繼電保護基本概念
電力系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，有可能發(fā)生各類故障和各種不正常情況。其中故障一般可分為兩類:橫向不對稱故障和縱向不對稱故障。橫向不對稱故障包括兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路三種，縱向?qū)ΨQ故障包括單相斷相和兩相斷相，又稱非全相運行。電網(wǎng)在發(fā)生故障后會造成很嚴重的后果:
(1)電力系統(tǒng)電壓大幅度下降，廣大用戶負荷的正常工作遭到破壞。
(2)故障處有很大的短路電流，產(chǎn)生的電弧會燒壞電氣設(shè)備。
(3)破壞發(fā)電機的并列運行的穩(wěn)定性，引起電力系統(tǒng)震蕩甚至使整個系統(tǒng)失去穩(wěn)定而解列瓦解。
(4)電氣設(shè)備中流過強大的電流產(chǎn)生的發(fā)熱和電動力，使設(shè)備的壽命減少，甚至遭到破壞。
不正常情況有過負荷、過電壓、電力系統(tǒng)振蕩等.電氣設(shè)備的過負荷會發(fā)生發(fā)熱現(xiàn)象，會使絕緣材料加速老化，影響壽命，容易引起短路故障。
所以必須設(shè)置一套設(shè)備對電力系統(tǒng)實施監(jiān)控，并對異常情況進行動作，使損失降低到最小。所以出現(xiàn)了繼電保護設(shè)備。繼電保護主要利用電力系統(tǒng)中原件發(fā)生短路或異常情況時電氣量(電流、電壓、功率等)的變化來構(gòu)成繼電保護動作。繼電保護裝置的任務在于：在供電系統(tǒng)運行正常時，安全地.完整地監(jiān)視各種設(shè)備的運行狀況，為值班人員提供可靠的運行依據(jù)；供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動地、迅速地、并有選擇地切除故障部分，保證非故障部分繼續(xù)運行；當供電系統(tǒng)中出現(xiàn)異常運行工作狀況時，它應能及時準確地發(fā)出信號或警報，通知值班人員盡快做出處理。
繼電保護被稱為是電力系統(tǒng)的衛(wèi)士，它的基本任務有:
(1)當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動、迅速、有選擇地將故障設(shè)備從電力系統(tǒng)中切除，保證系統(tǒng)其余部分迅速恢復正常運行，防止故障進一步擴大。
(2)當發(fā)生不正常工作情況時，能自動、及時地選擇信號上傳給運行人員進行處理，或者切除那些繼續(xù)運行會引起故障的電氣設(shè)備。
可見繼電保護是任何電力系統(tǒng)必不可少的組成部分，對保證系統(tǒng)安全運行、保證電能質(zhì)量、防止故障的擴大和事故的發(fā)生，都有極其重要的作用。
繼電保護裝置廣泛應用于工廠企業(yè)高壓供電系統(tǒng)、變電站等，用于高壓供電系統(tǒng)線路保護、主變保護、電容器保護等。高壓供電系統(tǒng)分母線繼電保護裝置的應用，對于不并列運行的分段母線裝設(shè)電流速斷保護，但僅在斷路器合閘的瞬間投入，合閘后自動解除。另外，還應裝設(shè)過電流保護，對于負荷等級較低的配電所則可不裝設(shè)保護。變電站繼電保護裝置的應用包括： 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)
（1） 線路保護：一般采用二段式或三段式電流保護，其中一段為電流速斷保護，二段為限時電流速斷保護，三段為過電流保護。
（2）母聯(lián)保護：需同時裝設(shè)限時電流速斷保護和過電流保護。 信息請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)
（3）主變保護：主變保護包括主保護和后備保護，主保護一般為重瓦斯保護、差動保護，后備保護為復合電壓過流保護、過負荷保護。
（4）電容器保護：對電容器的保護包括過流保護、零序電壓保護、過壓保護及失壓保護。
隨著繼電保護技術(shù)的飛速發(fā)展，微機保護的裝置逐漸投入使用，由于生產(chǎn)廠家的不同、開發(fā)時間的先后，微機保護呈現(xiàn)豐富多彩、各顯神通的局面，但基本原理及要達到的目的基本一致。
繼電保護的特點
對繼電保護裝置的基本要求有四點：即選擇性、靈敏性、速動性和可靠性
（1）選擇性
