連州市潭嶺水電廠 王小周

探討電力系統(tǒng)中的電氣二次及繼電保護(hù)

連州市潭嶺水電廠 王小周

本文闡述了在電力系統(tǒng)中電氣二次及繼電保護(hù)的重要性以及繼電保護(hù)的工作運(yùn)行原理和相關(guān)裝置的發(fā)展、系統(tǒng)失效模型的建立，表明了繼電保護(hù)在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行中的重要作用和意義。

電力系統(tǒng)；電氣二次設(shè)備；繼電保護(hù)

引言

現(xiàn)階段，在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中難免會發(fā)生運(yùn)行異常或設(shè)備出現(xiàn)故障的情況，對系統(tǒng)中相關(guān)電氣二次設(shè)備的檢測維修是在運(yùn)行中必不缺少的重要環(huán)節(jié)。繼電保護(hù)屬于電氣二次保護(hù)的一種，在電氣二次保護(hù)中占有重要的地位，較大保障了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠。電氣二次設(shè)備包含系統(tǒng)中的電流表、電壓表、繼電保護(hù)和自動裝置等，其所處的狀態(tài)對電力系統(tǒng)狀態(tài)起著決定性關(guān)鍵的作用，因此電氣二次及繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中具有重要的意義。

一、電氣二次及繼電保護(hù)的重要性

在運(yùn)行過程中導(dǎo)致電氣二次設(shè)備異常運(yùn)行的因素有很多，如周圍環(huán)境的干擾、工作人員的錯(cuò)誤操作或設(shè)備本身出現(xiàn)故障等。對于正在運(yùn)行的電力系統(tǒng)，可用于電氣一次的檢測維修時(shí)間較短，維修的重要過程都放在了電氣二次維修的工作中，突顯了電氣二次維修的重要性。在進(jìn)行電氣二次設(shè)備的檢測維修的過程中不僅有設(shè)備的自動檢測，還需要相關(guān)檢測設(shè)備狀態(tài)的技術(shù)。依據(jù)檢測的結(jié)果及之前相關(guān)的檢修信息可得到設(shè)備正在運(yùn)行的準(zhǔn)確狀態(tài)，從而可以使工作人員制定并完善檢修設(shè)備的計(jì)劃。

二、繼電保護(hù)的運(yùn)行原理

通過利用電氣二次設(shè)備或被保護(hù)的線路在發(fā)生故障前后產(chǎn)生的突變物理量作為信息量，當(dāng)信息量超過一定的大小時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)就會實(shí)行邏輯控制，采取跳閘等保護(hù)措施。如果在電力系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中發(fā)生短路故障，繼電保護(hù)系統(tǒng)會通過改變電壓、電流、阻抗等形成過電流保護(hù)、距離保護(hù)、低電壓保護(hù)。此外，繼電器可根據(jù)運(yùn)行的原理分為感應(yīng)型、整流型、電磁型、微機(jī)型、集成保護(hù)型等。

三、繼電保護(hù)裝置的發(fā)展

1.電磁型保護(hù)裝置

在電力系統(tǒng)中電磁型保護(hù)裝置研發(fā)生產(chǎn)的時(shí)期較早且被廣泛地運(yùn)用在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，其經(jīng)常存在于低壓線路、變壓器以及其他機(jī)型較小的設(shè)備中。電磁型保護(hù)裝置主要組成為一些單元件，運(yùn)用的原理較簡單，操作過程較方便。經(jīng)過對電磁型繼電保護(hù)裝置的長年使用，加上裝置本身工作運(yùn)行原理和運(yùn)行的方式都較為簡單，相關(guān)電氣工作人員對其使用過程中出現(xiàn)的問題和參數(shù)都有一定的了解，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)可以做到快速地解決問題。但由于該裝置在運(yùn)用的過程中消耗的能量較多，已達(dá)不到現(xiàn)代電力建設(shè)的要求和條件，逐漸被其他保護(hù)裝置所代替。

