繼電保護裝置運行失效特性分析與狀態(tài)檢修策略

管益斌 ，嚴(yán)國平 ，陳久林 ，黃浩聲 ，曹海歐 ，鄧潔清

(1.江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；3.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

隨著微機在繼電保護及自動裝置的廣泛應(yīng)用，繼電保護的可靠性、定值整定的靈活性大大提高，依據(jù)傳統(tǒng)的《繼電保護及電網(wǎng)安全自動裝置規(guī)程》來維護二次設(shè)備，已無法滿足目前日益發(fā)展的電網(wǎng)運行、檢修的要求，同時一次設(shè)備狀態(tài)檢修的推廣、線路不停電檢修技術(shù)的應(yīng)用，因檢修設(shè)備而導(dǎo)致的停電時間將越來越短，這對二次設(shè)備檢修提出了新的要求。因此，二次設(shè)備在檢修體制、檢修方法及檢驗項目、確定檢修周期等方面需要改變，以適應(yīng)電力發(fā)展的需要。

1 保護運行故障率分析

保護設(shè)備由許多部件構(gòu)成，在收集大量的有關(guān)設(shè)備連續(xù)運行時間與檢修時間數(shù)據(jù)后，通過數(shù)理統(tǒng)計方法，擬合出典型故障率浴盆曲線[1]，如圖1所示。

圖1 故障率曲線

圖 1 中，λ（t）是指設(shè)備在[0，t]時間內(nèi)不發(fā)生故障的條件下，下一個單位時間發(fā)生故障的概率，即設(shè)備在t時刻的故障率。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ是指時間段，其中Ⅰ指早期故障期；Ⅱ指偶然故障期；Ⅲ指損耗故障期。

（1）早期故障期。曲線呈下降趨勢，故障率λ（t）隨著時間t的增加而降低。造成設(shè)備在初期故障率較高的原因，主要是由于設(shè)計上的疏忽、生產(chǎn)工藝質(zhì)量不佳、某些零部件質(zhì)量差以及安裝不當(dāng)?shù)?。?jīng)過技術(shù)改進、缺陷排除后，故障率便逐漸下降，設(shè)備質(zhì)量進入穩(wěn)定期。這一時期所對應(yīng)的實際生產(chǎn)過程為保護出廠、基建與質(zhì)保期這段時期，可以認(rèn)為，經(jīng)過出廠試驗、現(xiàn)場基建調(diào)試和首次校驗等多次試驗調(diào)校，設(shè)備渡過了早期故障期，進入偶然故障期。

（2）偶然故障期。此時的曲線近似為一直線，故障率λ（t）隨著時間t的增加變化不大，近似一個常數(shù)。故障原因主要是一些隨機的偶然因素引起的。在這一時期，由于設(shè)備的質(zhì)量相對比較穩(wěn)定，若采用定期維修制，頻繁檢修更換設(shè)備零部件，不僅浪費部分部件的使用壽命，造成不必要的經(jīng)濟損失，而且并非急需的定期校驗，由于可能存在安措不到位的情況，有使保護誤動的風(fēng)險，反而使得保護運行可靠性降低。因此，針對這一偶然故障期，新的保護裝置故障消除方法—狀態(tài)檢修工作應(yīng)運而生，通過對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)視，預(yù)測其可靠程度，排除造成故障的偶然因素，從而提高設(shè)備的使用壽命[1]。

（3）損耗故障期。這時期的曲線呈增長趨勢，故障率λ（t）隨著時間t的增加而增加，故障的原因大多是由于許多零部件已經(jīng)磨損或老化，使設(shè)備故障逐漸增多。此期間的故障可稱為損耗性故障，發(fā)生的多少與設(shè)備工作時間有關(guān)。因此，宜采用預(yù)防維修方法，更換部分已老化及損壞部件，以此降低設(shè)備故障率的發(fā)生。從某地區(qū)電網(wǎng)二次設(shè)備運行分析報告（2008～2011年）的保護故障率統(tǒng)計中，如表1所示，完全符合上文所提及的保護故障率與運行時間的關(guān)系（浴盆曲線）。一年以內(nèi)的裝置，由于經(jīng)過出廠調(diào)試、基建調(diào)試及驗收整改，其故障率維持在低位，但由于設(shè)備新投運，設(shè)備還需經(jīng)受正式運行環(huán)境的考驗，再加上設(shè)備運行管理經(jīng)驗等相對生疏，所以故障率并未處于最低位；在1至5年的裝置，由于在首次校驗中，將質(zhì)保期內(nèi)發(fā)生的缺陷及時進行了處理，再加上運行管理經(jīng)驗已相對豐富，因此故障率幾乎維持在最低位；而5至10年的裝置，由于這時候有些零部件開始老化，比如電源插件，故障率略微有些增加；最后，10年以上的裝置，由于有許多零部件開始老化，故障率開始急劇上升。因此，根據(jù)保護故障率特點，采取如下檢修策略是合適的：加強基建調(diào)試與驗收的管理，將引起保護缺陷風(fēng)險前移，力爭無缺陷投運；加強首次校驗，將投運以來的缺陷及時處理；在1至10年內(nèi)進行狀態(tài)檢修，10年以上設(shè)備加強監(jiān)視，采用預(yù)防維修法。

