電力系統中繼電保護和自動化裝置可靠性研究

孫月軍

（普萊克斯（青島）工業氣體有限公司，山東 青島 266500）

1 繼電保護設備和自動化裝置可靠性的影響因素

1.1 整定值的影響

電力系統中繼電保護和自動化裝置方面的可靠性不足及故障問題在一定程度上是由整定值設置不當造成的，當電力系統中的整定值沒有達到相應的標準時，繼電保護和自動化裝置發生錯誤運行和無法運行的幾率非常高[1]。繼電保護和自動化裝置的可靠性會受到很多因素的影響，而整定值是其中的一個突出因素，整定值錯誤的情況屢見不鮮，多是由前期的安裝、系統中前后電氣設備整定值的不匹配，或沒有考慮實際運行中負荷的運行狀態而引起的。針對整定值對繼電保護設備和自動化裝置可靠性造成的干擾，預防和處理難度非常大，主要是因為具有一定的不可預測性和隨機性[2]。例如，生產現場有一臺用過軟啟動器驅動的350 kW風機，其啟動電流設定為額定電流的4倍，啟動時間為15 s，該設定值均符合設計的要求，但現場啟動風機時，線路的進線開關經常發生速斷跳車的現象。經由檢查發現，進線開關的設定值符合要求，于是重新調整風機的啟動電流，使其為額定電流的3倍，啟動時間改為20 s，整個系統便保持在了正常的運轉狀態下。

1.2 設備質量的影響

我國電力事業在蓬勃發展的過程中，電力電子設備市場也在同步發展，市場上包含的各種電力設備設施種類繁多，不同的生產廠家所生產的同一類產品的性能和質量不可能完全相同，即使是同一個生產廠家，不同型號的設備下，其相關性能也有所不同[3]。正是由于電力設備設施配件市場的這一發展趨勢，使得繼電保護和自動化裝置還可能會受到設備本身質量的影響。如果電力企業在繼電保護和自動化裝置的選擇上，選用的產品存在質量方面的問題，那么即使后續開展規范的安裝和調試，也會引起可靠性方面的問題[4]。

1.3 人為誤操作的影響

繼電保護和自動化裝置在電力系統中具有重要作用，再加上電力系統的復雜性，使得在整個繼電保護和自動化裝置的使用過程中，存在著嚴格的操作標準，一旦有關人員存在不規范的操作行為，就可能會使繼電保護和自動化裝置由于操作問題而引起可靠性不足的問題[5]。

1.4 環境的影響

電力系統中的繼電保護設備和自動化裝置在運行時對于環境有著嚴格的要求，一旦繼電保護和自動化裝置處于潮濕的條件下，尤其是在沿海地區，就可能會引起設備的電力故障。這主要是因為繼電保護在長時間和高強度運轉狀態下，其所處的運行環境溫度也隨之升高，當具有發電特征的雜質漂浮在工作環境后，就會使得裝置中的相關部件面臨磨損和老化的問題[6]。例如，在一個現場供氣的生產現場，由于條件的限制，控制系統的控制器直接安裝了控制柜上，設備運行了約半年左右，控制器壞突然掉，檢查設備也沒有發現問題，于是便認為是個意外事件，更換控制器后繼續運行。但僅僅過了3個月，控制器再次無征兆的出現故障，于是組織電氣、工藝以及機械專業人員進行分析，經討論認為控制柜與生產裝置是安裝在同一個基座上，生產裝置的振動直接傳導至控制柜，從而使得控制器處于一個受振動干擾的環境，影響了控制器的運行。對現場控制器增加了減震措施，如今已經運行了6年，該事件再也未出現。

1.5 設備自身接地保護的影響

繼電保護和自動化裝置本身都需要進行接地保護，防止受外界的干擾以及外界因素對本身的損壞[7]。但在實際的運行過程中，往往有些設備的接地安裝并不規范，從而導致了設備的重啟，影響了設備的可靠性。例如，在2013-2019年間，曾有多個生產現場在雷雨天氣時出現了繼電保護裝置重啟而導致停車的現象。經排查分析發現，這些現場的繼電保護裝置未按規范要求進行接地設置，信號回路受到了外界約1 000 V的干擾電壓影響，從而導致了繼電保護裝置重啟，而規范接地后，繼電保護則可以承受外界2 500 V電壓影響，從而大大提高了設備運行的可靠性。

2 電力系統中繼電保護與自動化裝置的可靠性分析

2.1 選擇切斷故障點

在繼電保護和自動化裝置運行時，故障點具體指的是為保障系統可靠性而選擇故障問題的位置點。繼電保護裝置的輸入特征量非常復雜，其裝置運行時的故障點判斷指標如圖1所示。根據圖1顯示，在繼電保護裝置中的可靠性指標非常多，不僅包含了可維修部分，還包含了不可維修的部位。可維修部分的成功率指的是在一定的標準下，裝置可以利用其功能來完成問題處理的概率，通過準確計算無故障工作時間的平均值，裝置本身就可以自動根據故障種類的區別來進行自我工作時間的有效調整與控制，而對于不可修復的部分，繼電保護和自動化裝置要避免在此部分故障處理上浪費過多的時間[8]。