當供電系統(tǒng)中發(fā)生故障時，繼電保護裝置應能有選擇性地將故障部分切除。也就是它應該首先斷開距離故障點最近的斷路器，以保證系統(tǒng)中其它非故障部分能繼續(xù)正常運行。系統(tǒng)中的繼電保護裝置能滿足上述要求的，就稱為有選擇性；否則就稱為沒有選擇性。
（2） 靈敏性
靈敏性系指繼電保護裝置對故障和異常工作狀況的反映能力。在保護裝置的保護范圍內(nèi)，不管短路點的位置如何、不論短路的性質(zhì)怎樣，保護裝置均不應產(chǎn)生拒絕動作；但在保護區(qū)外發(fā)生故障時，又不應該產(chǎn)生錯誤動作。保護裝置靈敏與否，一般用靈敏系數(shù)來衡量。保護裝置的靈敏系數(shù)應根據(jù)不利的運行方式和故障類型進行計算。靈敏系數(shù)越高，則反映輕微故障的能力越強。各類保護裝置靈敏系數(shù)的大小，根據(jù)保護裝置的不同而不盡相同。
（3）速動性
速動性是指保護裝置應能盡快地切除短路故障。 縮短切除故障的時間，就可以減輕短路電流對電氣設(shè)備的損壞程度，加快系統(tǒng)電壓的恢復，從而為電氣設(shè)備的自啟動創(chuàng)造了有利條件，同時還提高了發(fā)電機并列運行的穩(wěn)定性。
（4）可靠性
保護裝置應能正確的動作，并隨時處于準備狀態(tài)。如不能滿足可靠性的要求，保護裝置反而成為了擴大事故或直接造成故障的根源。為確保保護裝置動作的可靠性，則要求保護裝置的設(shè)計原理、整定計算、安裝調(diào)試要正確無誤；同時要求組成保護裝置的各元件的質(zhì)量要可靠、運行維護要得當、系統(tǒng)應盡可能的簡化有效，以提高保護的可靠性。
2、可靠性基礎(chǔ)
可靠性研究起源于武器系統(tǒng)，經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，已成為一門遍及各學科各行業(yè)的工程技術(shù)學科，已經(jīng)從電子產(chǎn)品的可靠性發(fā)展到機械和非電子產(chǎn)品的可靠性，從硬件的可靠性發(fā)展到軟件的可靠性，從重視可靠性統(tǒng)計試驗發(fā)展到強調(diào)可靠性工程試驗，通過環(huán)境應力篩選和可靠性強化試驗來暴露產(chǎn)品故障，提高產(chǎn)品的可靠性。
（1）、可靠性的基本概念
可靠性，是指一個元件、設(shè)備或系統(tǒng)在預定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。可靠性工程設(shè)計到元件失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和處理，系統(tǒng)可靠性定量評估及其運行維護，可靠性和經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)等各方面。
對產(chǎn)品而言，可靠性越高就越好.可靠性高的產(chǎn)品，可以長時間正常工作(這正是所有消費者需要得到的)；從專業(yè)術(shù)語上來說，就是產(chǎn)品的可靠性越高，產(chǎn)品可以無故障工作的時間就越長。簡單的說，狹義的"可靠性"是產(chǎn)品在使用期間沒有發(fā)生故障的性質(zhì)。例如一次性注射器，在使用的時間內(nèi)沒有發(fā)生故障，就認為是可靠的；再如某些一旦發(fā)生故障就不能再次使用的產(chǎn)品，日光燈管就是這類型的產(chǎn)品，一般損壞了只能更換新的。從廣義上講，可靠性是指使用者對產(chǎn)品的滿意程度或?qū)ζ髽I(yè)的信賴程度.而這種滿意程度或信賴程度是從主觀上來判定的。為了對產(chǎn)品可靠性做出具體和定量的判斷，可將產(chǎn)品可靠性可以定義為在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，元器件(產(chǎn)品)、設(shè)備或者系統(tǒng)穩(wěn)定完成功能的程度或性質(zhì)。
產(chǎn)品實際使用的可靠性叫做工作可靠性。工作可靠性又可分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是產(chǎn)品設(shè)計制造者必須確立的可靠性，即按照可靠性規(guī)劃，從原材料和零部件的選用，經(jīng)過設(shè)計、制造、試驗，直到產(chǎn)品出產(chǎn)的各個階段所確立的可靠性。使用可靠性是指已生產(chǎn)的產(chǎn)品，經(jīng)過包裝、運輸、儲存、安裝、使用、維修等因素影響的可靠性。
