基于后備保護(hù)配置的繼電保護(hù)可靠性分析

劉光輝，鄧春燦，付魯川

（1.國網(wǎng)西藏電力有限公司拉薩供電公司，西藏 拉薩850000；2.國網(wǎng)西藏電力有限公司檢修公司，西藏 拉薩850000；3.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安710048）

0 引 言

繼電保護(hù)是保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行不可或缺的重要設(shè)備。《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》（GB/T 14285—2006）明確指出，繼電保護(hù)應(yīng)符合可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。對于選擇性、靈敏性和速動性的要求很好理解；而對于可靠性，技術(shù)規(guī)程的描述是保護(hù)該動作時應(yīng)動作，不該動作時不動作。但如何對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行合理的配置和整定[1-3]，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行對繼電保護(hù)可靠性的要求值得深入分析。

1 可靠性與選擇性、靈敏性、速動性的關(guān)系

選擇性是指首先由故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)切除故障，當(dāng)故障設(shè)備或線路的保護(hù)或斷路器拒動時，才允許由相鄰設(shè)備、線路的保護(hù)或斷路器失靈保護(hù)切除故障。可以理解為是“可靠性”中的“該動作時應(yīng)動作，不該動作時不動作”要求的具體體現(xiàn)。在保護(hù)范圍內(nèi)故障，其保護(hù)按照既定程序或邏輯正確動作就是“應(yīng)動作”，未在保護(hù)范圍內(nèi)的保護(hù)不動作則理解為“不該動作”。對于縱聯(lián)和差動保護(hù)來講，其選擇性是天然的，在定值靈敏度滿足要求的前提下，其保護(hù)范圍也就是選擇性只與電流互感器的安裝位置有關(guān)。其他保護(hù)的選擇性則由整定值來確定。

靈敏性是指在設(shè)備或線路發(fā)生故障時保護(hù)裝置具有的正確動作能力的裕度。速動性是指保護(hù)裝置應(yīng)能盡快地切除故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。顯然“靈敏性”和“速動性”均是“該動作時應(yīng)動作”的具體體現(xiàn)。“該動作時應(yīng)動作”既有靈敏性的要求，也有速動性的要求，不僅要能動作，而且要根據(jù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求快速動作。靈敏性完全由整定值來決定，定值的靈敏系數(shù)必須滿足規(guī)程的要求?？v聯(lián)保護(hù)、差動保護(hù)及無法切除被保護(hù)設(shè)備全范圍故障的突變量和1段保護(hù)的速動性由保護(hù)裝置本身性能確定，其他后備保護(hù)的速動性由整定計算的定值配合確定[1-3]。

顯然，可靠性是電網(wǎng)安全運(yùn)行對繼電保護(hù)的最終要求，選擇性、靈敏性和速動性都是為可靠性服務(wù)的?？煽啃缘膶?shí)現(xiàn)是通過選用由可靠的硬件和軟件構(gòu)成的裝置，合理配置和整定繼電保護(hù)，在滿足選擇性、靈敏性和速動性的前提下，充分發(fā)揮繼電保護(hù)的整體性能，最終能夠在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時動作并可靠切除故障。

2 按遠(yuǎn)后備配置繼電保護(hù)可靠性分析

《3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》（DL/T 5842007）指出，任何電力設(shè)備都不允許無保護(hù)運(yùn)行。從技術(shù)上來講，運(yùn)行中的電力設(shè)備，一般應(yīng)有分別作用于不同斷路器，且整定值有規(guī)定靈敏系數(shù)的兩套獨(dú)立的繼電保護(hù)裝置作為主保護(hù)和后備保護(hù)[2]，以確保電力設(shè)備安全。筆者將其簡稱為“雙保護(hù)、雙斷路器”或者“N-1”原則，也就是當(dāng)一套保護(hù)或者一臺斷路器拒動時，繼電保護(hù)仍然能夠發(fā)揮作用將故障切除，是繼電保護(hù)配置可靠性的具體量化體現(xiàn)，也是一個可靠性裕度的概念。

以圖1的110 kV電網(wǎng)為例，說明“有保護(hù)運(yùn)行”和“無保護(hù)運(yùn)行”概念。

圖1 110 kV電網(wǎng)接線及保護(hù)配置示意圖

線路1和2分別配置保護(hù)A和B，按照110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)的設(shè)計和配置原則，110 kV線路一般只配置一套微機(jī)保護(hù)裝置，按遠(yuǎn)后備原則進(jìn)行整定。保護(hù)A應(yīng)對線路2故障有規(guī)定的靈敏度。若線路2的保護(hù)B因交流回路、直流電源故障或其他原因造成的裝置整套退出時，由于保護(hù)A對線路2故障完全能夠動作并切除，因此從技術(shù)上來講線路 2不能繼續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)線路2的保護(hù)B退出運(yùn)行后，雖然保護(hù)A對線路2故障完全能夠動作并隔離，但從對繼電保護(hù)可靠性的要求來講，不滿足“雙保護(hù)、雙斷路器”或者“N-1”原則，繼電保護(hù)的可靠性不滿足要求。即線路2故障時，如果保護(hù)A拒動，或者保護(hù)A作用的斷路器拒動，都將導(dǎo)致故障無法切除。這是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行所不允許的。

