浅析继电保护状态检修技术的发展与应用

2022-11-15

随着电力系统的不断发展, 电网结构的日益复杂, 分布范围变广, 维护的工作量和成本越来越大。另外, 随着二次设备数量的增多, 继电保护在系统中的作用日益重要, 继续采用以往周期性检修的负面效应也体现出来, 比如检修管理人员的工作量不断加大, 设备的频繁检修缩短了设备寿命, 降低了经济效益等等, 基于以上认识, 我们提出了状态检修的检修策略。状态检修就是通过在线的和离线的监测手段, 收集电气设备的运行工况信息, 通过系统的分析诊断, 判断设备的健康状态, 决定设备的检修对策, 进行大修、小修或暂缓检修, 可在设备检修周期到来之前根据设备状况提前进行检修, 也可根据设备的状况, 延长检修周期, 真正做到“应修必修”。

1 继电保护装置的“状态”识别

继电保护装置在电力系统中通常是处于静态的, 只有在电力系统故障或异常时, 才会根据检测到的系统故障或异常的电器参数而启动, 然后通过自身的逻辑回路加以识别, 灵敏地、可靠地、有选择性地将故障快速切除或给出相应警示, 这一动作时间往往只有几毫秒到几秒。操作人员对继电保护装置状态的了解, 一般是对它静止状态的了解, 如果电力系统无故障, 保护装置不动作, 对它动作特性的了解就无从谈起。在电力系统中, 需要了解的恰巧是继电保护装置在电力系统故障时是否能快速准确地动作, 即要把握继电保护装置动态的“状态”, 而继电保护装置的动态特性只有在以下3种情况下才能表现出来:设备故障保护动作;保护装置误动;继电保护装置试验和传动。因此, 根据对继电保护装置静态特性的认识, 对其动态特性进行判断显然是不合适的。

从理论上讲, 继电保护装置是一个具有一定逻辑功能的系统, 一个静态的系统。量子力学中有一个基本原理:考查一个系统, 必须给这个系统施加一个扰动, 这样系统的特性才会表现出来, 借此才能对这一系统进行考察和研究。由此可见, 要考察继电保护装置的特性, 必须根据其逻辑功能进行一些试验和检测, 即保护检验。例如, 常规继电保护装置出口继电器线圈断线, 由于线圈匝数多、线径细且外部无表征, 运行值班人员虽长期巡视观察, 也难以发现, 只有采用适当的方法对其进行挠动, 才能有效地进行识别。

因此, 通过模拟继电保护装置在电力事故和异常情况下感受的参数, 使继电保护装置启动和动作, 检查继电保护装置应具有的逻辑功能和动作特性, 从而了解和把握继电保护装置状况, 这种继电保护装置的检验, 对于电力系统是很有必要的和必须的, 而且需要定期检验。

2 电力设备的可靠性技术

可靠性技术是在20世纪40年代的美国开始发展, 一般定义为:机械设备和元件等在规定的条件下和预定的时间内, 完成规定功能的能力。如图1所示。

根据“浴盆曲线”, 由于设计、制造、安装调试及运行人员对新上设备的性能还未完全掌握, 操作也不够熟练等原因, 因此新投产的设备发生事故的概率比较大;而由于长期运行、绝缘老化、材料劣化、机械振动造成紧固部件的松动等原因, 使已经进入寿命期限后期的老旧设备, 进入事故多发期。在这两段寿命期内, 应注重投入人力、物力进行检修。同时有必要增加对设备的在线监测, 使运行人员能及时了解处于故障多发期的设备工况。而对于处于运行稳定的使用寿命期的设备, 应着重分析过负荷运行和短路电流冲击等特殊情况, 设备其它异常运行的相关数据和设备的操作次数, 以及电网事故对设备可能造成的不良影响。

3 在线监测技术研究应用

状态检修是以设备的运行现状为基础的检修方式, 对设备运行状态信息进行收集并对设备未来发展趋势进行预测, 从而实现真正的状态检修。因此实现状态检修的基础性技术包括状态监测与故障诊断技术。

3.1 输变电在线监测技术的分类

输变电在线监测技术现阶段主要分为以下六类。

变压器在线监测技术、断路器在线监测技术、GIS在线监测技术、综合在线监测技术和电容性设备在线监测技术、氧化锌避雷器在线监测技术。设备状态监测和故障诊断的实施顺序是:信号采集、信号处理、状态识别、故障诊断。

3.2 在线监测数据分析的意义

电气二次设备元件的劣化, 缺陷的发展虽然具有统计性, 发展的速度也有快慢, 但大多具有一定的发展期。在这期间, 会有各种前期征兆, 表现为物理, 电气等特性有少量渐进的变化。随着计算机技术, 电气技术, 数字信号处理技术, 光电技术和各种传感器技术的发展, 可以对电力二次设备进行在线的状态监测, 及时提取各种即使是很微弱的信息, 通过信息系统对这些信息进行综合分析和处理后, 根据故障诊断系统对设备可靠性实时做出判断和预测, 从而能够及早发现潜伏的问题, 必要时可提供报警或操作。在线监测技术的实际应用表明, 其可靠性还需要进一步完善和提高, 目前其应用也还需要进一步积累经验;但勿庸置疑的是, 这种技术的成熟应用将为电力主设备的安全运行构筑一道坚强的安全防线, 其实时性将取代现有的试验技术而成为电力设备安全运行的第一道防线。