為保證設(shè)備的長時間無故障運行而進行的分析處理過程，這就是設(shè)備的可靠性分析。設(shè)備之所以發(fā)生故障，其最主要的原因是設(shè)備的可靠性差。所謂工作可靠性，是指設(shè)備機能在時間上的穩(wěn)定性程度，或者說在一定時間內(nèi)，不發(fā)生問題的程度(概率).設(shè)備的可靠性和使用可靠性構(gòu)成。所謂固有可靠性，是指該設(shè)備由設(shè)計、制造、安裝到試運轉(zhuǎn)完畢，整個過程所具有的可靠性，是先天性的可靠性。
當固有可靠性低或使用可靠性低，或這兩種可靠性都低時，設(shè)備就有可能發(fā)生故障。對故障采取對策，重要的是對故障原因在固有可靠性和使用可靠性上進行識別。當固有可靠性提高時，提高使用可靠性就比較容易；而當固有可靠性低對，要提高使用可靠性就十分困難。因此，從根本上講，要防止故障的發(fā)生，最有效的對策就是注意設(shè)備固有可靠性的形成，即重視設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝和調(diào)試全過程。
具體到繼電保護系統(tǒng)，電力系統(tǒng)設(shè)備可靠性是指用于電力系統(tǒng)的設(shè)備或產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它綜合反映了一種設(shè)備的耐久性、可靠性、維修性、有效性和使用經(jīng)濟性等，可用各種定量指標表示。其可靠性是指該系統(tǒng)在規(guī)定的范圍內(nèi)發(fā)生了它應該動作的故障時，它不應該拒動作，而在任何其它該保護不應動作的情況下，它不應誤動作。繼電保護系統(tǒng)是一個串聯(lián)系統(tǒng)，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都將導致整個系統(tǒng)失去其應有的保護功能，即繼電保護系統(tǒng)失去了可靠性。在研究繼電保護系統(tǒng)可靠性時，以一個具有完整保護功能的整套繼電保護裝置為最小研究單元。
（2）、可靠性常用的衡量指標
根據(jù)可靠性的定義，可以衡量可靠性的標準一般有以下方面：
（1） 可靠度
可靠性定義即可定量化為：電子元器件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。這種概率稱之為電子元器件的可靠度，通常用字母 R 表示。可靠度R(t)：表示電子元器件產(chǎn)品在規(guī)定條件下使用一段時間t后，還能完成規(guī)定功能的概率。如果將這段時間記為電子元器件的壽命，則可靠度表示從開始使用到失效的時間。可靠度的概率表達式為：
如果有N個電子元器件產(chǎn)品從開始工作到t 時刻的失效數(shù)為n(t)，當N足夠大時，產(chǎn)品在t時刻的可靠度可近似表示為：
時間不斷增長，R(t)將不斷下降。它是介于1與0之間的數(shù)，即0￡R(t)￡1。
（2） 累計失效概率
累積失效概率表示電子元器件產(chǎn)品在規(guī)定條件下，工作到這段時間內(nèi)的失效概率，用F(t)表示，又稱為失效分布函數(shù)，其表達式為：
F(t)=P(T￡t)
如果N個電子元器件產(chǎn)品從開始工作到t時刻的失效數(shù)為：n(t)，則當N足夠大時，產(chǎn)品在該時刻的累積失效概率可近似表示為：F(t)=n(t)/N顯然， R(t)+F(t)=1
（3） 失效分布密度
失效分布密度 f(t)表示在規(guī)定條件下工作的電子元器件產(chǎn)品在t時刻。
3、繼電保護設(shè)備的可靠性
繼電保護裝置是一種機電設(shè)備，一般來說，繼電保護裝置包括測量部分和定值調(diào)整部分、邏輯部分和執(zhí)行部分。如圖2.1所示，測量部分從保護對象輸入有關(guān)信號，再與給定的整定值相比較，以判斷是否發(fā)生故障或異常運行狀態(tài)；邏輯部分依據(jù)測量部分輸出量的性質(zhì)、出現(xiàn)的順序或其組合，進行邏輯判斷，以決定保護是否動作。執(zhí)行部分依據(jù)前面環(huán)節(jié)判斷得出的結(jié)果予以執(zhí)行：跳閘或發(fā)信號。
【圖1】
圖1 繼電保護組成方框圖
與一般的機電或電子設(shè)備甚至是電力系統(tǒng)的一次設(shè)備比較，繼電保護的工作性質(zhì)決定了其自身的一些特點，這些特點在其可靠性研究中必須予以注意：
