高寒地区线路保护就地化应用研究

金镇山， 姜 鹏 ， 徐明宇， 吕永生， 王鲁昕

(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨150030；2.国网大庆供电公司 东风配电工程公司，黑龙江大庆 163000)

高寒地区线路保护就地化应用研究

金镇山1， 姜 鹏1， 徐明宇1， 吕永生2， 王鲁昕1

(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨150030；2.国网大庆供电公司 东风配电工程公司，黑龙江大庆 163000)

为研究线路保护就地化即插即用模式在高寒低温地区应用的可靠性，阐述了即插即用继电保护在建设、调试及运维方面应用的功能和设计特点，提出了多套即插即用就地化线路保护装置接入试点变电站的电压、电流回路以及接地方式的方案。根据现场试验结果和试运行情况，分析了高寒地区低温环境对就地化保护装置的电磁兼容、材料以及绝缘等方面对保护动作可靠性的影响。分析结果表明，在高寒地区保护系统失效率将增加，部分保护装置动作出现延迟现象，影响保护动作的正确性和可靠性。需要提高浪涌、射频磁场等考核项目的测试等级，提高继电器触点和计算逻辑等方面的动作可靠性，建立健全即插即用继电保护就地化的现场专用规程，满足保护系统低温稳定运行的要求。

高寒地区；线路保护；就地化；即插即用

目前，随着智能变电站的日益发展和新技术、新材料的不断应用，促进了资源节约、环境友好型智能电网的发展[1-3]。常规变电站必然会向智能变电站转变，应用继电保护的即插即用就地化模式将成为节约型智能电网建设模式的发展方向。由于高寒地区的低温环境会严重影响电子元件的正常工作，引起保护装置的加速失效、误动或拒动。因此，就地安装于高压设备附近继电保护装置能否承受变电站在正常或故障情况下产生极强的电磁干扰；继电保护、控制设备的正常工作是否会受到操作开关时产生频率高达数兆赫兹的快速暂态电压通过接地网向外传播的影响[4-5]；继电保护装置采样精度以及光缆绝缘是否会受到高寒地区的超低温影响，这些问题都将制约着继电保护即插即用就地化模式在高寒地区的发展。为研究就地化继电保护装置在高寒地区运行的稳定性和可靠性，本文通过将不同的保护装置分别在高寒低温地区试点变电站进行挂网运行和现场低温试验，分析了继电保护就地化安装后试运行情况和试验数据，得到了高寒地区对就地化保护动作正确性和可靠性的影响程度，为提高继电保护就地化在高寒地区应用的安全性和可靠性奠定了基础。

1 继电保护就地化的功能及设计特点

1.1 继电保护就地化功能

继电保护就地化具有简化二次回路设计、减少二次电(光)缆使用、节省用地、降低建筑所需投资、提高变电站建设效率、即插即用方式方便运维调试等功能。

1.1.1 降低互感器负载

就地化是指单元化、模块化配置的继电保护、测控等装置，经抗电磁干扰设计，无防护地安装到一次设备附近。通过航空插头连接，提高采集数据的质量，有效地降低保护装置和互感器的负载[6]，改善互感器的暂态特性。可节约屏柜数量和屏间电缆，使二次回路更加简单、清晰、可靠。以典型220 kV变电站工程为例，屏柜数量降幅近60%、光缆使用降幅近60%。

1.1.2 节约建设投资

保护就地化能够有效减低主控室、保护小室建设面积。以典型220 kV变电站工程为例，建筑面积降幅近50%。即插即用继电保护就地化既是层次化保护控制的基础，又能够为广域保护发展提供大数据保护控制系统[7]，通过与安全稳定控制系统的协调配合，可以增强电网安全稳定的“三道防线”体系。

1.1.3 方便运维调试

就地化保护采用工厂化预置，在专业化检修中心集成和调试后，整体运至现场；站内采用预制光缆、电缆实现设备之间的标准化连接，就地化可以大幅节约安装调试时间和人力成本。以典型220 kV变电站工程为例，安装时间降幅为65%，调试时间降幅为75%。

就地化保护采用“工厂化调试+更换式检修”检修模式后，设备检修和消缺时间大幅缩短，减少设备停电或异常时间，并加速电网恢复正常运行时间，提高了电网运行效率和可靠性。以典型220 kV变电站工程为例，设备检修造成的停电时间将由132 h缩短至2.5 h，故障抢修时消缺由26.88 h缩短至1 h[4]。

1.2 继电保护就地化设计特点

高IP防护等级、优良环境控制的户外柜，其结构复杂，成本高，维护麻烦。因此，就地化装置需要考虑在恶劣自然环境和电磁环境的户外运行，装置必须具有高可靠性、长寿命，安装调试、运行维护方便的特点[8-10]。装置设计的关键设计特点主要如下：

