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电力系统继电保护设备可靠性分析


2017-04-28 10:32   点击:39
                        1、电力系统继电保护
    继电保护基本概念
    电力系统在生产过程中,有可能发生各类故障和各种不正常情况。其中故障一般可分为两类:横向不对称故障和纵向不对称故障。横向不对称故障包括两相短路、单相接地短路、两相接地短路三种,纵向对称故障包括单相断相和两相断相,又称非全相运行。电网在发生故障后会造成很严重的后果:
    (1)电力系统电压大幅度下降,广大用户负荷的正常工作遭到破坏。
    (2)故障处有很大的短路电流,产生的电弧会烧坏电气设备。
    (3)破坏发电机的并列运行的稳定性,引起电力系统震荡甚至使整个系统失去稳定而解列瓦解。
    (4)电气设备中流过强大的电流产生的发热和电动力,使设备的寿命减少,甚至遭到破坏。
    不正常情况有过负荷、过电压、电力系统振荡等.电气设备的过负荷会发生发热现象,会使绝缘材料加速老化,影响寿命,容易引起短路故障。
    所以必须设置一套设备对电力系统实施监控,并对异常情况进行动作,使损失降低到最小。所以出现了继电保护设备。继电保护主要利用电力系统中原件发生短路或异常情况时电气量(电流、电压、功率等)的变化来构成继电保护动作。继电保护装置的任务在于:在供电系统运行正常时,安全地.完整地监视各种设备的运行状况,为值班人员提供可靠的运行依据;供电系统发生故障时,自动地、迅速地、并有选择地切除故障部分,保证非故障部分继续运行;当供电系统中出现异常运行工作状况时,它应能及时准确地发出信号或警报,通知值班人员尽快做出处理。
    继电保护被称为是电力系统的卫士,它的基本任务有:
    (1)当电力系统发生故障时,自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除,保证系统其余部分迅速恢复正常运行,防止故障进一步扩大。
    (2)当发生不正常工作情况时,能自动、及时地选择信号上传给运行人员进行处理,或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。
    可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分,对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生,都有极其重要的作用。
    继电保护装置广泛应用于工厂企业高压供电系统、变电站等,用于高压供电系统线路保护、主变保护、电容器保护等。高压供电系统分母线继电保护装置的应用,对于不并列运行的分段母线装设电流速断保护,但仅在断路器合闸的瞬间投入,合闸后自动解除。另外,还应装设过电流保护,对于负荷等级较低的配电所则可不装设保护。变电站继电保护装置的应用包括: 信息请登陆:输配电设备网
    (1) 线路保护:一般采用二段式或三段式电流保护,其中一段为电流速断保护,二段为限时电流速断保护,三段为过电流保护。
    (2)母联保护:需同时装设限时电流速断保护和过电流保护。 信息请登陆:输配电设备网
    (3)主变保护:主变保护包括主保护和后备保护,主保护一般为重瓦斯保护、差动保护,后备保护为复合电压过流保护、过负荷保护。 
    (4)电容器保护:对电容器的保护包括过流保护、零序电压保护、过压保护及失压保护。 
    随着继电保护技术的飞速发展,微机保护的装置逐渐投入使用,由于生产厂家的不同、开发时间的先后,微机保护呈现丰富多彩、各显神通的局面,但基本原理及要达到的目的基本一致。 
    继电保护的特点
    对继电保护装置的基本要求有四点:即选择性、灵敏性、速动性和可靠性
    (1)选择性 
    当供电系统中发生故障时,继电保护装置应能有选择性地将故障部分切除。也就是它应该首先断开距离故障点最近的断路器,以保证系统中其它非故障部分能继续正常运行。系统中的继电保护装置能满足上述要求的,就称为有选择性;否则就称为没有选择性。 
    (2) 灵敏性
    灵敏性系指继电保护装置对故障和异常工作状况的反映能力。在保护装置的保护范围内,不管短路点的位置如何、不论短路的性质怎样,保护装置均不应产生拒绝动作;但在保护区外发生故障时,又不应该产生错误动作。保护装置灵敏与否,一般用灵敏系数来衡量。保护装置的灵敏系数应根据不利的运行方式和故障类型进行计算。灵敏系数越高,则反映轻微故障的能力越强。各类保护装置灵敏系数的大小,根据保护装置的不同而不尽相同。
    (3)速动性
    速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障。 缩短切除故障的时间,就可以减轻短路电流对电气设备的损坏程度,加快系统电压的恢复,从而为电气设备的自启动创造了有利条件,同时还提高了发电机并列运行的稳定性。  
    (4)可靠性 