（1）繼電保護尤其是靜態(tài)式保護裝置中所用的元件種類很多，元件的制造工藝復雜，影響其質(zhì)量和壽命的因素很多，因而其故障更具有隨機的性質(zhì)，更宜用概率的方法和可靠性理論進行研究；
（2）繼電保護在電力系統(tǒng)中所處的地位極為重要，其不正確工作可能引起極為嚴重的后果和巨大的經(jīng)濟損失。但是，繼電保護是經(jīng)常處于準備工作狀態(tài)而非連續(xù)工作的設(shè)備，只有在系統(tǒng)故障的極短暫時間內(nèi)需要繼電保護工作。如果在準備工作狀態(tài)下，發(fā)生影響其正確工作的缺陷而能及時發(fā)現(xiàn)和消除，則仍應認為是可靠的。因此，及時發(fā)現(xiàn)故障并快速消除之是提高保護工作可靠性的重要措施；
（3）繼電保護總是在電力系統(tǒng)故障時工作。因此，其最終的工作可靠性不完全決定于其裝置本身，還與電力系統(tǒng)的運行方式、故障的統(tǒng)計規(guī)律和故障的性質(zhì)等因素有關(guān)；
（4）各種繼電保護裝置在電力系統(tǒng)中不是孤立地工作，而是相互有機配合，相輔相成，構(gòu)成完善的保護系統(tǒng)。因此，某一保護裝置的可靠性不只決定于其本身，還與其他保護裝置的可靠性有關(guān)。不僅應研究單個繼電保護裝置的可靠性，還要研究各保護裝置配合工作的可靠性。
電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)備可靠性的要求和特點如下：
(1)總體設(shè)計：要該通過系統(tǒng)可靠性指標的分配和預計，進行優(yōu)化設(shè)計，使之在現(xiàn)有條件下具有一定的可靠性。
特點：從整體出發(fā)，經(jīng)過分配、預計，和再分配、再預計等幾個循環(huán)，找出系統(tǒng)或者整機性能最好、可靠性最高、成本最低的最佳方案。
(2)電路：電路設(shè)計、元件選擇、容差和降額設(shè)計，在滿足性能、價格等要求的前提下，參考電路所容許的公差，確定元器件參數(shù)和類型，設(shè)計電路組成方案，并注意減額使用。
特點：需要核算審查電路的每一個規(guī)定的特性，采取必要的加強措施，并在有關(guān)部位設(shè)置報警和保護裝置。
(3)結(jié)構(gòu)：主要考慮計算機及其應用系統(tǒng)設(shè)備及其元件的安裝方式，并采用散熱、抗熱、冷卻、防泄漏、抗干擾、防振動、抗沖擊措施和環(huán)保措施。
(4)抗沖擊、振動：盡可能提高整個機箱或整機的固有頻率；選擇設(shè)計適當?shù)臏p振器，如橡膠減振器、空氣彈簧減振器、雙剛減振器、阻尼減振器。使系統(tǒng)振源的固有頻率低于激振頻率。
特點：主要針對元器件所在的機械環(huán)境中，各類機械振動沖擊對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生的影響，加強物理方面的保護，減輕機械環(huán)境對系統(tǒng)設(shè)備可靠性的影響。
(5)電磁兼容性：通過濾波、屏蔽、隔離、接地、避雷電、防靜電等措施，使計算機及應用系統(tǒng)于同一時空環(huán)境中的電子設(shè)備兼容兼顧。
(6)可維性：目的在于
①于維修；
②減少維修作業(yè)項目；
③減輕維修保養(yǎng)負擔；
④減少后期保養(yǎng)費用。
通過對設(shè)備可維性的提高，就可以把系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性提高。
(7)可用性設(shè)計：主要針對使用人員能方便、準確、迅速而可靠的使用各項設(shè)備，通過加強對操作人員方便及可靠性的設(shè)計，達到對設(shè)備和系統(tǒng)對可靠性的要求。
(8)軟件可靠性：自頂向下設(shè)計、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計、程序綜合與推導、函數(shù)程序設(shè)計以及有關(guān)的形式說明和程序變換等。
(9)人機交互：主要靠可輸入輸出的外部設(shè)備和相應的軟件來完成。可供人機交互使用的設(shè)備主要有鍵盤顯示、鼠標、各種模 式識別設(shè)備等。
4、繼電保護裝置可靠性評估方法
