金鎮(zhèn)山， 姜 鵬 ， 徐明宇， 呂永生， 王魯昕

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030；2.國網(wǎng)大慶供電公司 東風(fēng)配電工程公司，黑龍江大慶 163000)

高寒地區(qū)線路保護就地化應(yīng)用研究

金鎮(zhèn)山1， 姜 鵬1， 徐明宇1， 呂永生2， 王魯昕1

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030；2.國網(wǎng)大慶供電公司 東風(fēng)配電工程公司，黑龍江大慶 163000)

為研究線路保護就地化即插即用模式在高寒低溫地區(qū)應(yīng)用的可靠性，闡述了即插即用繼電保護在建設(shè)、調(diào)試及運維方面應(yīng)用的功能和設(shè)計特點，提出了多套即插即用就地化線路保護裝置接入試點變電站的電壓、電流回路以及接地方式的方案。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果和試運行情況，分析了高寒地區(qū)低溫環(huán)境對就地化保護裝置的電磁兼容、材料以及絕緣等方面對保護動作可靠性的影響。分析結(jié)果表明，在高寒地區(qū)保護系統(tǒng)失效率將增加，部分保護裝置動作出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，影響保護動作的正確性和可靠性。需要提高浪涌、射頻磁場等考核項目的測試等級，提高繼電器觸點和計算邏輯等方面的動作可靠性，建立健全即插即用繼電保護就地化的現(xiàn)場專用規(guī)程，滿足保護系統(tǒng)低溫穩(wěn)定運行的要求。

高寒地區(qū)；線路保護；就地化；即插即用

目前，隨著智能變電站的日益發(fā)展和新技術(shù)、新材料的不斷應(yīng)用，促進了資源節(jié)約、環(huán)境友好型智能電網(wǎng)的發(fā)展[1-3]。常規(guī)變電站必然會向智能變電站轉(zhuǎn)變，應(yīng)用繼電保護的即插即用就地化模式將成為節(jié)約型智能電網(wǎng)建設(shè)模式的發(fā)展方向。由于高寒地區(qū)的低溫環(huán)境會嚴重影響電子元件的正常工作，引起保護裝置的加速失效、誤動或拒動。因此，就地安裝于高壓設(shè)備附近繼電保護裝置能否承受變電站在正?；蚬收锨闆r下產(chǎn)生極強的電磁干擾；繼電保護、控制設(shè)備的正常工作是否會受到操作開關(guān)時產(chǎn)生頻率高達數(shù)兆赫茲的快速暫態(tài)電壓通過接地網(wǎng)向外傳播的影響[4-5]；繼電保護裝置采樣精度以及光纜絕緣是否會受到高寒地區(qū)的超低溫影響，這些問題都將制約著繼電保護即插即用就地化模式在高寒地區(qū)的發(fā)展。為研究就地化繼電保護裝置在高寒地區(qū)運行的穩(wěn)定性和可靠性，本文通過將不同的保護裝置分別在高寒低溫地區(qū)試點變電站進行掛網(wǎng)運行和現(xiàn)場低溫試驗，分析了繼電保護就地化安裝后試運行情況和試驗數(shù)據(jù)，得到了高寒地區(qū)對就地化保護動作正確性和可靠性的影響程度，為提高繼電保護就地化在高寒地區(qū)應(yīng)用的安全性和可靠性奠定了基礎(chǔ)。

1 繼電保護就地化的功能及設(shè)計特點

1.1 繼電保護就地化功能

繼電保護就地化具有簡化二次回路設(shè)計、減少二次電(光)纜使用、節(jié)省用地、降低建筑所需投資、提高變電站建設(shè)效率、即插即用方式方便運維調(diào)試等功能。

1.1.1 降低互感器負載

就地化是指單元化、模塊化配置的繼電保護、測控等裝置，經(jīng)抗電磁干擾設(shè)計，無防護地安裝到一次設(shè)備附近。通過航空插頭連接，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，有效地降低保護裝置和互感器的負載[6]，改善互感器的暫態(tài)特性?？晒?jié)約屏柜數(shù)量和屏間電纜，使二次回路更加簡單、清晰、可靠。以典型220 kV變電站工程為例，屏柜數(shù)量降幅近60%、光纜使用降幅近60%。

1.1.2 節(jié)約建設(shè)投資

保護就地化能夠有效減低主控室、保護小室建設(shè)面積。以典型220 kV變電站工程為例，建筑面積降幅近50%。即插即用繼電保護就地化既是層次化保護控制的基礎(chǔ)，又能夠為廣域保護發(fā)展提供大數(shù)據(jù)保護控制系統(tǒng)[7]，通過與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，可以增強電網(wǎng)安全穩(wěn)定的“三道防線”體系。

