繼電保護(hù)電力系統(tǒng)的短路保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究

王 瀚

（國網(wǎng)重慶市電力公司璧山供電分公司，重慶 402760）

1 繼電保護(hù)電力系統(tǒng)的短路故障分析

1.1 絕緣體分析

絕緣體故障主要是指絕緣體破損而造成的故障現(xiàn)象，一旦破損發(fā)生會導(dǎo)致電力系統(tǒng)穩(wěn)定性下降并形成短路故障。這是因為在絕緣體出現(xiàn)破損之后，導(dǎo)致其性能明顯下降，甚至無法發(fā)揮絕緣功能，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中所傳輸?shù)碾娏髁棵黠@增加。此時，一旦系統(tǒng)中流動的電流值超過標(biāo)準(zhǔn)值，則會導(dǎo)致故障現(xiàn)象。

而造成這一現(xiàn)象的原因是多方面的，例如部分裝置的運行環(huán)境溫度偏高，高溫會加劇絕緣裝置老化，最終引發(fā)故障；或者在潮濕的工作環(huán)境下，也會導(dǎo)致絕緣體老化，并且隨著空氣中大量的水分子被吸附在絕緣體表面后，再有電流通過，將導(dǎo)致水分子與電流產(chǎn)生反應(yīng)，最終引發(fā)故障，甚至電力系統(tǒng)的安全問題。

1.2 電力用戶分析

電力用戶故障是指用戶家中大功率用電設(shè)備不斷增加而造成巨大的電路負(fù)荷，再加之居住區(qū)人口密度增加，給電力系統(tǒng)帶來巨大的壓力。除此之外，在電力用戶長時間使用中，線路的老化與破損也是常見現(xiàn)象，因為工作人員忽視日常檢查與維修、沒有及時更換故障設(shè)備等行為，最終導(dǎo)致故障現(xiàn)象發(fā)生。

1.3 二次回路絕緣損壞分析

二次回路絕緣損壞主要集中在控制回路中，是電力系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象。一旦繼電保護(hù)裝置發(fā)生二次回路絕緣損壞，系統(tǒng)有較高風(fēng)險出現(xiàn)拒動或者誤動問題；若二次導(dǎo)線或者控制電纜本身存在質(zhì)量問題，隨著運行時間的推移，電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)絕緣擊穿等安全事故，甚至威脅工作人員的生命安全。

2 短路保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 熔斷器保護(hù)

熔斷器保護(hù)是短路保護(hù)的常見形式，主要由熔斷器完成。熔斷器主要包括絕緣管、熔體等幾部分。體串被連接在被保護(hù)的電路中，當(dāng)短路現(xiàn)象發(fā)生后，因為瞬時電流過大而導(dǎo)致熔體瞬時熔斷，達(dá)到快速阻斷電流的目標(biāo)，完成系統(tǒng)保護(hù)。

現(xiàn)階段，市場上常見的熔斷器主要分為5種，其相關(guān)資料如表1所示。

表1 熔斷器信息

2.2 相電流保護(hù)

相電流保護(hù)的關(guān)鍵點是利用電流互感器，采用機(jī)械的方式達(dá)到短路保護(hù)的目的。在該技術(shù)應(yīng)用階段，相電流保護(hù)系統(tǒng)可以通過互感器去除電流，這樣電流在通過繼電器后，可以保障回路上存在常閉節(jié)點。該節(jié)點在短路發(fā)生后可以產(chǎn)生作用，電磁力與彈簧壓力發(fā)生相互作用而抵消，并在此時去除主接觸器的吸合電流，從而有效保護(hù)電流。

2.3 零序電流保護(hù)

該技術(shù)的關(guān)鍵點是利用接地時的零序電流保護(hù)動作的裝置，即為零序電流保護(hù)，在技術(shù)應(yīng)用中可以通過專用的零序電流互感器完成接地保護(hù)。當(dāng)三相電流平衡時，電力系統(tǒng)運行期間不會產(chǎn)生零序電流，但是依然三相電流平衡情況被打破，則會產(chǎn)生零序電流。零序保護(hù)就是通過互感器來采集電力系統(tǒng)中的零序電流值，當(dāng)采集的電流超過一定數(shù)額時，操控系統(tǒng)控制保護(hù)接觸器吸合，進(jìn)而斷開電路。有經(jīng)驗證明，零序電流保護(hù)的優(yōu)點明顯，主要表現(xiàn)為：①零序過電流具有更高的保護(hù)靈敏度，一旦識別異常電流后即可做出反應(yīng)；②該系統(tǒng)受系統(tǒng)運行方式的影響小，因此可以用于不同系統(tǒng)的保護(hù)；③過負(fù)荷與系統(tǒng)振蕩等因素對零序電流保護(hù)效果的影響不明顯。