    保护装置应能正确的动作,并随时处于准备状态。如不能满足可靠性的要求,保护装置反而成为了扩大事故或直接造成故障的根源。为确保保护装置动作的可靠性,则要求保护装置的设计原理、整定计算、安装调试要正确无误;同时要求组成保护装置的各元件的质量要可靠、运行维护要得当、系统应尽可能的简化有效,以提高保护的可靠性。 
2、可靠性基础
    可靠性研究起源于武器系统,经过近半个世纪的发展,已成为一门遍及各学科各行业的工程技术学科,已经从电子产品的可靠性发展到机械和非电子产品的可靠性,从硬件的可靠性发展到软件的可靠性,从重视可靠性统计试验发展到强调可靠性工程试验,通过环境应力筛选和可靠性强化试验来暴露产品故障,提高产品的可靠性。
    (1)可靠性的基本概念
    可靠性,是指一个元件、设备或系统在预定时间内,在规定的条件下完成规定功能的能力。可靠性工程设计到元件失效数据的统计和处理,系统可靠性定量评估及其运行维护,可靠性和经济性的协调等各方面。
    对产品而言,可靠性越高就越好.可靠性高的产品,可以长时间正常工作(这正是所有消费者需要得到的);从专业术语上来说,就是产品的可靠性越高,产品可以无故障工作的时间就越长。简单的说,狭义的"可靠性"是产品在使用期间没有发生故障的性质。例如一次性注射器,在使用的时间内没有发生故障,就认为是可靠的;再如某些一旦发生故障就不能再次使用的产品,日光灯管就是这类型的产品,一般损坏了只能更换新的。从广义上讲,可靠性是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度.而这种满意程度或信赖程度是从主观上来判定的。为了对产品可靠性做出具体和定量的判断,可将产品可靠性可以定义为在规定的条件下和规定的时间内,元器件(产品)、设备或者系统稳定完成功能的程度或性质。
    产品实际使用的可靠性叫做工作可靠性。工作可靠性又可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品设计制造者必须确立的可靠性,即按照可靠性规划,从原材料和零部件的选用,经过设计、制造、试验,直到产品出产的各个阶段所确立的可靠性。使用可靠性是指已生产的产品,经过包装、运输、储存、安装、使用、维修等因素影响的可靠性。
    为保证设备的长时间无故障运行而进行的分析处理过程,这就是设备的可靠性分析。设备之所以发生故障,其最主要的原因是设备的可靠性差。所谓工作可靠性,是指设备机能在时间上的稳定性程度,或者说在一定时间内,不发生问题的程度(概率).设备的可靠性和使用可靠性构成。所谓固有可靠性,是指该设备由设计、制造、安装到试运转完毕,整个过程所具有的可靠性,是先天性的可靠性。
    当固有可靠性低或使用可靠性低,或这两种可靠性都低时,设备就有可能发生故障。对故障采取对策,重要的是对故障原因在固有可靠性和使用可靠性上进行识别。当固有可靠性提高时,提高使用可靠性就比较容易;而当固有可靠性低对,要提高使用可靠性就十分困难。因此,从根本上讲,要防止故障的发生,最有效的对策就是注意设备固有可靠性的形成,即重视设备的设计、制造、安装和调试全过程。
    具体到继电保护系统,电力系统设备可靠性是指用于电力系统的设备或产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它综合反映了一种设备的耐久性、可靠性、维修性、有效性和使用经济性等,可用各种定量指标表示。其可靠性是指该系统在规定的范围内发生了它应该动作的故障时,它不应该拒动作,而在任何其它该保护不应动作的情况下,它不应误动作。继电保护系统是一个串联系统,其中任何一个环节出现故障都将导致整个系统失去其应有的保护功能,即继电保护系统失去了可靠性。在研究继电保护系统可靠性时,以一个具有完整保护功能的整套继电保护装置为最小研究单元。
    (2)可靠性常用的衡量指标
    根据可靠性的定义,可以衡量可靠性的标准一般有以下方面:
   (1) 可靠度
    可靠性定义即可定量化为:电子元器件在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的概率。这种概率称之为电子元器件的可靠度,通常用字母 R 表示。可靠度R(t):表示电子元器件产品在规定条件下使用一段时间t后,还能完成规定功能的概率。如果将这段时间记为电子元器件的寿命,则可靠度表示从开始使用到失效的时间。可靠度的概率表达式为:
    如果有N个电子元器件产品从开始工作到t 时刻的失效数为n(t),当N足够大时,产品在t时刻的可靠度可近似表示为:       
    时间不断增长,R(t)将不断下降。它是介于1与0之间的数,即0£R(t)£1。
    (2)  累计失效概率
    累积失效概率表示电子元器件产品在规定条件下,工作到这段时间内的失效概率,用F(t)表示,又称为失效分布函数,其表达式为:
F(t)=P(T£t)                      
如果N个电子元器件产品从开始工作到t时刻的失效数为:n(t),则当N足够大时,产品在该时刻的累积失效概率可近似表示为:F(t)=n(t)/N显然,       R(t)+F(t)=1
    (3)  失效分布密度
    失效分布密度 f(t)表示在规定条件下工作的电子元器件产品在t时刻。   


