相 超
（中鐵二十三局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，天津 300100）
0 引 言
電力繼電保護(hù)系統(tǒng)是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵組件之一。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)異常或故障時(shí)，繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)立即介入，以減少或避免對(duì)電力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步損害。然而，在實(shí)際操作中，存在繼電器誤動(dòng)作的情況。誤動(dòng)作不僅可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、供電中斷，而且在某些情況下，可能會(huì)引發(fā)大規(guī)模的電力事故。為解決這一問題，文章通過深入研究電力繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作的主要原因，并探討有效的預(yù)防和改進(jìn)措施。
1 誤動(dòng)作的定義及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響
誤動(dòng)作在電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中指的是在沒有故障或異常情況出現(xiàn)時(shí)，保護(hù)裝置錯(cuò)誤地觸發(fā)操作，如斷路器的錯(cuò)誤斷開或閉合。這種誤動(dòng)作往往由外部干擾、設(shè)備故障、參數(shù)配置錯(cuò)誤或軟件算法缺陷等多種原因造成。誤動(dòng)作對(duì)電力系統(tǒng)的影響極為嚴(yán)重，可能導(dǎo)致供電中斷，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，給用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，頻繁的誤動(dòng)作還可能導(dǎo)致設(shè)備過度磨損或損壞，減少其使用壽命，甚至可能掩蓋真正的故障，導(dǎo)致小問題演變成大災(zāi)難，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。
2 誤動(dòng)作的主要原因
2.1 外部干擾因素
2.1.1 外部電磁干擾
外部電磁干擾是電力繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作的常見原因之一，如圖1 所示。這種干擾通常源于電磁波的突發(fā)性釋放，如閃電、高壓電纜、鄰近設(shè)備的開關(guān)操作以及其他大電流設(shè)備的啟動(dòng)或停機(jī)。當(dāng)這些電磁波與繼電保護(hù)系統(tǒng)的電氣線路發(fā)生耦合時(shí)，可能在系統(tǒng)內(nèi)誘導(dǎo)出超過正常范圍的電壓或電流，誤導(dǎo)繼電器判定為電網(wǎng)故障，從而觸發(fā)不必要的保護(hù)響應(yīng)。尤其是在高頻范圍內(nèi)，這些干擾信號(hào)可能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)的微處理器或其他敏感元件誤判，進(jìn)而誤動(dòng)作。防止這種電磁干擾至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H可能導(dǎo)致不必要的服務(wù)中斷，還可能隱藏真正的電網(wǎng)問題，增加系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。
圖1 電磁干擾示意
2.1.2 動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)或停機(jī)引起的瞬時(shí)電流沖擊
在電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中，動(dòng)力設(shè)備如大型電機(jī)或高容量變壓器在啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)電流沖擊，對(duì)整體電網(wǎng)產(chǎn)生顯著的影響。具體來說，當(dāng)一臺(tái)容量為5 MVA 的大型電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，它的起始電流可能暫時(shí)達(dá)到其額定電流的5 ～7 倍。這意味著如果該電機(jī)的正常運(yùn)行電流為50 A，那么在啟動(dòng)初期，其電流可能瞬間激增至250 ～350 A。這種瞬時(shí)電流沖擊可能會(huì)被繼電保護(hù)系統(tǒng)誤判為故障電流，從而觸發(fā)保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。而這種誤動(dòng)作不僅會(huì)導(dǎo)致供電中斷，給生產(chǎn)帶來損失，還可能對(duì)其他電網(wǎng)設(shè)備造成過度的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，加速設(shè)備老化[2]。因此，為防范由動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)或停機(jī)引起的瞬時(shí)電流沖擊，繼電保護(hù)系統(tǒng)需要進(jìn)行精確的設(shè)定與參數(shù)優(yōu)化，確保其能夠區(qū)分正常啟動(dòng)電流與真正的故障電流。
