電力繼電保護系統誤動作的原因與預防措施

相 超

（中鐵二十三局集團電務工程有限公司，天津 300100）

0 引 言

電力繼電保護系統是確保電力系統穩定運行的關鍵組件之一。當系統內出現異常或故障時，繼電保護系統應立即介入，以減少或避免對電力設備和網絡的進一步損害。然而，在實際操作中，存在繼電器誤動作的情況。誤動作不僅可能導致設備損壞、供電中斷，而且在某些情況下，可能會引發大規模的電力事故。為解決這一問題，文章通過深入研究電力繼電保護系統誤動作的主要原因，并探討有效的預防和改進措施。

1 誤動作的定義及其對電力系統的影響

誤動作在電力繼電保護系統中指的是在沒有故障或異常情況出現時，保護裝置錯誤地觸發操作，如斷路器的錯誤斷開或閉合。這種誤動作往往由外部干擾、設備故障、參數配置錯誤或軟件算法缺陷等多種原因造成。誤動作對電力系統的影響極為嚴重，可能導致供電中斷，影響電網的穩定性和可靠性，給用戶帶來巨大的經濟損失。此外，頻繁的誤動作還可能導致設備過度磨損或損壞，減少其使用壽命，甚至可能掩蓋真正的故障，導致小問題演變成大災難，嚴重威脅電力系統的安全運行[1]。

2 誤動作的主要原因

2.1 外部干擾因素

2.1.1 外部電磁干擾

外部電磁干擾是電力繼電保護系統誤動作的常見原因之一，如圖1 所示。這種干擾通常源于電磁波的突發性釋放，如閃電、高壓電纜、鄰近設備的開關操作以及其他大電流設備的啟動或停機。當這些電磁波與繼電保護系統的電氣線路發生耦合時，可能在系統內誘導出超過正常范圍的電壓或電流，誤導繼電器判定為電網故障，從而觸發不必要的保護響應。尤其是在高頻范圍內，這些干擾信號可能導致設備內的微處理器或其他敏感元件誤判，進而誤動作。防止這種電磁干擾至關重要，因為它不僅可能導致不必要的服務中斷，還可能隱藏真正的電網問題，增加系統風險。

圖1 電磁干擾示意

2.1.2 動力設備啟動或停機引起的瞬時電流沖擊

在電力繼電保護系統中，動力設備如大型電機或高容量變壓器在啟動或停機時常常會產生瞬時電流沖擊，對整體電網產生顯著的影響。具體來說，當一臺容量為5 MVA 的大型電機啟動時，它的起始電流可能暫時達到其額定電流的5 ～7 倍。這意味著如果該電機的正常運行電流為50 A，那么在啟動初期，其電流可能瞬間激增至250 ～350 A。這種瞬時電流沖擊可能會被繼電保護系統誤判為故障電流，從而觸發保護裝置的誤動作。而這種誤動作不僅會導致供電中斷，給生產帶來損失，還可能對其他電網設備造成過度的機械應力和熱應力，加速設備老化[2]。因此，為防范由動力設備啟動或停機引起的瞬時電流沖擊，繼電保護系統需要進行精確的設定與參數優化，確保其能夠區分正常啟動電流與真正的故障電流。

2.2 設備故障與不匹配

2.2.1 保護繼電器本身的故障

保護繼電器作為電力繼電保護系統的核心組件，其穩定性和可靠性對整個電力系統的安全運行至關重要。保護繼電器本身的故障可能源于多種原因，如元件老化、內部電子零部件損壞、電源問題、固件或軟件缺陷等。例如，長期運行在高溫、高濕或存在有害化學物質的環境中可能導致繼電器內部的電子元件和連接點老化或氧化，從而導致功能失效或響應延遲。此外，由于生產工藝、質量控制或外部因素（如電壓沖擊）等，繼電器的內部電路可能出現斷路、短路或接地故障。再者，固件或軟件的設計缺陷可能導致繼電器的邏輯判斷錯誤，進而產生誤動作。這些故障不僅可能使繼電器在真正的電網異常情況下失效，不作出正確的保護響應，而且還可能在電網正常運行時誤判，導致不必要的斷電或切換操作，對電力系統的穩定運行造成嚴重威脅。

2.2.2 CT、PT 等設備的錯誤或故障

電流互感器（Current Transformer，CT）和電壓互感器（Potential transformer，PT）是電力繼電保護系統中的關鍵傳感設備，負責將高電壓或電流轉換為繼電器可以安全處理的較低電壓或電流值。CT 和PT的錯誤或故障可能導致保護繼電器接收到誤導性的信號，從而引發誤動作。例如，如果CT 的轉換比例不正確或飽和特性被忽視，可能導致在短路條件下其輸出電流大大低于實際電流，使得繼電器無法正確識別短路故障。同樣，PT 的損壞、絕緣破裂或其二次側開路等情況都可能導致繼電器接收到錯誤的電壓信號。此外，互感器的安裝錯誤、接線錯誤或者與其他保護設備之間的不匹配，如與繼電器之間的不匹配，也可能導致保護響應的偏差。