為了強化零序電流保護(hù)效果，在應(yīng)用中還應(yīng)關(guān)注以下問題：①當(dāng)電流回路斷線時零序電流保護(hù)可能造成保護(hù)誤動作，這是不容忽視的問題，為了解決該問題，一般可考慮利用相鄰電流互感器零序電流閉鎖，在經(jīng)過上述處理后可以解決該問題。②出現(xiàn)零序電流的情況并非唯一，例如若電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱運行后也有可能產(chǎn)生零序電流，例如單相重合閘過程中的兩相運行，或者空投變壓器時產(chǎn)生的不平衡勵磁涌流等，上述現(xiàn)象都有可能造成零序電流保護(hù)啟動，因此相關(guān)人員應(yīng)該做好鑒別。

2.4 距離保護(hù)

距離保護(hù)主要表示故障點至保護(hù)安裝地點之間的距離，而距離繼電器是根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動作時間的一種保護(hù)裝置。研究認(rèn)為，當(dāng)前我國電力系統(tǒng)中35kV及以上電壓電力系統(tǒng)在運行期間，受到系統(tǒng)運行方式以及電網(wǎng)接線方式等因素影響，系統(tǒng)難以真正兼顧靈敏性與快速切除故障的要求，所以為了能夠保障電力系統(tǒng)安全，則需要增加保護(hù)裝置。在這一背景下，距離保護(hù)通過距離（阻抗）繼電器，按照端子上所添加的電壓與電流探測保護(hù)安裝位置與短路點之間的阻抗，依然短路點與保護(hù)安裝維持的距離較近時，系統(tǒng)所檢測的阻抗值相對小，系統(tǒng)的動作時間更短；相比之下，隨著距離的增加，則裝置動作時間增長、阻抗更大，使工作人員有充足的時間清除故障路線。

現(xiàn)階段，在距離保護(hù)機(jī)制下，為滿足繼電保護(hù)對靈敏度以及速動性的性能要求，普遍選擇了3段動作范圍時限特性模式。3段分別被稱為距離保護(hù)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，分別對應(yīng)電流速斷、限時電流速斷與過電流保護(hù)。在上述劃分方法的基礎(chǔ)上，當(dāng)距離保護(hù)處于Ⅰ段時，系統(tǒng)處于瞬時動作狀態(tài)，此段所保護(hù)的范圍約為全線路長的85%左右；當(dāng)距離保護(hù)距離為Ⅱ段時，其保護(hù)范圍小于等于下一段線路與Ⅰ段的距離，同時有一個高出動作時間的時限，確保保護(hù)動作在短路現(xiàn)象發(fā)生后可以做出選擇。最后的Ⅲ段則與過電流保護(hù)類似，阻抗性能更強，無論是保護(hù)范圍還是動作時限，都比Ⅰ段、Ⅱ段更高。

3 繼電保護(hù)電力系統(tǒng)短路故障應(yīng)對措施

3.1 安裝避雷裝置

在處理繼電保護(hù)電力系統(tǒng)短路故障時，自然因素的影響不容忽視，例如電力系統(tǒng)經(jīng)常會因為雷擊而造成線路損壞，造成短路、火災(zāi)等問題。因此，為了避免此類問題發(fā)生，則需要安裝避雷裝置，通過避雷器可以避免雷電在電力系統(tǒng)中引起電壓瞬間升高而造成破壞。在安裝避雷裝置中應(yīng)重點關(guān)注以下問題：①避雷器應(yīng)設(shè)置在變壓器與高壓熔斷器之間。②避雷器防雷接地下引線使用“三位一體”接地方式，即低壓側(cè)中心點、接地引下線、配電變壓器金屬外殼連接在一起，之后連接接地裝置即可。③在多雷區(qū)等特殊位置應(yīng)安裝低壓避雷器。

