變電站保護(hù)系統(tǒng)故障及可靠性分析

李旭東,周旖輝

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司,武漢 430064)

0 引言

高壓變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分,變電站內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時(shí)的電氣量(電流、電壓、功率、頻率等)的變化構(gòu)成繼電保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作原理[1],檢測(cè)故障并在最短時(shí)間內(nèi)切除故障,保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在大容量電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中,通常假設(shè)保護(hù)系統(tǒng)完全可靠,電力系統(tǒng)過(guò)流設(shè)備的故障僅導(dǎo)致該設(shè)備被隔離,但這種假設(shè)可能會(huì)忽略保護(hù)系統(tǒng)故障對(duì)系統(tǒng)范圍可靠性指標(biāo)的影響。文獻(xiàn)[2]研究表明,保護(hù)系統(tǒng)潛在故障是造成多次或連鎖故障的最常見(jiàn)原因。文獻(xiàn)[3]表明,在電壓等級(jí)高的變電站中,保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)是導(dǎo)致電網(wǎng)解列的最大原因。根據(jù)文獻(xiàn)[4],保護(hù)系統(tǒng)具備4大因素,即可靠性、選擇性、靈敏性及速動(dòng)性,如果不能滿足這些要求,保護(hù)系統(tǒng)本身將成為擴(kuò)大事故或直接造成事故的根源。

本研究介紹了保護(hù)系統(tǒng)故障類型,包括各元件故障率及平均故障時(shí)間(MTTF)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),對(duì)各個(gè)元件的可靠性進(jìn)行分析,對(duì)整個(gè)變電站進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

1 保護(hù)系統(tǒng)故障類型

1)繼電器故障。根據(jù)IEC60255-23標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)繼電器永久無(wú)法執(zhí)行其所需功能時(shí),就會(huì)發(fā)生繼電器故障。多數(shù)導(dǎo)致電力故障事件升級(jí)的直接原因都可以追溯到繼電器誤動(dòng)作。數(shù)據(jù)表明,這是由于繼電器元件自身故障導(dǎo)致其誤動(dòng)作而引發(fā)整個(gè)電力系統(tǒng)故障[5]。

2)交流設(shè)備及電路。電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)及二次電路故障都可能導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)故障。例如,選擇了不合適的CT變比或CT飽和。PT斷路器故障或微型斷路器(MCB)故障中斷交流電路或選擇低截面導(dǎo)線將互感器連接到繼電器,甚至是互感器內(nèi)部的缺陷及互感器的老化。

3)直流設(shè)備及電路。變電站的直流系統(tǒng)為其繼電器及控制設(shè)備提供了電源,不允許發(fā)生中斷。如直流接地故障、充電設(shè)備故障。

4)通信。保護(hù)系統(tǒng)通信用于遠(yuǎn)程系統(tǒng)保護(hù)及線路差動(dòng)保護(hù)。當(dāng)線路的通信受到干擾,造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)丟失,會(huì)影響保護(hù)系統(tǒng)的正確動(dòng)作[5]。

5)人為的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)、設(shè)置或邏輯。保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、邏輯及設(shè)置不正確是導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)失效的主要原因。例如,線路保護(hù)功能設(shè)置及邏輯不當(dāng),導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)不動(dòng)作或誤動(dòng)作。

6)測(cè)試過(guò)程中的人為誤差。程序測(cè)試過(guò)程中的人為錯(cuò)誤可能導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作。

7)斷路器故障。斷路器是保護(hù)系統(tǒng)中最重要的元件。當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí),斷路器應(yīng)立即響應(yīng)命令,進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。斷路器的內(nèi)部氣體及氣壓、斷路器的老化、斷路器機(jī)構(gòu)的缺陷等都會(huì)導(dǎo)致斷路器故障。

8)其他原因。除上述原因外,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不當(dāng)也有可能影響保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 故障原因分析

變電站停電主要有以下原因:天氣與環(huán)境、架空線、外在因素、電力系統(tǒng)條件、污漬、繼電器、斷路器、連接線、人為因素、交流設(shè)備及電路、直流系統(tǒng)、地震、減負(fù)荷、繼電器的邏輯及設(shè)置、變壓器、操作、電纜線、過(guò)負(fù)荷、電抗器、避雷器、母線、補(bǔ)償變壓器、電容器、隔離開(kāi)關(guān)、阻波器、PLC、其他及未知原因[6]。保護(hù)系統(tǒng)失效并導(dǎo)致電網(wǎng)中斷的原因數(shù)量如圖1所示。

圖1 保護(hù)系統(tǒng)失效并導(dǎo)致電網(wǎng)中斷的原因統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of the causes of protection system failure and grid interruption

變電站的平均故障時(shí)長(zhǎng)(MTTF)為177 372 h。故障率與MTTF成反比,故障率為0.0494故障率/年。每種情況的故障率如圖2。

圖2 變電站各種故障類型率統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistical chart of various fault types in substation

可以看出,繼電器與斷路器故障是導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)故障的第一與第二大原因,直流系統(tǒng)與PLC邏輯故障導(dǎo)致的變電站故障發(fā)生率最小,可以忽略不記。許多老舊變電站中存在大量的靜態(tài)與機(jī)械繼電器可能是導(dǎo)致繼電器故障的主要原因。許多斷路器的老化可能是導(dǎo)致斷路器故障率高的主要原因。

