監(jiān)測:直流系統(tǒng)，包含直流動力、操作及信號回路絕緣良好、回路完整;交流測量系統(tǒng)，包含TV、TA二次回路絕緣良好、回路完整，測量元件的完好;邏輯判斷系統(tǒng)，包含硬件邏輯判斷回路和軟件功能。

2 實現(xiàn)技術(shù)

2.1 保護二次回路

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的快速發(fā)展，可編程邏輯PLC技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。對繼電保護狀態(tài)的監(jiān)測，這種技術(shù)使過去采取硬件式結(jié)構(gòu)的操作箱回路可通過軟件編程來實現(xiàn)，有效地通過操作箱的智能化延伸到保護裝置的自檢范疇內(nèi)。例如美國SEL提供的數(shù)字仿真式繼電保護平臺基于平臺化技術(shù)，利用可邏輯編程的PLC功能根據(jù)不同的需要靈活、有效地設(shè)計微機操作箱，解決了二次回路狀態(tài)檢修的問題，可為實現(xiàn)保護系統(tǒng)完整的狀態(tài)監(jiān)測創(chuàng)造了必要的條件。

但上述技術(shù)適合于在新興的智能變電站中應(yīng)用，若在常規(guī)變電站采用智能化的操作箱，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而降低系統(tǒng)的可靠性，而且應(yīng)用在大量低壓保護上也不經(jīng)濟。因此，針對常規(guī)的變電站，提出了遠程傳動對二次回路進行試驗的方法來檢測回路的可靠性。

首先，在用電低谷時，提前向用戶發(fā)出停電通知，然后進行遠程傳動實驗。在監(jiān)測中心對保護裝置發(fā)送一次遠程傳動命令后，執(zhí)行一次跳閘-重合閘的操作。整個過程只需要1～2 s，對用戶和電網(wǎng)的影響不大，可檢驗保護出口到斷路器執(zhí)行機構(gòu)之間的回路接線是否正確，還順帶檢測了斷路器動作的正確性。

該方法很適合低壓饋電線路，對于不是很重要的負(fù)荷，理論上可以通過使保護裝置有計劃性的動作，實現(xiàn)跳閘-重合閘回路的檢測，從而替代定期檢驗，大大降低了檢驗的工作量。對于變壓器保護，如果能夠由站內(nèi)其他變壓器轉(zhuǎn)帶負(fù)荷，也是可以進行遠程傳動試驗的。

2.2 斷路器狀態(tài)的監(jiān)測

從實現(xiàn)保護的意義來講，作為電力系統(tǒng)重要一次設(shè)備的斷路器是繼電保護裝置在一次設(shè)備的延伸。因此，對斷路器跳閘接點的有效監(jiān)視是繼電保護狀態(tài)監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)之一。

常用的方法是檢驗常開、常閉輔助接點(52A、52B)，正常情況下52A和52B的狀態(tài)是相反的，如果狀態(tài)相同，就表明斷路器很有可能處于異常狀態(tài)，應(yīng)在一定延時后予以報警。具體情況如下:若52A和52B同時閉合，則表明:①二次回路或輔助接點有缺陷;②斷路器有缺陷。若52A和52B同時斷開，則表明①二次回路或輔助接點有缺陷;②斷路器處于隔離狀態(tài);③斷路器有缺陷。

一般斷路器檢修需要確保操作動作機構(gòu)正常，跳合閘回路正確，斷路器的遮斷容量滿足系統(tǒng)要求，這種定期檢修方式只能給予斷路器大致的維修指導(dǎo)，而保護記錄了斷路器每次動作的情況，可為更精確地評估斷路器的狀態(tài)提供參考信息。

2.3 TV、TA的監(jiān)測

電壓回路的監(jiān)視一般由3個環(huán)節(jié)組成，如圖1所示。

1)單相或兩相電壓失卻:若在檢測零序電壓時，零序和負(fù)序電流為0，則表明電壓回路有故障。

2)帶負(fù)荷時三相電壓失卻:在此情況下無法檢測到零序電壓，因而不能啟動電壓回路監(jiān)測功能，一般根據(jù)電流的變化量來啟動電壓回路監(jiān)測功能。

