电气自动化系统中继电保护的安全技术探讨

2023-11-27石锵锵邵峰张云杭州绿能环保发电有限公司浙江杭州310053

中国房地产业 2023年32期

文／石锵锵、邵峰、张云杭州绿能环保发电有限公司浙江杭州 310053

引言：

随着继电保护装置与技术在电气工程中的普遍应用，大大凸显了继电保护的技术优势，为继电保护安全技术等的研究和创新提供了新的可能。虽电气自动化系统中继电保护取得了相对成功的应用效果，但在具体的工作中安全问题频繁出现，当前及未来的工作中相关人员需根据行业发展趋势，创新继电保护的安全技术，构建科学的技术体系和工作路径。

1.继电保护工作原理

电气系统一旦发生故障将引发电流增大、电压降低，还伴随着电流与电压间相位变化，而利用继电保护可通过故障时物理量与正常运行时物理量的差异来分析故障，实现保护，如反映电流增大的过电流保护、反映电压降低的低电压保护。继电保护一般包含测量部分、逻辑部分和执行部分，测量部分可测定被保护设备输入的电流及电压信号，将处理后的结果与已给定的整定值进行比较，判定是否有起动的必要性；逻辑部分可有测量部分各输出量的大小、性质及其组合、输出顺序，使保护装置以一定的逻辑程序完成相应的指令，与此同时将信号传输给执行部分；执行部分可接收逻辑部分所传输的信号，完成保护装置所承担的任务，发送跳闸或信号脉冲。

以线路过电流保护为例，如图1 所示，电流继电器KA 的线圈接在被保护线路电流互感器TA 的二次回路，也就是保护的测量回路，可自动监控被保护线路的运行状态，测定线路中的电流值大小。正常条件下，一旦线路中通过最大负荷电流，继电器无任何动作；如在被保护线路K 点有短路故障，线路上的电流值在瞬时增大，电流互感器TA 二次侧的电流也以变比相应增大，当通过电流继电器KA 的电流值超过整定值，继电器开始保护动作，触点闭合，接通逻辑电路中时间节电器KT 的线圈回路，与此同时，时间继电器起动并根据短路故障的持续时间确定保护动作的逻辑判定，时间继电器KT 动作，延时触点闭合，接通执行回路中的信号继电器KS 和断路器QF 的跳闸线圈回路，使继电器跳闸，切除短路故障[1]。

图1 线路过电流保护原理

2.继电保护装置的特点

现阶段大部分电气自动化系统都配备有继电保护装置，该装置具有以下几个突出特征：（1）选择性，指的是由故障设备或线路本身的保护切除故障，一旦电气系统出现短路故障，继电保护装置开始动作，此保护阶段仅切除故障元件，最大程度上控制停电区域，以减小故障停电引发的问题。保护装置的这种可挑选故障元件的能力，就是其保护的选择性。（2）速动性，为最大程度上减小故障引发的损失，减少用户在故障时低电压下的工作时间、提高电气系统的运行稳定性，继电保护装置一旦识别到故障，必须立即启动保护动作，快速切除故障，以避免故障范围扩大。（3）可靠性，指的是保护装置在应该动作时动作，不应该动作时不动作的能力。为增强可靠性，一般应优先采用较为简单的保护方式，利用可靠的元件、简单的回路构成保护装置，并进行必要的检测、闭锁与双重化。（4）灵敏性，指的是继电保护在其保护范围内对发生故障或不正常工作状态下的反应能力。现阶段市场上的很多继电保护装置中都采用了自动化等技术，装置在使用过程中的灵敏度异常高[2]。

3.电气自动化系统中继电保护装置安全问题

3.1 电磁干扰

目前市场上的继电保护装置，其中都采用了很多现代化技术，这些技术对提高装置保护能力具有重要的意义。但结合电气自动化系统中继电保护的使用情况，电磁干扰问题时有发生，具体有以下几种：步话机干扰，一些情况下在继电保护装置周边有步话机，该设备在使用过程中有辐射电场，电场可经由耦合方式被传送到电气设备及线路，继电保护装置无法采集到准确的信号，因为信号准确度不足，影响了结果判定；隔离开关干扰，在操作隔离开关时，触电间隔部位的电弧闪络现象严重，存在高频电流、操作过电压，一旦电流经过母线，将产生磁场，对周围设备存在明显干扰；断开直流回路干扰，如电气自动化系统期间遇到断开直流回路问题，继电保护装置的继电器线圈立即聚集过量磁能，在杂散电流与磁能的融合过程中，将产生串联高频谐振回路，装置运行异常[3]。

3.2 装置触电

电气自动化系统的继电保护装置也常常面临触电问题，此类问题大多发生在调试与操作阶段，主要由安装缺陷、维护保养不到位所导致，如缺乏安装把控和经常性的维护保养工作，装置中的部分零部件松动、元器件损坏、线路松脱滑落，都无法保障继电保护装置的安全性与可靠性，增大了电气自动化系统的运行风险。在继电保护装置存在异常的情况下，一旦电气自动化系统内设备或者线路存在故障，继电保护装置无法第一时间启动保护动作，故障范围将持续扩大。

