论电力系统继电保护可靠性.doc

目目 录录 1 绪论 1 1 1 继电保护发展简史 1 1 2 继电保护的基本原理 2 1 3 对继电保护装置的要求 3 1 4 保护装置的构成 4 1 5 继电保护可靠性研究现状 5 1 6 继电保护可靠性分析的意义 7 1 7 本文的主要工作 7 2 电力系统继电保护设备可靠性分析 9 2 1 电力系统继电保护 9 2 2 可靠性基础 10 2 3 继电保护设备的可靠性 12 2 4 继电保护装置可靠性评估方法 14 3 影响电力系统继电保护设备可靠性的各种因素 17 3 1 继电保护设备自身的因素 17 3 2 软件因素 19 3 3 外部环境等因素 20 3 4 人为因素 20 4 提高电力系统继电保护设备可靠性的各种技术措施 21 4 1 冗余技术 21 4 2 降额设计 22 4 3 EMC 设计 22 4 4 提高软件可靠性 23 4 5 三次设计 24 4 6 提高人机交互可靠性 25 4 7 综合分析提高可靠性的技术措施 27 5 2 提高电力线路微机继电保护装置可靠性的研究 31 结论 35 致谢 36 参考文献 37 论电力系统继电保护可靠性 1 1 绪论 1 1 继电保护发展简史 电力系统继电保护一词泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成 的继电保护系统 包括继电保护的原理设计 配置 整定 调试等技术 也包括由获取电量信息的电压 电流互感二次回路 经过继电保护装置到 断路器跳闸线圈的一整套具体设备 如果需要利用通信手段传送信息 还 包括通信设备 继电保护科学和技术是随着电力系统的发展而发展起来的 电力系统 发生短路是不可避免的 伴随着短路 电流增大 为避免发电机被烧坏 最早采用熔断器串联于供电线路中 当发生短路时 短路电流首先熔断熔 断器 断开短路的设备 保护发电机 这种保护方式 由于简单 时至今 日仍广泛应用于低压线路和用电设备 由于电力系统的发展 用电设备的 功率 发电机的容量增大 电力网的接线日益复杂 熔断器已不能满足选 择性和快速性的要求 于 1890 年后出现了直接装于断路器上反应一次电流 的电磁型过电流继电器 19 世纪初期 继电器才广泛应用于电力系统的保 护 被认为是继电保护技术发展的开端 1901 年出现了感应型过电流继电器 1908 年提出了比较被保护元件两 端电流的电流差动保护原理 1910 年方向性电流保护开始应用 并出现了 将电流与电压相比较的保护原理 导致了 1920 年后距离保护装置的出现 随着电力线载波技术的发展 在 1927 年前后 出现了利用高压输电线两端 功率方向或电流相位的高频保护装置 在 1950 年稍后 就提出了利用故障 点产生的行波实现快速保护的设想 在 1957 年前后诞生了行波保护装置 1980 年左右反应工频故障分量原理的保护被大量研究 1990 年后该原理的 保护装置被广泛应用 与此同时 随着材料 器件 制造技术等相关学科的发展 继电保护 装置的结构 型式和制造工艺也发生着巨大的变化 经历了机电式保护装 置 静态继电保护装置和数字式继电保护装置三个发展阶段 20 世纪 50 年代 随着晶体管的发展 出现了晶体管式继电保护装置 这种保护装置体积小 动作速度快 无机械转动部分 无触点 20 世纪 70 年代 晶体管式保护在我国大量采用 20 世纪 80 年代后期 静态继电保护 装置由晶体管式向集成电路式过渡 成为静态继电保护的主要形式 20 世纪 60 年代末 已有了用小型计算机实现继电保护的设想 但由于 小型计算机当时价格昂贵 难于实际采用 随微处理器技术的发展 和价 格的急剧下降 在 20 世纪 70 年代后期 出现了性能比较完善的微机保护 样机并投入系统试运行 80 年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋 成熟 20 世纪 90 年代后半期 在数字式继电保护技术和调试自动化技术的支撑下 变电所自动化技术和无人值守运行模式得到迅速发展 融测量 控制 保 护和数据通信为一体的变电所综合自动化装备 已成为目前我国绝大部分 新建变电所的二次装备 继电保护技术与其他学科的交叉 渗透深入 论电力系统继电保护可靠性 2 1 2 继电保护的基本原理 继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是 发生了故障 是保护区内故障还是区外故障的功能 保护装置要实现这一 功能 需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构 成 电力系统发生故障后 工频电气量变化的主要特征是 1 电流增大 短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的 电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流 2 电压降低 当发生相间短路和接地短路故障时 系统各点的相间 电压或相电压值下降 且越靠近短路点 电压越低 3 电流与电压之间的相位角改变 正常运行时电流与电压间的相位 角是负荷的功率因数角 一般约为 20 三相短路时 电流与电压之间的 相位角是由线路的阻抗角决定的 一般为 60 85 而在保护反方向三 相短路时 电流与电压之间的相位角则是 180 60 85 4 测量阻抗发生变化 测量阻抗即测量点 保护安装处 电压与电流 之比值 正常运行时 测量阻抗为负荷阻抗 金属性短路时 测量阻抗转 变为线路阻抗 故障后测量阻抗显著减小 