220kV變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)分析

國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司 冉慶禹 王 磊

1 引言

繼電保護(hù)系統(tǒng)是保證電網(wǎng)正常安全運(yùn)行的重中之重，作為傳感裝置，感知故障，然后知道故障的位置，最后向斷路器發(fā)出跳閘指令。收到保護(hù)繼電器的指令后，斷路器斷開故障元件。在速動(dòng)保護(hù)繼電器和相關(guān)斷路器的幫助下，可以快速清除故障，減少對(duì)設(shè)備的損害。此外，通過(guò)移除特殊故障部件，可以降低伴隨的風(fēng)險(xiǎn)，例如火災(zāi)等。但在保持供給連續(xù)性的同時(shí)，保持了健康部分，通過(guò)快速清除故障來(lái)減少故障時(shí)間，使系統(tǒng)更快地恢復(fù)到正常狀態(tài)。從而大大提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定極限，避免了設(shè)備的永久性損壞，降低了最簡(jiǎn)單的故障如單相發(fā)展為最嚴(yán)重的故障如兩相的可能性。

2 繼電保護(hù)系統(tǒng)

繼電保護(hù)系統(tǒng)，一種用于反映變電所在電網(wǎng)中的電器部件失效或不能正常工作，使其跳閘和報(bào)警，從而保證變電所的安全和安全。該裝置可以識(shí)別出電網(wǎng)的正常工作狀況與非工作狀況，發(fā)現(xiàn)其特征值差異，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)供電的自動(dòng)切斷。

通過(guò)以上的介紹，可以發(fā)現(xiàn)在變電所工作的電力和非電力的情況下，電力和非電力的電力變化特點(diǎn)，從而找到一種組成電力保護(hù)的裝置，并且這種裝置的區(qū)別愈大，其防護(hù)效果就愈好。

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模和覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，單依靠對(duì)電網(wǎng)各個(gè)部件進(jìn)行繼電器的安裝是無(wú)法解決大規(guī)模電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間斷電的重大問題。因此，從變電站正常運(yùn)行的全局出發(fā)，了解故障元件由相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置發(fā)出警報(bào)的時(shí)候，整個(gè)電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生什么樣的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)失去穩(wěn)定時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么特性，如何盡快恢復(fù)正常運(yùn)行。繼電保護(hù)系統(tǒng)的任務(wù)是當(dāng)變電站電力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生故障的時(shí)候，及時(shí)地切除問題源頭，盡可能地把隱患問題限制在最小范圍內(nèi)，讓供電系統(tǒng)癱瘓時(shí)間減到最少，以確保及時(shí)地解決停電問題。

只有確保繼電器正常運(yùn)行并能區(qū)分正常和異常情況，才能減少故障。當(dāng)有故障時(shí)，繼電器必須運(yùn)行；沒有故障時(shí)，繼電器不得運(yùn)行。一些繼電器用于保護(hù)電力系統(tǒng)，有些是接力賽，也就是說(shuō)是第一道防線。這個(gè)保護(hù)裝置探測(cè)到了錯(cuò)誤，并發(fā)出一個(gè)訊息給對(duì)應(yīng)的開關(guān)來(lái)脫開和排除。

第一代繼電保護(hù)系統(tǒng)采用單片機(jī)作為智能控制器[1]。作為第一代智能系統(tǒng)，運(yùn)行速度慢，每周只能產(chǎn)生30-60點(diǎn)的正弦函數(shù)，不能疊加高次諧波和DC 分量，頻率不能連續(xù)變化。

第二代繼電保護(hù)系統(tǒng)采用PC 作為智能控制器。PC 機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)算功能。數(shù)據(jù)可以由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算，直接輸出。每周可以產(chǎn)生100～200點(diǎn)的正弦函數(shù)。PC 機(jī)與原來(lái)的計(jì)算機(jī)相比，可以疊加高次諧波和非周期分量，頻率可以連續(xù)變化。