1) 装置中的处理器、控制器以及接口要进行低功率设计和选型，通过优化算法等方式使处理器性能要求降低。

2) 高寒低温地区将对装置电源提出更高的要求，需要提高电源的工作效率和活性，保证电源对低温环境的稳定适应能力，同时电源部分应增加防雷设计。

3) 装置需要考虑低温的影响和季节变化温度升高时电子元器件的散热能力。

4) 即插即用继电保护就地化装置采用全封闭金属外壳，安装在一次设备附近，接口应用航空插头进行连接，运行过程中受到电磁一次设备带来的电磁干扰，需要在装置设备材料、硬件以及系统软件等方面充分考虑电磁兼容设计。

5) 即插即用继电保护就地化装置应通过二次设备状态监测、远程校验技术实现装置的调试和远程校验。

6) 装置接口标准化设计。装置出现异常时，不同厂家的就地化继电保护装置可以更换，满足即插即用的条件。

7) 即插即用继电保护就地化装置保证小型化的需求，不宜配置液晶显示器，装置外部需要运行、异常、告警3个指示灯，并具备用于调试、巡检的外设接口。

2 高寒地区即插即用继电保护保护就地化装置接入方式

为检验即插即用线路保护就地化在高寒地区应用性能，选取最北端高寒地区的某220 kV常规变电站为试点站，组网方案如图1所示。该站位于东经122.34°, 北纬 53.49°，海拔298 m，是中国最北端的220 kV变电站。近年来，该地区夏季最高气温40℃，最低气温-55℃，年平均温度-15℃，最大风速30 m/s,土壤最大冻结深度为3.0～3.5 m，全年雷电日数为41 d。

2.1 就地化线路保护装置电压和电流回路接入方式

该变电站为单母线接线，只有一组母线电压互感器，即插即用就地化线路保护不需配置电压切换回路，从220 kV母线电压互感器引电缆直接接入，多套试运装置通过端子排并联。线路配置为常规电流互感器，其共有7卷二次绕组，采用CT第五卷回路，将6套即插即用就地化小型化线路保护电流回路串接于故障录波器前侧。如图2、3所示。

图1 就地化线路保护装置接入试点变电站组网方案Fig.1 Networking scheme of localized line protection device access to pilot substation

图2 就地化线路保护电压接入方式Fig.2 Voltage access mode of localized line protection

2.2 就地化线路保护装置接地方式

在预制电缆/光缆外部加装槽盒(优先选用热镀锌材料)，槽盒双端接地。保护装置通过外壳接地螺钉与主接地网连接，接地线应在槽盒外。预制电缆铠装层在端子箱侧与主接地网连接，单端接地。预制电缆屏蔽层在装置侧与连接器金属外壳相连，通过就地保护机箱外壳接地。屏蔽层在端子箱侧与主接地网连接，支架接地线应在槽盒外。就地化装置接地示意图如图4所示。

图3 就地化线路保护装置电流接入方式Fig.3 Current access mode of localized line protection

图4 就地化线路保护装置接地方式Fig.4 Grounding mode of localized line protection device

3 高寒地区继电保护就地化影响分析

3.1 高寒地区低温对保护装置可靠性影响

一般来说，电子元器件怕热不怕冷，因此，在产品设计和器件选择时，多考虑设备的散热和耐高温元件。但是，有一些电子元件在低温环境下不能长期稳定工作，甚至是完全失效的。尤其是继电保护装置采用就地化后，对电子元器件、装置的密闭性、航空插头连接的可靠性提出了更高的要求。高寒地区大多数季节温差和昼夜温差较大，不同材质材料的温度膨胀系数不同，在温差变化较大的环境中长期运行会造成不同材质部件的连接处产生变形或裂隙，而裂隙一旦侵入水分发生冰胀后，会造成保护装置失效。微机保护装置电源模块中的电解电容在低温情况下电容值会降低，甚至完全丧失，因此，户外布置的智能终端、即插即用就地化保护装置在低温冷态上电时，电解电容失效可能会造成电源输出出现异常，使装置采样异常。另外，部分装置电源的功率开关芯片在低温条件下也出现过功耗增大、功能失效等问题。

通过建立运行条件下的即插即用继电保护装置的失效率模型，可以分析装置故障率和运行可靠性。其失效率特征符合“浴盆曲线”特性，即其失效率会随着时间的增长而变化，失效期分为3个阶段，如图5所示。