而阻抗角增大 不对称短路时 出现相序分量 如两相及单相接地短路时 出现负序 电流和负序电压分量 单相接地时 出现负序和零序电流和电压分量 这 些分量在正常运行时是不出现的 利用短路故障时电气量的变化 便可构成各种原理的继电保护 此外 除了上述反应工频电气量的保护外 还有反应非工频电气量的 保护 因此继电保护基本原理是利用被保护线路或设备故障前后某些变化的 物理量为信息量 当信息量达到一定值时 起动逻辑环节 发出相应的命 令 1 利用基本电气参数量的区别 发生短路故障后 利用电流 电压 线路测量阻抗 电压电流间相位 负序和零序分量的出现等的变化 构成相应的保护 过电流保护 反应电流增大而动作的保护称为过电流保护 如在线路上发生三相短 路故障 则从电源到短路点之间将流过短路电流 短路点之前的保护都可 以反应到这个电流 但是只有离短路点最近的保护才最快跳闸来切除故障 低电压保护 低电压保护是反应电压降低而动作的保护 距离保护 距离保护也称低阻抗保护 是反应保护安装处到短路点之间的阻抗下 降而动作的保护 2 利用比较两侧的电流相位 正常运行时线路两侧的电流大小相等 相位差为 180 度 外部短路时 论电力系统继电保护可靠性 3 结论与正常运行相同 若两侧电流相位相同 则判为内部故障 3 反应序分量或突变量是否出现 电力系统对称运行时 不存在负序 零序分量 当发生不对称短路时 将出现负序 零序分量 可以根据是否出现负序 零序分量构成序分量保 护 根据正序突变量构成对称 不对称短路保护 4 反应非电量保护 瓦斯保护 过负荷保护等 1 3 对继电保护装置的要求 继电保护装置为了完成它的任务 必须在技术上满足选择性 速动性 灵敏性和可靠性四个基本要求 对于作用于继电器跳闸的继电保护 应同 时满足四个基本要求 而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的 继电保护装置 这四个基本要求中有些要求可以降低 1 选择性 选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时 其继电保护仅 将故障的设备或线路从电力系统中切除 当故障设备或线路的保护或断路 器拒动时 应由相邻设备或线路的保护将故障切除 2 速动性 速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障 以减少设备及用户在 大电流 低电压运行的时间 降低设备的损坏程度 提高系统并列运行的 稳定性 一般必须快速切除的故障有 1 使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值 一般为 0 7 倍额定电 压 2 大容量的发电机 变压器和电动机内部故障 3 中 低压线路导线截面过小 为避免过热不允许延时切除的故障 4 可能危及人身安全 对通信系统或铁路信号造成强烈干扰的故障 故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间 一般快速保护的动作 时间为 0 04s 0 08s 最快的可达 0 01s 0 04s 一般断路器的跳闸时间 为 0 06s 0 15s 最快的可达 0 02s 0 06s 对于反应不正常运行情况的继电保护装置 一般不要求快速动作 而 应按照选择性的条件 带延时地发出信号 3 灵敏性 灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运 行情况时 保护装置的反应能力 能满足灵敏性要求的继电保护 在规定的范围内故障时 不论短路点 的位置和短路的类型如何 以及短路点是否有过渡电阻 都能正确反应动 作 即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作 而且在系 论电力系统继电保护可靠性 4 统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动 作 系统最大运行方式 被保护线路末端短路时 系统等效阻抗最小 通 过保护装置的短路电流为最大运行方式 系统最小运行方式 在同样短路故障情况下 系统等效阻抗为最大 通过保护装置的短路电流为最小的运行方式 保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量 4 可靠性 可靠性包括安全性和信赖性 是对继电保护最根本的要求 安全性 要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作 即不发生误动 信赖性 要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时 可靠动作 即不拒动 继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害 即使对于相同的电力元件 随着电网的发展 保护不误动和不拒动对 系统的影响也会发生变化 以上四个基本要求是设计 配置和维护继电保护的依据 又是分析评 价继电保护的基础 这四个基本要求之间是相互联系的 但往往又存在着 矛盾 因此 在实际工作中 要根据电网的结构和用户的性质 辩证地进 行统一 1 4 保护装置的构成 输入信号 测量 部分 整定值 逻辑 部分 执行 部分 输出信号 图 1 1 继电保护装置的构成 1 测量部分 测量被保护对象的有关物理量 与给定量进行比较 给 出 是 或 非 信号 2 逻辑部分 根据测量输出的大小 性质 输出逻辑状态 使保护按 一定逻辑关系工作 然后确定跳闸或发信号 