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)無(wú)法滿足測(cè)試要求，因此數(shù)字式繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，數(shù)字式繼電保護(hù)系統(tǒng)主要用于智能變電站綜合測(cè)試階段后的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段。數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于手動(dòng)選擇不同的測(cè)試模塊。在軟帶的前提下，控制字和值用于正確設(shè)置保護(hù)裝置。再以不同的故障類型、故障的數(shù)量來(lái)進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入。當(dāng)這些輸入能正確反映不同的故障狀態(tài)時(shí)，保護(hù)裝置的相應(yīng)行為就能準(zhǔn)確運(yùn)行。

第三代繼電保護(hù)系統(tǒng)采用的是Windows 操作系統(tǒng)。通過(guò)PC 機(jī)與上位機(jī)的通信，可以方便地使用Windows 資源，通過(guò)擴(kuò)展電壓、電流插件可以完成更復(fù)雜的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)變化。

第四代繼電保護(hù)系統(tǒng)是由DSP 芯片和內(nèi)置式工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的。充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，建立完善的技術(shù)支持體系，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)裝置的信息和數(shù)據(jù)，集成多通道電壓電流示波器、高性能三相電壓電流發(fā)生器、多通道電壓電流和開關(guān)波形記錄儀、自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告等功能，形成了完整的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試系統(tǒng)。

3 220kV 變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)

繼電保護(hù)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，在220kV 變電所中占有舉足輕重的地位。在日常操作中，繼電器是對(duì)電網(wǎng)故障或故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種主要手段。在它的發(fā)展歷程中，帶有接觸式的繼電器是為了防止電氣設(shè)備和電氣設(shè)備的損害而被稱作繼電保護(hù)。

220kV 變電所的繼電器在確保其可靠、靈活、安全、環(huán)保、資源節(jié)省、容易實(shí)施的情況下，進(jìn)行了系統(tǒng)的自動(dòng)控制。在這種要求下，就需要從電力系統(tǒng)的大局出發(fā)。首先，應(yīng)通過(guò)整定值的計(jì)算來(lái)選擇繼電保護(hù)方式和保護(hù)配合。則需要研究的故障元件被繼電保護(hù)裝置切斷后，系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)什么樣的工況，系統(tǒng)失去穩(wěn)定后會(huì)出現(xiàn)什么樣的特性，如何盡快恢復(fù)正常運(yùn)行等。同時(shí)還要滿足未來(lái)電網(wǎng)改造簡(jiǎn)單化和資源重復(fù)利用率高的要求[2]。

在220kV 變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)中，與電源相連的供電線路的敷設(shè)是最基本、最重要的組成部分之一。同時(shí)，一般認(rèn)為它是電站繼電保護(hù)功能系統(tǒng)安全自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和管理實(shí)施的一個(gè)重要的、基本的組成條件，因此要求它符合相關(guān)規(guī)范的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。同時(shí)，為了有效地進(jìn)一步提高智能變電站實(shí)際運(yùn)行和繼電保護(hù)自動(dòng)化的技術(shù)水平和運(yùn)行管理水平，需要細(xì)化和簡(jiǎn)化繼電保護(hù)之間的界限。這主要是因?yàn)椴季€難度和線損成正相關(guān)，越容易布線就越少。在220kV 變電站的技術(shù)改進(jìn)和可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中，繼電保護(hù)接線的設(shè)計(jì)能夠完全滿足和充分配合整個(gè)總體接線和子系統(tǒng)接線的相關(guān)技術(shù)要求，并遵循期間不允許系統(tǒng)間交叉接線的基本原則，從而有效避免這種接線方式對(duì)智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)工作狀態(tài)的實(shí)際影響。