     3、继电保护设备的可靠性
    继电保护装置是一种机电设备,一般来说,继电保护装置包括测量部分和定值调整部分、逻辑部分和执行部分。如图2.1所示,测量部分从保护对象输入有关信号,再与给定的整定值相比较,以判断是否发生故障或异常运行状态;逻辑部分依据测量部分输出量的性质、出现的顺序或其组合,进行逻辑判断,以决定保护是否动作。执行部分依据前面环节判断得出的结果予以执行:跳闸或发信号。


图1 继电保护组成方框图
    与一般的机电或电子设备甚至是电力系统的一次设备比较,继电保护的工作性质决定了其自身的一些特点,这些特点在其可靠性研究中必须予以注意:
    (1)继电保护尤其是静态式保护装置中所用的元件种类很多,元件的制造工艺复杂,影响其质量和寿命的因素很多,因而其故障更具有随机的性质,更宜用概率的方法和可靠性理论进行研究;
    (2)继电保护在电力系统中所处的地位极为重要,其不正确工作可能引起极为严重的后果和巨大的经济损失。但是,继电保护是经常处于准备工作状态而非连续工作的设备,只有在系统故障的极短暂时间内需要继电保护工作。如果在准备工作状态下,发生影响其正确工作的缺陷而能及时发现和消除,则仍应认为是可靠的。因此,及时发现故障并快速消除之是提高保护工作可靠性的重要措施;
    (3)继电保护总是在电力系统故障时工作。因此,其最终的工作可靠性不完全决定于其装置本身,还与电力系统的运行方式、故障的统计规律和故障的性质等因素有关;
    (4)各种继电保护装置在电力系统中不是孤立地工作,而是相互有机配合,相辅相成,构成完善的保护系统。因此,某一保护装置的可靠性不只决定于其本身,还与其他保护装置的可靠性有关。不仅应研究单个继电保护装置的可靠性,还要研究各保护装置配合工作的可靠性。
    电力系统继电保护设备可靠性的要求和特点如下:
    (1)总体设计:要该通过系统可靠性指标的分配和预计,进行优化设计,使之在现有条件下具有一定的可靠性。
    特点:从整体出发,经过分配、预计,和再分配、再预计等几个循环,找出系统或者整机性能最好、可靠性最高、成本最低的最佳方案。
    (2)电路:电路设计、元件选择、容差和降额设计,在满足性能、价格等要求的前提下,参考电路所容许的公差,确定元器件参数和类型,设计电路组成方案,并注意减额使用。
    特点:需要核算审查电路的每一个规定的特性,采取必要的加强措施,并在有关部位设置报警和保护装置。
    (3)结构:主要考虑计算机及其应用系统设备及其元件的安装方式,并采用散热、抗热、冷却、防泄漏、抗干扰、防振动、抗冲击措施和环保措施。
    (4)抗冲击、振动:尽可能提高整个机箱或整机的固有频率;选择设计适当的减振器,如橡胶减振器、空气弹簧减振器、双刚减振器、阻尼减振器。使系统振源的固有频率低于激振频率。
    特点:主要针对元器件所在的机械环境中,各类机械振动冲击对系统可靠性产生的影响,加强物理方面的保护,减轻机械环境对系统设备可靠性的影响。
    (5)电磁兼容性:通过滤波、屏蔽、隔离、接地、避雷电、防静电等措施,使计算机及应用系统于同一时空环境中的电子设备兼容兼顾。
    (6)可维性:目的在于
    ①于维修;
    ②减少维修作业项目;
    ③减轻维修保养负担;
    ④减少后期保养费用。
    通过对设备可维性的提高,就可以把系统及设备的可靠性提高。
    (7)可用性设计:主要针对使用人员能方便、准确、迅速而可靠的使用各项设备,通过加强对操作人员方便及可靠性的设计,达到对设备和系统对可靠性的要求。
    (8)软件可靠性:自顶向下设计、结构化程序设计、程序综合与推导、函数程序设计以及有关的形式说明和程序变换等。
    (9)人机交互:主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。可供人机交互使用的设备主要有键盘显示、鼠标、各种模 式识别设备等。