3 执行部分 根据逻辑部分传送的信号 最后完成保护装置所承担的 任务 论电力系统继电保护可靠性 5 1 5 继电保护可靠性研究现状 电力系统是由发电 变电 输电 配电和用电等环节组成的电能生产 与消费系统 它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置 主要包括 锅炉 汽轮机 发电机及电厂辅助生产系统等 转化成电能 再经输 变电 系统及配电系统将电能供应到各负荷中心 通过各种设备再转换成动力 热 光等不同形式的能量 为地区经济和人民生活服务 由于电源点与负 荷中心多数处于不同地区 也无法大量储存 故其生产 输送 分配和消 费都在同一时间内完成 并在同一地域内有机地组成一个整体 电能生产 必须时刻保持与消费平衡 因此 电能的集中开发与分散使用 以及电能 的连续供应与负荷的随机变化 就制约了电力系统的结构和运行 据此 电 力系统要实现其功能 就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制 系统 以便对电能的生产和输运过程进行测量 调节 控制 保护 通信 和调度 确保用户获得安全 经济 优质的电能 电力系统中网络结点千 百个交织密布 有功潮流 无功潮流 高次谐波 负序电流等以光速在全 系统范围传播 电能既能输送大量电能 创造巨大财富 也能在瞬间造成重大的灾难 性事故 为保证系统安全 稳定 经济地运行 必须在不同层次上依不同 要求配置各类自动控制装置与通信系统 组成信息与控制子系统 它成为 实现电力系统信息传递的神经网络 使电力系统具有可观测性与可控性 从而保证电能生产与消费过程的正常进行以及事故状态下的紧急处理 所 以出现了继电保护 研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况 以探 讨其对策的反事故自动化措施 保护电力系统及其元件 发电机 变压器 输电线路等 使之免遭损害 基本任务是 当电力系统发生故障或异常工 况时 在可能实现的最短时间和最小区域内 自动将故障设备从系统中切 除 或发出信号由值班人员消除异常工况根源 以减轻或避免设备的损坏 和对相邻地区供电的影响 电力系统作为一个庞大复杂的系统 各元件之间通过电或磁发生联系 任何元件发生故障都将在不同程度上影响系统的正常运行 继电保护作为 电力技术的一环 它对保障电力系统安全运行 提高社会经济效益起到举 足轻重的作用 电力系统由于其覆盖的地域极其辽阔 运行环境极其复杂 以及各种人为因素的影响 电气故障的发生是不能完全避免的 在电力系 统中的任何一处发生事故 都有可能对电力系统的运行产生重大影响 为 了确保电力系统的正常运行 必须正确地设置继电保护设备 2 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求 电子技术 计算 机技术和通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的 活力 我国继电保护技术在建国后随着电力行业的飞速发展得到了长足进 步 在电子技术 计算机应用 通讯技术不断更新完善的情况下 在 40 余 年的时间里继电保护技术完成了发展的四个历史阶段 50 年代 我国工程 论电力系统继电保护可靠性 6 技术人员创造性地吸收 消化 掌握了国外先进的继电保护设备性能和运 行技术 建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保 护技术队伍 对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用 期间阿 城继电器厂根据国外先进的继电器制造技术 结合国内电力行业发展状况 建立了我国自己的继电器制造业 这是机电式继电保护繁荣的时代 60 年 代到 80 年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代 其中天津大 学与南京电力自动化设备厂合作研究的 500kV 晶体管方向高频保护和南京 电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护 运行于葛洲坝 500kV 线路上 结束了我国 500kV 线路保护完全依靠从国外进口的时代 这是晶 体管继电保护时代 70 年代中 基于集成运算放大器的集成电路保护已开 始研究 到 80 年代末集成电路保护已形成完整系列 逐渐取代晶体管保护 到 90 年代初集成电路保护的研制 生产 应用已处于主导地位 这是集成 电路保护时代 我国从 20 世纪 70 年代末即已开始了计算机继电保护的研 究 1984 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定 并在电力系统中获得应用 就此揭开了我国继电保护发展史上新的一页 为微机保护的推广开辟了道路 从 90 年代开始我国继电保护技术已进入了 微机保护的时代 不同原理 不同机型的微机线路和主设备保护各具特色 为电力系统提供了一批新一代性能优良 功能齐全且工作可靠的继电保护 装置 随着微机保护装置的研究 在微机保护软件 算法等方面也取得了 很多理论成果 目前 对于可靠性理论在电力系统继电保护方面的应用研究还处于发 展时期 这方面的文献论述也不多 国内外学者主要从正确建立继电保护 系统可靠性指标体系以及如何评估可靠性指标进行了研究 在工程 理论 上也取得了一定的成果 研究系统可靠性的方法很多 其中以状态空间法 概率法 故障树法最常见 状态空间法因其适用范围较广 