1.1.3 方便運維調(diào)試

就地化保護采用工廠化預(yù)置，在專業(yè)化檢修中心集成和調(diào)試后，整體運至現(xiàn)場；站內(nèi)采用預(yù)制光纜、電纜實現(xiàn)設(shè)備之間的標準化連接，就地化可以大幅節(jié)約安裝調(diào)試時間和人力成本。以典型220 kV變電站工程為例，安裝時間降幅為65%，調(diào)試時間降幅為75%。

就地化保護采用“工廠化調(diào)試+更換式檢修”檢修模式后，設(shè)備檢修和消缺時間大幅縮短，減少設(shè)備停電或異常時間，并加速電網(wǎng)恢復(fù)正常運行時間，提高了電網(wǎng)運行效率和可靠性。以典型220 kV變電站工程為例，設(shè)備檢修造成的停電時間將由132 h縮短至2.5 h，故障搶修時消缺由26.88 h縮短至1 h[4]。

1.2 繼電保護就地化設(shè)計特點

高IP防護等級、優(yōu)良環(huán)境控制的戶外柜，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維護麻煩。因此，就地化裝置需要考慮在惡劣自然環(huán)境和電磁環(huán)境的戶外運行，裝置必須具有高可靠性、長壽命，安裝調(diào)試、運行維護方便的特點[8-10]。裝置設(shè)計的關(guān)鍵設(shè)計特點主要如下：

1) 裝置中的處理器、控制器以及接口要進行低功率設(shè)計和選型，通過優(yōu)化算法等方式使處理器性能要求降低。

2) 高寒低溫地區(qū)將對裝置電源提出更高的要求，需要提高電源的工作效率和活性，保證電源對低溫環(huán)境的穩(wěn)定適應(yīng)能力，同時電源部分應(yīng)增加防雷設(shè)計。

3) 裝置需要考慮低溫的影響和季節(jié)變化溫度升高時電子元器件的散熱能力。

4) 即插即用繼電保護就地化裝置采用全封閉金屬外殼，安裝在一次設(shè)備附近，接口應(yīng)用航空插頭進行連接，運行過程中受到電磁一次設(shè)備帶來的電磁干擾，需要在裝置設(shè)備材料、硬件以及系統(tǒng)軟件等方面充分考慮電磁兼容設(shè)計。

5) 即插即用繼電保護就地化裝置應(yīng)通過二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、遠程校驗技術(shù)實現(xiàn)裝置的調(diào)試和遠程校驗。

6) 裝置接口標準化設(shè)計。裝置出現(xiàn)異常時，不同廠家的就地化繼電保護裝置可以更換，滿足即插即用的條件。

7) 即插即用繼電保護就地化裝置保證小型化的需求，不宜配置液晶顯示器，裝置外部需要運行、異常、告警3個指示燈，并具備用于調(diào)試、巡檢的外設(shè)接口。

2 高寒地區(qū)即插即用繼電保護保護就地化裝置接入方式

為檢驗即插即用線路保護就地化在高寒地區(qū)應(yīng)用性能，選取最北端高寒地區(qū)的某220 kV常規(guī)變電站為試點站，組網(wǎng)方案如圖1所示。該站位于東經(jīng)122.34°, 北緯 53.49°，海拔298 m，是中國最北端的220 kV變電站。近年來，該地區(qū)夏季最高氣溫40℃，最低氣溫-55℃，年平均溫度-15℃，最大風(fēng)速30 m/s,土壤最大凍結(jié)深度為3.0～3.5 m，全年雷電日數(shù)為41 d。

2.1 就地化線路保護裝置電壓和電流回路接入方式

該變電站為單母線接線，只有一組母線電壓互感器，即插即用就地化線路保護不需配置電壓切換回路，從220 kV母線電壓互感器引電纜直接接入，多套試運裝置通過端子排并聯(lián)。線路配置為常規(guī)電流互感器，其共有7卷二次繞組，采用CT第五卷回路，將6套即插即用就地化小型化線路保護電流回路串接于故障錄波器前側(cè)。如圖2、3所示。

圖1 就地化線路保護裝置接入試點變電站組網(wǎng)方案Fig.1 Networking scheme of localized line protection device access to pilot substation