4、继电保护装置可靠性评估方法
    电力系统可靠性是通过定量的可靠性指标来量度的。一般可以是故障对电力用户造成的不良后果的概率、频率、持续时间、故障引起的期望电力损失及期望电能量损失等,不同的子系统可以有不同的可靠性指标。对于不同的对象,我们可以采用各种不同的可靠性衡量方法,这些方法一般可以分为以下几种:
    (1)用概率表示
    其定义为“一个元件、设备或系统在预定时间内,在规定的条件下完成规定功能的概率。这个概率就是可靠性的量度。显然,这个定义和衡量方法主要用于不能修复的元件、设备或系统。对于可修复的元件、设备或系统来说,它只能反映其第一次故障前的可靠性。
    (2)用时间表示
    故障前平均时间MTBF。即从开始使用到发生故障的平均时间,可用于不修复元件、设备或系统,亦可用于可修复元件、设备或系统,表示第一次故障前的平均时间。故障间平均时间MTBF。用于可修复元件、设备或系统,表示两次故障之间的时间。
    (3)用频率表示
    正确动作率,即在一定期限内,被统计的可修复元件、设备或系统正确动作的次数与总动作次数之比,可以用公式表示为:
    正确动作率= ( 正确动作次数/ 总动作次数)×100%
继电保护系统可靠性是一般指继电保护系统在预定的工况下及时间内成功完成预定功能的能力。这里的可靠性包含设备可靠性和功能可靠性。设备可靠性以A 表述,从二次系统的观点描述投入运行的继电保护系统在任何时刻处于工作状态的概率。功能可靠性则以R 表述,即从一次系统的观点描述处于工作状态的继电保护系统能够正确工作的概率。用完好度P 作为继保系统可靠性的衡量指标,其关系为:
                           P = A R                         
    可靠性指标建立的原则有:
    ①以满足使用要求为原则,覆盖继电保护行为的特征;
    ②在满足一定先进性和使用要求的前提下,尽可能降低成本;
    ③根据使用条件的不同确定可靠性指标的水平;
    ④指标的可测定性原则——选择的可靠性指标应考虑指标间的相关性和可行性。
    (3)可靠性技术使用等级和归纳分析
    第一等级:军用级。由于军用等级对所有设备的要求最高,所以相对应的所需求的可靠性也就最高,与此同时对于经费等问题则会考虑的较少。在设置军用设备的和系统的时候,主要考虑最高的可靠性,一般情况下都使用最好的、最先进的、最高可靠的仪器和设备,这样来达到高可靠性的目的。
    第二等级:工业级。由于工业级所考虑最多的是追求高性价比,所以通常考虑的因素会最多。它需要综合考虑更多的因素,如:生产的效率,生产的可靠性,生产的成本,生产的周期等。这样以来,对于工业级别的设备及系统要求来说,设计是较为复杂的,需要综合全面考虑,在追求较高可靠性的同时,还要追求较高的经济效益。
    第三等级:民用级。由于民用级所最多考虑的是成本,所以在追求设备的可靠性方面要求最低,这就意味着,它所使用的设备较为的便宜,追求可用性,而非高可靠性,所以民用级的设备等对可靠性的要求最低。
表1  提高可靠性技术使用场合归纳分析表

冗余

技术

软件

设计

人机

交互

热设计

三防

设计

抗冲

电磁

兼容

避错

设计

第一等级(军用)

系统级

高功能、高可靠

全面高可靠

金属

导热

完全

绝缘

避免

振源

TEMPE

S技术

系统级

第二等级(工业)

部件级

高可靠、高易用

部分高

可靠

陶瓷

导热

重点

绝缘

提高

刚度

一般防泄露技术

部件级

第三等级(民用)

模块级

高易用、高效率

易用

塑料

导热

部分

绝缘

阻尼

减振

很少

考虑

模块级

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