在可修复系统 可靠性研究中得到广泛的应用 是一种非常有效的方法 电力系统中继电 保护系统一般是可修复的 因此多数文献使用状态空间法研究继电保护系 统的可靠性 最初 由于保护系统的拒动 误动 使故障范围扩大甚至发生不可控 的连锁波及性跳闸 在电力系统实际运行中时有发生 在输电系统和发输 电组合系统的可靠性研究中 所提出的一些解析模型已初步考虑了保护系 统的影响 一般是借修正被保护元件的故障率来反映保护系统故障的影响 因而不能真实地反映保护系统对电力系统可靠性的影响 更加不能真实地 反映对电力系统事故扩大 尤其是后备保护动作 的影响 这也是人们最 初对保护系统可靠性研究的具体体现 随着人们对电力系统可靠性研究的深入 人们开始对继电保护系统可 靠性指标体系进行研究 从系统设计的角度出发 对电力系统继电保护的 可靠性指标进行了定义 把继电保护系统的可靠性指标分为设备的可靠性 与功能的可靠性 设备的可靠性以可用度描述 即从二次系统的观点描述 投入远行的继电保护系统在任何时刻处于工作状态的概率 功能的可靠性 以可靠度描述 即从一次系统的观点描述处于工作状态的继电保护系统能 够正确工作的概率 可靠度与继电保护的误动 包括无选择性动作 拒动 概率有关 以继电保护的实际工作情况为基础 完善了继电保护的各种概 率型可靠性指标概念 从设备可靠性 功能可靠性概率及频率三个方面阐 论电力系统继电保护可靠性 7 述了继电保护可靠性指标概念把继电保护可靠性指标概念分为状态概率指 标 动作比率指标 频率指标等 以概率指标的方式阐述了继电保护可靠 性指标的求解方法 利用状态空间法及网络法等通过算例进行求解可靠性 指标 在各个方面可靠性概率指标明确的基础上 进一步求得一些综合的 可靠性概率指标 分别对一套主保护 两套主保护及三套主保护三种方案 的继电保护系统可靠性指标进行了比较分析 对冗余设计与优化问题也进 行讨论 1 6 继电保护可靠性分析的意义 继电保护主要利用电力系统中原件发生短路或异常情况时电气量 电流 电压 功率等 的变化来构成继电保护动作 继电保护装置的任务在于 在 供电系统运行正常时 安全地 完整地监视各种设备的运行状况 为值班 人员提供可靠的运行依据 供电系统发生故障时 自动地 迅速地 并有 选择地切除故障部分 保证非故障部分继续运行 当供电系统中出现异常 运行工作状况时 它应能及时准确地发出信号或警报 通知值班人员尽快 做出处理 继电保护装置是一种由一个或几个具有自动机构的特殊继电器组成的 自动保护装置 它一般由测量部分 逻辑部分和执行部分而组成 继电保 护装置的可靠性是指电力系统发生故障时在其规定的范围内不拒动作 能 快速地 有选择性地 自动断开被保护元件 防止事故范围扩大化 出现 不正常工作状态时 能及时向值班人员发出故障报警信号 以便能及时消 除出现的不正常工作状态 但是在其它任何它不应动作的情况下而不产生 误动作 继电保护装置的拒动和误动都会给电力系统带来严重的危害 但 是因为电力系统的结构和负荷性质是不同的 这样而来拒动和误动给电力 系统所造成的危害也往往会不同 例如 当系统中有充足的旋转备用容量 输电线路很多 各系统之间和电源与负荷之间联系很紧密时由于继电保护 装置的误动作 使发电机变压器或输电线路切除而给电力系统造成的影响 可能很小 但如果发电机变压器或输电线路故障时继电保护装置拒动作 将会造成设备的损坏或系统稳定的破坏 损失是巨大的 故而 我们要非 常好地确保继电保护装置的可靠运行 从而才能保证整个电力系统的安全 可靠运行及其稳定性 继电保护及自动化装置是电力系统的重要组成部分 它反映电力系统 中各种电气设备在运行中是否发生故障或处于不正常的工作状态 并能实 现遥测 遥信 遥调和遥控 防止电力系统故障的扩大 因而 继电保护 及自动化装置的可靠性 对电力工业的安全生产有更为重要的意义 电力系统安全 可靠运行是非常重要的 从而要求继电保护及自动化 装置必需具有很高的可靠性 对于继电保护设备的可靠性指标和标准 目 前在国际上 也没有成熟的标准和经验可以借鉴 在通过对继电保护设备 产品工作特点的分析研究 初步确定继电保护及自动化装置的可靠性指标 为今后进一步深入开展继电保护设备可靠性研究 确定继电保护设备的可 论电力系统继电保护可靠性 8 靠性特征量奠定基础 近年来 国内各大电网由于继电保护拒动 误动引起的大面积停电事 故时有发生 给国民经济与人民生活带来极大危害 对此 防止继电保护 不正确动作 提高继电保护的运行可靠性 具有十分重要的意义 1 7 本文的主要工作 本文主要是从以下方面对电力系统继电保护设备的可靠性进行分析 1 对电力系统继电保护的特点和可靠性进行分析 说明提高电力系 统继电保护设备可靠性的意义 可靠性的主要衡量指标和影响继电保护的 主要因素 2 通过分析得出影响电力系统继电保护设备工作可靠性的各种因素 3 归纳总结提高电力系统继电保护设备可靠性的各种技术措施 4 构建电力系统继电保护设备的可靠性技术应用实例 建立其定量 分析模型 并分析讨论其可靠性 论电力系统继电保护可靠性 9 2 电力系统继电保护设备可靠性分析 2 1 电力系统继电保护 继电保护基本概念 电力系统在生产过程中 有可能发生各类故障和各种不正常情况 其 中故障一般可分为两类 横向不对称故障和纵向不对称故障 横向不对称故 障包括两相短路 单相接地短路 两相接地短路三种 纵向对称故障包括 单相断相和两相断相 又称非全相运行 电网在发生故障后会造成很严重 的后果 1 电力系统电压大幅度下降 广大用户负荷的正常工作遭到破坏 2 故障处有很大的短路电流 产生的电弧会烧坏电气设备 3 破坏发电机的并列运行的稳定性 