2.2 設(shè)備故障與不匹配
2.2.1 保護(hù)繼電器本身的故障
保護(hù)繼電器作為電力繼電保護(hù)系統(tǒng)的核心組件，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。保護(hù)繼電器本身的故障可能源于多種原因，如元件老化、內(nèi)部電子零部件損壞、電源問題、固件或軟件缺陷等。例如，長期運(yùn)行在高溫、高濕或存在有害化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境中可能導(dǎo)致繼電器內(nèi)部的電子元件和連接點(diǎn)老化或氧化，從而導(dǎo)致功能失效或響應(yīng)延遲。此外，由于生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制或外部因素（如電壓沖擊）等，繼電器的內(nèi)部電路可能出現(xiàn)斷路、短路或接地故障。再者，固件或軟件的設(shè)計(jì)缺陷可能導(dǎo)致繼電器的邏輯判斷錯(cuò)誤，進(jìn)而產(chǎn)生誤動(dòng)作。這些故障不僅可能使繼電器在真正的電網(wǎng)異常情況下失效，不作出正確的保護(hù)響應(yīng)，而且還可能在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)誤判，導(dǎo)致不必要的斷電或切換操作，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。
2.2.2 CT、PT 等設(shè)備的錯(cuò)誤或故障
電流互感器（Current Transformer，CT）和電壓互感器（Potential transformer，PT）是電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳感設(shè)備，負(fù)責(zé)將高電壓或電流轉(zhuǎn)換為繼電器可以安全處理的較低電壓或電流值。CT 和PT的錯(cuò)誤或故障可能導(dǎo)致保護(hù)繼電器接收到誤導(dǎo)性的信號(hào)，從而引發(fā)誤動(dòng)作。例如，如果CT 的轉(zhuǎn)換比例不正確或飽和特性被忽視，可能導(dǎo)致在短路條件下其輸出電流大大低于實(shí)際電流，使得繼電器無法正確識(shí)別短路故障。同樣，PT 的損壞、絕緣破裂或其二次側(cè)開路等情況都可能導(dǎo)致繼電器接收到錯(cuò)誤的電壓信號(hào)。此外，互感器的安裝錯(cuò)誤、接線錯(cuò)誤或者與其他保護(hù)設(shè)備之間的不匹配，如與繼電器之間的不匹配，也可能導(dǎo)致保護(hù)響應(yīng)的偏差。
2.3 設(shè)定值誤設(shè)或參數(shù)配置錯(cuò)誤
電力繼電保護(hù)系統(tǒng)的工作基于預(yù)先設(shè)定的閾值和參數(shù)。根據(jù)某項(xiàng)研究，近30%的保護(hù)誤動(dòng)作起因于設(shè)定值誤設(shè)或參數(shù)配置錯(cuò)誤。例如，若繼電器的短路保護(hù)設(shè)定值錯(cuò)誤地設(shè)定為120%，而實(shí)際系統(tǒng)最大負(fù)載為130%，則在正常高負(fù)載下可能會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。錯(cuò)誤的時(shí)間特性設(shè)定也可能導(dǎo)致故障時(shí)繼電器響應(yīng)過快或過慢，如當(dāng)延遲時(shí)間被誤設(shè)為5 s，而實(shí)際所需為2 s時(shí)，可能使得故障清除受到不必要的延遲[3]。此外，配置參數(shù)錯(cuò)誤，如保護(hù)繼電器的方向性設(shè)定錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致繼電器在不應(yīng)介入的情況下動(dòng)作。
2.4 軟件與算法問題
在電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中，軟件與算法扮演著重要角色，負(fù)責(zé)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)命令。然而，軟件或算法的缺陷可能導(dǎo)致誤動(dòng)作。例如，當(dāng)繼電器使用Fourier 變換來估計(jì)故障頻率時(shí)，其計(jì)算表達(dá)式為
式中：X(k)為頻域上的頻率分量；x(n)為時(shí)間域上的信號(hào)值；N為采樣點(diǎn)數(shù)。該變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，使得繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠基于信號(hào)的頻率內(nèi)容來進(jìn)行決策。
如果軟件實(shí)現(xiàn)中存在計(jì)算錯(cuò)誤或采樣率與算法不匹配，那么頻率估計(jì)可能出錯(cuò)。此外，一些保護(hù)算法依賴于故障檢測(cè)閾值，如
式中：Ifault為故障電流；Inormal為正常電流；k為預(yù)先定義的常數(shù)。若算法中的k值設(shè)定不當(dāng)，或者軟件在實(shí)際實(shí)施中存在故障，那么在正常或邊緣情況下可能會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此，軟件和算法的正確性、穩(wěn)定性、健壯性對(duì)于繼電保護(hù)的正確性至關(guān)重要，需要經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證和測(cè)試，確保在各種情況下都能可靠地工作。
