電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)探究及技術(shù)應(yīng)用分析

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司 戴智慧

近年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的影響下，城市對(duì)電力需求的持續(xù)增加，變電站工程的建設(shè)數(shù)量和規(guī)模持續(xù)增加，為經(jīng)濟(jì)、生活帶來(lái)了便利。繼電保護(hù)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)管理較為重要的裝置，其在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電以及電能轉(zhuǎn)換等工序中發(fā)揮著電氣量保護(hù)作用。從某方面說(shuō)，繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，直接決定了電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量與整體安全性。為此，重視起對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)問(wèn)題的解決，保障其運(yùn)行質(zhì)量至關(guān)重要。如果不注意裝置的設(shè)計(jì)和技術(shù)的應(yīng)用，其可對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)正常使用帶來(lái)影響，對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)沖擊，甚至還可能因此引發(fā)停電事故，引發(fā)嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

1 電力系統(tǒng)的主要故障問(wèn)題

1.1 外部電磁感應(yīng)問(wèn)題

電力系統(tǒng)的內(nèi)部導(dǎo)體與外殼的間距相對(duì)較小，這種過(guò)小的間距造成了電磁耦合的增強(qiáng)，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的電磁耦合過(guò)于強(qiáng)大，因此會(huì)造成運(yùn)行電流的上升幅度在短期內(nèi)過(guò)高過(guò)快。在常規(guī)的運(yùn)作模式下，系統(tǒng)可以依靠繼電保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)三相電流的相對(duì)平衡[1]。但是，因電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性和布置設(shè)計(jì)，以及導(dǎo)體和外殼無(wú)法達(dá)成百分百的方案等因素所帶來(lái)的影響，內(nèi)部導(dǎo)體與外殼間無(wú)法達(dá)成絕對(duì)的平衡，即會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差的存在讓電力系統(tǒng)必然會(huì)出現(xiàn)外部電磁感應(yīng)問(wèn)題，因此如何避免這一問(wèn)題成為屏蔽系統(tǒng)主要故障的關(guān)鍵。

作為引發(fā)電磁感應(yīng)問(wèn)題主要因素的電力系統(tǒng)外殼，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上被分成了連續(xù)性結(jié)構(gòu)和非連續(xù)性結(jié)構(gòu)兩種，因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，最終產(chǎn)生的感應(yīng)電流狀態(tài)也不同。在電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相的內(nèi)部故障時(shí)，其外殼會(huì)發(fā)生感應(yīng)電流和電壓，如果此時(shí)的外殼是連續(xù)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沿母線方向的各段殼體之間會(huì)發(fā)生電氣連通的情況，在這種情況下，母線電流就會(huì)在電力系統(tǒng)的外殼處引發(fā)感應(yīng)電壓，感應(yīng)電流也因?yàn)殡姎膺B通的緣故以縱向電流形態(tài)存在。如果此時(shí)的外殼是非連續(xù)性設(shè)計(jì)，則各段殼體的電氣無(wú)法實(shí)現(xiàn)連通，處于隔斷的狀態(tài)，母線電流雖然也會(huì)在外殼上引起感應(yīng)電壓，但由于電氣隔絕，所以不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)性結(jié)構(gòu)下的縱向電流，而是在隔斷的外殼處形成局部感應(yīng)電流。

1.2 瞬時(shí)過(guò)電壓?jiǎn)栴}

電力系統(tǒng)中，硬件的運(yùn)行時(shí)間一長(zhǎng)線路容易老化，同時(shí)線路故障發(fā)生率也會(huì)變高，穩(wěn)定性也會(huì)變差，難以確保線路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。引起通訊線路破壞的因素較多，如瞬時(shí)高電流、電壓等，均會(huì)損壞通信線路，以及影響線路兩邊的有關(guān)設(shè)備，另外雷雨也可能對(duì)通信線路等硬件造成損壞。所以在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，隔離開(kāi)關(guān)和斷路器等一般設(shè)計(jì)為分合閘操作，在這種設(shè)計(jì)下，電力系統(tǒng)會(huì)有快速暫態(tài)過(guò)程，快速暫態(tài)容易讓接地外殼的電位出現(xiàn)短時(shí)上升，在較短的時(shí)間中迅速增大，在超過(guò)保護(hù)介質(zhì)的承受力后，就會(huì)出現(xiàn)擊穿故障。