2.3 設定值誤設或參數配置錯誤

電力繼電保護系統的工作基于預先設定的閾值和參數。根據某項研究，近30%的保護誤動作起因于設定值誤設或參數配置錯誤。例如，若繼電器的短路保護設定值錯誤地設定為120%，而實際系統最大負載為130%，則在正常高負載下可能會觸發保護動作。錯誤的時間特性設定也可能導致故障時繼電器響應過快或過慢，如當延遲時間被誤設為5 s，而實際所需為2 s時，可能使得故障清除受到不必要的延遲[3]。此外，配置參數錯誤，如保護繼電器的方向性設定錯誤，可能導致繼電器在不應介入的情況下動作。

2.4 軟件與算法問題

在電力繼電保護系統中，軟件與算法扮演著重要角色，負責對輸入數據進行處理并產生相應的保護命令。然而，軟件或算法的缺陷可能導致誤動作。例如，當繼電器使用Fourier 變換來估計故障頻率時，其計算表達式為

式中：X(k)為頻域上的頻率分量；x(n)為時間域上的信號值；N為采樣點數。該變換將時域信號轉化為頻域信號，使得繼電保護系統能夠基于信號的頻率內容來進行決策。

如果軟件實現中存在計算錯誤或采樣率與算法不匹配，那么頻率估計可能出錯。此外，一些保護算法依賴于故障檢測閾值，如

式中：Ifault為故障電流；Inormal為正常電流；k為預先定義的常數。若算法中的k值設定不當，或者軟件在實際實施中存在故障，那么在正常或邊緣情況下可能會產生誤動作。因此，軟件和算法的正確性、穩定性、健壯性對于繼電保護的正確性至關重要，需要經過嚴格的驗證和測試，確保在各種情況下都能可靠地工作。

3 預防與改進措施

3.1 加強繼電保護設備的選型與設計

在電力系統中，繼電保護設備的選型與設計對于系統的穩定性與安全性至關重要，不同的應用和場景要求不同的保護策略和設備。因此，為了避免誤動作，需要根據具體的工作條件、電氣參數、預期的保護功能來選定適合的繼電器型號，繼電保護設備的常見選型如表1 所示。

表1 繼電保護設備的常見選型

對于高電流場景，應選擇表1 中具有較大故障電流檢測范圍的PRO-789 型號；而對于需要多個輸出觸點的控制柜，GHI-112 型號可能更為適用。除了型號選擇，還需關注設備的工作溫度、工作電壓等參數，確保其在實際應用中的穩定性[4]。進一步地，設計過程中應考慮設備的冗余性和故障切換能力，確保在關鍵設備出現問題時，仍能保持系統的正常運行。

3.2 優化設定值與參數配置

在電力繼電保護系統中，優化設定值與參數配置是確保系統穩定和安全的核心環節，主要流程如圖2 所示。

圖2 設定值優化與參數配置的具體流程

首要步驟是進行深入的數據收集和分析，確保完整理解系統負荷、故障和其他核心參數。其次，通過建模和仿真，模擬系統在各種工作與故障狀態下的表現，為設定值校核提供依據。確保參數與實際運行數據相匹配是關鍵，尤其在考慮各種可能的運行和故障場景時。最后，系統的持續監控、及時反饋與專業培訓是確保繼電保護系統持續、穩定、安全運行的關鍵，同時為未來的技術升級和系統更新打下堅實基礎。

3.3 強化外部環境的隔離與屏蔽

電力繼電保護系統的穩定運行容易受到外部環境的影響，尤其是電磁干擾、溫濕度變化和物理撞擊等。為確保其高效、穩定的性能，強化外部環境的隔離與屏蔽至關重要。首先，使用專業的電磁屏蔽材料和設計技術，確保繼電保護系統對外部電磁場的干擾有強大的抵抗能力，減少誤動作的風險[5]。其次，考慮到電力設備通常處于惡劣的工作環境中，因此需對其進行物理隔離和保護，以防止塵埃、水分和其他有害物質的侵入，確保設備內部環境的穩定性。最后，合理布局和密封措施可以進一步防止溫度與濕度的急劇變化，為設備提供一個恒定的工作環境。總的來說，通過強化隔離和屏蔽措施，可以有效避免外部環境對繼電保護系統的不利影響，確保其穩定、可靠的性能。

4 結 論

電力繼電保護系統作為電網安全穩定運行的核心，其誤動作現象由諸多因素觸發，如電磁干擾、設備故障或配置錯誤等，這不僅威脅電網穩定，還可能導致巨大經濟損失。通過深入探究，文章強調了預防措施的必要性，如精準選擇保護設備、設定值的優化和強化環境屏蔽等，都是確保其正常運作的關鍵。綜合考慮，為確保電力供應的穩定性與可靠性，電力繼電保護的每一環節都需精心管理和持續監測。