引起电力系统震荡甚至使整个系 统失去稳定而解列瓦解 4 电气设备中流过强大的电流产生的发热和电动力 使设备的寿命减 少 甚至遭到破坏 不正常情况有过负荷 过电压 电力系统振荡等 电气设备的过负荷会 发生发热现象 会使绝缘材料加速老化 影响寿命 容易引起短路故障 所以必须设置一套设备对电力系统实施监控 并对异常情况进行动作 使损失降低到最小 所以出现了继电保护设备 继电保护主要利用电力系 统中原件发生短路或异常情况时电气量 电流 电压 功率等 的变化来构 成继电保护动作 继电保护装置的任务在于 在供电系统运行正常时 安 全地 完整地监视各种设备的运行状况 为值班人员提供可靠的运行依据 供电系统发生故障时 自动地 迅速地 并有选择地切除故障部分 保证 非故障部分继续运行 当供电系统中出现异常运行工作状况时 它应能及 时准确地发出信号或警报 通知值班人员尽快做出处理 继电保护被称为是电力系统的卫士 它的基本任务有 1 当电力系统发生故障时 自动 迅速 有选择地将故障设备从电力 系统中切除 保证系统其余部分迅速恢复正常运行 防止故障进一步扩大 2 当发生不正常工作情况时 能自动 及时地选择信号上传给运行人 员进行处理 或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备 可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分 对保证系统安全 运行 保证电能质量 防止故障的扩大和事故的发生 都有极其重要的作 用 继电保护装置广泛应用于工厂企业高压供电系统 变电站等 用于高 压供电系统线路保护 主变保护 电容器保护等 高压供电系统分母线继 电保护装置的应用 对于不并列运行的分段母线装设电流速断保护 但仅 在断路器合闸的瞬间投入 合闸后自动解除 另外 还应装设过电流保护 对于负荷等级较低的配电所则可不装设保护 变电站继电保护装置的应用 包括 1 线路保护 一般采用二段式或三段式电流保护 其中一段为电 流速断保护 二段为限时电流速断保护 三段为过电流保护 2 母联保护 需同时装设限时电流速断保护和过电流保护 论电力系统继电保护可靠性 10 3 主变保护 主变保护包括主保护和后备保护 主保护一般为重瓦 斯保护 差动保护 后备保护为复合电压过流保护 过负荷保护 4 电容器保护 对电容器的保护包括过流保护 零序电压保护 过 压保护及失压保护 随着继电保护技术的飞速发展 微机保护的装置逐渐投入使用 由于 生产厂家的不同 开发时间的先后 微机保护呈现丰富多彩 各显神通的 局面 但基本原理及要达到的目的基本一致 继电保护的特点 对继电保护装置的基本要求有四点 即选择性 灵敏性 速动性和可 靠性 1 选择性 当供电系统中发生故障时 继电保护装置应能有选择性地将故障部分 切除 也就是它应该首先断开距离故障点最近的断路器 以保证系统中其 它非故障部分能继续正常运行 系统中的继电保护装置能满足上述要求的 就称为有选择性 否则就称为没有选择性 2 灵敏性 灵敏性系指继电保护装置对故障和异常工作状况的反映能力 在保护 装置的保护范围内 不管短路点的位置如何 不论短路的性质怎样 保护 装置均不应产生拒绝动作 但在保护区外发生故障时 又不应该产生错误 动作 保护装置灵敏与否 一般用灵敏系数来衡量 保护装置的灵敏系数 应根据不利的运行方式和故障类型进行计算 灵敏系数越高 则反映轻微 故障的能力越强 各类保护装置灵敏系数的大小 根据保护装置的不同而 不尽相同 3 速动性 速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障 缩短切除故障的时间 就可以减轻短路电流对电气设备的损坏程度 加快系统电压的恢复 从而 为电气设备的自启动创造了有利条件 同时还提高了发电机并列运行的稳 定性 4 可靠性 保护装置应能正确的动作 并随时处于准备状态 如不能满足可靠性 的要求 保护装置反而成为了扩大事故或直接造成故障的根源 为确保保 护装置动作的可靠性 则要求保护装置的设计原理 整定计算 安装调试 要正确无误 同时要求组成保护装置的各元件的质量要可靠 运行维护要 得当 系统应尽可能的简化有效 以提高保护的可靠性 2 2 可靠性基础 可靠性研究起源于武器系统 经过近半个世纪的发展 已成为一门遍 及各学科各行业的工程技术学科 已经从电子产品的可靠性发展到机械和 非电子产品的可靠性 从硬件的可靠性发展到软件的可靠性 从重视可靠 性统计试验发展到强调可靠性工程试验 通过环境应力筛选和可靠性强化 论电力系统继电保护可靠性 11 试验来暴露产品故障 提高产品的可靠性 1 可靠性的基本概念 可靠性 是指一个元件 设备或系统在预定时间内 在规定的条件下 完成规定功能的能力 可靠性工程设计到元件失效数据的统计和处理 系 统可靠性定量评估及其运行维护 可靠性和经济性的协调等各方面 对产品而言 可靠性越高就越好 可靠性高的产品 可以长时间正常工 作 这正是所有消费者需要得到的 从专业术语上来说 就是产品的可靠 性越高 产品可以无故障工作的时间就越长 简单的说 狭义的 可靠性 是产品在使用期间没有发生故障的性质 例如一次性注射器 在使用的时 间内没有发生故障 就认为是可靠的 再如某些一旦发生故障就不能再次 使用的产品 日光灯管就是这类型的产品 一般损坏了只能更换新的 从 广义上讲 可靠性是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度 而这 种满意程度或信赖程度是从主观上来判定的 为了对产品可靠性做出具体 和定量的判断 可将产品可靠性可以定义为在规定的条件下和规定的时间 