探討電力系統中的電氣二次及繼電保護

連州市潭嶺水電廠 王小周

探討電力系統中的電氣二次及繼電保護

連州市潭嶺水電廠 王小周

本文闡述了在電力系統中電氣二次及繼電保護的重要性以及繼電保護的工作運行原理和相關裝置的發展、系統失效模型的建立，表明了繼電保護在保證電網安全運行中的重要作用和意義。

電力系統；電氣二次設備；繼電保護

引言

現階段，在電力系統運行的過程中難免會發生運行異常或設備出現故障的情況，對系統中相關電氣二次設備的檢測維修是在運行中必不缺少的重要環節。繼電保護屬于電氣二次保護的一種，在電氣二次保護中占有重要的地位，較大保障了電力系統運行的安全可靠。電氣二次設備包含系統中的電流表、電壓表、繼電保護和自動裝置等，其所處的狀態對電力系統狀態起著決定性關鍵的作用，因此電氣二次及繼電保護在電力系統運行過程中具有重要的意義。

一、電氣二次及繼電保護的重要性

在運行過程中導致電氣二次設備異常運行的因素有很多，如周圍環境的干擾、工作人員的錯誤操作或設備本身出現故障等。對于正在運行的電力系統，可用于電氣一次的檢測維修時間較短，維修的重要過程都放在了電氣二次維修的工作中，突顯了電氣二次維修的重要性。在進行電氣二次設備的檢測維修的過程中不僅有設備的自動檢測，還需要相關檢測設備狀態的技術。依據檢測的結果及之前相關的檢修信息可得到設備正在運行的準確狀態，從而可以使工作人員制定并完善檢修設備的計劃。

二、繼電保護的運行原理

通過利用電氣二次設備或被保護的線路在發生故障前后產生的突變物理量作為信息量，當信息量超過一定的大小時，保護系統就會實行邏輯控制，采取跳閘等保護措施。如果在電力系統在運行的過程中發生短路故障，繼電保護系統會通過改變電壓、電流、阻抗等形成過電流保護、距離保護、低電壓保護。此外，繼電器可根據運行的原理分為感應型、整流型、電磁型、微機型、集成保護型等。

三、繼電保護裝置的發展

1.電磁型保護裝置

在電力系統中電磁型保護裝置研發生產的時期較早且被廣泛地運用在繼電保護系統中，其經常存在于低壓線路、變壓器以及其他機型較小的設備中。電磁型保護裝置主要組成為一些單元件，運用的原理較簡單，操作過程較方便。經過對電磁型繼電保護裝置的長年使用，加上裝置本身工作運行原理和運行的方式都較為簡單，相關電氣工作人員對其使用過程中出現的問題和參數都有一定的了解，當有故障發生時可以做到快速地解決問題。但由于該裝置在運用的過程中消耗的能量較多，已達不到現代電力建設的要求和條件，逐漸被其他保護裝置所代替。

2.集成型保護裝置

與較早生產的電磁型保護裝置的不同之處在于，集成型保護裝置工作運行原理較為深層次、結構組成也更為復雜。在運用該裝置的時候需要工作人員有更高的技術能力和條件，這使集成型保護裝置的推廣運用受到了很大的限制。在實際運用過程中，集成性保護裝置對電氣二次設備檢測的信息數據更多、產生的保護作用更好，但因采集的數據參數處于較高水平，對使用元件提出了更高的條件，使其應用受到了很大的局限。

3.微機型保護裝置

隨著計算機技術水平的不斷提高，產生了微機型繼電保護裝置，其工作性能所處的水平遠遠超過之前的保護裝置。在實際的運用過程中通過使用計算機軟件系統對其操作，增加了機器自動化功能，逐漸達到現代化、自動化系統的要求。此外，微機型保護裝置可以更加準確地檢測采集相關信息數據，方便工作人員對電網現已運行的狀態進行分析評估。由于在該裝置中可以很好地利用計算機的信息儲存功能，因此在運用過程中可以完整地對數據進行保存，避免了丟失數據情況的發生。

四、電力二次設備繼電保護系統失效模型

1.繼電保護本體裝置的失效模型

裝置本體失效模型的建立需要具體分析某一個失效設備模型方法，做到對繼電保護裝置組成結構的全方面了解，如相關的硬件設施、在運行過程中軟件會發揮的特性及因人員失誤對保護機制造成的不良影響等。繼電保護裝置中的元件失去效用與使用時間有著密切的聯系，詳細見圖1。

