變電站保護系統故障及可靠性分析

李旭東,周旖輝

(國網湖北省電力有限公司超高壓公司,武漢 430064)

0 引言

高壓變電站是電力系統的重要組成部分,變電站內的保護系統主要利用電力系統中元件發生短路或異常情況時的電氣量(電流、電壓、功率、頻率等)的變化構成繼電保護系統動作原理[1],檢測故障并在最短時間內切除故障,保障電網的安全穩定運行。

在大容量電力系統可靠性評估中,通常假設保護系統完全可靠,電力系統過流設備的故障僅導致該設備被隔離,但這種假設可能會忽略保護系統故障對系統范圍可靠性指標的影響。文獻[2]研究表明,保護系統潛在故障是造成多次或連鎖故障的最常見原因。文獻[3]表明,在電壓等級高的變電站中,保護系統誤動是導致電網解列的最大原因。根據文獻[4],保護系統具備4大因素,即可靠性、選擇性、靈敏性及速動性,如果不能滿足這些要求,保護系統本身將成為擴大事故或直接造成事故的根源。

本研究介紹了保護系統故障類型,包括各元件故障率及平均故障時間(MTTF)的統計數據,對各個元件的可靠性進行分析,對整個變電站進行可靠性評價。

1 保護系統故障類型

1)繼電器故障。根據IEC60255-23標準,當繼電器永久無法執行其所需功能時,就會發生繼電器故障。多數導致電力故障事件升級的直接原因都可以追溯到繼電器誤動作。數據表明,這是由于繼電器元件自身故障導致其誤動作而引發整個電力系統故障[5]。

2)交流設備及電路。電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)及二次電路故障都可能導致保護系統故障。例如,選擇了不合適的CT變比或CT飽和。PT斷路器故障或微型斷路器(MCB)故障中斷交流電路或選擇低截面導線將互感器連接到繼電器,甚至是互感器內部的缺陷及互感器的老化。

3)直流設備及電路。變電站的直流系統為其繼電器及控制設備提供了電源,不允許發生中斷。如直流接地故障、充電設備故障。

4)通信。保護系統通信用于遠程系統保護及線路差動保護。當線路的通信受到干擾,造成數據傳輸錯誤或數據丟失,會影響保護系統的正確動作[5]。

5)人為的錯誤設計、設置或邏輯。保護系統設計、邏輯及設置不正確是導致保護系統失效的主要原因。例如,線路保護功能設置及邏輯不當,導致保護系統不動作或誤動作。

6)測試過程中的人為誤差。程序測試過程中的人為錯誤可能導致保護系統誤動作。

7)斷路器故障。斷路器是保護系統中最重要的元件。當保護動作時,斷路器應立即響應命令,進行相應的動作。斷路器的內部氣體及氣壓、斷路器的老化、斷路器機構的缺陷等都會導致斷路器故障。

8)其他原因。除上述原因外,網絡結構不當也有可能影響保護系統的正常運行。

2 故障原因分析

變電站停電主要有以下原因:天氣與環境、架空線、外在因素、電力系統條件、污漬、繼電器、斷路器、連接線、人為因素、交流設備及電路、直流系統、地震、減負荷、繼電器的邏輯及設置、變壓器、操作、電纜線、過負荷、電抗器、避雷器、母線、補償變壓器、電容器、隔離開關、阻波器、PLC、其他及未知原因[6]。保護系統失效并導致電網中斷的原因數量如圖1所示。

圖1 保護系統失效并導致電網中斷的原因統計Fig.1 Statistics of the causes of protection system failure and grid interruption

變電站的平均故障時長(MTTF)為177 372 h。故障率與MTTF成反比,故障率為0.0494故障率/年。每種情況的故障率如圖2。

圖2 變電站各種故障類型率統計Fig.2 Statistical chart of various fault types in substation

可以看出,繼電器與斷路器故障是導致保護系統故障的第一與第二大原因,直流系統與PLC邏輯故障導致的變電站故障發生率最小,可以忽略不記。許多老舊變電站中存在大量的靜態與機械繼電器可能是導致繼電器故障的主要原因。許多斷路器的老化可能是導致斷路器故障率高的主要原因。

