电力系统继电保护可靠性研究

关 悦

哈尔滨电气国际工程有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000

0 引言

目前，随着国内经济的快速发展，我国电力行业和电网建设规模不断扩大，可以保障人们日常生活和生产的顺利进行[1]。但由于电力系统运行环境的复杂性，其运行过程中不可避免地会出现电气故障，电气故障无论大小，都会影响人们的生产生活。因此，应提高电力系统继电保护的可靠性，以保证电力系统的正常运行，促进我国电力工业的发展[2]。

1 继电保护可靠性的重要性

电力系统是一个功能复杂、结构庞大的系统，系统外加电源或导磁体与系统内部各个组成部件有机相连。任何重要部件引起的电源故障问题都会不同程度地影响系统的正常可靠运行。继电保护作为新兴电力技术系统的关键部分，能确保电力系统的安全运行，提升供电质量，从而获得良好的社会效益和经济效益[3]。

电力系统的运行环境复杂、要求严格，受客观因素和人为因素的影响，容易发生电气故障，而且电力系统一旦发生故障，就会直接影响整体线路的稳定运行，干扰正常供电[4]。因此，必须保证电力系统设备的可靠运行，正确设置继电保护装置。

2 继电保护可靠性的衡量指标

2.1 可靠度

可靠性是指电子元件在一定条件和规定时间下，可以正常完成规定功能的概率[5]，一般用字母R表示。可靠度是从使用开始到失效的时间，其表达式为

式中：R(t)为电子元件的可靠度；t为规定条件下的使用时间；P为电子元件在一定条件和规定时间下正常完成规定功能的概率；T为电子元件的寿命。

如果有N个电子元件继电保护产品从开始工作到t时刻的失效数为N(t)，当N足够大时，继电保护产品在t时刻的可靠度可近似表示为

随着时间不断增长，R(t)将不断下降。其是介于1与0之间的数，即0≤R(t)≤1。

2.2 累计失效概率

累积失效概率是指电子元件在规定要求下，工作到失效时间的概率[6]，用F（t）表示，表达式为

如果N个电子元件继电保护产品从开始工作到t时刻的失效数为N(t)，当N足够大时，继电保护产品在t时刻的累积失效概率可近似表示为

3 继电保护的类型

电力系统继电保护主要分为系统主保护、后备保护、辅助故障保护和断路器异常动作运行故障保护四大类[7]。其中，防止主保护与后备保护在无设备故障情况下的误动作故障十分重要。例如，在为一台110 kV单相交流电力变压器配置继电保护电路时，如果电力变压器后备保护系统产生误动作，会进一步增加引起保护设备和保护系统动作的故障的停电保护范围[8]。

3.1 系统主保护

系统主保护可以维持电网系统稳定性、保护设备安全，能以最快的速度排除各类被保护电网设备和系统的电力线路故障。主保护功能包括差动保护、气体保护等功能。

3.2 后备保护

后备保护是在系统主保护断路器或辅助断路器发生拒绝运行动作时专门用来快速排除故障动作的保护。

后备保护功能包括过流保护、零序电流保护、间隙零序过流保护等功能。后备保护一般可分为远程后备保护和近端后备保护。

3.2.1 远程后备保护

在远程后备保护中，在电网主保护装置启动故障、主断路器或开关控制失灵时，可以通过远程保护系统连接至相邻的独立电力设备和系统或供电设备线路间，以快速实现故障启动。

3.2.2 近端后备保护

近端后备保护一般是指当主电网和主保护断路器都不能按原规定动作安全工作时，由另两组主电力设备系统或变电站通过另配的一组远距离备用断路器保护主配电线路。

4 继电保护可靠性的影响因素

4.1 外部环境因素

4.1.1 环境温度

温度的异常变化将使密封元件内部的绝缘涂层熔化脱落，会导致密封元件材料失效和密封剂老化开裂，甚至会腐蚀破坏密封绝缘壳，使填充绝缘材料大量泄漏，降低密封元件内部的安全电气性能。由不同结构材料制成的继电保护产品对环境温度及其变化的敏感性和反应不同，可对继电保护可靠性产生不同的影响。

4.1.2 环境湿度

潮湿的使用环境往往会导致材料的机械功能和机械化学性能发生显著变化，如机械体积急剧膨胀，机械强度大幅降低，机械变形等。由于涂层吸湿，密封涂层制品内部的密封防潮性能会降低或部分破坏，涂层继电保护产品表面上的防潮层易被剥离。

4.1.3 冲击和振动

在继电保护中，构件的结构稳定性可以影响继电保护的可靠性。在电力系统运行中，各构件之间剧烈的振动碰撞形成的应力冲击会导致继电保护产品结构出现振动变形、弯曲、开裂、断裂等问题，影响继电保护的可靠性。