2.集成型保護(hù)裝置

與較早生產(chǎn)的電磁型保護(hù)裝置的不同之處在于，集成型保護(hù)裝置工作運(yùn)行原理較為深層次、結(jié)構(gòu)組成也更為復(fù)雜。在運(yùn)用該裝置的時(shí)候需要工作人員有更高的技術(shù)能力和條件，這使集成型保護(hù)裝置的推廣運(yùn)用受到了很大的限制。在實(shí)際運(yùn)用過程中，集成性保護(hù)裝置對電氣二次設(shè)備檢測的信息數(shù)據(jù)更多、產(chǎn)生的保護(hù)作用更好，但因采集的數(shù)據(jù)參數(shù)處于較高水平，對使用元件提出了更高的條件，使其應(yīng)用受到了很大的局限。

3.微機(jī)型保護(hù)裝置

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷提高，產(chǎn)生了微機(jī)型繼電保護(hù)裝置，其工作性能所處的水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過之前的保護(hù)裝置。在實(shí)際的運(yùn)用過程中通過使用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)對其操作，增加了機(jī)器自動化功能，逐漸達(dá)到現(xiàn)代化、自動化系統(tǒng)的要求。此外，微機(jī)型保護(hù)裝置可以更加準(zhǔn)確地檢測采集相關(guān)信息數(shù)據(jù)，方便工作人員對電網(wǎng)現(xiàn)已運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行分析評估。由于在該裝置中可以很好地利用計(jì)算機(jī)的信息儲存功能，因此在運(yùn)用過程中可以完整地對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，避免了丟失數(shù)據(jù)情況的發(fā)生。

四、電力二次設(shè)備繼電保護(hù)系統(tǒng)失效模型

1.繼電保護(hù)本體裝置的失效模型

裝置本體失效模型的建立需要具體分析某一個(gè)失效設(shè)備模型方法，做到對繼電保護(hù)裝置組成結(jié)構(gòu)的全方面了解，如相關(guān)的硬件設(shè)施、在運(yùn)行過程中軟件會發(fā)揮的特性及因人員失誤對保護(hù)機(jī)制造成的不良影響等。繼電保護(hù)裝置中的元件失去效用與使用時(shí)間有著密切的聯(lián)系，詳細(xì)見圖1。

圖1 電子元器件失效率關(guān)系曲線

從圖1中可看出曲線一共分了三個(gè)時(shí)間階段。

第一階段為運(yùn)行初始期。在這一時(shí)期剛開始時(shí)元件發(fā)生故障的概率較大，其因?yàn)樵诋a(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)階段、配置調(diào)試以及其他過程中都還有很多不足之處。之后隨著時(shí)間的推移，發(fā)生故障的概率快速減小，到達(dá)某一時(shí)間時(shí)，數(shù)值不在變化，在此后的一段時(shí)間內(nèi)，裝置本身會有較高的可靠性。此時(shí)可以用以下的數(shù)學(xué)模型來表示這一階段的函數(shù)：

f( t) = m(t-v)m-1e(t-v)m/t0/t0

該函數(shù)中的m代表形狀參數(shù)，對曲線的形狀起了決定性的作用，f(t) 表示時(shí)間負(fù)指數(shù)函數(shù)，表現(xiàn)了第一階段發(fā)生故障概率的走向。

第二階段為運(yùn)行穩(wěn)定期。在這一階段中發(fā)生故障的概率處于穩(wěn)定不變中，曲線表現(xiàn)為一條直線。在穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障的原因一般為工作人員出現(xiàn)的錯(cuò)誤性操作、周圍外界環(huán)境的干擾或設(shè)備裝置出現(xiàn)意外的超載現(xiàn)象等。此時(shí)可以用以下數(shù)學(xué)模型來表示這一階段的函數(shù)：

該函數(shù)中的λ代表設(shè)備發(fā)生的故障率，依據(jù)λ的數(shù)值大小可以得出在運(yùn)行穩(wěn)定期設(shè)備產(chǎn)生的故障率曲線走向。

第三階段為設(shè)備損耗期。隨著使用時(shí)間的增加，系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備的機(jī)械損耗逐漸增加，電器絕緣程度降低其產(chǎn)生的老化現(xiàn)象是造成這一時(shí)期故障率曲線圖逐漸上升的主要原因。只有通過加強(qiáng)對設(shè)備功能檢測力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并替換損耗較大的元件才能減少這一階段故障發(fā)生的現(xiàn)象，保證系統(tǒng)的正常安全的運(yùn)行。此時(shí)可以用以下數(shù)學(xué)模型來表示這一階段的函數(shù)：