3 預(yù)防與改進(jìn)措施
3.1 加強(qiáng)繼電保護(hù)設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)
在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性至關(guān)重要，不同的應(yīng)用和場景要求不同的保護(hù)策略和設(shè)備。因此，為了避免誤動(dòng)作，需要根據(jù)具體的工作條件、電氣參數(shù)、預(yù)期的保護(hù)功能來選定適合的繼電器型號(hào)，繼電保護(hù)設(shè)備的常見選型如表1 所示。
表1 繼電保護(hù)設(shè)備的常見選型
對(duì)于高電流場景，應(yīng)選擇表1 中具有較大故障電流檢測(cè)范圍的PRO-789 型號(hào)；而對(duì)于需要多個(gè)輸出觸點(diǎn)的控制柜，GHI-112 型號(hào)可能更為適用。除了型號(hào)選擇，還需關(guān)注設(shè)備的工作溫度、工作電壓等參數(shù)，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性[4]。進(jìn)一步地，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮設(shè)備的冗余性和故障切換能力，確保在關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，仍能保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
3.2 優(yōu)化設(shè)定值與參數(shù)配置
在電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中，優(yōu)化設(shè)定值與參數(shù)配置是確保系統(tǒng)穩(wěn)定和安全的核心環(huán)節(jié)，主要流程如圖2 所示。
圖2 設(shè)定值優(yōu)化與參數(shù)配置的具體流程
首要步驟是進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)收集和分析，確保完整理解系統(tǒng)負(fù)荷、故障和其他核心參數(shù)。其次，通過建模和仿真，模擬系統(tǒng)在各種工作與故障狀態(tài)下的表現(xiàn)，為設(shè)定值校核提供依據(jù)。確保參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相匹配是關(guān)鍵，尤其在考慮各種可能的運(yùn)行和故障場景時(shí)。最后，系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)控、及時(shí)反饋與專業(yè)培訓(xùn)是確保繼電保護(hù)系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行的關(guān)鍵，同時(shí)為未來的技術(shù)升級(jí)和系統(tǒng)更新打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
3.3 強(qiáng)化外部環(huán)境的隔離與屏蔽
電力繼電保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行容易受到外部環(huán)境的影響，尤其是電磁干擾、溫濕度變化和物理撞擊等。為確保其高效、穩(wěn)定的性能，強(qiáng)化外部環(huán)境的隔離與屏蔽至關(guān)重要。首先，使用專業(yè)的電磁屏蔽材料和設(shè)計(jì)技術(shù)，確保繼電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)外部電磁場的干擾有強(qiáng)大的抵抗能力，減少誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)[5]。其次，考慮到電力設(shè)備通常處于惡劣的工作環(huán)境中，因此需對(duì)其進(jìn)行物理隔離和保護(hù)，以防止塵埃、水分和其他有害物質(zhì)的侵入，確保設(shè)備內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定性。最后，合理布局和密封措施可以進(jìn)一步防止溫度與濕度的急劇變化，為設(shè)備提供一個(gè)恒定的工作環(huán)境。總的來說，通過強(qiáng)化隔離和屏蔽措施，可以有效避免外部環(huán)境對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的不利影響，確保其穩(wěn)定、可靠的性能。
4 結(jié) 論
電力繼電保護(hù)系統(tǒng)作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的核心，其誤動(dòng)作現(xiàn)象由諸多因素觸發(fā)，如電磁干擾、設(shè)備故障或配置錯(cuò)誤等，這不僅威脅電網(wǎng)穩(wěn)定，還可能導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。通過深入探究，文章強(qiáng)調(diào)了預(yù)防措施的必要性，如精準(zhǔn)選擇保護(hù)設(shè)備、設(shè)定值的優(yōu)化和強(qiáng)化環(huán)境屏蔽等，都是確保其正常運(yùn)作的關(guān)鍵。綜合考慮，為確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性與可靠性，電力繼電保護(hù)的每一環(huán)節(jié)都需精心管理和持續(xù)監(jiān)測(cè)。