3 可靠性分析

故障樹分析法(Fault Tree Analysis,FTA)是對系統進行可靠性分析的最常見方法之一[7]。是在系統設計或改進過程中對可能造成系統故障的各種因素進行分析,畫出邏輯框圖(即故障樹),從而確定系統故障原因的各種可能組合方式及發生概率,并以此計算系統的故障概率,采取相應的措施,以提高系統可靠性的一種設計分析方法及評估方法[8-9]。

故障樹分析法可根據系統發生故障的不同原因采取相應的措施,有效提高系統的可靠性。故障樹的圖形分為頂事件、中間事件及底事件。頂事件可以定義為在電力系統工作時最不想出現的障礙事件,致使其出現的直接因素是中間事件,此時的中間事件處于過渡狀態。底事件是對中間事件作進一步的研究分析,直到找出導致該故障的基本原因。以上事件分別用事件符號與邏輯符號表示,并通過邏輯把各事件連接成故障樹。故障樹反映了事件間的因果關系,清晰描繪出元件、部件或人為失誤等原因與故障事件之間的聯系。

為了評估保護系統的可靠性,考慮了變電站的線路保護,采用故障樹分析法進一步評估變電站故障概率。該法適用于分析復雜系統,通過故障樹定量化計算或估計系統頂事件發生概率及其可靠性指標。線路保護一般由兩個繼電器組成,即主繼電器與備用繼電器,以提高保護可靠性。評估系統可靠性和因素影響的方法是通過故障樹來分析從一個設備的故障率如何影響整個系統。但是故障樹很難識別一個子系統中的故障或動作如何影響另一個子系統[6]。變電站故障樹如圖3所示。根據圖2給出的故障樹及數據,可以推導出每個元件及保護系統的可靠性。可靠性函數為:

圖3 變電站各種類型故障相應的故障樹Fig.3 Fault tree corresponding to various types of substation faults

R(t)=exp(-λ.t)

(1)

該函數定義了時間段t的可靠性。通過方程(1)與圖2,在主保護與后備保護投入下可以估計每個元件的故障概率,如表1所示。

表1 各個元件的故障概率Tab.1 Failure probability of each component

采用圖3所示的故障樹分析法,根據各個元器件故障概率,分析計算變電站保護失效的概率如下

(P(E)=1-R):

P(G1)=P(E1)+P(E2)+P(E3)+P(E4)+P(E5)+P(E6)+P(E7)=0.0049

(2)

P(G2)=P(E1)+P(E2)+P(E3)+P(E4)+P(E5)+P(E6)+P(E10)=0.0053

(3)

P(G3)=P(G1)

P(G2)=2.597×10-5

(4)

P(G4)=(PROTECTIONFAILURE)=P(E8)+P(G3)+P(E9)=4.026×10-3

(5)

E1～E10分別代表繼電器故障、回路故障、內部的設置及邏輯問題、PT、CT、直流系統、PLC、開關故障、人為因素及通信中斷的故障概率。

P(G1)為二次系統控制的故障概率;P(G2)為二次系統通信的故障概率;P(G3)為二次系統的故障概率;P(G4)為保護系統故障失效概率。

可以看出,由于主備保護系統的應用,高壓變電站保護系統故障概率很低。

4 結論

變電站保護系統包含許多相互關聯的元件,因此每個元件的故障都可能導致保護系統的故障。各元件的連續運行不受任何干擾取決于多方面的原因。

繼電器可根據CT與PT提供的電流及電壓值來判斷故障,CT與VT故障率低于其他元件,但老化會降低其精度。近年來,光學電流互感器(OCT)的出現大大降低了故障率,提高了精度。變電站直流電源的任何中斷都會中斷保護及控制系統。應確保直流設備及電路(如電池、充電器、接線、跳閘線圈、輔助繼電器)的正常工作。低負荷與低速輔助繼電器的應用是直流電路故障的主要原因之一。

繼電器內部元件故障導致的故障率值大于其他原因造成的故障率。盡管現在大多數繼電器都是數字繼電器,它們比靜態與機電繼電器具有更高的可用性,但由于其復雜性,更有可能發生故障。人為錯誤的設計、設置及測試是導致保護系統故障的主要原因,需做好主保護及備用保護,使用不同廠家的主繼電器及備用繼電器。