在該函數(shù)中μ代表元件可以使用的平均壽命，δ代表正態(tài)分布產(chǎn)生的方差，可根據(jù)μ和δ的數(shù)據(jù)大小得出在第三階段發(fā)生概率的曲線走向。

2.建立繼電保護(hù)系統(tǒng)二次回路的失效模型

在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，繼電保護(hù)裝置與二次回路均為繼電保護(hù)系統(tǒng)的的一部分，且兩者之間有著緊密的聯(lián)系性。建立二次回路的失效模型對探究繼電保護(hù)具有重要的意義。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，影響二次回路變失效的因素有很多，如周圍外界運(yùn)行的環(huán)境條件、操作箱發(fā)生故障、設(shè)備的絕緣、腐蝕、封堵、抵抗干擾情況、回路中產(chǎn)生的溫度高低等。由于二次回路在電力系統(tǒng)是一種較小的系統(tǒng)，因此可以通過使用故障樹法來分析二次回路的失效原因，達(dá)到更直觀理解的效果?？山⒌亩位芈吩O(shè)備的故障樹模型如圖2所示。

圖2 二次回路故障樹模型

圖2中每一個(gè)分支發(fā)生故障的概率都可以通過長期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而獲得。此外，可以通過檢測二次回路所處的功能狀態(tài)來評估二次設(shè)備所具有的失效風(fēng)險(xiǎn)大小，其重點(diǎn)工作為確保在采集各個(gè)設(shè)備狀態(tài)特征量的時(shí)候具有全面性，科學(xué)合理地對系統(tǒng)監(jiān)視的環(huán)節(jié)進(jìn)行劃分，提高檢測準(zhǔn)確性。

五、總結(jié)

在電力系統(tǒng)中，電氣二次設(shè)備的正常安全運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證。繼電保護(hù)系統(tǒng)對電氣二次設(shè)備的檢測維修和保護(hù)都起了關(guān)鍵性的重要作用。在實(shí)際運(yùn)用的過程中，保證繼電保護(hù)系統(tǒng)及裝置的功能正常，盡可能減少安全意外事故的發(fā)生，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，繼電保護(hù)裝置不斷更新，相關(guān)單位應(yīng)注重對工作人員綜合能力的提高。由于建立電氣二次設(shè)備繼電保護(hù)系統(tǒng)的失效模型可以依據(jù)其結(jié)果提高對系統(tǒng)出現(xiàn)故障概率的預(yù)判準(zhǔn)確性，大大增加了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全保障力度。

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表1 主要材料對比表

由表1可知，新型非包封空氣絕緣干式變壓器與傳統(tǒng)型對比，銅重平均下降15.8%，硅鋼重平均下降25.3%。

（2）工裝、模具成本

由圖3可知，立體卷鐵心由硅鋼片連續(xù)繞制而成，鐵心無開口，所以繞組需要相應(yīng)的工裝、模具直接繞制在鐵心柱上。對于樹脂絕緣干式變壓器，受澆注尺寸的限制，模具不易通用化，且裝模、脫模工藝復(fù)雜。對于非包封空氣絕緣干式變壓器，模具簡單，且通用性較強(qiáng)，如果為標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，模具的成本可忽略不計(jì)。

（3）人工成本

從變壓器誕生至今，人們一直在尋找降低變壓器損耗和噪聲的方法。我們知道，只要變壓器勵(lì)磁，空載損耗便存在，雖然空載損耗相對變壓器傳遞的容量并不算大，但它代表著電力系統(tǒng)一個(gè)恒定的能量流矢。為了降低空載損耗和噪聲，人們早已把科研力量集中在開發(fā)變壓器鐵心結(jié)構(gòu)和新型電工鋼片上。目前，立體卷鐵心結(jié)構(gòu)已被世界公認(rèn)為最合理的鐵心結(jié)構(gòu)。電工鋼片的生產(chǎn)程序也在不斷改進(jìn)，為了降低電工鋼片的單位損耗，電工鋼片的厚度越來越薄。對于傳統(tǒng)的疊鐵心來說，電工鋼片變薄一方面增加了工作量，另一方面增加了疊的難度，導(dǎo)致人工成本增加。而立體卷鐵心從剪切到卷制均采用機(jī)械化自動控制，生產(chǎn)效率高。

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