以隔離開(kāi)關(guān)為例，隔離開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，動(dòng)靜觸頭的距離逐步縮小，當(dāng)斷口間距離難以承受電壓差時(shí)，斷口間發(fā)生擊穿，電弧受觸頭的運(yùn)動(dòng)、氣體氣流影響、電源電壓變化等影響，將會(huì)反復(fù)發(fā)生電弧擊穿、熄滅，形成一連串的高頻脈沖波，在脈沖波形成后，會(huì)按照一定速度進(jìn)行傳播，當(dāng)脈沖波傳播到母線終端或保護(hù)區(qū)分等波阻抗發(fā)生顯著變化部位時(shí)行波將全反射，導(dǎo)致該部分殼體電位上升，該高頻低能、持續(xù)時(shí)間較短的瞬時(shí)過(guò)電壓，會(huì)導(dǎo)致空氣氣隙擊穿而出現(xiàn)聲、光現(xiàn)象，不僅影響到變電站的運(yùn)作效率，而且還給電力系統(tǒng)造成了安全隱患[2]。

1.3 電力系統(tǒng)裝置外殼接觸電壓?jiǎn)栴}

在系統(tǒng)運(yùn)行和維養(yǎng)中，工作人員和繼電保護(hù)裝置不存在間隔性，工作人員能夠無(wú)阻礙和繼電保護(hù)裝置的外殼自由接觸，如果不將接觸電壓控制在安全范圍中，會(huì)提高工作人員的人身安全威脅。一般思路是將故障電流控制在最小電阻回路，然后通過(guò)接地網(wǎng)釋放，以此避免外殼的接觸電壓均對(duì)工作人員的人身安全造成威脅[3]。

在系統(tǒng)運(yùn)作中，會(huì)對(duì)工作人員個(gè)人安全帶來(lái)威脅的故障有以下兩種，一種是發(fā)生在裝置內(nèi)部的故障，常見(jiàn)的有母線導(dǎo)體與外殼之間發(fā)生閃絡(luò)，另一種是發(fā)生在裝置外部的故障，也就是在外殼上形成的感應(yīng)電流。在處理故障問(wèn)題時(shí)，需要結(jié)合內(nèi)外故障的特點(diǎn)做針對(duì)性的預(yù)防，根據(jù)接地電流的變化情況、感應(yīng)電壓變化情況、電流路徑差異、電壓上升差異進(jìn)行調(diào)整，減少工作人員接觸繼電保護(hù)裝置中可能面臨的人身安全威脅。

2 繼電保護(hù)的技術(shù)運(yùn)用

2.1 繼電保護(hù)裝置的優(yōu)化原理

在優(yōu)化過(guò)程中，公式Q=2πfCU2是比較重要的算式，借助該公式可對(duì)繼電保護(hù)裝置的出力大小與電壓、頻率、容量大小的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算和明晰。式中：Q表示電容器的功率，單位Var；f表示系統(tǒng)頻率50Hz/60Hz，C為電容器容量，單位uF；U表示系統(tǒng)電壓，單位kV，在公式中，核心點(diǎn)在于C數(shù)值，該數(shù)值的變化會(huì)讓Q值也跟著發(fā)生改變，國(guó)外有案例利用將頻率f改變來(lái)使大小發(fā)生變化，而國(guó)內(nèi)主要是改變繼電保護(hù)裝置電壓U。

2.2 繼電保護(hù)裝置的優(yōu)化思路

繼電保護(hù)裝置是由控制器、電壓調(diào)節(jié)器和電源三個(gè)部分共同組成。保護(hù)裝置的控制器依據(jù)九區(qū)圖原理對(duì)電力系統(tǒng)的電流和電壓等信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系，并對(duì)電壓值和cosφ值進(jìn)行合理設(shè)定。控制器在設(shè)定中會(huì)對(duì)電壓與cosφ進(jìn)行檢測(cè)，如果未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)對(duì)變壓器調(diào)節(jié)，讓繼電保護(hù)裝置的輸出得到調(diào)整，確保電壓和cosφ符合標(biāo)準(zhǔn)[4]。

電壓調(diào)節(jié)器屬于有載自耦的調(diào)壓器，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，能夠得出調(diào)節(jié)器中輸出的電壓是母線電壓±10%調(diào)節(jié)范圍。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行控制，采用9檔，每檔調(diào)節(jié)額定電壓的5%。