圖1 故障點判斷指標

電子式互感器是自動化裝置中的重要構成，在自動化裝置電子式互感器可靠性高于常規電磁型互感器的前提下，電力系統處于高強度和連續性的運轉狀態，自動化裝置的故障修復率等同于常規互感器的作用，二次回路將銅電纜用通信網絡來取代。在此過程中，指標大小存在著驟變現象，而此驟變意味著故障的同步發生。例如，在基本指標成功率不可修復的前提下，將正常成功率數值作為基準，當數值高于正常限值時，與電力系統相距500 m的范圍內，自動化裝置在故障的處理中往往會將某任一點作為基礎，切斷該處的電纜，進而來消除故障對系統內其他環節的干擾，保持系統的可靠運轉。但當數值處于基本數值以內時，繼電保護裝置會在與電力系統相距500 m以外的電纜作為故障點。在可維修故障部分，繼電保護和自動化裝置的運行中，相應模塊會自動比較指標值的具體變化，同時會自動選擇其中的一個故障點去加以維護和處理[9]。

2.2 評價保護裝置靈敏度

繼電保護和自動化裝置的構成復雜，其中的靈敏模塊中包含電子式互感器，這種電子式互感器的結構特殊，使用的是比較特殊的光纖輸入/輸出口。一旦電力系統在運行時出現了運行故障，這些光口的發熱量將會直接給電子式互感器的采樣值產生一定的干擾。隨著繼電保護裝置對采樣值的接收，自動化裝置會立即執行備用的切換操作，進而自動調節保護裝置，保障冗余方式與相關問題的對應性。在繼電保護與自動化裝置反復對采樣值分析的基礎上，就可以快速準確地確定電力系統中各個線路和母線的故障位置，進而來確定裝置的靈敏性指標，對應靈敏度情況如表1所示。

表1 對應靈敏度情況

在靈敏度的評價方面，繼電保護和自動化裝置選用的是優化評價方式。一旦靈敏度與實際存在一定的偏差，繼電保護裝置的自動化模塊會立即改變硬件設備的冗余方向，同時硬件的容錯技術也同步變化，此時采用切換電纜連接方式的方法，就可以最快恢復系統的可靠運轉。

3 電力系統中提高繼電保護和自動化裝置可靠性的策略

3.1 落實針對繼電保護設備的維護

針對繼電保護和自動化裝置中可靠性不足的問題，相關電力工作人員可以通過對日常的維護來及時發現問題。對繼電保護和自動化裝置的日常維護工作要從以下方面來開展。一是日常檢修，專業檢修人員要定期全面檢查繼電保護和自動化裝置的各個元件、操作按鈕以及開關等，避免出現開關和按鈕靈活性不足的現象，同時檢修人員還需要加強對指示燈和儀表盤顯示情況的檢查，確保任何螺栓都不存在松動的現象，此外結合互感器要求，對配線、固定卡子實施全面檢查。二是結合繼電保護設備和自動化裝置的使用情況，實施故障排查，針對可能存在的各種潛在故障，按照特定的故障排查和檢修順序，來對各個部位加以全面檢查，如果在檢查中發現存在零部件老化和磨損的情況，就要立即進行相應的維修和更換，并做好維修和處理記錄[10]。

3.2 做到硬件冗余設計

硬件冗余設計的優化在很大程度上也可以大大提升繼電保護和自動化裝置的可靠性，這是十分有效的可靠性提升策略。通過硬件冗余設計的優化，也就使得繼電保護和自動化裝置的容錯水平有所提升。在繼電保護和自動化裝置中，容錯技術非常重要，當裝置中存在這一技術應用時，即使出現了相應的故障，系統也可以在容錯設計下保持正常運轉，而不會對其他模塊產生嚴重干擾。

3.3 控制自動化總線

繼電保護和自動化裝置的可靠性提升方面，控制自動化總線是非常有效的方式。具體指的是在對繼電保護和自動化裝置實施了相應的改造以后，對有關設備實施系統化優化，使得集控室和饋線通道可以有效連接起來。通過這一系列的改造和優化，電力系統繼電保護和自動化裝置的運行效率和可靠性都有所提升。

4 結 論

繼電保護和自動化裝置是電力系統的重要組成部分，但由于多種因素的影響，常常會存在可靠性不足的問題，從而影響整個系統的功能實現。各個電力企業或用電企業在日常的工作中應該結合繼電保護和自動化裝置的運行情況，采取必要的措施來提高可靠性。在當前智能運維系統日益成熟的情況下，現場電氣作業人員越來越少，大多數的工作都是由智能化設備來完成，使得提高繼電保護裝置和自動化裝置的運行可靠性成為今后工作中不可或缺的環節。