變電站保護系統(tǒng)故障及可靠性分析

李旭東,周旖輝

(國網(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的電氣量(電流、電壓、功率、頻率等)的變化構(gòu)成繼電保護系統(tǒng)動作原理[1],檢測故障并在最短時間內(nèi)切除故障,保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

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

本研究介紹了保護系統(tǒng)故障類型,包括各元件故障率及平均故障時間(MTTF)的統(tǒng)計數(shù)據(jù),對各個元件的可靠性進行分析,對整個變電站進行可靠性評價。

1 保護系統(tǒng)故障類型

1)繼電器故障。根據(jù)IEC60255-23標準,當繼電器永久無法執(zhí)行其所需功能時,就會發(fā)生繼電器故障。多數(shù)導致電力故障事件升級的直接原因都可以追溯到繼電器誤動作。數(shù)據(jù)表明,這是由于繼電器元件自身故障導致其誤動作而引發(fā)整個電力系統(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致保護系統(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。保護系統(tǒng)通信用于遠程系統(tǒng)保護及線路差動保護。當線路的通信受到干擾,造成數(shù)據(jù)傳輸錯誤或數(shù)據(jù)丟失,會影響保護系統(tǒng)的正確動作[5]。

5)人為的錯誤設(shè)計、設(shè)置或邏輯。保護系統(tǒng)設(shè)計、邏輯及設(shè)置不正確是導致保護系統(tǒng)失效的主要原因。例如,線路保護功能設(shè)置及邏輯不當,導致保護系統(tǒng)不動作或誤動作。

6)測試過程中的人為誤差。程序測試過程中的人為錯誤可能導致保護系統(tǒng)誤動作。

7)斷路器故障。斷路器是保護系統(tǒng)中最重要的元件。當保護動作時,斷路器應(yīng)立即響應(yīng)命令,進行相應(yīng)的動作。斷路器的內(nèi)部氣體及氣壓、斷路器的老化、斷路器機構(gòu)的缺陷等都會導致斷路器故障。

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

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、減負荷、繼電器的邏輯及設(shè)置、變壓器、操作、電纜線、過負荷、電抗器、避雷器、母線、補償變壓器、電容器、隔離開關(guān)、阻波器、PLC、其他及未知原因[6]。保護系統(tǒng)失效并導致電網(wǎng)中斷的原因數(shù)量如圖1所示。

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

變電站的平均故障時長(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致保護系統(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)與機械繼電器可能是導致繼電器故障的主要原因。許多斷路器的老化可能是導致斷路器故障率高的主要原因。

3 可靠性分析

故障樹分析法(Fault Tree Analysis,FTA)是對系統(tǒng)進行可靠性分析的最常見方法之一[7]。是在系統(tǒng)設(shè)計或改進過程中對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素進行分析,畫出邏輯框圖(即故障樹),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)計分析方法及評估方法[8-9]。

故障樹分析法可根據(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,此時的中間事件處于過渡狀態(tài)。底事件是對中間事件作進一步的研究分析,直到找出導致該故障的基本原因。以上事件分別用事件符號與邏輯符號表示,并通過邏輯把各事件連接成故障樹。故障樹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。

為了評估保護系統(tǒng)的可靠性,考慮了變電站的線路保護,采用故障樹分析法進一步評估變電站故障概率。該法適用于分析復(fù)雜系統(tǒng),通過故障樹定量化計算或估計系統(tǒng)頂事件發(fā)生概率及其可靠性指標。線路保護一般由兩個繼電器組成,即主繼電器與備用繼電器,以提高保護可靠性。評估系統(tǒng)可靠性和因素影響的方法是通過故障樹來分析從一個設(shè)備的故障率如何影響整個系統(tǒng)。但是故障樹很難識別一個子系統(tǒng)中的故障或動作如何影響另一個子系統(tǒng)[6]。變電站故障樹如圖3所示。根據(jù)圖2給出的故障樹及數(shù)據(jù),可以推導出每個元件及保護系統(tǒng)的可靠性。可靠性函數(shù)為:

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

R(t)=exp(-λ.t)

(1)

該函數(shù)定義了時間段t的可靠性。通過方程(1)與圖2,在主保護與后備保護投入下可以估計每個元件的故障概率,如表1所示。

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

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

(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)置及邏輯問題、PT、CT、直流系統(tǒng)、PLC、開關(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)為保護系統(tǒng)故障失效概率。

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

4 結(jié)論

變電站保護系統(tǒng)包含許多相互關(guān)聯(lián)的元件,因此每個元件的故障都可能導致保護系統(tǒng)的故障。各元件的連續(xù)運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判斷故障,CT與VT故障率低于其他元件,但老化會降低其精度。近年來,光學電流互感器(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中斷保護及控制系統(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。人為錯誤的設(shè)計、設(shè)置及測試是導致保護系統(tǒng)故障的主要原因,需做好主保護及備用保護,使用不同廠家的主繼電器及備用繼電器。