3 可靠性分析

故障樹(shù)分析法(Fault Tree Analysis,FTA)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的最常見(jiàn)方法之一[7]。是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)或改進(jìn)過(guò)程中對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的各種因素進(jìn)行分析,畫出邏輯框圖(即故障樹(shù)),從而確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合方式及發(fā)生概率,并以此計(jì)算系統(tǒng)的故障概率,采取相應(yīng)的措施,以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計(jì)分析方法及評(píng)估方法[8-9]。

故障樹(shù)分析法可根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生故障的不同原因采取相應(yīng)的措施,有效提高系統(tǒng)的可靠性。故障樹(shù)的圖形分為頂事件、中間事件及底事件。頂事件可以定義為在電力系統(tǒng)工作時(shí)最不想出現(xiàn)的障礙事件,致使其出現(xiàn)的直接因素是中間事件,此時(shí)的中間事件處于過(guò)渡狀態(tài)。底事件是對(duì)中間事件作進(jìn)一步的研究分析,直到找出導(dǎo)致該故障的基本原因。以上事件分別用事件符號(hào)與邏輯符號(hào)表示,并通過(guò)邏輯把各事件連接成故障樹(shù)。故障樹(shù)反映了事件間的因果關(guān)系,清晰描繪出元件、部件或人為失誤等原因與故障事件之間的聯(lián)系。

為了評(píng)估保護(hù)系統(tǒng)的可靠性,考慮了變電站的線路保護(hù),采用故障樹(shù)分析法進(jìn)一步評(píng)估變電站故障概率。該法適用于分析復(fù)雜系統(tǒng),通過(guò)故障樹(shù)定量化計(jì)算或估計(jì)系統(tǒng)頂事件發(fā)生概率及其可靠性指標(biāo)。線路保護(hù)一般由兩個(gè)繼電器組成,即主繼電器與備用繼電器,以提高保護(hù)可靠性。評(píng)估系統(tǒng)可靠性和因素影響的方法是通過(guò)故障樹(shù)來(lái)分析從一個(gè)設(shè)備的故障率如何影響整個(gè)系統(tǒng)。但是故障樹(shù)很難識(shí)別一個(gè)子系統(tǒng)中的故障或動(dòng)作如何影響另一個(gè)子系統(tǒng)[6]。變電站故障樹(shù)如圖3所示。根據(jù)圖2給出的故障樹(shù)及數(shù)據(jù),可以推導(dǎo)出每個(gè)元件及保護(hù)系統(tǒng)的可靠性?？煽啃院瘮?shù)為:

圖3 變電站各種類型故障相應(yīng)的故障樹(shù)Fig.3 Fault tree corresponding to various types of substation faults

R(t)=exp(-λ.t)

(1)

該函數(shù)定義了時(shí)間段t的可靠性。通過(guò)方程(1)與圖2,在主保護(hù)與后備保護(hù)投入下可以估計(jì)每個(gè)元件的故障概率,如表1所示。

表1 各個(gè)元件的故障概率Tab.1 Failure probability of each component

采用圖3所示的故障樹(shù)分析法,根據(jù)各個(gè)元器件故障概率,分析計(jì)算變電站保護(hù)失效的概率如下

(P(E)=1-R):

P(G1)=P(E1)+P(E2)+P(E3)+P(E4)+P(E5)+P(E6)+P(E7)=0.0049

(2)

P(G2)=P(E1)+P(E2)+P(E3)+P(E4)+P(E5)+P(E6)+P(E10)=0.0053

(3)

P(G3)=P(G1)

P(G2)=2.597×10-5

(4)

P(G4)=(PROTECTIONFAILURE)=P(E8)+P(G3)+P(E9)=4.026×10-3

(5)

E1～E10分別代表繼電器故障、回路故障、內(nèi)部的設(shè)置及邏輯問(wèn)題、PT、CT、直流系統(tǒng)、PLC、開(kāi)關(guān)故障、人為因素及通信中斷的故障概率。

P(G1)為二次系統(tǒng)控制的故障概率;P(G2)為二次系統(tǒng)通信的故障概率;P(G3)為二次系統(tǒng)的故障概率;P(G4)為保護(hù)系統(tǒng)故障失效概率。

可以看出,由于主備保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用,高壓變電站保護(hù)系統(tǒng)故障概率很低。

4 結(jié)論

變電站保護(hù)系統(tǒng)包含許多相互關(guān)聯(lián)的元件,因此每個(gè)元件的故障都可能導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)的故障。各元件的連續(xù)運(yùn)行不受任何干擾取決于多方面的原因。

繼電器可根據(jù)CT與PT提供的電流及電壓值來(lái)判斷故障,CT與VT故障率低于其他元件,但老化會(huì)降低其精度。近年來(lái),光學(xué)電流互感器(OCT)的出現(xiàn)大大降低了故障率,提高了精度。變電站直流電源的任何中斷都會(huì)中斷保護(hù)及控制系統(tǒng)。應(yīng)確保直流設(shè)備及電路(如電池、充電器、接線、跳閘線圈、輔助繼電器)的正常工作。低負(fù)荷與低速輔助繼電器的應(yīng)用是直流電路故障的主要原因之一。

繼電器內(nèi)部元件故障導(dǎo)致的故障率值大于其他原因造成的故障率。盡管現(xiàn)在大多數(shù)繼電器都是數(shù)字繼電器,它們比靜態(tài)與機(jī)電繼電器具有更高的可用性,但由于其復(fù)雜性,更有可能發(fā)生故障。人為錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)、設(shè)置及測(cè)試是導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)故障的主要原因,需做好主保護(hù)及備用保護(hù),使用不同廠家的主繼電器及備用繼電器。