3)線路充電時三相電壓失卻:此情況的發(fā)生一般由兩個原因引起，一是近區(qū)故障，二是TV回路有故障，前者需要加速跳閘，后者需要閉鎖保護。

圖1 電壓回路監(jiān)視示意圖

電流回路的監(jiān)視示意圖如圖2所示。

圖2 電流回路監(jiān)視示意圖

一般地，若在無零序電壓的情況下監(jiān)測到零序電流，則表明電流回路異常。另外，由于電壓互感器的聯(lián)接需要反映一次側(cè)的零序電壓，所以變壓器必須是一次側(cè)接地或三相5柱式，采用瞬間閉鎖、延時警告的邏輯。

2.4 收集繼電保護裝置信息

為了科學(xué)、全面地對繼電保護裝置的狀態(tài)進行評估，合理地制定檢修策略，除了在線監(jiān)測到的保護裝置狀態(tài)信息，對于繼電保護設(shè)備的基礎(chǔ)資料信息收集也是必不可少。

繼電保護的基礎(chǔ)資料主要由原始資料、檢修資料及遺傳缺陷資料組成。原始資料包含出廠資料(如設(shè)備參數(shù)、技術(shù)說明書、出廠試驗報告等)、技術(shù)協(xié)議、安裝記錄、相關(guān)會議紀(jì)要、驗收報告等;檢修資料包含巡檢記錄、例行試驗報告、消缺記錄、診斷性試驗報告等;遺傳缺陷資料包含家族式缺陷(如保護裝置的液晶顯示屏、開關(guān)電源等在設(shè)備運行后同一時間發(fā)生故障)、歷年缺陷及異常記錄、歷次狀態(tài)評價報告等。

廣泛、完整地收集繼電保護的基本資料是對其開展?fàn)顟B(tài)檢修工作的重點也是難點之一，只有建立了健全的基礎(chǔ)資料后才能對繼電保護裝置的狀況進行全面有效的評估。

3 繼電保護狀態(tài)檢修系統(tǒng)

繼電保護狀態(tài)檢修的關(guān)鍵在于有效地發(fā)現(xiàn)保護系統(tǒng)的異常，及時消除保護裝置或回路的缺陷，因此，良好的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)是保護狀態(tài)檢修的首要環(huán)節(jié)，繼電保護狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 保護狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

保護狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)基本由3部分組成:①信息采集系統(tǒng);②信息分析系統(tǒng);③信息傳輸系統(tǒng)。信息采集系統(tǒng)主要實現(xiàn)保護裝置、跳閘線圈、相關(guān)回路等關(guān)鍵信息的采集，這些是繼電保護狀態(tài)檢修系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ);信息分析系統(tǒng)主要進行數(shù)據(jù)處理和分析，如保護定值的管理、保護自檢報警、保護動作報警等;信息傳輸系統(tǒng)一般采用光纖作為媒介，增加其抗干擾能力。

在獲取了繼電保護狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，后臺分析系統(tǒng)利用專家?guī)斓闹R和經(jīng)驗，模擬專家的思維決策對信息進行推理判斷，判斷設(shè)備是否故障及確定故障的位置、性質(zhì)，并得出檢修結(jié)論。保護狀態(tài)檢修后臺分析系統(tǒng)從功能上一般分為基本應(yīng)用功能和高級應(yīng)用功能，如圖4所示。

圖4 保護狀態(tài)檢修后臺分析系統(tǒng)

繼電保護狀態(tài)檢修的工作流程如圖5所示，主要分為報警信息處理機制和專家分析系統(tǒng)。

從圖5可看出，保護狀態(tài)檢修系統(tǒng)先根據(jù)報警信息類型將實時信息進行分類，再結(jié)合歷史信息和設(shè)備運行情況，對保護的健康水平進行綜合評價，判斷設(shè)備是否處于異常狀態(tài)。而專家分析系統(tǒng)根據(jù)繼電保護裝置的報警信息，利用推理原則進行推理分析，同時，結(jié)合運行人員的經(jīng)驗判斷來診斷保護裝置可能的異常。

圖5 保護狀態(tài)檢修系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)論

繼電保護裝置狀態(tài)檢修的應(yīng)用正方興未艾，在介紹了繼電保護檢修技術(shù)現(xiàn)狀及狀態(tài)檢修技術(shù)應(yīng)用難點的基礎(chǔ)上，提出了實現(xiàn)繼電保護狀態(tài)檢修的關(guān)鍵技術(shù)，分析了繼電保護狀態(tài)檢修系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能組成，為繼電保護狀態(tài)檢修的實用化作出了一些嘗試，希望能起到拋磚引玉的作用，促進繼電保護裝置狀態(tài)檢修早日實施。

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