3.3 设备状态监测应用存在的问题

由于目前各地在线监测系统应用水平参差不齐, 给生产运行管理带来了不少麻烦, 尤其是一些不成熟的产品在运行时经常误报故障, 成为在线监测技术推广应用的巨大阻碍。这一方面反映了在线监测产品生产应用的不规范, 也反映了用户在线监测设备的运行管理尚无明确的管理要求。

4 状态检修故障诊断应对措施

4.1 加强继电保护装置的定期检验

笔者认为, 继电保护装置的“状态”并非无规律可循, 对继电保护装置的逻辑功能以及它的灵敏性、可靠性、选择性和速动性进行分析判断是可行的。继电保护装置的考察要运用统计学原理去分析和研究, 应放在一个较大的背景下进行, 例如, 可从其制造特性和运行特性2个方面去研究。 (1) 制造方面。厂家可以根据所用元器件的使用寿命和制造工艺的优劣等, 对继电保护装置进行评价, 给出装置的可靠使用期限及最短维护时间间隔等。 (2) 运行方面。要由专业组织去分类统计和研究使用中的继电保护装置的运行状况和动作特性, 并在继电保护装置的维护和检验方面给予指导。通过以上研究, 可找出继电保护装置的最佳维护方案, 即定期检验的周期和检验项目等。几十年来, 我国在继电保护装置的维护和检验方面, 积累了较为丰富的经验, 特别是常规保护方面做得很好, 各种运行和检验规程都很系统和完善, 检验周期也较为合理。

4.2 状态检修的管理

加强组织管理工作, 制定状态检修工作规划, 确定状态检修的总体目标, 明确各部门的职责。健全设备状态检修工作的各项管理制度、规定和办法, 建立和完善评估体系。

设备状态评估主要指设备状态的技术评估, 根据设备运行工况、负荷数据、各类状态检测数据、缺陷信息、故障和事故信息、检修数据等综合状态信息, 依据规程标准、运行经验、设备厂家技术指标等判据, 对设备的状态信息进行量化评分, 从而判断评估设备的真实状态。设备状态一般可以分为四种。

A—正常状态指设备资料齐全, 运行及各种试验数据正常, 容许个别数据稍有偏差, 只要变化趋势稳定没有运行安全隐患的设备。

B—可疑状态指存在不明原因的缺陷或某些试验数据表明设备可能有异常, 但仍有某些不确定因素无法定论的设备。

C—可靠性下降状态指设备存在比较严重的缺陷, 或试验结果分析存在问题, 且已基本确定隐患部位及原因, 同时该隐患在短期内不会发展成事故的设备。

D—危险状态是指设备存在严重缺陷, 或根据试验数据, 运行状况表明随时有发生事故的可能。

一方面, 建立规划及目标先试点运行, 积累经验, 公司准备用2~3年时间逐步实现新型变压器、断路器的状态检修, 条件成熟后再稳步推广, 并逐步向继电保护及自动化、输电线路状态检修延伸, 使检修工作逐步由“到期必修”转向“应修必修”。另一方面, 建立机构, 明确责任。为做到规范有序开展检修管理工作, 成立上级组织机构, 公司层面建立专项工作领导小组, 由分管领导任组长, 明确生产领导及总工程师在状态检修工作中的领导及决策作用;中间成立状态检修办公室, 设立在生产技术管理部门, 由生产技术部主任负责;基层工区设立专责人。

4.3 故障诊断技术

故障诊断, 就是通过设备运行或检修时表现出的异常现象, 对设备异常的程度、原因做出判断。常见的诊断方法可概括为综合法和比较法。它包括下列内容。

(1) 与设备历年 (次) 试验结果相比较。因为保护设备在投产后都进行过校验, 与投产时数据, 年校时数据, 上次校验数据相比, 如果有显著性的差异, 则常常说明装置可能有缺陷。 (2) 与同类型同厂家设备试验结果相互比较。因为对同一类型及同一厂家的设备而言其装置结构相同, 在相同的运行和气候条件下, 其测试结果应大致相同。若悬殊很大, 则说明装置有可能有缺陷。 (3) 同一设备各相间的试验结果相互比较。因为同一设备, 各相的运行情况应当基本一样, 如果有一相试验结果与另两相比较差异明显, 说明该相可能有缺陷。

4.4 故障诊断技术发展方向

故障诊断始于机械设备故障诊断, 其全名是状态监测与故障诊断。故障诊断的技术手段是采用智能诊断方法和人工智能。目前这个领域的研究主要沿着两个方向展开。

第一是建立各种类型的专家系统。人们对基于知识的故障诊断系统进行了大量研究, 然而, 随着研究的深入后发现专家系统的应用面临许多实际困难, 存在一些鱼需解决的问题。比如缺乏有效的诊断知识表达、不确定性知识的推理以及诊断知识获取困难等就是较为严重的问题。第二是建立人工神经网络 (ANN, Artificial neural network) 。近年来重新兴起的一种人工智能方法是ANN基本理论, 它为克服专家系统的缺陷开辟了一条崭新的途径。它的并行处理能力、自学习功能倍受大家的青睐, 其大规模并行处理能力可用于提高推理的速度, 因而更适合于结构复杂、故障机理不十分明显的复杂设备的诊断。