1、電力系統(tǒng)繼電保護
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(wù)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(yīng)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(wù)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)能有選擇性地將故障部分切除。也就是它應(yīng)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(yīng)產(chǎn)生拒絕動作；但在保護區(qū)外發(fā)生故障時，又不應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)，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(yīng)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(yīng)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(xué)科各行業(yè)的工程技術(shù)學(xué)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(yīng)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(yù)定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力?？煽啃怨こ淘O(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(yīng)該動作的故障時，它不應(yīng)該拒動作，而在任何其它該保護不應(yīng)動作的情況下，它不應(yīng)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(dǎo)致整個系統(tǒng)失去其應(yīng)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?？煽慷鹊母怕时磉_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 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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yù)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(yù)計，和再分配、再預(yù)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)、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(yīng)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(yù)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(fù)的元件、設(shè)備或系統(tǒng)。對于可修復(fù)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(fù)元件、設(shè)備或系統(tǒng)，亦可用于可修復(fù)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(fù)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(fù)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(yù)定的工況下及時間內(nèi)成功完成預(yù)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(yīng)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(yīng)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?？紤]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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱
部分
絕緣
阻尼
減振
很少
考慮
模塊級