保護(hù)B退出，即意味著線路2是“無保護(hù)運(yùn)行”，此時可作為繼電保護(hù)特殊運(yùn)行方式來處理。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，保護(hù)特殊運(yùn)行方式應(yīng)經(jīng)所在單位總工程師批準(zhǔn)，并備案說明。

遠(yuǎn)后備配置的主要優(yōu)點(diǎn)是從物理上保證了兩套保護(hù)的獨(dú)立性，同時失去兩套保護(hù)的可能性極小。遠(yuǎn)后備配置的主要缺點(diǎn)：一是由于存在定值配合問題，故障切除時間較長；二是由相鄰上級變電站切除故障，擴(kuò)大了停電范圍。

3 按近后備雙重化配置保護(hù)的可靠性分析

對于220 kV及以上電壓的復(fù)雜電網(wǎng)，為了提高故障的切除速度，同時也由于上一級斷路器配置的繼電保護(hù)裝置往往無法對相鄰故障元件實(shí)現(xiàn)完全的后備保護(hù)，一般按近后備雙重化配置繼電保護(hù)。如果斷路器拒動，則通過失靈保護(hù)斷開相鄰斷路器[4,5]。保護(hù)的雙重化和斷路器失靈保護(hù)的配置是實(shí)現(xiàn)“近后備”的必要配置，也是對繼電保護(hù)可靠性的最基本要求。

以圖2的220 kV電網(wǎng)為例，用“雙保護(hù)、雙斷路器”或者“N-1”原則來分析雙重化配置保護(hù)的可靠性。

圖2 220 kV電網(wǎng)接線及保護(hù)配置示意圖

線路1配置的保護(hù)為A1、A2，線路2配置的保護(hù)為B1、B2。線路1的保護(hù)無法對線路2實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)后備。所配置的保護(hù)均為主后一體的微機(jī)保護(hù)。線路2發(fā)生故障時，B1和B2保護(hù)互為備用，一套保護(hù)拒動的情況下仍可切除故障；線路2的斷路器拒動時，可通過斷路器失靈保護(hù)跳開電氣上相鄰的斷路器來切除故障，斷路器也滿足“N-1”要求。

對雙重化配置保護(hù)的要求是：這兩套保護(hù)在直流、交流、通道及其他邏輯和回路上必須完全獨(dú)立，防止因一個元件或環(huán)節(jié)故障造成兩套保護(hù)同時失去作用的情況發(fā)生。該要求在相關(guān)規(guī)程和反措上是非常明確的。

特別需要說明的是，按近后備雙重化配置的保護(hù)不是為了檢修的方便，而是實(shí)現(xiàn)“近后備”的必要配置。如果確實(shí)需要在一次設(shè)備不停電的情況下退出一套保護(hù)裝置進(jìn)行檢驗(yàn)，必須校核上級電網(wǎng)配置的保護(hù)是否對本設(shè)備故障有規(guī)程要求的靈敏度。否則應(yīng)視為“無保護(hù)運(yùn)行”運(yùn)行。即電網(wǎng)發(fā)生故障時，若運(yùn)行的保護(hù)拒動，故障將無法切除，不滿足配置可靠性“N-1”的要求。需要強(qiáng)調(diào)的是，可靠性是對實(shí)時運(yùn)行的繼電保護(hù)的要求，與已經(jīng)退出運(yùn)行的保護(hù)無關(guān)。

顯然，如果上級電網(wǎng)配置的保護(hù)對本設(shè)備故障沒有規(guī)程要求的靈敏度，沒有按遠(yuǎn)后備考慮，那么按近后備雙重化配置的保護(hù)在正常運(yùn)行時不可將一套保護(hù)整套退出。退出一整套保護(hù)則可靠性無法滿足“N-1”的要求，即意味著該設(shè)備是“無保護(hù)運(yùn)行”，應(yīng)按繼電保護(hù)特殊運(yùn)行方式進(jìn)行處理。

近后備配置的主要優(yōu)點(diǎn)是故障切除時間較短，保護(hù)動作跳閘后的停電范圍較小。近后備配置的主要缺點(diǎn)是保護(hù)雙重化配置增加了投資，如果兩套保護(hù)相互之間的獨(dú)立性存在問題，如共用直流電源、共用電壓或電壓互感器的一個二次繞組等，同時失去兩套保護(hù)的可能性較大。