當(dāng)前，采用回路技術(shù)對(duì)220kV 智能變電所的繼電保護(hù)環(huán)進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)選。通過(guò)對(duì)智能化變電所的繼電保護(hù)線路進(jìn)行有效的調(diào)控，可以提高變電所的調(diào)峰容量。通過(guò)這一措施，電路設(shè)計(jì)變得更加準(zhǔn)確合理，使繼電保護(hù)系統(tǒng)減少錯(cuò)誤的發(fā)生，盡可能避免繼電保護(hù)的失效。但實(shí)際情況是，對(duì)220kV智能變電所的主回路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。當(dāng)回路運(yùn)行滿足相關(guān)要求時(shí)，勢(shì)必凸顯智能變電站的良好功能。另外，在設(shè)計(jì)繼電保護(hù)自動(dòng)化的電路時(shí)，需要科學(xué)地安裝相應(yīng)的電子感應(yīng)設(shè)備，以發(fā)揮其對(duì)隔離開關(guān)動(dòng)作的引導(dǎo)作用，減輕智能變電站繼電保護(hù)的控制任務(wù)，達(dá)到最佳效果[3]。

輸電系統(tǒng)是電力傳輸與配電系統(tǒng)，它安全和可靠的工作，關(guān)系到整個(gè)變電所，所以它們之間的互聯(lián)是必不可少的。配電網(wǎng)具有良好的繼電器，若未合理地設(shè)置繼電器，將無(wú)法正常工作（誤操作或拒絕操作），將會(huì)使電力系統(tǒng)的斷電范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響，甚至可能導(dǎo)致人員和裝置的安全。在電力系統(tǒng)中，如何正確地選用各種不同的保護(hù)模式，是確保變電所的安全可靠的關(guān)鍵。

母線是電力系統(tǒng)的核心部件，也是電力系統(tǒng)的核心部件。與其他裝置類似，巴士也有許多不同的失效。如果母線出現(xiàn)短路，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)大范圍的斷電，影響電網(wǎng)的正常工作。母線故障主要有母線和斷路器套管閃絡(luò)，母線與斷路器間的變壓器和變壓器故障，母線與斷路器的支撐絕緣子損壞，運(yùn)行人員誤動(dòng)作等。雖然母線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位于變電站內(nèi)，發(fā)生故障的概率比其他設(shè)備小，但當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，必須斷開所有連接到母線上的元件，這將造成大規(guī)模停電[4]。此外，如果樞紐變電站的高壓母線緩慢故障，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性將被破壞，從而擴(kuò)大事故。因此，母線必須選擇合適的保護(hù)方式。

以某220kV 變電站為例，該變電站內(nèi)220kV 母線保護(hù)為差動(dòng)保護(hù)，為其配置了兩套保護(hù)。220kV母差I(lǐng) 屏為某型號(hào)的微機(jī)母線保護(hù)裝置：同比率制動(dòng)特性的電流差動(dòng)保護(hù)，分段型母聯(lián)保護(hù)，開關(guān)失靈保護(hù)，母聯(lián)失靈死區(qū)保護(hù)，斷線閉鎖及告警；220kV 母差I(lǐng)I 屏為同為該型號(hào)微機(jī)母線保護(hù)裝置：配有電流差動(dòng)保護(hù)母聯(lián)開關(guān)失靈（死區(qū)）保護(hù)及充電保護(hù)，開關(guān)失靈保護(hù)，斷線閉鎖及告警，直流穩(wěn)壓消失監(jiān)視[5]。

在220kV 變電站繼電保護(hù)中，應(yīng)當(dāng)從以下幾方面入手：運(yùn)用科學(xué)的檢查方法，相對(duì)簡(jiǎn)單的故障排除可采用順序檢查法，但當(dāng)故障記錄和事件記錄找不到故障原因時(shí)，應(yīng)采用逆向檢查法，即從故障現(xiàn)象到故障根源，由表及里，一層一層地進(jìn)行，直至找到故障根源；靈活運(yùn)用各種技巧，如模擬、比較、替代等。模擬法是在電路圖上模擬開路或脫焊，猜測(cè)故障。類似的方法是利用仿真系統(tǒng)模擬故障，分析繼電保護(hù)裝置動(dòng)作和各種保護(hù)的配合情況。通過(guò)對(duì)比以往的經(jīng)驗(yàn)和故障處理案例，比較法是最有可能的原因。更換方法是用好的元件一個(gè)一個(gè)更換故障元件；掌握微機(jī)繼電保護(hù)原理，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，能迅速弄清故障特征，找出原因，進(jìn)而排除故障。

