繼電保護(hù)中的故障檢測(cè)與應(yīng)對(duì)策略

張 文

國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750001

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量呈飛躍式發(fā)展，從2015年底的15億 kW增長(zhǎng)到2020年底的22億kW，年均增長(zhǎng)達(dá)到7.6%。在此背景下，電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性就變得至關(guān)重要。作為電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全保護(hù)裝置，繼電保護(hù)故障檢測(cè)和應(yīng)對(duì)策略成為確保電力系統(tǒng)供電持續(xù)性的關(guān)鍵作業(yè)內(nèi)容。因此，在繼電保護(hù)過(guò)程中，如何采取有效措施提高故障檢測(cè)質(zhì)量，并確定科學(xué)有效的應(yīng)對(duì)策略，成為繼電保護(hù)過(guò)程中的重要問(wèn)題。

1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)常見故障

1.1 繼電保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備的故障

繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障，往往出現(xiàn)在設(shè)備構(gòu)件上。究其原因，是在繼電保護(hù)設(shè)備選擇上，沒有充分考慮電力系統(tǒng)的實(shí)際工作負(fù)荷和工作強(qiáng)度，導(dǎo)致繼電保護(hù)設(shè)備與電力系統(tǒng)工作負(fù)荷不匹配，設(shè)備構(gòu)件質(zhì)量達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)備構(gòu)件發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題，輕則會(huì)對(duì)繼電保護(hù)故障檢測(cè)造成影響，重則會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)動(dòng)作失控，甚至出現(xiàn)拒動(dòng)或者誤動(dòng)的安全事故，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[1-2]。因此，在繼電保護(hù)設(shè)備安裝前，要從兩個(gè)方面進(jìn)行確認(rèn)，一是確認(rèn)電力系統(tǒng)的電流電壓負(fù)荷，二是確認(rèn)繼電保護(hù)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的電流電壓負(fù)荷。并在此基礎(chǔ)上，選擇符合其運(yùn)行要求的高質(zhì)量的設(shè)備構(gòu)件

1.2 繼電保護(hù)系統(tǒng)中開關(guān)的故障

造成開關(guān)故障的根本原因是，繼電保護(hù)裝置選擇不當(dāng)，與電力系統(tǒng)不匹配。在繼電保護(hù)裝置選擇時(shí)，要充分考慮長(zhǎng)期使用對(duì)設(shè)備開關(guān)造成的影響。在電力系統(tǒng)運(yùn)行初期，繼電保護(hù)裝置與電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷是相匹配的，但隨著工作負(fù)荷和工作強(qiáng)度的加大，以及繼電保護(hù)裝置使用次數(shù)的增多，極易造成繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)老化和超負(fù)荷等情況，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備開關(guān)帶來(lái)負(fù)荷密集，使開關(guān)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)開關(guān)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響[3]。

1.3 電流互感飽和故障

隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，繼電保護(hù)設(shè)備終端承受的負(fù)荷持續(xù)加大，電力系統(tǒng)可能發(fā)生接近臨界值的短路現(xiàn)象，造成電流不斷增強(qiáng)，使電流互感器處于飽和狀態(tài)，對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備施加的影響不斷增強(qiáng)。當(dāng)電力系統(tǒng)終端設(shè)備發(fā)生短路現(xiàn)象時(shí)，短路電流就會(huì)劇增，達(dá)到電流互感器標(biāo)準(zhǔn)電流量的100倍，而電流互感器電流量倍數(shù)與電流互感器的誤差成正比，隨著電流的增強(qiáng)，繼電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)故障的阻止命令會(huì)出現(xiàn)靈敏度降低的現(xiàn)象。從另一個(gè)層面來(lái)說(shuō)，就是電力系統(tǒng)發(fā)生故障，而繼電保護(hù)設(shè)備無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并發(fā)出阻斷命令，但電力系統(tǒng)依然可以運(yùn)行，從而增加了電力系統(tǒng)運(yùn)行引發(fā)的危險(xiǎn)性。

1.4 繼電器觸點(diǎn)故障

繼電器觸點(diǎn)故障的表現(xiàn)形式有觸點(diǎn)焊接、觸點(diǎn)磨損等，對(duì)繼電器觸點(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性帶來(lái)影響，進(jìn)而引發(fā)電力系統(tǒng)安全事故的發(fā)生。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和探索，對(duì)于繼電器觸點(diǎn)故障，可以靈活采用多種方法有效解決。比如，嚴(yán)格選擇觸點(diǎn)材料，并在使用過(guò)程中定期檢查和更新；依照所能承受的負(fù)荷值，嚴(yán)格控制電流；采用定級(jí)的方式，對(duì)繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，保證繼電器觸點(diǎn)正常運(yùn)行。

2 繼電保護(hù)故障檢測(cè)方法

2.1 利用電磁場(chǎng)變化檢測(cè)單相短路故障

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，短路處的電流和電壓會(huì)發(fā)生一定的變化，與故障前相比，前支路和后支路的零序電壓和零序電流會(huì)發(fā)生較大的變化，短路處周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布也與故障前不同。因此，借助電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化，可以確定短路故障的具體位置。例如，在配電線路發(fā)生單相短路故障時(shí)，考慮周圍磁場(chǎng)的變化，可以對(duì)配電網(wǎng)的各接地點(diǎn)進(jìn)行磁場(chǎng)探測(cè)，掌握短路周圍磁場(chǎng)的分布情況，然后對(duì)五次諧波電流進(jìn)行檢測(cè)，確定故障點(diǎn)[4]。