4 按近后備雙重化配置的500 kV線路微機(jī)保護(hù)可靠性分析

對于500 kV線路，以往采用電磁式或分離元件構(gòu)成的晶體管保護(hù)時，一般配置兩套縱聯(lián)保護(hù)、一套距離保護(hù)以及一套零序保護(hù)。這些保護(hù)的硬件基本獨(dú)立，一套保護(hù)裝置的硬件故障，可以將其單獨(dú)退出進(jìn)行處理。由于其距離和零序保護(hù)在邏輯上與一套縱聯(lián)保護(hù)有關(guān)，從物理上來講，其可靠性為“N-2”，即線路故障時有兩套保護(hù)裝置拒動，仍能夠切除故障。而對于微機(jī)保護(hù)，一般配置兩套相互獨(dú)立的主后一體保護(hù)裝置，每套保護(hù)含縱聯(lián)保護(hù)、階段式距離保護(hù)以及零序電流保護(hù)。從物理上來講，其可靠性為“N-1”，即在線路發(fā)生故障時，由于硬件或回路上的問題導(dǎo)致一套保護(hù)整套拒動，另一套保護(hù)仍能夠動作切除故障。若不考慮裝置設(shè)計和制造質(zhì)量，單純從物理上來講，配置微機(jī)保護(hù)后可靠性是降低了。

500 kV線路配置兩套主后一體微機(jī)保護(hù)裝置的可靠性分析如下。

在線路距離和零序電流保護(hù)1段范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時，能夠動作的保護(hù)有縱聯(lián)保護(hù)、距離1段、距離2段、距離3段、零序1段、零序2段、零序3段各2套，從邏輯上來講，共有14種保護(hù)能夠動作切除故障，可靠性為“N-13”。即使零序電流保護(hù)只保留1段的情況下，也有10種保護(hù)能夠動作，即“N-9”。

在線路末端發(fā)生接地故障時，距離1段、零序1段甚至零序2段不能動作，但邏輯上至少仍有8種保護(hù)能夠動作切除故障，可靠性為“N-7”。

上述分析是完全基于整定計算按近后備考慮的情況，未涉及遠(yuǎn)后備的情況。如果保護(hù)均按近后備雙重化配置，從物理上來講，對于切除本線路故障的可靠性為“N-1”；從邏輯上來講，對于接地故障，至少是“N-7”。如果不設(shè)距離3段，邏輯上的可靠性為“N-5”，完全能夠滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行對繼電保護(hù)可靠性的要求，無需考慮對下一級設(shè)備作遠(yuǎn)后備的問題。如果每個設(shè)備配置的保護(hù)均能夠可靠切除本設(shè)備的故障，自然就不需要考慮非要給其他設(shè)備作后備保護(hù)的情況。

另外，由以上分析可以看出，除非有特殊要求，否則在同一硬件上增加過多的保護(hù)邏輯功能對提高繼電保護(hù)可靠性的意義不大[6,7]。

5 結(jié) 論

（1）可靠性是電網(wǎng)安全運(yùn)行對繼電保護(hù)的最終要求，選擇性、靈敏性和速動性都是為可靠性服務(wù)的。遠(yuǎn)后備或近后備配置是不同電壓等級電網(wǎng)對繼電保護(hù)可靠性的具體要求。

（2）電網(wǎng)安全運(yùn)行對繼電保護(hù)可靠性的最基本要求是：當(dāng)一套保護(hù)或者一臺斷路器拒動時，繼電保護(hù)仍然能夠發(fā)揮作用將故障切除?！半p保護(hù)、雙斷路器”或者“N-1”原則是繼電保護(hù)配置可靠性的具體量化體現(xiàn)。

（3）220 kV及以上電網(wǎng)保護(hù)的雙重化配置是實(shí)現(xiàn)“近后備”的基本要求，并非為了檢修或運(yùn)行的方便。在其中一套保護(hù)整套退出時，必須校核相鄰設(shè)備對其的遠(yuǎn)后備靈敏度，否則應(yīng)視為“無保護(hù)運(yùn)行”運(yùn)行。

（4）由于按近后備雙重化配置的線路保護(hù)完全能夠可靠切除本線故障，可以考慮不設(shè)距離3段保護(hù)，防止作為遠(yuǎn)后備的距離3段保護(hù)在事故過負(fù)荷的誤動，避免重大電網(wǎng)事故。

（5）在滿足繼電保護(hù)可靠性要求的前提下，再冗余配置的繼電保護(hù)功能給設(shè)備的研發(fā)、整定計算、調(diào)試檢修帶來了不必要的工作量。如果整定、調(diào)試或使用不當(dāng)，甚至可能造成繼電保護(hù)的不正確動作，降低了繼電保護(hù)的可靠性。