圖2 就地化線路保護電壓接入方式Fig.2 Voltage access mode of localized line protection

2.2 就地化線路保護裝置接地方式

在預(yù)制電纜/光纜外部加裝槽盒(優(yōu)先選用熱鍍鋅材料)，槽盒雙端接地。保護裝置通過外殼接地螺釘與主接地網(wǎng)連接，接地線應(yīng)在槽盒外。預(yù)制電纜鎧裝層在端子箱側(cè)與主接地網(wǎng)連接，單端接地。預(yù)制電纜屏蔽層在裝置側(cè)與連接器金屬外殼相連，通過就地保護機箱外殼接地。屏蔽層在端子箱側(cè)與主接地網(wǎng)連接，支架接地線應(yīng)在槽盒外。就地化裝置接地示意圖如圖4所示。

圖3 就地化線路保護裝置電流接入方式Fig.3 Current access mode of localized line protection

圖4 就地化線路保護裝置接地方式Fig.4 Grounding mode of localized line protection device

3 高寒地區(qū)繼電保護就地化影響分析

3.1 高寒地區(qū)低溫對保護裝置可靠性影響

一般來說，電子元器件怕熱不怕冷，因此，在產(chǎn)品設(shè)計和器件選擇時，多考慮設(shè)備的散熱和耐高溫元件。但是，有一些電子元件在低溫環(huán)境下不能長期穩(wěn)定工作，甚至是完全失效的。尤其是繼電保護裝置采用就地化后，對電子元器件、裝置的密閉性、航空插頭連接的可靠性提出了更高的要求。高寒地區(qū)大多數(shù)季節(jié)溫差和晝夜溫差較大，不同材質(zhì)材料的溫度膨脹系數(shù)不同，在溫差變化較大的環(huán)境中長期運行會造成不同材質(zhì)部件的連接處產(chǎn)生變形或裂隙，而裂隙一旦侵入水分發(fā)生冰脹后，會造成保護裝置失效。微機保護裝置電源模塊中的電解電容在低溫情況下電容值會降低，甚至完全喪失，因此，戶外布置的智能終端、即插即用就地化保護裝置在低溫冷態(tài)上電時，電解電容失效可能會造成電源輸出出現(xiàn)異常，使裝置采樣異常。另外，部分裝置電源的功率開關(guān)芯片在低溫條件下也出現(xiàn)過功耗增大、功能失效等問題。

通過建立運行條件下的即插即用繼電保護裝置的失效率模型，可以分析裝置故障率和運行可靠性。其失效率特征符合“浴盆曲線”特性，即其失效率會隨著時間的增長而變化，失效期分為3個階段，如圖5所示。

圖5 浴盆曲線Fig.5 Bathtub curve

第1階段是早期失效期，該階段的特點是失效率較高，主要原因是設(shè)計、工藝、安裝以及調(diào)試缺陷等不良因素；第2階段是偶然失效期，該階段特點是失效率隨時間延長接近于常數(shù)且很低，失效主要由人為操作失誤或不可預(yù)期的偶然因素引起，發(fā)生的概率較低，失效率曲線基本保持不變；第3階段是耗損失效期，此階段主要由于受到環(huán)境因素的影響、電子元件老化，絕緣能力下降或損壞造成失效遞增上升。

繼電保護裝置由大量電子元器件構(gòu)成，繼電保護裝置可靠性主要是由軟件設(shè)計缺陷和電子元器件的失效決定，穩(wěn)定運行期間可不考慮軟件設(shè)計缺陷，可以通過電子元器件的溫變失效模型的建立，直接反映出繼電保護裝置動作可靠性的失效率。當(dāng)不考慮時變特性影響時，其值λ(T)可由Arrhenius方程表示，其公式表達為

(1)

式中：λ0為常數(shù)；Ea為激活能；T為溫度；K為玻耳茲曼常數(shù)。

就地化繼電保護裝置遞增可靠性失效率，在偶然失效期的失效率基本恒定，近似為常數(shù)；在耗損失效期內(nèi)的失效率則隨時間變化，其特性近似服從 Weibull 分布，其公式表達為

(2)

式中：m為形狀；η為尺度參數(shù)。

耗損失效期的失效率計算式為

(3)

由于軟件故障和人為因素故障都屬于偶然因素，且服從指數(shù)分布，故障率可認為是常數(shù)，則就地化繼電保護系統(tǒng)的時變失效率可以表示為

λ(t)=λhs(t)+λh+λs

式中：λh和λs分別為硬件偶然失效率和軟件及人為因素偶然失效率。

為了分析低溫環(huán)境對就地化繼電保護裝置可靠性的影響，取相同運行時間的就地化保護裝置，考慮繼電保護裝置運行溫度為40 ℃、20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-50 ℃的6種情況。以高寒地區(qū)電網(wǎng)繼電保護實際可靠性參數(shù)為例，分別計算不同環(huán)境溫度下的繼電保護系統(tǒng)的不可用度。