图5 浴盆曲线Fig.5 Bathtub curve

第1阶段是早期失效期，该阶段的特点是失效率较高，主要原因是设计、工艺、安装以及调试缺陷等不良因素；第2阶段是偶然失效期，该阶段特点是失效率随时间延长接近于常数且很低，失效主要由人为操作失误或不可预期的偶然因素引起，发生的概率较低，失效率曲线基本保持不变；第3阶段是耗损失效期，此阶段主要由于受到环境因素的影响、电子元件老化，绝缘能力下降或损坏造成失效递增上升。

继电保护装置由大量电子元器件构成，继电保护装置可靠性主要是由软件设计缺陷和电子元器件的失效决定，稳定运行期间可不考虑软件设计缺陷，可以通过电子元器件的温变失效模型的建立，直接反映出继电保护装置动作可靠性的失效率。当不考虑时变特性影响时，其值λ(T)可由Arrhenius方程表示，其公式表达为

(1)

式中：λ0为常数；Ea为激活能；T为温度；K为玻耳兹曼常数。

就地化继电保护装置递增可靠性失效率，在偶然失效期的失效率基本恒定，近似为常数；在耗损失效期内的失效率则随时间变化，其特性近似服从 Weibull 分布，其公式表达为

(2)

式中：m为形状；η为尺度参数。

耗损失效期的失效率计算式为

(3)

由于软件故障和人为因素故障都属于偶然因素，且服从指数分布，故障率可认为是常数，则就地化继电保护系统的时变失效率可以表示为

λ(t)=λhs(t)+λh+λs

式中：λh和λs分别为硬件偶然失效率和软件及人为因素偶然失效率。

为了分析低温环境对就地化继电保护装置可靠性的影响，取相同运行时间的就地化保护装置，考虑继电保护装置运行温度为40 ℃、20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-50 ℃的6种情况。以高寒地区电网继电保护实际可靠性参数为例，分别计算不同环境温度下的继电保护系统的不可用度。

硬件偶然失效率参考值为

λh=1.4×10-5(1/a)

装置故障及人为因素偶然失效率参考值为

λs=0.65×10-5(1/a)；

Weibull 分布函数的形状和尺度参数取值分别为

m=5.447，η=4159

假设拒动失效率和误动失效率相等，根据以上公式及模型，可以求得就地化继电保护装置和一次设备在不同温度条件下的不可用度，如表1所示。

表1 就地化即插即用继电保护可靠性失效率计算结果Tab.1 Calculation results of localized plug and play relay protection reliability failure rate

从表1可以看出，就地化继电保护的不可用度在0～40 ℃运行期间，保护系统的不可用度未产生明显变化；在-50～0 ℃的温度期间，保护系统失效率随运行温度的降低而增加，这与“浴盆曲线”规律相符合。

3.2 电磁干扰

继电保护装置就地化安装后，会受到户外环境的电磁干扰，就地化保护装置必须具备电磁干扰防护性能。变电站电磁干扰通过金属导体以及电感、电容、变压器、电抗器等传导或通过电磁波的形式在空中的辐射干扰。造成上述发干扰信号源有以下几种形式：

1) 变电站中的线路、母线、变压器等一次设备运行过程中会产生工频磁场，导致频谱宽的干扰源在较差气候条件下产生导线电晕，金属部件连接不紧密和绝缘污秽会造成局部放电。

2) 断路器、隔离开关等一次设备在操作或动作时，感性负载的存在会造成设备触头间产生电弧；当母线充电或断开时，会存在以暂态电磁波形式向周围空间辐射的一系列高频电流波和电压波，通过母线互感器耦合至二次回路。

3) 以大气行波的方式向传播的雷击暂态过电压直接作用在高压设备，通过高压设备和二次设备间的耦合途径或接地网影响二次回路，也可能直接作用在就地化保护装置上。

4) 当系统发生短路时，会引起大电流经接地点进入接地网，导致接地点或接地网电位升高，产生的干扰电压将会作用在二次回路上。

5) 由回路之间的互感产生的干扰电压值，由回路间互感阻抗、干扰电源电流、频率以及回路相对位置决定。干扰电压到达一定数值后，会将有关设备的绝缘击穿或引起继电保护设备误动作。

假设干扰源电流按正弦规律变化，则回路间的互感M计算公式为

(4)

式中：μ0为空气的导磁系数；L为平行的电缆芯长度；a,b为每根电缆芯与干扰源的距离。

则干扰电压可表示为

(5)

继电保护就地化安装后，电磁干扰信号变强，目前的各项电磁兼容指标应按GB 14598和GB/T 17626适当选择更严的高等级进行检测。对于快速变脉冲群试验，当工业设备处于户外高压开关场等严酷的工业环境时，参照GB 14598.10，考核等级应从原来的B级提高到A级。相应的浪涌考核等级应提高到Ⅳ级，工频磁场考核等级提高到Ⅴ级，射频磁场考核等级提高Ⅳ级。