繼電保護(hù)裝置（C）氛圍線路型和變電站兩種，二者在結(jié)構(gòu)上并無(wú)不同，唯一的差別在容量上。后者略高，約為750～18000kVar，前者為300～1000kVar。就功能來(lái)說(shuō)，變電站主要利用對(duì)主變分接頭進(jìn)行控制來(lái)達(dá)到對(duì)母線電壓進(jìn)行控制的效果，但線路型卻不具備；與此同時(shí)，變電站可通過(guò)對(duì)型號(hào)的控制，將主變電源側(cè)三相電流電壓實(shí)現(xiàn)，而線路型則是通過(guò)對(duì)BC相線電壓A相電流予以控制。

2.3 繼電保護(hù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，電壓綜合自動(dòng)控制裝置（VQC）得到了較為廣泛的運(yùn)用，但是在地區(qū)的限制下，難以對(duì)全部電壓設(shè)備以及容量進(jìn)行控制，還極易由于節(jié)點(diǎn)分散工資使得功率在分布方面出現(xiàn)不合理的情況。所以，必須對(duì)裝置設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計(jì)措施主要包含以下幾點(diǎn)。

建立控制系統(tǒng)。在相關(guān)電力回路中對(duì)繼電器進(jìn)行安裝，借助五類雙絞線將各個(gè)模塊連接起來(lái)，然后組成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)順利實(shí)現(xiàn)電力控制。各模塊對(duì)一個(gè)單元地址進(jìn)行設(shè)置，接著輸入至控制主機(jī)，創(chuàng)建有關(guān)控制關(guān)系，經(jīng)過(guò)輸出單元由繼電器進(jìn)一步控制電力系統(tǒng)。各繼電器是獨(dú)立存在的，屬于對(duì)等關(guān)系，能夠采取集中控制以及現(xiàn)場(chǎng)分散控制；BAS系統(tǒng)與電力系統(tǒng)連接，能夠在BAS控制面板里面全面監(jiān)控電力系統(tǒng)的實(shí)際情況。

系統(tǒng)采取相應(yīng)的編程軟件。操作者能夠?qū)ο到y(tǒng)實(shí)施編程。這有利于更好地適應(yīng)未來(lái)可能出現(xiàn)的系統(tǒng)改變，在改造小型電力系統(tǒng)的過(guò)程中，僅需修改編程就能夠?qū)崿F(xiàn)；借助PC接頭模塊，將計(jì)算機(jī)以及系統(tǒng)充分聯(lián)系起來(lái)；在控制室安裝一臺(tái)電力計(jì)算機(jī)，借助網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)施編程，通過(guò)圖形模擬更好地展現(xiàn)設(shè)備平面圖，在圖上顯示各設(shè)備的具體使用情況。在網(wǎng)絡(luò)的界面上，不僅能夠?qū)Ω鲄^(qū)域的電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，而且可實(shí)時(shí)關(guān)閉、開(kāi)啟動(dòng)作。操作者能夠借助界面進(jìn)一步監(jiān)視電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，使用鼠標(biāo)對(duì)圖形進(jìn)行點(diǎn)擊，然后實(shí)施控制。

建立優(yōu)化動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。設(shè)電網(wǎng)包含的節(jié)點(diǎn)有n個(gè)，然后將24h電能損耗作為目標(biāo)函數(shù)，控制變量分別是變壓器分接頭位置、補(bǔ)償量。模型如下：

在上述模型中，V、Q、T、Si指的是電壓、量、變壓器接頭位置、變電站VQC限值，另外Δt指的是負(fù)荷近似維持不變的時(shí)間段，本文通過(guò)Δt=1h、ft（Qt，Tt）=0來(lái)反映t時(shí)段功率平衡方程式組。

計(jì)算方法優(yōu)化。電力系統(tǒng)有很多顯著特征，如難度高、計(jì)算復(fù)雜?；诖?，能夠采取推動(dòng)潮流計(jì)算效率提高以及優(yōu)化編碼等措施，對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行全面、科學(xué)的優(yōu)化。可以應(yīng)用遺傳算法，能夠有效合理地解決優(yōu)化存在的問(wèn)題，推動(dòng)潮流計(jì)算效率的加強(qiáng)。其一，進(jìn)行迭代計(jì)算的過(guò)程中對(duì)需要對(duì)潮流計(jì)算精度進(jìn)行全面調(diào)整，諸如在計(jì)算初始階段對(duì)精度進(jìn)行降低，后期則相反；其二，進(jìn)行具體計(jì)算前需要進(jìn)行比較檢查，重點(diǎn)內(nèi)容在于計(jì)算個(gè)體和計(jì)算完成個(gè)體是否存在相同抑或是相似的地方，然后結(jié)合計(jì)算經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算群體予以調(diào)整，進(jìn)而讓計(jì)算工作量得到降低。

