劉 魁,冀慎龍

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

繼電保護(hù)微處理器機(jī)制的引入引起了人們對(duì)微處理器系統(tǒng)在短路情況下誤觸發(fā)的關(guān)注,如在110 kV側(cè)或受各種性質(zhì)的電磁干擾。這是由于信號(hào)功率的不同水平能夠干擾控制元件的操作:對(duì)于機(jī)電繼電器,該能量為10-3J;而對(duì)于微處理器系統(tǒng),則為10-7J。在冶金設(shè)施復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中也存在類似情況。在高壓配電網(wǎng)的控制過程中,產(chǎn)生的電磁干擾比生產(chǎn)部門的環(huán)境大得多?，F(xiàn)代系統(tǒng)的電力供應(yīng)水平低且運(yùn)行不可靠,與額定值的電壓偏差較小,機(jī)電繼電器的短期雙過電壓不會(huì)影響現(xiàn)有繼電保護(hù)和自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)[1-3]。

1 繼電保護(hù)及自動(dòng)化系統(tǒng)研究

微處理器系統(tǒng)的開發(fā)和引入最重要的內(nèi)容是通過電源電路和控制電路的電流分離來解決系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題,可采取措施將電磁干擾降低到可接受的水平(屏蔽裝置的選擇、保護(hù)接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和防雷系統(tǒng))。在這個(gè)階段,通常現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)量是最小的。因此,評(píng)估模型的作用越來越大,對(duì)初始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和模型質(zhì)量提出了更高的要求[4-5]。在設(shè)計(jì)階段,要考慮二次換向電路和裝置的電磁干擾參數(shù),并全面評(píng)估電磁環(huán)境。

1.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

已經(jīng)公式化的問題可以通過簡(jiǎn)單地放大測(cè)試嚴(yán)格性來解決,同樣的問題也可以使用相對(duì)損失最小化標(biāo)準(zhǔn)來解決?？紤]到增加測(cè)試嚴(yán)格性的技術(shù)解決方案成本變化的增量性質(zhì)使用標(biāo)準(zhǔn)如式(1)所示。

(1)

其中,ΔC是相對(duì)增加成本,即額外屏蔽、接地等;通過這些措施,系統(tǒng)將以更高的嚴(yán)格程度通過測(cè)試。C1是技術(shù)解決方案的初始成本。ΔX為增量,表示試驗(yàn)嚴(yán)格性。X1是初始值代表的測(cè)試嚴(yán)格度。

如果K<1,則增加測(cè)試嚴(yán)格性的額外技術(shù)措施的成本增量有一個(gè)非常小的、不顯著的變化。在這種情況下,可以使用相對(duì)損失最小化標(biāo)準(zhǔn)。如果需要提供工業(yè)設(shè)施等級(jí)別的系統(tǒng)可靠性指標(biāo),則系數(shù)取值K≥1。在這種情況下,技術(shù)解決方案的選擇方法不必考慮價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)。

所考慮的方法具有一般的理論性質(zhì),對(duì)于實(shí)際應(yīng)用需要明確以下幾點(diǎn)要求。(1)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)對(duì)將要開發(fā)系統(tǒng)的測(cè)試嚴(yán)格程度的依賴性。(2)使足夠的測(cè)試嚴(yán)格性成為可能的技術(shù)措施成本。一般情況下,測(cè)試嚴(yán)格程度對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的依賴性是相當(dāng)復(fù)雜的行為,很難以分析的形式呈現(xiàn)。在實(shí)踐中,可以通過與技術(shù)系統(tǒng)的類比來假設(shè)這種依賴性的指數(shù)形狀。

相關(guān)成本C對(duì)微處理器繼電保護(hù)系統(tǒng)無故障運(yùn)行概率的近似依賴性,如圖1所示。將無故障運(yùn)行概率為0.998的系統(tǒng)作為基本(初始)值,相對(duì)成本為C=1。這些數(shù)據(jù)只是暫時(shí)地描述了真實(shí)情況,表明這種依賴性具有指數(shù)行為。因此,在最簡(jiǎn)單的情況下,將系統(tǒng)的錯(cuò)誤觸發(fā)數(shù)量減少一半,可使保護(hù)系統(tǒng)免受電磁干擾的成本增加約4倍。

圖1 微處理器繼電保護(hù)系統(tǒng)的相對(duì)成本對(duì)無故障運(yùn)行概率的依賴性

1.2 故障診斷標(biāo)準(zhǔn)

極性故障是一種典型的故障。測(cè)量中每個(gè)環(huán)節(jié)的誤差引入了一個(gè)綜合誤差項(xiàng)。由于相位誤差在短時(shí)間內(nèi)減小,因此,二次電流由等式(2)可知。

i1=(1+σi)i′1

(2)

在公式(2)中,i′1是無誤差的測(cè)量回路的二次電流;σi是復(fù)合錯(cuò)誤。此時(shí),廣義變換比為:

(3)

如果極性正確:

(4)

如果極性不正確:

(5)

可以看出,廣義變換比的范圍是ng∈(-1.11,-0.91)。如果可靠性系數(shù)設(shè)置為1.1,則極性失效的標(biāo)準(zhǔn)為ng∈(-1.21,-0.81)且極性失效的狀態(tài)在該范圍內(nèi)。