硬件偶然失效率參考值為

λh=1.4×10-5(1/a)

裝置故障及人為因素偶然失效率參考值為

λs=0.65×10-5(1/a)；

Weibull 分布函數(shù)的形狀和尺度參數(shù)取值分別為

m=5.447，η=4159

假設(shè)拒動失效率和誤動失效率相等，根據(jù)以上公式及模型，可以求得就地化繼電保護裝置和一次設(shè)備在不同溫度條件下的不可用度，如表1所示。

表1 就地化即插即用繼電保護可靠性失效率計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of localized plug and play relay protection reliability failure rate

從表1可以看出，就地化繼電保護的不可用度在0～40 ℃運行期間，保護系統(tǒng)的不可用度未產(chǎn)生明顯變化；在-50～0 ℃的溫度期間，保護系統(tǒng)失效率隨運行溫度的降低而增加，這與“浴盆曲線”規(guī)律相符合。

3.2 電磁干擾

繼電保護裝置就地化安裝后，會受到戶外環(huán)境的電磁干擾，就地化保護裝置必須具備電磁干擾防護性能。變電站電磁干擾通過金屬導(dǎo)體以及電感、電容、變壓器、電抗器等傳導(dǎo)或通過電磁波的形式在空中的輻射干擾。造成上述發(fā)干擾信號源有以下幾種形式：

1) 變電站中的線路、母線、變壓器等一次設(shè)備運行過程中會產(chǎn)生工頻磁場，導(dǎo)致頻譜寬的干擾源在較差氣候條件下產(chǎn)生導(dǎo)線電暈，金屬部件連接不緊密和絕緣污穢會造成局部放電。

2) 斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備在操作或動作時，感性負載的存在會造成設(shè)備觸頭間產(chǎn)生電??；當(dāng)母線充電或斷開時，會存在以暫態(tài)電磁波形式向周圍空間輻射的一系列高頻電流波和電壓波，通過母線互感器耦合至二次回路。

3) 以大氣行波的方式向傳播的雷擊暫態(tài)過電壓直接作用在高壓設(shè)備，通過高壓設(shè)備和二次設(shè)備間的耦合途徑或接地網(wǎng)影響二次回路，也可能直接作用在就地化保護裝置上。

4) 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，會引起大電流經(jīng)接地點進入接地網(wǎng)，導(dǎo)致接地點或接地網(wǎng)電位升高，產(chǎn)生的干擾電壓將會作用在二次回路上。

5) 由回路之間的互感產(chǎn)生的干擾電壓值，由回路間互感阻抗、干擾電源電流、頻率以及回路相對位置決定。干擾電壓到達一定數(shù)值后，會將有關(guān)設(shè)備的絕緣擊穿或引起繼電保護設(shè)備誤動作。

假設(shè)干擾源電流按正弦規(guī)律變化，則回路間的互感M計算公式為

(4)

式中：μ0為空氣的導(dǎo)磁系數(shù)；L為平行的電纜芯長度；a,b為每根電纜芯與干擾源的距離。

則干擾電壓可表示為

(5)

繼電保護就地化安裝后，電磁干擾信號變強，目前的各項電磁兼容指標應(yīng)按GB 14598和GB/T 17626適當(dāng)選擇更嚴的高等級進行檢測。對于快速變脈沖群試驗，當(dāng)工業(yè)設(shè)備處于戶外高壓開關(guān)場等嚴酷的工業(yè)環(huán)境時，參照GB 14598.10，考核等級應(yīng)從原來的B級提高到A級。相應(yīng)的浪涌考核等級應(yīng)提高到Ⅳ級，工頻磁場考核等級提高到Ⅴ級，射頻磁場考核等級提高Ⅳ級。

3.3 保護裝置動作出現(xiàn)遲滯

繼電器雖然是怕熱元件，但是低溫對繼電器也會產(chǎn)生較大影響，低溫可以使繼電器觸點冷粘作用加劇、觸點表面凝露、銜鐵表面產(chǎn)生冰膜，使觸點不能正常轉(zhuǎn)換或動作遲滯。正常環(huán)境下保護裝置動作延時如圖6所示。正常工作環(huán)境下，保護裝置最短動作時間為18.408 ms，最長動作時間為46.800 ms。低溫環(huán)境下保護裝置動作延時如圖7所示，高寒低溫環(huán)境下，保護裝置最短動作時間為25.919 ms，最長動作時間為70.563 ms。各保護裝置動作時間如表2所示。