3.3 保护装置动作出现迟滞

继电器虽然是怕热元件，但是低温对继电器也会产生较大影响，低温可以使继电器触点冷粘作用加剧、触点表面凝露、衔铁表面产生冰膜，使触点不能正常转换或动作迟滞。正常环境下保护装置动作延时如图6所示。正常工作环境下，保护装置最短动作时间为18.408 ms，最长动作时间为46.800 ms。低温环境下保护装置动作延时如图7所示，高寒低温环境下，保护装置最短动作时间为25.919 ms，最长动作时间为70.563 ms。各保护装置动作时间如表2所示。

图6 正常环境下保护装置动作延时Fig.6 Protection device action delay in normal environment表2 不同保护装置动作时间

Table 2 Varied protection device action times /ms

图7 低温环境下保护装置动作延时Fig.7 Protection device action delay in low temperature

从表2可以看出，在高寒低温环境下，部分保护装置动作出现延迟现象，个别保护装置动作延迟时间已经超出了相关标准的要求，无法满足动作可靠性的要求。在高寒地区，不同厂家的保护装置动作延时程度受低温环境影响不同，在今后高寒地区运行过程中应区别对待。

3.4 低温环境对二次电缆绝缘和光缆通讯的影响

户外设备二次电缆在端子排接线时，要弯曲和转折，而低温环境下电缆绝缘外皮变脆，在电缆弯曲度较大的地方容易发生外皮开裂损坏，造成二次电缆绝缘破坏。每年秋冬、冬春交际的时候在寒冷地区都会发生因二次电缆绝缘下降导致的设备误动和烧损事故。

同理，通信网线和光纤的防护比较差，在极寒温度下会变脆，受到轻微外力就会折断。网线的水晶头和光纤法兰盘在冬季昼夜温差较大时，经常发生因接触不良而造成的通信中断、数据链断链等情况，从而影响了整个继电保护系统工作。

4 结 论

1)继电保护装置就地化安装后，可以减少投资，提高安装调试和运行的效率。但是，还有许多影响保护可靠运行的关键技术有待深入研究，如电子元器件、电源以及防护等组成部分无法满足低温稳定运行的要求。

2)根据就地化继电保护系统失效率负荷盆浴曲线规律，在高寒地区随着温度的降低，保护系统失效率将大大增加，影响保护动作的正确性和可靠性。

3)就地化安装的继电保护装置会受到强烈的电磁干扰，目前的检测等级已无法满足保护装置安全稳定运行的要求，需要提高浪涌、射频磁场等考核项目的测试等级。

4)在高寒低温环境下，部分保护装置动作出现延迟现象，个别保护装置动作延迟时间已经超出了相关标准的要求，无法满足动作可靠性的要求，需要提高继电器触点和计算逻辑等方面在低温环境运行时的动作可靠性。

5)电(光缆)缆低温环境下绝缘外皮变脆，在弯曲度较大的地方容易发生外皮开裂损坏，造成二次电缆绝缘破坏。应调整继电保护状态检修、状态评价以及巡检的相关事项要求，建立健全即插即用继电保护就地化的现场专用规程，保证电(光)缆的完好运行。

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(编辑 侯世春)

Study on localization application of line protection in alpine areas

JIN Zhenshan1, JIANG Peng1, XU Mingyu1, LV Yongsheng3, WANG Luxin1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd.，Harbin 150030，China；2.Dongfeng Distribution Company of state Grid Daqing Eelectric Power Supply Company, Daqing 163000, China)

In order to study the reliability of plug and play mode of line protection localization applied in the alpine area, the functions and design features of plug and play relay protection in the construction, commissioning and maintenance are expounded and sets of schemes of plug and play localized line protection device access to pilot substation voltage, current circuit and grounding mode are proposed. Based on the results of field test and trial operation, the influence of the electromagnetic compatibility, the material and the insulation is analyzed on the reliability of the protection action in alpine areas in low temperature . The results show that the failure rate of the protection system will increase in alpine area and the delay phenomenon of some protective devices occurs which affects the correctness and reliability of the protection action. There are needs to improve test level on the surge, RF magnetic field and other testing items, improve the operation reliability of relay contact action and calculation logic and establish a sound on-site specific procedures of plug and play relay protection localization to meet the requirements of protection system in low-temperature and stable operation

Alpine region; line protection; localization; plug and play

2017-03-01；

2017-05-08。

金镇山(1963—)，男，高级工程师，主要研究方向为继电保护、励磁。

TM773

A

2095-6843(2017)03-0193-06