2.2 識(shí)別故障支路和故障接地相

在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，其故障特征是出現(xiàn)一段較為明顯的暫態(tài)過(guò)程，為了有效識(shí)別故障支路，首先要構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，以獲取暫態(tài)過(guò)程中的電流和電壓波形，并確定電流畸變量。其次，采用小波變換的方法，獲取接地點(diǎn)電流和電壓的頻譜圖像，再對(duì)頻譜圖像進(jìn)行分析，得出電流特征量和故障頻帶特征值，從而最終確定故障線路和故障點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蟻群算法，小波變換方法才能得到最佳發(fā)揮，才能有效提升故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性和高效性，進(jìn)而快速確定故障點(diǎn)[5]。

2.3 構(gòu)建繼電保護(hù)裝置管理和監(jiān)測(cè)體系

繼電保護(hù)裝置管理和監(jiān)測(cè)體系是有效應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行故障的基礎(chǔ)，管理體系是否科學(xué)和合理，對(duì)于故障檢測(cè)、確定和應(yīng)對(duì)至關(guān)重要。不斷完善管理和監(jiān)測(cè)體系可以最大限度地發(fā)揮繼電保護(hù)的功能。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，記錄運(yùn)行過(guò)程中的具體操作，在故障檢測(cè)和排除時(shí)，可以提供一定的參考。同時(shí)，不斷健全繼電保護(hù)裝置管理制度和監(jiān)測(cè)制度，并對(duì)電力運(yùn)行的各個(gè)階段進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)于繼電保護(hù)的管理成效具有重要意義。

3 繼電保護(hù)故障的應(yīng)對(duì)策略

3.1 替換法

替換法是繼電保護(hù)故障應(yīng)對(duì)策略中最直接、最有效的方法。所謂替換法，就是用正常的元件替換出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的元件。該方法可以快速地解決故障問(wèn)題，確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)繼電保護(hù)故障出現(xiàn)在內(nèi)部回路電器元件時(shí)，就可以用替換法，使電力系統(tǒng)快速恢復(fù)正常狀態(tài)。而對(duì)于那些不能替換的部分，則可以通過(guò)監(jiān)測(cè)的方法，從而發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生故障的原因，提出解決故障的策略[6]。

3.2 參照法

在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以利用參照法，對(duì)出現(xiàn)故障的機(jī)器和運(yùn)轉(zhuǎn)正常的機(jī)器進(jìn)行比較，從而發(fā)現(xiàn)兩種機(jī)器不一樣的地方，并進(jìn)行仔細(xì)觀察和分析，最終確定故障點(diǎn)。在通常情況下，一般對(duì)可能的故障點(diǎn)進(jìn)行逐一檢驗(yàn)，最終確定故障點(diǎn)。在故障排除過(guò)程中，也可以與正常機(jī)器的性能和參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，從而不斷完善運(yùn)行數(shù)據(jù)，最終排除故障，使電力系統(tǒng)的運(yùn)行性能恢復(fù)到正常狀態(tài)。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以生物神經(jīng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的一項(xiàng)人工智能技術(shù)。該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等最新技術(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)較為明顯，比如具有很好的自適應(yīng)能力，并能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行收集、分析和優(yōu)化整理，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為參照，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行繼電保護(hù)，并能夠準(zhǔn)確地確定故障種類、距離以及確定科學(xué)有效的應(yīng)對(duì)策略。

3.4 綜合自動(dòng)化繼電保護(hù)法

該方法就是將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)融合，構(gòu)建自動(dòng)控制、測(cè)量以及故障錄波等多種功能為一體的繼電保護(hù)系統(tǒng)。利用數(shù)字化監(jiān)測(cè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而節(jié)省了人力開支。通過(guò)自動(dòng)化繼電保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)變電站的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)進(jìn)行記錄，然后利用數(shù)字化分析技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，在故障發(fā)生時(shí)，可以快速進(jìn)行比較、分析，從而確定故障點(diǎn)，并提出科學(xué)合理的應(yīng)對(duì)策略。

3.5 自適應(yīng)控制法

繼電保護(hù)裝置中的控制元件非常敏感，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障變化調(diào)整自身的性能。當(dāng)繼電保護(hù)裝置發(fā)生故障時(shí)，控制元件能夠迅速做出反應(yīng)，及時(shí)發(fā)出警示信號(hào)。自適應(yīng)控制法對(duì)控制元件的要求較高，不僅要求控制元件質(zhì)量好、敏感性強(qiáng)，而且對(duì)控制元件的數(shù)量有一定的要求。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)敏感度進(jìn)行合理調(diào)整，使繼電保護(hù)裝置在進(jìn)行故障檢測(cè)和故障消除時(shí)發(fā)揮最大的成效。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，繼電保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的決定性因素。目前，隨著數(shù)字化技術(shù)和自動(dòng)控制化技術(shù)的飛速發(fā)展，繼電保護(hù)故障檢測(cè)方法和故障排除策略也不斷更新。但是，繼電保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)故障種類不同，采用的檢測(cè)和應(yīng)對(duì)方法也不同。繼電保護(hù)故障檢測(cè)方法可以分為利用電磁場(chǎng)變化檢測(cè)單相短路故障，識(shí)別故障支路和故障接地相，構(gòu)建繼電保護(hù)裝置管理和監(jiān)測(cè)體系等方面。在繼電保護(hù)故障消除過(guò)程一般采用替換法、參照法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及綜合自動(dòng)化繼電保護(hù)法，以及時(shí)有效地消除繼電保護(hù)障礙，確保電力系統(tǒng)以良好的狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)于變電站經(jīng)濟(jì)效益的提高具有重要的保護(hù)作用。