3.3 短路

继电保护装置在运行期间出现短路问题的几率较高，此类故障的危害较大，一般为电源线中断连接、连接位置不当、线路老化等导致，在出现这些问题时，随着时间的延长，继电保护装置面临的短路威胁日渐增大。装置的短路故障指的是两个或多个电气设备间电气接触面接触不良或者断开导致的电路电阻急剧降低，电流激增的问题，如发生此现象，电气自动化系统将面临火灾、电气设备损坏等威胁。

3.4 测量元件选型不合理

电气自动化系统中为发挥继电保护装置的作用，相关人员必须意识到测量元件的重要性，依据实际情况做好测量元件的选型工作。但显然，有关人员在实际的工作中往往不注重测量元件的选型，比如所选择的电流互感器倍率、型号等难以符合实际需求，后续运行中测量元件难以发挥其作用，增大了电气风险。

3.5 系统软件故障

根据实际经验，系统软件经常有功能缺失、逻辑错误、防护能力低下等问题，如未及时发现和处理这些问题，继电保护装置投入使用后，装置经常有动作错误现象。在功能缺失方面，主要是因为设计人员在前期的工作中没有从继电保护需求出发来设计系统软件，所设计的功能过于单一，缺乏故障自诊、在线监测功能，比如，因为无故障自诊功能，系统运行过程中很难发现继电保护装置的问题，装置无法正常运行。在逻辑错误方面，一些电气自动化系统不具备较强的逻辑分析能力，智能化程度偏低，没有采用市场上先进的人工智能技术、算法等，导致系统运行期间无法进行逻辑分析，影响了系统、装置的安全性。

4.电气自动化系统继电保护安全技术的类型

4.1 线路继电保护

电气自动化系统中线路继电保护相对常见，其包含了多种形式，如大接地短路电流保护，在110kV 及以上电压系统中，中性点直接接地，单相接地出现短路现象时，接地电流异常大，达到了500A 以上，一旦有一相出现接地故障，继电保护装置将自动动作，使断路器跳闸，切除故障线路。再比如小接地短路电流保护，在35kV 及以下电压系统中，中性点不接地经消弧线圈接地，单相接地有短路问题时，故障点流过很小的电容电流，一旦一相有接地故障，线电压依旧三相对称，能正常供电，允许运行1到2h，此时无需跳闸，但如果有两点接地短路故障，短路电流异常大，相间短路保护立即动作，使断路器跳闸。

4.2 变压器继电保护

针对变压器的继电保护，一般有短路保护与瓦斯保护两种。首先，短路保护，着重解决的是变压器在运行过程中的阻抗问题、过电流现象。在解决变压器阻抗问题时，可利用阻抗元件的保护功能完成，本质上是对变压器进行自动断电，以从源头上预防阻抗现象；过电流继电保护方面，主要需保持变压器两侧端元件、电源电流保护装置的高度配合性，以通过此方式继电保护各类电流元件，确保电流元件在运行一段时间后自动断电，避免过电流现象[4]。其次，瓦斯保护，针对的是变压器油箱的保护，如油箱在运行期间遇到了各类故障，将同步伴随着故障电弧，随着时间的延长，油箱内油与绝缘材质之间势必出现分解反应，必然伴随着有毒有害气体，为此，从安全性角度必须做好变压器油箱的继电保护，及时断开电源。

4.3 发电机继电保护

在发电机中采用继电保护方式，主要需注意以下两个方面：（1）确定保护内容、范围及要点，特别需关注定子组匝的保护，主要是因为当定子组匝受内外部因素影响而出现短路等故障时，将存在明显的局部升温现象，特殊情况下甚至会损坏绝缘层结构，发电机启动或运行困难，面临较大威胁。从这一方面分析，为在发电机中发挥继电保护的作用，相关人员可根据定子绕组的结构构成及运行情况，在其内布置匝间保护伞，避免发生短路现象。（2）发电机单相接地的情况下，如流经电流值超出限值，专业人员需在恰当的位置安装保护接地装置，同时分析电流、相位中心点的各方面情况。

5.电气自动化系统中继电保护安全技术的工作要点

5.1 调试检查

结合大部分电气自动化系统的运行情况，继电保护安全问题多由以下因素所引起：继电保护装置存在安装问题，或者装置本身存在设计漏洞与制造缺陷，当该装置长时间运行时，故障几率高。针对此现象，为提高继电保护装置的可靠性，有关人员需做好装置的调试与检查，安排专人按照行业规范负责操作调试、直流短路调试。安装操作调试阶段，有关人员需检查继电保护装置的外观是否完好，有无破损或者其他问题，并将装置的技术参数与实际需求相对比，在无任何异常的情况下进入试运行阶段[5]。当装置开始运行后，有关人员需记录装置在试运行期间的各项参数，并给装置进行功能性试验，以评估装置的性能、功能能否达到要求。功能性试验主要应完成绝缘检查、开关分合闸检查、逻辑检验、开关传动检查等。