監(jiān)控屏障技術(shù)也被認(rèn)為是220kV 變電站繼電保護(hù)和自動(dòng)化中非常重要的組成部分和組成部分。這是繼電保護(hù)中一個(gè)嶄新的功能，其終極目標(biāo)就是為繼電器增加附加防護(hù)。這種監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效地監(jiān)測(cè)特定變電站設(shè)備中某些相關(guān)裝置或元件可能出現(xiàn)的故障，在影響繼電保護(hù)系統(tǒng)正常工作和運(yùn)行的關(guān)鍵時(shí)刻起到輔助和監(jiān)測(cè)作用。一旦繼電保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)錯(cuò)誤或存在一些問題，監(jiān)控技術(shù)可以有效地糾正錯(cuò)誤。不僅能有效地反饋相關(guān)信息，還可以將有關(guān)故障情況的所有信息傳送到整個(gè)變電站的集中調(diào)度中心，調(diào)度中心將根據(jù)這些信息有效地指導(dǎo)整個(gè)變電站的實(shí)際運(yùn)行，從而就可以有效地確保所有220kV 變電站都能按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)順利運(yùn)行[6]。此外，這種檢測(cè)技術(shù)的使用也能有效地展現(xiàn)智能變電站在繼電保護(hù)自動(dòng)化方面的諸多優(yōu)勢(shì)。

與此同時(shí)，也要定期對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，以確保系統(tǒng)在保護(hù)設(shè)備的時(shí)候，可以正常工作并發(fā)出警報(bào)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，很可能會(huì)忽略一些不起眼的項(xiàng)目，比如繼電保護(hù)設(shè)備本身的問題。因此，有必要仔細(xì)檢查繼電保護(hù)設(shè)備。如有必要，可拔掉所有組件并逐一檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)老化部件時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換。日常工作中，需要做到多檢查，多進(jìn)行保養(yǎng)。最后，在所有零件完好的情況下，一個(gè)一個(gè)裝回去。螺絲部分需要人員反復(fù)擰緊，焊接點(diǎn)要牢固。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或處于異常狀態(tài)時(shí)，利用一些電氣裝置來(lái)保護(hù)電氣設(shè)備不受損壞，需要減小事故范圍。當(dāng)電網(wǎng)故障足以損壞設(shè)備或危及電網(wǎng)安全的時(shí)候，被保護(hù)設(shè)備迅速脫離電網(wǎng)；對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行異常和部分設(shè)備工作狀態(tài)異常能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便快速處理并能夠迅速恢復(fù)正常；就可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化和遙控以及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制。

從電力系統(tǒng)的全局出發(fā)，需要研究問題元件被相應(yīng)的繼電維護(hù)裝置切除后，系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)什么樣的工況，系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么樣的特征，如何盡快恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這些都是系統(tǒng)維護(hù)的研究?jī)?nèi)容。系統(tǒng)維護(hù)的任務(wù)是在大電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行遭到破壞時(shí)，盡可能將影響范圍限制在最小，將負(fù)荷停電時(shí)間減少到最小。

綜上所述，電力系統(tǒng)也是我國(guó)能源建設(shè)的重要組成部分。變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)揮著重要的作用。但是，在傳統(tǒng)變電站的使用中，仍然存在一些繼電保護(hù)裝置難以與外界通信，造成電力事故和變電站設(shè)備損壞的問題，亟待改進(jìn)和解決。220kV 變電站是影響和改善電力系統(tǒng)運(yùn)行效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站所有設(shè)備和元件的全方位繼電保護(hù)，改善和加強(qiáng)智能變電站的運(yùn)行和自動(dòng)化操作過(guò)程。