2 電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的常規(guī)方法

2.1 電磁環(huán)境常規(guī)方法分析

在變電站的室外開關(guān)設(shè)備運(yùn)行過程中,由于腐蝕過程、與接地裝置的接觸失效以及電纜線路絕緣性能的退化,接地系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)會(huì)惡化。在變電站的運(yùn)行中,設(shè)計(jì)階段的缺陷顯現(xiàn)出來。該情況需要采取常規(guī)措施來記錄抗干擾的范圍,確定故障位置,并隨后監(jiān)測(cè)問題所在區(qū)域。大多數(shù)情況下,為評(píng)估電磁環(huán)境而采取的措施無其他附加問題。因此,通過計(jì)算確定避雷器的短路和電流通過模式,其余參數(shù)如主控制板上工業(yè)和無線電頻帶的恒定磁場(chǎng)水平及主網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)時(shí)靜電放電和脈沖干擾的功率可用于檢測(cè)。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,繼電保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)的大多數(shù)故障發(fā)生在雷擊時(shí),需要檢查接地系統(tǒng)和與接地器接觸的連續(xù)性,接地系統(tǒng)的一些元件在地下,使有效檢測(cè)故障接地體的措施變得復(fù)雜。在檢查過程中,遺漏的任何元件都是潛在的電磁干擾源。因此,開發(fā)一種實(shí)用的接地系統(tǒng)故障元件診斷方法,對(duì)于變電站電磁檢測(cè)的進(jìn)行具有重要的意義?，F(xiàn)有的診斷裝置的方法有:順序功能分析法、半?yún)^(qū)間法、考慮故障概率的半?yún)^(qū)間法等。實(shí)踐中,在電磁環(huán)境總體測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)比較的初步階段,可以選擇最有可能違反接地器完整性或與接地裝置接觸的區(qū)域,通常運(yùn)用考慮元件故障概率的一半?yún)^(qū)間法,進(jìn)行電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)。

如圖2所示是無故障運(yùn)行概率的變電站接地系統(tǒng)故障元件搜索算法,其中搜索范圍包括了開關(guān)設(shè)備、接地系統(tǒng)和功能單元等。在診斷算法方案中,使用了搜索因子和區(qū)分功能單元來檢查和診斷對(duì)象的故障。為了確保無故障操作,尤其需要關(guān)注接地器和故障接觸的質(zhì)量。通過計(jì)算加速和匯總概率,可以提高診斷時(shí)間的效率。

圖2 考慮無故障運(yùn)行概率的變電站接地系統(tǒng)故障元件搜索算法

2.2 繼電保護(hù)系統(tǒng)在電磁環(huán)境的分析

微處理器繼電保護(hù)系統(tǒng)在電磁環(huán)境中需要考慮以下方面:(1)電磁干擾。微處理器繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具備抗電磁干擾的能力,以防止外部電磁輻射對(duì)其正常運(yùn)行的干擾。這可以通過采用屏蔽材料和濾波器來降低外部電磁輻射對(duì)系統(tǒng)的影響。(2)電磁輻射。微處理器繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具備低電磁輻射的特性,以降低對(duì)周圍設(shè)備的電磁干擾。這可以通過合理的布局和設(shè)計(jì)、適當(dāng)?shù)碾姶牌帘未胧┖洼椛湎麥p技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。(3)電磁兼容性。微處理器繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)符合電磁兼容性要求,即在電磁環(huán)境中同時(shí)保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行和不對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。這需要選擇合適的組件和電磁屏蔽材料,進(jìn)行合理的電磁兼容性測(cè)試和調(diào)整。(4)電源干擾。微處理器繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具備抗電源干擾的能力,以避免電源的噪聲、變化和干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。這可以通過電源濾波器、穩(wěn)壓器和適當(dāng)?shù)碾娫丛O(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。(5)射頻干擾。微處理器繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具備抗射頻干擾的能力,以避免射頻信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾。這可以通過使用適當(dāng)?shù)纳漕l屏蔽材料和設(shè)計(jì)合理的射頻防護(hù)措施來實(shí)現(xiàn)。

在進(jìn)行戶外110 kV/220 kV開關(guān)設(shè)備的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),通常需要使用物理模型和數(shù)值解法來處理與接地電流和等效電荷法相關(guān)的問題。這些問題包括脈沖瞬態(tài)過程和相應(yīng)電路微分方程的求解及使用初始數(shù)據(jù)來估計(jì)脈沖電勢(shì)差。為了提高系統(tǒng)的抗干擾水平,需要考慮電纜屏蔽和雙面接地的衰減系數(shù),并進(jìn)行電阻測(cè)試來確定系統(tǒng)的四度嚴(yán)格度。此外,還需要使用微秒脈沖干擾來評(píng)估微處理器設(shè)備的抗干擾水平。為了提高在大電流引起的電壓脈沖沖擊作用下的可靠性,建議立即更換參數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)值的接地器,根據(jù)規(guī)范和技術(shù)文件的要求提供變壓器組區(qū)域內(nèi)橫向接地之間的距離。

3 結(jié)語(yǔ)

在微處理器保護(hù)系統(tǒng)中,可靠性指標(biāo)是評(píng)估系統(tǒng)可靠性水平的重要標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)特性。為了確保系統(tǒng)的高可靠性,需要使用高質(zhì)量的電纜產(chǎn)品進(jìn)行串行通道傳輸。同時(shí),由于變量數(shù)量有限的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸格式,故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)成為常規(guī)措施。在操作期間,還需評(píng)估電磁環(huán)境對(duì)微處理器系統(tǒng)的影響,并采取相應(yīng)的接地系統(tǒng)和半間隔法來保障系統(tǒng)的無故障運(yùn)行概率。