2.4 繼電保護(hù)裝置的運(yùn)作設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)字電路而言，每一信息都是根據(jù)一固定序列排列，因此可利用一定校驗(yàn)算法，形成原始碼與校驗(yàn)碼的聯(lián)系，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)原始碼即可通過(guò)校驗(yàn)碼進(jìn)行錯(cuò)誤辨識(shí)，即通過(guò)對(duì)某一功能模塊進(jìn)行監(jiān)視，或是監(jiān)視繼電保護(hù)裝置工作時(shí)間是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，以此來(lái)對(duì)功能予以判斷。定時(shí)監(jiān)視法可應(yīng)用在硬件上，也可應(yīng)用軟件上，還可在軟件混合狀態(tài)下監(jiān)測(cè)，如到計(jì)算機(jī)保護(hù)，因受到強(qiáng)磁干擾影響，微處理器工作從正常程序軌道偏離，無(wú)法響應(yīng)。在這一情況下，定時(shí)監(jiān)視法就會(huì)強(qiáng)行復(fù)位微處理器，以達(dá)到接式微處理器運(yùn)行目的。

對(duì)于部分環(huán)境情況嚴(yán)峻，會(huì)對(duì)人員造成危害的，不適宜人工操作的，也可以選擇引入人工智能，從而替代人工完成一些必要的工作，針對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行故障排查。

在設(shè)計(jì)繼電保護(hù)裝置的過(guò)程中，必須根據(jù)相關(guān)規(guī)定將其更換為符合標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合性材料。除此之外，針對(duì)導(dǎo)電鋁排或者銅排，必須為其裝設(shè)熱縮保護(hù)套。如此就能夠較好地避免因帶電體的裸露而帶來(lái)的意外人員傷亡事故，與此同時(shí)，還必須對(duì)有害氣體進(jìn)行嚴(yán)格控制，以免對(duì)導(dǎo)電鋁排或者銅排帶來(lái)腐蝕，影響其性能。此外，在日常維護(hù)管理中，為了更好的保障保護(hù)爬距處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，還需要定期進(jìn)行間隔距離的校驗(yàn)，及時(shí)做好相應(yīng)調(diào)整或者配件更換。

在對(duì)繼電保護(hù)裝置實(shí)施檢測(cè)期間，必須根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求來(lái)嚴(yán)格落實(shí)，確保繼電保護(hù)裝置能夠始終保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)下。必須根據(jù)《電力安全工作規(guī)程》《電力設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)要求對(duì)電力設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)技術(shù)實(shí)施強(qiáng)化管理。同時(shí)，還必須定期對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，及時(shí)掌握其存在的問(wèn)題，做好預(yù)防性糾偏調(diào)整處理，確保其始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。研究人員可在繼電保護(hù)裝置中配置專門的濾網(wǎng)或者網(wǎng)柵，最大限度上防止灰塵的進(jìn)入，同時(shí)加強(qiáng)通風(fēng)，降低潮濕度。針對(duì)相對(duì)較為潮濕的區(qū)域，那么需要配置相應(yīng)的去潮濕裝置。在進(jìn)出電纜孔時(shí)還必須注意配置相應(yīng)的阻燃材料，同時(shí)加強(qiáng)封填處理，針對(duì)可能進(jìn)入潮氣的部件做好相應(yīng)的封堵處理，降低設(shè)備濕度。

在對(duì)繼電保護(hù)裝置實(shí)施安裝處理時(shí)，必須重視其對(duì)相應(yīng)材料的檢查，并注意保證所選擇配件均有較強(qiáng)保護(hù)性能，以便更好的提升整體保護(hù)性能。在進(jìn)行安裝處理期間，必須根據(jù)具體的工藝要求來(lái)進(jìn)行合理處理，加強(qiáng)線路加固、元件打磨等操作，以免上述因素對(duì)繼電保護(hù)裝置的保護(hù)性能帶來(lái)影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可促進(jìn)內(nèi)部電壓的提高，并對(duì)能量損耗的情況進(jìn)行降低，進(jìn)而降低電力系統(tǒng)的故障發(fā)生概率，確保繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中發(fā)揮出更好的作用。