内 元器件 产品 设备或者系统稳定完成功能的程度或性质 产品实际使用的可靠性叫做工作可靠性 工作可靠性又可分为固有可 靠性和使用可靠性 固有可靠性是产品设计制造者必须确立的可靠性 即 按照可靠性规划 从原材料和零部件的选用 经过设计 制造 试验 直 到产品出产的各个阶段所确立的可靠性 使用可靠性是指已生产的产品 经过包装 运输 储存 安装 使用 维修等因素影响的可靠性 为保证设备的长时间无故障运行而进行的分析处理过程 这就是设备 的可靠性分析 设备之所以发生故障 其最主要的原因是设备的可靠性差 所谓工作可靠性 是指设备机能在时间上的稳定性程度 或者说在一定时 间内 不发生问题的程度 概率 设备的可靠性和使用可靠性构成 所谓固 有可靠性 是指该设备由设计 制造 安装到试运转完毕 整个过程所具 有的可靠性 是先天性的可靠性 当固有可靠性低或使用可靠性低 或这两种可靠性都低时 设备就有 可能发生故障 对故障采取对策 重要的是对故障原因在固有可靠性和使 用可靠性上进行识别 当固有可靠性提高时 提高使用可靠性就比较容易 而当固有可靠性低对 要提高使用可靠性就十分困难 因此 从根本上讲 要防止故障的发生 最有效的对策就是注意设备固有可靠性的形成 即重 视设备的设计 制造 安装和调试全过程 具体到继电保护系统 电力系统设备可靠性是指用于电力系统的设备 或产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力 它综合反映 了一种设备的耐久性 可靠性 维修性 有效性和使用经济性等 可用各 种定量指标表示 其可靠性是指该系统在规定的范围内发生了它应该动作 的故障时 它不应该拒动作 而在任何其它该保护不应动作的情况下 它 不应误动作 继电保护系统是一个串联系统 其中任何一个环节出现故障 都将导致整个系统失去其应有的保护功能 即继电保护系统失去了可靠性 在研究继电保护系统可靠性时 以一个具有完整保护功能的整套继电保护 装置为最小研究单元 2 可靠性常用的衡量指标 根据可靠性的定义 可以衡量可靠性的标准一般有以下方面 1 可靠度 论电力系统继电保护可靠性 12 可靠性定义即可定量化为 电子元器件在规定的条件下和规定的时间 内 完成规定功能的概率 这种概率称之为电子元器件的可靠度 通常用 字母 R 表示 可靠度 R t 表示电子元器件产品在规定条件下使用一段时 间 t 后 还能完成规定功能的概率 如果将这段时间记为电子元器件的寿 命 则可靠度表示从开始使用到失效的时间 可靠度的概率表达式为 R tP Tt 如果有 N 个电子元器件产品从开始工作到 t 时刻的失效数为 n t 当 N 足够大时 产品在 t 时刻的可靠度可近似表示为 R tNn tN 时间不断增长 R t 将不断下降 它是介于 1 与 0 之间的数 即 0 R t 1 2 累计失效概率 累积失效概率表示电子元器件产品在规定条件下 工作到这段时间内 的失效概率 用 F t 表示 又称为失效分布函数 其表达式为 F t P T t 如果 N 个电子元器件产品从开始工作到 t 时刻的失效数为 n t 则当 N 足够大时 产品在该时刻的累积失效概率可近似表示为 F t n t N 显然 R t F t 1 3 失效分布密度 失效分布密度 f t 表示在规定条件下工作的电子元器件产品在 t 时刻 dF t f tF t dt 2 3 继电保护设备的可靠性 继电保护装置是一种机电设备 一般来说 继电保护装置包括测量部 分和定值调整部分 逻辑部分和执行部分 如图 2 1 所示 测量部分从保 护对象输入有关信号 再与给定的整定值相比较 以判断是否发生故障或 异常运行状态 逻辑部分依据测量部分输出量的性质 出现的顺序或其组 合 进行逻辑判断 以决定保护是否动作 执行部分依据前面环节判断得 出的结果予以执行 跳闸或发信号 论电力系统继电保护可靠性 13 图 2 1 继电保护组成方框图 与一般的机电或电子设备甚至是电力系统的一次设备比较 继电保护 的工作性质决定了其自身的一些特点 这些特点在其可靠性研究中必须予 以注意 1 继电保护尤其是静态式保护装置中所用的元件种类很多 元件的 制造工艺复杂 影响其质量和寿命的因素很多 因而其故障更具有随机的 性质 更宜用概率的方法和可靠性理论进行研究 2 继电保护在电力系统中所处的地位极为重要 其不正确工作可能 引起极为严重的后果和巨大的经济损失 但是 继电保护是经常处于准备 工作状态而非连续工作的设备 只有在系统故障的极短暂时间内需要继电 保护工作 如果在准备工作状态下 发生影响其正确工作的缺陷而能及时 发现和消除 则仍应认为是可靠的 因此 及时发现故障并快速消除之是 提高保护工作可靠性的重要措施 3 继电保护总是在电力系统故障时工作 因此 其最终的工作可靠 性不完全决定于其装置本身 还与电力系统的运行方式 故障的统计规律 和故障的性质等因素有关 4 各种继电保护装置在电力系统中不是孤立地工作 而是相互有机 配合 相辅相成 构成完善的保护系统 因此 某一保护装置的可靠性不 只决定于其本身 还与其他保护装置的可靠性有关 不仅应研究单个继电 保护装置的可靠性 还要研究各保护装置配合工作的可靠性 电力系统继电保护设备可靠性的要求和特点如下 1 总体设计 要该通过系统可靠性指标的分配和预计 进行优化设计 使之在现有条件下具有一定的可靠性 特点 从整体出发 经过分配 预计 和再分配 再预计等几个循环 找出系统或者整机性能最好 可靠性最高 成本最低的最佳方案 2 电路 电路设计 元件选择 容差和降额设计 在满足性能 价格 等要求的前提下 参考电路所容许的公差 确定元器件参数和类型 