圖1 電子元器件失效率關系曲線

從圖1中可看出曲線一共分了三個時間階段。

第一階段為運行初始期。在這一時期剛開始時元件發生故障的概率較大，其因為在產品的設計環節、生產階段、配置調試以及其他過程中都還有很多不足之處。之后隨著時間的推移，發生故障的概率快速減小，到達某一時間時，數值不在變化，在此后的一段時間內，裝置本身會有較高的可靠性。此時可以用以下的數學模型來表示這一階段的函數：

f( t) = m(t-v)m-1e(t-v)m/t0/t0

該函數中的m代表形狀參數，對曲線的形狀起了決定性的作用，f(t) 表示時間負指數函數，表現了第一階段發生故障概率的走向。

第二階段為運行穩定期。在這一階段中發生故障的概率處于穩定不變中，曲線表現為一條直線。在穩定運行的過程中，導致系統發生故障的原因一般為工作人員出現的錯誤性操作、周圍外界環境的干擾或設備裝置出現意外的超載現象等。此時可以用以下數學模型來表示這一階段的函數：

該函數中的λ代表設備發生的故障率，依據λ的數值大小可以得出在運行穩定期設備產生的故障率曲線走向。

第三階段為設備損耗期。隨著使用時間的增加，系統中相關設備的機械損耗逐漸增加，電器絕緣程度降低其產生的老化現象是造成這一時期故障率曲線圖逐漸上升的主要原因。只有通過加強對設備功能檢測力度，及時發現并替換損耗較大的元件才能減少這一階段故障發生的現象，保證系統的正常安全的運行。此時可以用以下數學模型來表示這一階段的函數：

在該函數中μ代表元件可以使用的平均壽命，δ代表正態分布產生的方差，可根據μ和δ的數據大小得出在第三階段發生概率的曲線走向。

2.建立繼電保護系統二次回路的失效模型

在電力系統運行的過程中，繼電保護裝置與二次回路均為繼電保護系統的的一部分，且兩者之間有著緊密的聯系性。建立二次回路的失效模型對探究繼電保護具有重要的意義。在系統運行時，影響二次回路變失效的因素有很多，如周圍外界運行的環境條件、操作箱發生故障、設備的絕緣、腐蝕、封堵、抵抗干擾情況、回路中產生的溫度高低等。由于二次回路在電力系統是一種較小的系統，因此可以通過使用故障樹法來分析二次回路的失效原因，達到更直觀理解的效果。可建立的二次回路設備的故障樹模型如圖2所示。

圖2 二次回路故障樹模型

圖2中每一個分支發生故障的概率都可以通過長期的數據統計而獲得。此外，可以通過檢測二次回路所處的功能狀態來評估二次設備所具有的失效風險大小，其重點工作為確保在采集各個設備狀態特征量的時候具有全面性，科學合理地對系統監視的環節進行劃分，提高檢測準確性。

五、總結

在電力系統中，電氣二次設備的正常安全運行是電力系統正常運行的保證。繼電保護系統對電氣二次設備的檢測維修和保護都起了關鍵性的重要作用。在實際運用的過程中，保證繼電保護系統及裝置的功能正常，盡可能減少安全意外事故的發生，對電網的安全運行具有非常重要的意義。隨著電力技術的不斷發展，繼電保護裝置不斷更新，相關單位應注重對工作人員綜合能力的提高。由于建立電氣二次設備繼電保護系統的失效模型可以依據其結果提高對系統出現故障概率的預判準確性，大大增加了電力系統運行的安全保障力度。

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表1 主要材料對比表

由表1可知，新型非包封空氣絕緣干式變壓器與傳統型對比，銅重平均下降15.8%，硅鋼重平均下降25.3%。

（2）工裝、模具成本

由圖3可知，立體卷鐵心由硅鋼片連續繞制而成，鐵心無開口，所以繞組需要相應的工裝、模具直接繞制在鐵心柱上。對于樹脂絕緣干式變壓器，受澆注尺寸的限制，模具不易通用化，且裝模、脫模工藝復雜。對于非包封空氣絕緣干式變壓器，模具簡單，且通用性較強，如果為標準系列產品，模具的成本可忽略不計。

（3）人工成本

從變壓器誕生至今，人們一直在尋找降低變壓器損耗和噪聲的方法。我們知道，只要變壓器勵磁，空載損耗便存在，雖然空載損耗相對變壓器傳遞的容量并不算大，但它代表著電力系統一個恒定的能量流矢。為了降低空載損耗和噪聲，人們早已把科研力量集中在開發變壓器鐵心結構和新型電工鋼片上。目前，立體卷鐵心結構已被世界公認為最合理的鐵心結構。電工鋼片的生產程序也在不斷改進，為了降低電工鋼片的單位損耗，電工鋼片的厚度越來越薄。對于傳統的疊鐵心來說，電工鋼片變薄一方面增加了工作量，另一方面增加了疊的難度，導致人工成本增加。而立體卷鐵心從剪切到卷制均采用機械化自動控制，生產效率高。

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