電力系統(tǒng)可靠性是通過定量的可靠性指標來量度的。一般可以是故障對電力用戶造成的不良后果的概率、頻率、持續(xù)時間、故障引起的期望電力損失及期望電能量損失等，不同的子系統(tǒng)可以有不同的可靠性指標。對于不同的對象，我們可以采用各種不同的可靠性衡量方法，這些方法一般可以分為以下幾種：
（1）用概率表示
其定義為“一個元件、設(shè)備或系統(tǒng)在預定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率。這個概率就是可靠性的量度。顯然，這個定義和衡量方法主要用于不能修復的元件、設(shè)備或系統(tǒng)。對于可修復的元件、設(shè)備或系統(tǒng)來說，它只能反映其第一次故障前的可靠性。
（2）用時間表示
故障前平均時間MTBF。即從開始使用到發(fā)生故障的平均時間，可用于不修復元件、設(shè)備或系統(tǒng)，亦可用于可修復元件、設(shè)備或系統(tǒng)，表示第一次故障前的平均時間。故障間平均時間MTBF。用于可修復元件、設(shè)備或系統(tǒng)，表示兩次故障之間的時間。
（3）用頻率表示
正確動作率，即在一定期限內(nèi)，被統(tǒng)計的可修復元件、設(shè)備或系統(tǒng)正確動作的次數(shù)與總動作次數(shù)之比，可以用公式表示為：
正確動作率= ( 正確動作次數(shù)/ 總動作次數(shù))×100%
繼電保護系統(tǒng)可靠性是一般指繼電保護系統(tǒng)在預定的工況下及時間內(nèi)成功完成預定功能的能力。這里的可靠性包含設(shè)備可靠性和功能可靠性。設(shè)備可靠性以A 表述，從二次系統(tǒng)的觀點描述投入運行的繼電保護系統(tǒng)在任何時刻處于工作狀態(tài)的概率。功能可靠性則以R 表述，即從一次系統(tǒng)的觀點描述處于工作狀態(tài)的繼電保護系統(tǒng)能夠正確工作的概率。用完好度P 作為繼保系統(tǒng)可靠性的衡量指標，其關(guān)系為:
P = A R
可靠性指標建立的原則有：
①以滿足使用要求為原則，覆蓋繼電保護行為的特征；
②在滿足一定先進性和使用要求的前提下，盡可能降低成本；
③根據(jù)使用條件的不同確定可靠性指標的水平；
④指標的可測定性原則——選擇的可靠性指標應考慮指標間的相關(guān)性和可行性。
（3）可靠性技術(shù)使用等級和歸納分析
第一等級：軍用級。由于軍用等級對所有設(shè)備的要求最高，所以相對應的所需求的可靠性也就最高，與此同時對于經(jīng)費等問題則會考慮的較少。在設(shè)置軍用設(shè)備的和系統(tǒng)的時候，主要考慮最高的可靠性，一般情況下都使用最好的、最先進的、最高可靠的儀器和設(shè)備，這樣來達到高可靠性的目的。
第二等級：工業(yè)級。由于工業(yè)級所考慮最多的是追求高性價比，所以通常考慮的因素會最多。它需要綜合考慮更多的因素，如：生產(chǎn)的效率，生產(chǎn)的可靠性，生產(chǎn)的成本，生產(chǎn)的周期等。這樣以來，對于工業(yè)級別的設(shè)備及系統(tǒng)要求來說，設(shè)計是較為復雜的，需要綜合全面考慮，在追求較高可靠性的同時，還要追求較高的經(jīng)濟效益。
第三等級：民用級。由于民用級所最多考慮的是成本，所以在追求設(shè)備的可靠性方面要求最低，這就意味著，它所使用的設(shè)備較為的便宜，追求可用性，而非高可靠性，所以民用級的設(shè)備等對可靠性的要求最低。
表1 提高可靠性技術(shù)使用場合歸納分析表
|
冗余 技術(shù) |
軟件 設(shè)計 |
人機 交互 |
熱設(shè)計 |
三防 設(shè)計 |
抗沖 擊 |
電磁 兼容 |
避錯 設(shè)計 |
|
|
|
第一等級（軍用） |
系統(tǒng)級 |
高功能、高可靠 |
全面高可靠 |
金屬 導熱 |
完全 絕緣 |
避免 振源 |
TEMPE S技術(shù) |
系統(tǒng)級 |
|
|
第二等級（工業(yè)） |
部件級 |
高可靠、高易用 |
部分高 可靠 |
陶瓷 導熱 |
重點 絕緣 |
提高 剛度 |
一般防泄露技術(shù) |
部件級 |
|
|
第三等級（民用） |
模塊級 |
高易用、高效率 |
易用 |
塑料 導熱 |
部分 絕緣 |
阻尼 減振 |
很少 考慮 |
模塊級 |
網(wǎng)絡整理 僅供參考
圖片來源于網(wǎng)絡，如有侵權(quán)聯(lián)系刪除
版權(quán)歸作者所有
在線咨詢
電話咨詢