电力系统的继电保护探究及技术应用分析

2023-11-27国网江苏省电力有限公司超高压分公司戴智慧

电力设备管理 2023年18期

国网江苏省电力有限公司超高压分公司戴智慧

近年来，在经济持续发展的影响下，城市对电力需求的持续增加，变电站工程的建设数量和规模持续增加，为经济、生活带来了便利。继电保护系统是电力系统管理较为重要的装置，其在电力系统发电、输电、配电以及电能转换等工序中发挥着电气量保护作用。从某方面说，继电保护系统的运行质量，直接决定了电力系统的运行质量与整体安全性。为此，重视起对继电保护系统问题的解决，保障其运行质量至关重要。如果不注意装置的设计和技术的应用，其可对继电保护系统正常使用带来影响，对电网带来冲击，甚至还可能因此引发停电事故，引发严重经济损失。

1 电力系统的主要故障问题

1.1 外部电磁感应问题

电力系统的内部导体与外壳的间距相对较小，这种过小的间距造成了电磁耦合的增强，因为电力系统的电磁耦合过于强大，因此会造成运行电流的上升幅度在短期内过高过快。在常规的运作模式下，系统可以依靠继电保护来实现三相电流的相对平衡[1]。但是，因电力系统的结构特性和布置设计，以及导体和外壳无法达成百分百的方案等因素所带来的影响，内部导体与外壳间无法达成绝对的平衡，即会出现偏差，这种偏差的存在让电力系统必然会出现外部电磁感应问题，因此如何避免这一问题成为屏蔽系统主要故障的关键。

作为引发电磁感应问题主要因素的电力系统外壳，在结构设计上被分成了连续性结构和非连续性结构两种，因结构设计的不同，最终产生的感应电流状态也不同。在电力系统出现单相的内部故障时，其外壳会发生感应电流和电压，如果此时的外壳是连续性结构设计，沿母线方向的各段壳体之间会发生电气连通的情况，在这种情况下，母线电流就会在电力系统的外壳处引发感应电压，感应电流也因为电气连通的缘故以纵向电流形态存在。如果此时的外壳是非连续性设计，则各段壳体的电气无法实现连通，处于隔断的状态，母线电流虽然也会在外壳上引起感应电压，但由于电气隔绝，所以不会出现连续性结构下的纵向电流，而是在隔断的外壳处形成局部感应电流。

1.2 瞬时过电压问题

电力系统中，硬件的运行时间一长线路容易老化，同时线路故障发生率也会变高，稳定性也会变差，难以确保线路的正常运转。引起通讯线路破坏的因素较多，如瞬时高电流、电压等，均会损坏通信线路，以及影响线路两边的有关设备，另外雷雨也可能对通信线路等硬件造成损坏。所以在电力系统的运行过程中，隔离开关和断路器等一般设计为分合闸操作，在这种设计下，电力系统会有快速暂态过程，快速暂态容易让接地外壳的电位出现短时上升，在较短的时间中迅速增大，在超过保护介质的承受力后，就会出现击穿故障。

以隔离开关为例，隔离开关合闸时，动静触头的距离逐步缩小，当断口间距离难以承受电压差时，断口间发生击穿，电弧受触头的运动、气体气流影响、电源电压变化等影响，将会反复发生电弧击穿、熄灭，形成一连串的高频脉冲波，在脉冲波形成后，会按照一定速度进行传播，当脉冲波传播到母线终端或保护区分等波阻抗发生显著变化部位时行波将全反射，导致该部分壳体电位上升，该高频低能、持续时间较短的瞬时过电压，会导致空气气隙击穿而出现声、光现象，不仅影响到变电站的运作效率，而且还给电力系统造成了安全隐患[2]。

1.3 电力系统装置外壳接触电压问题

在系统运行和维养中，工作人员和继电保护装置不存在间隔性，工作人员能够无阻碍和继电保护装置的外壳自由接触，如果不将接触电压控制在安全范围中，会提高工作人员的人身安全威胁。一般思路是将故障电流控制在最小电阻回路，然后通过接地网释放，以此避免外壳的接触电压均对工作人员的人身安全造成威胁[3]。

在系统运作中，会对工作人员个人安全带来威胁的故障有以下两种，一种是发生在装置内部的故障，常见的有母线导体与外壳之间发生闪络，另一种是发生在装置外部的故障，也就是在外壳上形成的感应电流。在处理故障问题时，需要结合内外故障的特点做针对性的预防，根据接地电流的变化情况、感应电压变化情况、电流路径差异、电压上升差异进行调整，减少工作人员接触继电保护装置中可能面临的人身安全威胁。

2 继电保护的技术运用

2.1 继电保护装置的优化原理

在优化过程中，公式Q=2πfCU²是比较重要的算式，借助该公式可对继电保护装置的出力大小与电压、频率、容量大小的关系进行计算和明晰。式中：Q表示电容器的功率，单位Var；f表示系统频率50Hz/60Hz，C为电容器容量，单位uF；U表示系统电压，单位kV，在公式中，核心点在于C数值，该数值的变化会让Q值也跟着发生改变，国外有案例利用将频率f改变来使大小发生变化，而国内主要是改变继电保护装置电压U。

2.2 继电保护装置的优化思路

继电保护装置是由控制器、电压调节器和电源三个部分共同组成。保护装置的控制器依据九区图原理对电力系统的电流和电压等信号进行联系，并对电压值和cosφ值进行合理设定。控制器在设定中会对电压与cosφ进行检测，如果未达标准，会对变压器调节，让继电保护装置的输出得到调整，确保电压和cosφ符合标准[4]。