圖6 正常環(huán)境下保護裝置動作延時Fig.6 Protection device action delay in normal environment表2 不同保護裝置動作時間

Table 2 Varied protection device action times /ms

圖7 低溫環(huán)境下保護裝置動作延時Fig.7 Protection device action delay in low temperature

從表2可以看出，在高寒低溫環(huán)境下，部分保護裝置動作出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，個別保護裝置動作延遲時間已經(jīng)超出了相關(guān)標準的要求，無法滿足動作可靠性的要求。在高寒地區(qū)，不同廠家的保護裝置動作延時程度受低溫環(huán)境影響不同，在今后高寒地區(qū)運行過程中應(yīng)區(qū)別對待。

3.4 低溫環(huán)境對二次電纜絕緣和光纜通訊的影響

戶外設(shè)備二次電纜在端子排接線時，要彎曲和轉(zhuǎn)折，而低溫環(huán)境下電纜絕緣外皮變脆，在電纜彎曲度較大的地方容易發(fā)生外皮開裂損壞，造成二次電纜絕緣破壞。每年秋冬、冬春交際的時候在寒冷地區(qū)都會發(fā)生因二次電纜絕緣下降導(dǎo)致的設(shè)備誤動和燒損事故。

同理，通信網(wǎng)線和光纖的防護比較差，在極寒溫度下會變脆，受到輕微外力就會折斷。網(wǎng)線的水晶頭和光纖法蘭盤在冬季晝夜溫差較大時，經(jīng)常發(fā)生因接觸不良而造成的通信中斷、數(shù)據(jù)鏈斷鏈等情況，從而影響了整個繼電保護系統(tǒng)工作。

4 結(jié) 論

1)繼電保護裝置就地化安裝后，可以減少投資，提高安裝調(diào)試和運行的效率。但是，還有許多影響保護可靠運行的關(guān)鍵技術(shù)有待深入研究，如電子元器件、電源以及防護等組成部分無法滿足低溫穩(wěn)定運行的要求。

2)根據(jù)就地化繼電保護系統(tǒng)失效率負荷盆浴曲線規(guī)律，在高寒地區(qū)隨著溫度的降低，保護系統(tǒng)失效率將大大增加，影響保護動作的正確性和可靠性。

3)就地化安裝的繼電保護裝置會受到強烈的電磁干擾，目前的檢測等級已無法滿足保護裝置安全穩(wěn)定運行的要求，需要提高浪涌、射頻磁場等考核項目的測試等級。

4)在高寒低溫環(huán)境下，部分保護裝置動作出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，個別保護裝置動作延遲時間已經(jīng)超出了相關(guān)標準的要求，無法滿足動作可靠性的要求，需要提高繼電器觸點和計算邏輯等方面在低溫環(huán)境運行時的動作可靠性。

5)電(光纜)纜低溫環(huán)境下絕緣外皮變脆，在彎曲度較大的地方容易發(fā)生外皮開裂損壞，造成二次電纜絕緣破壞。應(yīng)調(diào)整繼電保護狀態(tài)檢修、狀態(tài)評價以及巡檢的相關(guān)事項要求，建立健全即插即用繼電保護就地化的現(xiàn)場專用規(guī)程，保證電(光)纜的完好運行。

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(編輯 侯世春)

Study on localization application of line protection in alpine areas

JIN Zhenshan1, JIANG Peng1, XU Mingyu1, LV Yongsheng3, WANG Luxin1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd.，Harbin 150030，China；2.Dongfeng Distribution Company of state Grid Daqing Eelectric Power Supply Company, Daqing 163000, China)

In order to study the reliability of plug and play mode of line protection localization applied in the alpine area, the functions and design features of plug and play relay protection in the construction, commissioning and maintenance are expounded and sets of schemes of plug and play localized line protection device access to pilot substation voltage, current circuit and grounding mode are proposed. Based on the results of field test and trial operation, the influence of the electromagnetic compatibility, the material and the insulation is analyzed on the reliability of the protection action in alpine areas in low temperature . The results show that the failure rate of the protection system will increase in alpine area and the delay phenomenon of some protective devices occurs which affects the correctness and reliability of the protection action. There are needs to improve test level on the surge, RF magnetic field and other testing items, improve the operation reliability of relay contact action and calculation logic and establish a sound on-site specific procedures of plug and play relay protection localization to meet the requirements of protection system in low-temperature and stable operation

Alpine region; line protection; localization; plug and play

2017-03-01；

2017-05-08。

金鎮(zhèn)山(1963—)，男，高級工程師，主要研究方向為繼電保護、勵磁。

TM773

A

2095-6843(2017)03-0193-06