设计 电路组成方案 并注意减额使用 特点 需要核算审查电路的每一个规定的特性 采取必要的加强措施 并在有关部位设置报警和保护装置 3 结构 主要考虑计算机及其应用系统设备及其元件的安装方式 并 采用散热 抗热 冷却 防泄漏 抗干扰 防振动 抗冲击措施和环保措 施 4 抗冲击 振动 尽可能提高整个机箱或整机的固有频率 选择设计 适当的减振器 如橡胶减振器 空气弹簧减振器 双刚减振器 阻尼减振 器 使系统振源的固有频率低于激振频率 特点 主要针对元器件所在的机械环境中 各类机械振动冲击对系统 论电力系统继电保护可靠性 14 可靠性产生的影响 加强物理方面的保护 减轻机械环境对系统设备可靠 性的影响 5 电磁兼容性 通过滤波 屏蔽 隔离 接地 避雷电 防静电等措 施 使计算机及应用系统于同一时空环境中的电子设备兼容兼顾 6 可维性 目的在于 于维修 减少维修作业项目 减轻维修保养负担 减少后期保养费用 通过对设备可维性的提高 就可以把系统及设备的可靠性提高 7 可用性设计 主要针对使用人员能方便 准确 迅速而可靠的使用 各项设备 通过加强对操作人员方便及可靠性的设计 达到对设备和系统 对可靠性的要求 8 软件可靠性 自顶向下设计 结构化程序设计 程序综合与推导 函数程序设计以及有关的形式说明和程序变换等 5 9 人机交互 主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成 可 供人机交互使用的设备主要有键盘显示 鼠标 各种模 式识别设备等 2 4 继电保护装置可靠性评估方法 电力系统可靠性是通过定量的可靠性指标来量度的 一般可以是故障 对电力用户造成的不良后果的概率 频率 持续时间 故障引起的期望电 力损失及期望电能量损失等 不同的子系统可以有不同的可靠性指标 对 于不同的对象 我们可以采用各种不同的可靠性衡量方法 这些方法一般 可以分为以下几种 1 用概率表示 其定义为 一个元件 设备或系统在预定时间内 在规定的条件下完 成规定功能的概率 这个概率就是可靠性的量度 显然 这个定义和衡量 方法主要用于不能修复的元件 设备或系统 对于可修复的元件 设备或 系统来说 它只能反映其第一次故障前的可靠性 2 用时间表示 故障前平均时间 MTBF 即从开始使用到发生故障的平均时间 可用 于不修复元件 设备或系统 亦可用于可修复元件 设备或系统 表示第 一次故障前的平均时间 故障间平均时间 MTBF 用于可修复元件 设备 或系统 表示两次故障之间的时间 3 用频率表示 正确动作率 即在一定期限内 被统计的可修复元件 设备或系统正 确动作的次数与总动作次数之比 可以用公式表示为 正确动作率 正确动作次数 总动作次数 100 继电保护系统可靠性是一般指继电保护系统在预定的工况下及时间内 论电力系统继电保护可靠性 15 成功完成预定功能的能力 这里的可靠性包含设备可靠性和功能可靠性 设备可靠性以 A 表述 从二次系统的观点描述投入运行的继电保护系统在 任何时刻处于工作状态的概率 功能可靠性则以 R 表述 即从一次系统的 观点描述处于工作状态的继电保护系统能够正确工作的概率 用完好度 P 作为继保系统可靠性的衡量指标 其关系为 P A R 可靠性指标建立的原则有 以满足使用要求为原则 覆盖继电保护行为的特征 在满足一定先进性和使用要求的前提下 尽可能降低成本 根据使用条件的不同确定可靠性指标的水平 指标的可测定性原则 选择的可靠性指标应考虑指标间的相关性 和可行性 3 可靠性技术使用等级和归纳分析 第一等级 军用级 由于军用等级对所有设备的要求最高 所以相对 应的所需求的可靠性也就最高 与此同时对于经费等问题则会考虑的较少 在设置军用设备的和系统的时候 主要考虑最高的可靠性 一般情况下都 使用最好的 最先进的 最高可靠的仪器和设备 这样来达到高可靠性的 目的 第二等级 工业级 由于工业级所考虑最多的是追求高性价比 所以 通常考虑的因素会最多 它需要综合考虑更多的因素 如 生产的效率 生产的可靠性 生产的成本 生产的周期等 这样以来 对于工业级别的 设备及系统要求来说 设计是较为复杂的 需要综合全面考虑 在追求较 高可靠性的同时 还要追求较高的经济效益 第三等级 民用级 由于民用级所最多考虑的是成本 所以在追求设 备的可靠性方面要求最低 这就意味着 它所使用的设备较为的便宜 追 求可用性 而非高可靠性 所以民用级的设备等对可靠性的要求最低 表 2 1 提高可靠性技术使用场合归纳分析表 冗 余 技 术 软 件 设 计 人 机 交 互 热 设 计 三 防 设 计 抗 冲 击 电 磁 兼 容 避 错 设 计 论电力系统继电保护可靠性 16 第一 等级 军 用 系 统 级 高 功 能 高 可 靠 全 面 高 可 靠 金 属 导 热 完 全 绝 缘 避 免 振 源 T EM PE S 技 术 系 统 级 第二 等级 工 业 部 件 级 高 可 靠 高 易 用 部 分 高 可 靠 陶 瓷 导 热 重 点 绝 缘 提 高 刚 度 一 般 防 泄 露 技 术 部 件 级 第三 等级 民 用 模 块 级 高 易 用 高 效 率 易 用 塑 料 导 热 部 分 绝 缘 阻 尼 减 振 很 少 考 虑 模 块 级 论电力系统继电保护可靠性 17 3 影响电力系统继电保护设备可靠性的各种因素 3 1 继电保护设备自身的因素 我们知道 电力系统继电保护分主保护 后备保护 辅助保护和异常 运行保护四类 主保护是满足系统稳定和设备安全要求 能以最快速度有 选择地切除被保护设备和线路故障的保护 后备保护是主保护或断路器拒 动时 用以切除故障的保护 后备保护可分为远后备保护和近后备保护两 