3.2 斷開故障點電源

繼電保護(hù)電力系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個構(gòu)件精密度高，任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問題都會嚴(yán)重影響整個電力系統(tǒng)的運行。因此，對于工作人員而言，應(yīng)及時處理電力系統(tǒng)的故障，避免故障范圍擴(kuò)大而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為實現(xiàn)該目標(biāo)，工作人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)故障狀態(tài)不斷縮小故障識別范圍，最終解決故障。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究結(jié)果，為實現(xiàn)該目標(biāo)可采用動態(tài)記錄裝置來統(tǒng)計電流信息，或者通過替換法來尋找故障點，指派具有豐富經(jīng)驗的工作人員，結(jié)合繼電保護(hù)故障現(xiàn)象來判斷故障點分布情況，在確定疑似故障點位置后更換功能相同的元件。若故障消除，則證明替換的元件存在質(zhì)量缺陷；否則，可以替換下一元件。分段處理方法也是斷開故障點電源的常見方法，當(dāng)繼電保護(hù)故障發(fā)生后可以根據(jù)繼電保護(hù)設(shè)備規(guī)則將其劃分為若干個等級，按照設(shè)計的順序逐一排查，直至精準(zhǔn)找出故障點為止。

3.3 做好日常維護(hù)

電力系統(tǒng)日常維護(hù)可以降低繼電保護(hù)電力系統(tǒng)短路故障發(fā)生率，減少故障損失，因此在日常工作中，工作人員應(yīng)該關(guān)注以下3方面內(nèi)容：①做好電力設(shè)備的日常保養(yǎng)與維護(hù)。為進(jìn)一步提升設(shè)備的性能，未來工作中應(yīng)做好設(shè)備清潔工作，及時清理設(shè)備表面的雜物與塵土等，避免因為塵土進(jìn)入電力設(shè)備內(nèi)部而影響其性能。②合理使用防腐策略。防腐是電力設(shè)備運維管理的重點內(nèi)容，一般可根據(jù)不同部位制定相應(yīng)的防腐措施，例如所有裸露在外的導(dǎo)體接頭部位，在防腐中可直接涂抹電力復(fù)合樹脂，該材料可以減少接頭部位的氧化。同時電力系統(tǒng)中通常會將低碳鋼作為接地網(wǎng)埋入土壤中，容易造成腐蝕而影響其性能，所以在防腐處理中工作人員可選擇導(dǎo)電防腐涂料，在條件允許情況下以鍍鋅鋼材為材料也可以避免腐蝕發(fā)生，保證電力系統(tǒng)正常運行。③考慮到繼電保護(hù)裝置對性能的特殊要求，在日常運行維護(hù)中應(yīng)嚴(yán)格控制各個空間的環(huán)境，如繼電保護(hù)室、主控室的最大相對濕度應(yīng)小于等于75%，理想的運行環(huán)境可控制在10~26℃，通過嚴(yán)格控制相關(guān)數(shù)據(jù)可以降低環(huán)境因素對繼電保護(hù)裝置運行的影響。同時，繼電保護(hù)與自動裝置連接片、切換開關(guān)等設(shè)備的性能需要每月核對一次。針對繼電保護(hù)及其自動裝置的多套運行定制情況，在運行方式變動時應(yīng)嚴(yán)格按照調(diào)度指令切換運行定制，并記錄清楚。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，基于自動化的小波變換技術(shù)成為消除短路故障的有效方法。該技術(shù)可以通過暫態(tài)分量等方法，精準(zhǔn)區(qū)分暫態(tài)分量與由干擾信號所產(chǎn)生的暫態(tài)分量信號。與傳統(tǒng)的處理方法相比，該方法具有更快的響應(yīng)速度，可以保障繼電保護(hù)電力系統(tǒng)保護(hù)裝置動作速度，使電力系統(tǒng)在發(fā)生短路時盡快做出響應(yīng)。從技術(shù)優(yōu)勢來看，該方法能夠從海量的短路保護(hù)信號中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，有強大的信號特征分析控制能力，其消噪能力強，應(yīng)該成為未來運行維護(hù)的突破口。

4 結(jié)語

繼電保護(hù)電力系統(tǒng)短路保護(hù)成為保障電力系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵點。為了能夠順應(yīng)未來電力系統(tǒng)發(fā)展要求，工作人員應(yīng)該深入了解短路故障的發(fā)生原因以及短路保護(hù)的技術(shù)方案等，能夠根據(jù)實際情況合理選擇應(yīng)對措施，這是降低電力系統(tǒng)故障發(fā)生率的重要組成部分。未來，為了能夠降低電力系統(tǒng)故障發(fā)生率，工作人員應(yīng)該將關(guān)注的重點放在日常運維管理、安裝補償器等方面，不斷提升電力系統(tǒng)整體性能，這對于減少短路損失也有重要意義，可以最大限度地滿足居民的日常生活。