表1 2008～2011年的保護故障率統(tǒng)計

2 常見繼電保護設(shè)備缺陷統(tǒng)計分析

根據(jù)某地區(qū)電網(wǎng)二次設(shè)備運行分析報告 （2008～2011年）對220kV及以上微機保護裝置缺陷進行了統(tǒng)計分析，缺陷性質(zhì)分為危急、嚴(yán)重和一般，缺陷類型主要有：電源模塊故障、主板CPU故障、軟件故障、交流插件故障、開入/開出故障等。歷年缺陷統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，電源模塊、主板CPU、軟件、交流插件及開入/開出插件等裝置內(nèi)部緊急缺陷已占總?cè)毕荽螖?shù)的一半以上，而此類故障，多因內(nèi)部原器件老化而產(chǎn)生，在以往定期校驗按常規(guī)的試驗方法并不能發(fā)現(xiàn)此類問題。

電源模塊發(fā)生故障的主要原因是工作溫度過高而導(dǎo)致電容元件失效或損壞，以及器件質(zhì)量的問題而引起的抗電磁干擾性能差，運行中主要表現(xiàn)為輸出功率不足及穩(wěn)定性差，直流紋波系數(shù)過高等。常規(guī)的校驗只做逆變電源的80%的額定電壓是否啟動，無法監(jiān)視電源內(nèi)部元器件的變化情況。需加強巡視，對電源溫度進行監(jiān)測，積極研究電源輸出電壓紋波幅度、負(fù)載波動率及溫度的在線監(jiān)測方法，積極研究電源狀態(tài)評估策略。

主板CPU發(fā)生故障的主要原因有多個方面，包括CPU芯片長期處于高溫運行環(huán)境，現(xiàn)場電磁干擾，調(diào)試過程中防靜電措施不完善，以及板卡自身的硬件設(shè)計缺陷等。常規(guī)的校驗只校驗定值及邏輯，對主板CPU插件并無特別的校驗手段，應(yīng)加強對裝置巡視，及時監(jiān)視異常信號，做到快速故障定位，及時上報。

交流插件、開入/開出插件涉及保護裝置對采樣值與開關(guān)量處理，關(guān)系到保護裝置功能的正確性和完整性，造成交流插件故障的主要原因是由于交流端子間的絕緣被破壞造成裝置的二次電流回路發(fā)生異常，開入/開出插件的故障則多見于硬接點質(zhì)量不良造成的黏連。常規(guī)的校驗雖然有絕緣測試一項，但其周期為2年或3年，在此期間，絕緣的老化無法得到有效監(jiān)視。下面以幾起故障具體說明。

（1）某變電站主變第一套保護無故障跳閘，檢查發(fā)現(xiàn)交流電流插件電流接線端子絕緣損毀，端子間已經(jīng)燒黑，致使主變110kV側(cè)電流C相與公共繞組A相短接，在區(qū)外故障時，電流回路流過大的零序電流，110kV側(cè)電流C相與公共繞組A相電流相位都發(fā)生了改變，從而出現(xiàn)了差流，當(dāng)差流超過整定值時，保護動作出口。查看定期校驗報告，校驗時絕緣正常。

（2）某變電站一主變保護在正常運行中突然無故障跳閘，檢查發(fā)現(xiàn)裝置定值自行改變，導(dǎo)致主變參數(shù)改變，破壞各側(cè)平衡，產(chǎn)生了差流，而差流又大于速斷值（速斷定值也變?。┲率故ブ苿佣`動作，后經(jīng)檢查為CPU故障。對于CPU，常規(guī)試驗無針對性監(jiān)測方法，且此種故障多為突發(fā)性，需實時監(jiān)測才能有效預(yù)防。

（3）某線路保護區(qū)外故障時誤動，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是因為故障電流造成一側(cè)電流互感器（TA）飽和，致使二次電流發(fā)生畸變，而另一側(cè)TA傳變正常，產(chǎn)生差流使得線路保護誤動，此因裝置程序版本問題，常規(guī)試驗無法檢驗，只有動模試驗才可檢測。因此，對于裝置內(nèi)部缺陷預(yù)防，一是加強設(shè)備選型，選用質(zhì)量優(yōu)良、運行可靠的產(chǎn)品，二是加強設(shè)備狀態(tài)巡視，完善二次設(shè)備狀態(tài)在線檢測，隨著微機化，智能化的發(fā)展，越來越多的保護運行數(shù)據(jù)可以通過在線檢測獲取，為保護狀態(tài)檢修評價提供了實時可靠的數(shù)據(jù)。