种 远后备保护是当主保护或断路器拒动时 由相邻电力设备或线路的保 护来实现的后备保护 近后备保护是当主保护拒动时 由本电力设备或线路的另一套保护来 实现后备的保护 作为 110kV 及以上电力变压器保护配置 主保护 包括 差动保护 瓦斯保护等 后备保护 包括过电流保护 零序电流保护 间 隙零序过流保护等 当后备保护误动 会加大设备的停电范围 为此防止 主变后备保护在故障情况下不误动也就非常关键 表 3 1 继电保护误动统计 2000 年 8 月 12 日 草铺变电站 220kV 草温线 C 相故障 零序 II 段保护动 作 C 跳 在开关重合前故障转换为 B 相故 障 零序不灵敏 I 段动作开关三跳 同时 温泉变电站 1 2 主变 220kV 零序方向 过电流 II 段越级动作 跳开 211 212 开 关 造成温泉变电站全站失电 经检查 发现温泉变电站 220kV 草温 线保护由于零序 I 段保护经 N 端出口压板 未投入 导致线路保护不能出口跳闸 同 时 1 2 主变 220kV 零序方向过电流跳 211 212 开关与跳母联 230 开关的时间继 电器接点接反 正确为 0 5s 跳 230 1s 跳 211 212 导致保护不正确动作 接 线 错 误 2001 年 7 月 24 日 220kV 普吉变电 站 110kV 普茨线 149 开关零序灵敏 I 段 距离 II 段保护动作 开关三跳 重合闸 重合成功 同时 220kV 普吉变电站 220kV 1 主变 110kV 复合电压闭锁过流 零序方向过流动作 110kV 母联 112 101 开关跳闸 保护动作原因一直未查到无 2002 年 5 月 4 日 110kV 下石美 35kV 昆明化肥厂线 384 开关过流保护动作跳闸 重合闸重合成功 同时 2 主变 35kV 侧 复合电压闭锁过流保护动作跳 302 开关 经检查后为复合电压闭锁过流时间继 电器为静态继电器 故障时继电器零秒出 口导致误动 元 器 件 质 量 不 良 论电力系统继电保护可靠性 18 2002 年 7 月 4 日 15 00 富民变电 站 2 主变 35kV 侧复合电压闭锁过流保护 动作跳 302 312 开关 装置属不正确动 作 事后检查发现 35kV 侧复合电压闭锁 过流保护时间继电器 静态继电器 存在 瞬动现象 导致区外故障时保护无延时跳 闸 元 器 件 质 量 不 良 2002 年 9 月 15 日 00 53 220kV 马 鞍山变电站 1 3 主变 110kV 侧零序方向 过流 II 段保护动作跳 121 123 母联 190 开关跳闸 同时 110kV 马阳线零序不 灵敏 I 段保护动作 105 开关跳闸 重合 成功 110kV I 段母线失电 经事后调查 此次事故的主要原因为 110kV 马阳线 105 开关电流回路接反 导 致马阳线线路发生 C 相接地故障时零序保 护拒动 引起 1 3 主变 110kV 侧另序 方向过流 II 段保护越级跳闸以及 110kV 普马 I 回普厂侧零序电流保护越级跳闸 最终导致 110kV I 段母线失电 接 线 错 误 2003 年 2 月 27 日 机场变电站 110kV 2 主变 10kV 复合电压闭锁过流保护 动作跳 10kV 侧 002 开关 II 断母线失压 同时 10kV 二污水厂线 056 开关速断保 护动作跳闸 二污水厂线出线电缆头故障 保护动作原因一直未查到无 2003 年 7 月 28 日 长坡变电站 110kV 1 主变 10kV 侧复合电压闭锁过流保 护动作跳 431 开关 10kV 母线失电 同时 10kV 长坡线 472 开关过流保护动作 经现场检查发现 472 开关分闸线圈 烧坏 导致主变后备保护越级跳闸 运 行 维 护 不 良 2003 年 9 月 18 日 11 51 东川变 1 主变 110kV 复合电压闭锁方向过流保护动 作跳闸 2 主变放电间隙保护动作跳闸 12 23 1 主变试送不成功 仍是复合电压 闭锁方向过流保护动作跳闸 经检查后发现是由于复合电压闭锁方 向过流时间继电器接点粘死导致误动 运 行 维 护 不 良 从上表的统计结果可以看出 在 8 次主变后备保护的不正确动作当中 有如下特点 1 按责任部门分 由于运行维护部门的责任 误接线和运行维护不良 导致的有 4 次 占不正确动作的 50 由于制造厂的责任 制造质量不良 导致的有 2 次 占不正确动作的 25 原因不明的有 2 次 占不正确动作 的 25 2 按原因分类 属于接线错误的有 2 次 属于制造厂质量不良的有 2 次 属于运行维护不良的有 2 次 原因不明的有 2 次 3 按保护装置类型分 属于由分立元件 电磁型 整流型 的有 7 次 论电力系统继电保护可靠性 19 占不正确动作的 87 5 属于微机型的有 1 次 占不正确动作的 12 5 3 2 软件因素 在微机继电保护中 软件算法是实现保护功能的核心 软件出错将导 致保护装置出现误动或拒动 导致软件出错的因素主要有 1 需求分析定义错误 如用户提出的需求不完整 用户需求的变更未 及时消化 软件开发者和用户对需求的理解不同等等 2 设计错误 如处理的结构和算法错误 缺乏对特殊情况和错误处理 的考虑等 3 编码错误 如语法错误 变量初始化错误等 4 测试错误 如数据准备错误 测试用例错误等 5 文档错误 如文档不齐全 文档相关内容不一致 文档版本不一致 缺乏完整性等 由于软件内部逻辑复杂 运行环境动态变化 并且不同的软件差异可 能很大 因而软件失效机理可能有不同的表现形式 例如 有的失效过程 比较简单 易于跟踪分析 有的失效过程可能非常复杂 难于