电压调节器属于有载自耦的调压器，通过优化计算，能够得出调节器中输出的电压是母线电压±10%调节范围。通过对其进行控制，采用9档，每档调节额定电压的5%。

继电保护装置（C）氛围线路型和变电站两种，二者在结构上并无不同，唯一的差别在容量上。后者略高，约为750～18000kVar，前者为300～1000kVar。就功能来说，变电站主要利用对主变分接头进行控制来达到对母线电压进行控制的效果，但线路型却不具备；与此同时，变电站可通过对型号的控制，将主变电源侧三相电流电压实现，而线路型则是通过对BC相线电压A相电流予以控制。

2.3 继电保护的系统设计

现阶段，电压综合自动控制装置（VQC）得到了较为广泛的运用，但是在地区的限制下，难以对全部电压设备以及容量进行控制，还极易由于节点分散工资使得功率在分布方面出现不合理的情况。所以，必须对装置设备进行优化，优化设计措施主要包含以下几点。

建立控制系统。在相关电力回路中对继电器进行安装，借助五类双绞线将各个模块连接起来，然后组成一个互联网系统来顺利实现电力控制。各模块对一个单元地址进行设置，接着输入至控制主机，创建有关控制关系，经过输出单元由继电器进一步控制电力系统。各继电器是独立存在的，属于对等关系，能够采取集中控制以及现场分散控制；BAS系统与电力系统连接，能够在BAS控制面板里面全面监控电力系统的实际情况。

系统采取相应的编程软件。操作者能够对系统实施编程。这有利于更好地适应未来可能出现的系统改变，在改造小型电力系统的过程中，仅需修改编程就能够实现；借助PC接头模块，将计算机以及系统充分联系起来；在控制室安装一台电力计算机，借助网络对系统实施编程，通过图形模拟更好地展现设备平面图，在图上显示各设备的具体使用情况。在网络的界面上，不仅能够对各区域的电力系统状态进行全面监控，而且可实时关闭、开启动作。操作者能够借助界面进一步监视电力系统的实际情况，使用鼠标对图形进行点击，然后实施控制。

建立优化动态数学模型。设电网包含的节点有n个，然后将24h电能损耗作为目标函数，控制变量分别是变压器分接头位置、补偿量。模型如下：

在上述模型中，V、Q、T、Si指的是电压、量、变压器接头位置、变电站VQC限值，另外Δt指的是负荷近似维持不变的时间段，本文通过Δt=1h、ft（Qt，Tt）=0来反映t时段功率平衡方程式组。

计算方法优化。电力系统有很多显著特征，如难度高、计算复杂。基于此，能够采取推动潮流计算效率提高以及优化编码等措施，对计算方法进行全面、科学的优化。可以应用遗传算法，能够有效合理地解决优化存在的问题，推动潮流计算效率的加强。其一，进行迭代计算的过程中对需要对潮流计算精度进行全面调整，诸如在计算初始阶段对精度进行降低，后期则相反；其二，进行具体计算前需要进行比较检查，重点内容在于计算个体和计算完成个体是否存在相同抑或是相似的地方，然后结合计算经验对计算群体予以调整，进而让计算工作量得到降低。

2.4 继电保护装置的运作设计

对于数字电路而言，每一信息都是根据一固定序列排列，因此可利用一定校验算法，形成原始码与校验码的联系，在此基础之上，对原始码即可通过校验码进行错误辨识，即通过对某一功能模块进行监视，或是监视继电保护装置工作时间是否在规定时间内，以此来对功能予以判断。定时监视法可应用在硬件上，也可应用软件上，还可在软件混合状态下监测，如到计算机保护，因受到强磁干扰影响，微处理器工作从正常程序轨道偏离，无法响应。在这一情况下，定时监视法就会强行复位微处理器，以达到接式微处理器运行目的。

对于部分环境情况严峻，会对人员造成危害的，不适宜人工操作的，也可以选择引入人工智能，从而替代人工完成一些必要的工作，针对电力系统进行故障排查。

在设计继电保护装置的过程中，必须根据相关规定将其更换为符合标准的复合性材料。除此之外，针对导电铝排或者铜排，必须为其装设热缩保护套。如此就能够较好地避免因带电体的裸露而带来的意外人员伤亡事故，与此同时，还必须对有害气体进行严格控制，以免对导电铝排或者铜排带来腐蚀，影响其性能。此外，在日常维护管理中，为了更好的保障保护爬距处于标准范围内，还需要定期进行间隔距离的校验，及时做好相应调整或者配件更换。

在对继电保护装置实施检测期间，必须根据相关规范要求来严格落实，确保继电保护装置能够始终保持在最佳运行状态下。必须根据《电力安全工作规程》《电力设备过电压保护设计技术规程》等相关要求对电力设备过电压保护技术实施强化管理。同时，还必须定期对继电保护装置进行预防性试验，及时掌握其存在的问题，做好预防性纠偏调整处理，确保其始终处于最佳运行状态。研究人员可在继电保护装置中配置专门的滤网或者网栅，最大限度上防止灰尘的进入，同时加强通风，降低潮湿度。针对相对较为潮湿的区域，那么需要配置相应的去潮湿装置。在进出电缆孔时还必须注意配置相应的阻燃材料，同时加强封填处理，针对可能进入潮气的部件做好相应的封堵处理，降低设备湿度。

在对继电保护装置实施安装处理时，必须重视其对相应材料的检查，并注意保证所选择配件均有较强保护性能，以便更好的提升整体保护性能。在进行安装处理期间，必须根据具体的工艺要求来进行合理处理，加强线路加固、元件打磨等操作，以免上述因素对继电保护装置的保护性能带来影响。