表2 歷年裝置缺陷統(tǒng)計

3 繼電保護狀態(tài)檢修介紹

繼電保護狀態(tài)檢修工作基本流程包括：設(shè)備信息收集、設(shè)備狀態(tài)評價、檢修策略、檢修計劃、檢修實施等環(huán)節(jié)。

依據(jù)狀態(tài)檢修管理規(guī)定，運行人員與檢修人員分別按一定周期進行繼電保護設(shè)備的狀態(tài)巡視，巡視項目包括運行環(huán)境溫度、裝置采樣、裝置差流 （差動保護）、開入量、通道狀況（線路保護）等信息，再將巡視結(jié)果輸入繼電保護狀態(tài)檢修專家系統(tǒng)[3]。

專家系統(tǒng)從檢測信息、隨機失效、相對品質(zhì)、技術(shù)改進4個部分進行狀態(tài)評價[4]。檢測信息是指可以直接觀測到或通過儀器檢測到的設(shè)備缺陷或異常，即運行與巡視人員巡視信息；隨機失效是指裝置可能存在的故障概率，保護裝置長時間運行而沒有進行有效地校驗時，則認(rèn)為保護裝置的故障概率在隨時間增加，時間越長其評價指數(shù)越低，該信息從PMS臺賬中取得，由專家系統(tǒng)自動計算；相對品質(zhì)通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)反應(yīng)是否存在品質(zhì)相對較差的設(shè)備，通過3個方面的數(shù)據(jù)來評估：

（1）同類產(chǎn)品老化失效率；

（2）技術(shù)支持的程度；

（3）本類型設(shè)備相對其他廠家同類設(shè)備故障率。

同樣，該信息從PMS臺賬中取得，由專家系統(tǒng)自動計算；技術(shù)改進反應(yīng)當(dāng)前運行的保護裝置是否得到了應(yīng)有的改進或完善，系統(tǒng)存在的不足或缺陷，若沒有進行相應(yīng)的改進或完善，則需要相應(yīng)扣分，該信息由檢修巡視及PMS缺陷信息共同提供。

專家系統(tǒng)綜合檢測信息、隨機失效、相對品質(zhì)、技術(shù)改進4個部分的分?jǐn)?shù)，評出最終保護狀態(tài)：正常、注意或者異常，并根據(jù)評價結(jié)果給出檢修策略，根據(jù)基準(zhǔn)周期延長或縮短檢修周期。

4 結(jié)束語

保護運行失效特性，使得對繼電保護傳統(tǒng)檢修模式進行改進已勢在必行，另外，保護微機化，智能化的發(fā)展，為深入開展繼電保護狀態(tài)檢修提供了可能，通過二次在線檢測系統(tǒng)、D5000二次在線監(jiān)視分析系統(tǒng)及繼電保護統(tǒng)計分析系統(tǒng)等外部系統(tǒng)，獲取保護實時運行信息，使得數(shù)據(jù)來源更加豐富多樣，也使得最終的保護狀態(tài)評價更加及時與科學(xué)。因此，本文認(rèn)為在設(shè)備選型、基建調(diào)試、驗收階段，仍應(yīng)嚴(yán)格按照繼電保護全過程管理過程規(guī)定進行相關(guān)工作，把風(fēng)險前移，做到零缺陷投運；在首次校驗階段，針對設(shè)備投運以來發(fā)生的問題，進行全面的消缺；而在設(shè)備進入運行穩(wěn)定期后，則可實行狀態(tài)檢修，使繼電保護設(shè)備真正做到 “應(yīng)修必修，修必修好”,避免誤修、漏修事件，從而提高設(shè)備的利用率與可靠性，節(jié)約公司的人力、物力，提高電網(wǎng)安全和經(jīng)濟效益。

[1]王睿琛，薛安成，畢天姝，等.繼電保護裝置時變失效率估算及其區(qū)域性差異分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(5)：11-15，23.

[2]吳雪峰，邱 海，呂贏想.繼電保護設(shè)備狀態(tài)檢修的探討[J].浙江電力，2011，30(5)：51-54.

[3]高 翔.繼電保護狀態(tài)檢修應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電力出版社，2008.

[4]趙曉明，吳建偉.電力系統(tǒng)繼電保護定期校驗問題綜述及其展望[J].浙江電力，2011，30(11)：1-5.