4.2 人为因素

在继电保护工作中，应该落实继电保护管理人员和值班操作人员的安全责任。安装作业人员未按设计规程和要求进行接线动作，使接线极性被接错，维修工作中存在人员错误操作等问题在电网工程中很常见。在分析继电保护的可靠性时，常忽略设计和安装人员以及电气设备制造人员的工作可靠性，使继电保护工作中存在危险因素。据统计，在2.20×106 kV系统的事故中，人为因素导致的事故约占故障总数的38%。

5 提高继电保护可靠性的措施

5.1 降额设计

继电保护元件的寿命在设计和使用周期中可能受应力（电应力和温度应力）影响，作用于电子元件的电应力和温度应力系会直接影响电子元件的故障率。因此，应力必须低于工作元件本身的工作寿命额定值，以延缓电子设备及其关键性能参数的退化，从而延长其工作寿命，提高长期使用和操作的可靠性。

在进行降额设计时，降低额度越高，元件性能也更好，但是会增加使用成本，因此必须做好分析。目前，已经制定了降额设计的相关原则，在降额设计时需要注意以下内容。

（1）标准中推荐继电保护产品的降额量数不是绝对的，应根据继电保护产品特性适当地调整范围。

（2）某些元件的参数不能降额。

（3）电子元件应用时的应力系数越低，元件的总体可靠性越高，但要做好控制，使用聚苯乙烯电容等，额度降低过多容易引起电平过低故障。

（4）要想降低电子元件的继电保护产品故障率，需要增强生产设备的可靠性，这样才能确保元件的使用稳定。

（5）需要根据电子元件的功能，额外增加触点元件的数量等，同时避免减弱设备工作的总体可靠性。

5.2 三次设计

三次设计，也称田口法，是日本学者田口玄一开发的一种二次优化设计方法。三次设计的主要作用是使用成本低的电子元件制造高质量、高可靠性的继电保护产品。在设计过程中，参数化设计是三次设计的重要内容，进行参数设计，可以确保继电保护产品整体性能流畅稳定，使系统信号输出值达到最大的动态信噪比水平。

5.3 耐环境设计

设计继电保护产品时，应合理预测继电保护产品的实际生产与使用环境条件，并制订相应的可行方案和应对环境变化的措施。在机电系统设计制造和整机生产试制等阶段，应避免在工业实验室和室内环境模拟实验室中试验，应该到工业应用现场在各种预期使用环境条件下对继电保护产品进行能力试验，如工业设备耐久性试验、寿命试验、环境条件能力试验、可靠性试验等。

5.4 简化设计和标准化设计

继电保护产品的简化和标准化是企业提高继电保护可靠性的关键措施。其中，继电保护产品的简化是指在充分满足特定功能要求的前提条件下，继电保护产品的内部结构越简单越好，因为复杂零件的数量越少，故障概率可能也越低。进行简化设计和标准化设计时，应该注意以下内容。

（1）继电保护产品设计应避免过于追求高层次精度和工艺复杂性，尽量合理选用标准件。

（2）继电保护产品设计也应保证产品在各种复杂、恶劣的极限工况下保持稳定的工作可靠性。可适当运用保险机构、连锁救援机构等应急安全技术装置或采取相应安全应急措施。

（3）继电保护产品是由很多零件有机结合成的整体，在继电保护产品设计中要注意零件之间的有机组合。

继电保护产品需要固定密封，要求采用固定零件连接或固定连接方式。固定零件包括螺栓孔套和螺丝紧固螺母、焊接固定螺栓、销键圈和销键环、齿轮圈和齿条、滑板、导轨、主轴、轴承、法兰、密封圈，或直接与轴封接触，或间接与接头外壳进行密封和连接等。接头零件的故障率较高，容易发生故障或者诱发其他系统故障。因此，在接头零件的可靠性设计中，要特别注意提高接头零件的工作可靠性，保证接头强度、刚度、配合精度和密封符合要求。

5.5 结构安全设计

在继电保护中应用整体布局理念，确保布局合理，从根本上消除继电保护中的危险因素，使所有操作维护人员从危险状态下解放出来，真正提高继电保护的可靠性和整体安全性。

例如，在设计高运行可靠性的大型现代起重机械设备的继电保护时，需要设置各种可靠且具有必要保护功能的机械安全控制装置，以完全防止机械设备过载、超额定行程、超温、超差压、误动操作、误压接触、外部电气环境温度突变危险（如电力、燃气）等问题，并限制事故的迅速扩大。一般用户通过在线监测仪表能够及时自动捕捉各种异常电压信号和变化，当电压超过允许限值范围时，能够立即发出事故报警信号、故障状态显示信息，使仪表自动故障停机。

6 结论

文章对继电保护可靠性进行分析，可以得出以下结论：

（1）为了全面提高电力系统继电保护的可靠性，要结合多种可靠性技术；

（2）电力系统使用的电子设备等级越高，电力系统继电保护的可靠性越强。