5.2 合理应用抗干扰技术

继电保护装置运行过程中，周围如存在干扰源，装置可能接收到错误信号，对这些错误信号进行处理后发送的指令错误，执行错误的保护动作，此情况下难以发挥装置的保护作用。为此，电气自动化系统中继电保护的安全工作中，有关人员需合理利用抗干扰技术，结合继电保护装置附近的干扰源，综合应用隔离、接地、控制强电回路感应耦合等处理方式。在隔离处理过程中，有关人员需通过物理隔离处理模拟量、开关量输入与输出、强弱信号电缆，阻断外部环境与继电保护装置的接触路径。在隔离模拟量过程中，需在继电保护装置的交流输入回路中配备隔离变压器，与此同时在变压器一次、二次绕组中间设置经过接地处理的屏蔽层。开关量输入与输出隔离也需利用专业设备来实现，一般应在断路器与隔离开关等装置辅助触点等位置配备光耦合器，预防强电回路的电磁干扰。为实现强弱信号电缆隔离目标，有关人员需根据电气自动化系统的构成特点及运行情况，使用独立电缆，将此电缆作为信号电缆使用，并严格控制信号电缆与电力电缆之间的距离，否则，一旦二者的距离过近，相互干扰现象严重。如在实际的工作中采取减少强电回路感应耦合措施，能预防电气设备感应耦合对继电保护装置的干扰，具体的操作中需采取同根电缆内设置电流互感器回路全部相线和中性线、严禁高压母线与暂态电流入地点敷设电缆、保持电缆与高压母线距离的合理性等方式。

5.3 在线监测

电气自动化系统中为实现继电保护的安全目标，有关人员需分析故障类型及影响，做好巡查工作。传统的条件下多以人工巡查为主，在继电保护装置发生故障以后或者产生了拒动等问题以后，由专人根据实际情况来处理。在技术发展的今天，为提高继电保护装置的安全水平，相关人员在前期设计电气自动化系统时可在其中添加故障自检模块，赋予其静态自检、动态自检两种方式。静态自检指的是在符合特定标准后全面检查继电保护装置运行状态的方式，如装置保护退出运行、通电开机后直接进行故障检测。动态自检强调动态性，指的是装置在保护投运状态下由程序执行空隙时间完成重复检查，通过一系列检查可判定装置保护效果，一旦检查出异常情况，则需停止一切操作。在设计电气自动化系统时可引入信息技术，使系统具备自动报警功能，工作人员需依据继电保护装置的运行特点，设置相应参数的警戒值，后续系统投入使用后，自动化模块能主动采集设备的状态、参数等信息，并将采集数据与警戒值对比，如二者偏差过大，说明继电保护装置存在异常，需立即停止相应的操作，发送预警信号，安排专人进入现场排查原因并制定解决措施。

5.4 故障诊断

为保持装置安全运行，相关人员在具体的工作中需做好故障诊断，否则一旦未做好故障诊断，或者故障诊断结果的准确性不足，装置运行中可能遇到各种问题。现阶段比较常用的故障诊断方式有观察法、对比法、替换法、断开法等，每种方法都有其特点，一般应组合使用。如观察法，主要由专业人员通过感官感受、工作经验来发现故障，涉及目视、触摸、听音等过程，此故障处理方式下对人员专业能力有极高要求，人员只有具备了丰富的工作经验，才能通过观察法判定和分析故障。继电保护装置的故障分析中，对比法为比较常用的方式，需将采集数据与正常状态下的数据相对比，判定装置是否存在故障，完成故障定位，在确定了故障类型及原因后，再安排专人处理故障。替换法下的故障诊断中，有关人员需替换掉电气自动化系统中的继电保护装置，可以替换装置本身，也可以替换装置中的部分元器件，如在替换了装置或者元器件以后恢复正常，则可判定装置故障由装置、元器件问题导致，此时可深入分析故障并处理。如替换了装置或者元器件后，装置未恢复正常状态，需继续替换，直到找到故障。在故障征兆不明显、其他方法无法获取故障信息的情况下，替换法相对有效。

5.5 设计智能运维系统

现阶段的条件下人工智能技术的应用范围持续扩大，能为各项工作提供便捷。在继电保护的安全工作中，有关人员可尝试应用人工智能等技术设计智能运维系统，借助该系统维护继电保护装置。当设计出智能运维系统并使该系统投入使用后，智能化模块可自动采集继电保护装置的各方面信息，以这些信息为基准系统能自动给出运维工作建议，提高工作的智能化水平。为科学利用智能运维系统，主要需注意以下方面：合理确定系统的功能架构，一般应包含数据源数据、存储分析、应用层，工作人员需了解每一层级的构成及任务，细化每一层级的构成；确定科学的系统维护流程，以保障每一人员能在后续的工作中执行此流程，维护和更新系统，发挥系统在继电保护装置运维中的作用。

5.6 优化安全技术的各种机制

目前电气自动化系统的继电保护安全技术相对多样和先进，但实际的工作中常常存在管理漏洞，面对这些问题，相关人员需不断优化安全技术的各种机制，以增强管理规范性和有效性，使继电保护安全工作中各部门、岗位人员能相互合作，共同执行安全技术工作机制，保障工作流程的合理性，降低继电保护装置运行中的风险，从管理角度解决装置的安全问题。