電力系統繼電保護設備的可靠性狀態(tài)檢修技術研究(半稿)

目錄TOC\o"1-3"\h\u28514摘要 緒論第一節(jié)選題的背景近幾年來,我國國民經濟持續(xù)高速發(fā)展,作為民經濟的基礎和代表先進生產力的電力工業(yè),更得到了長足的發(fā)展,2002年底,全國裝機容量已2.70億千瓦,人均擁有裝機容量只有0.22千,人均電力消費約935千瓦時,大致為世界平均(2230千瓦時的42%)。2003年,我國發(fā)電機量已超過三億千瓦,位居世界第二,而人均水平只有0·3千瓦。我國電力供應總量不足的問題然存在今年春節(jié)后,全國的日用電量一直在高位行,每天都在55億度左右,6月11全國用電總量創(chuàng)新高,達59·67億度電。超過去年夏季的最高58億度的歷史最高值。一季度全國用電達4800億千瓦時,比去年同期增長16·4%。一季度除吉、遼寧、黑龍江、新疆、海南電網外,其他省級電網律拉閘限電,形勢比去年嚴峻得多。預計今年全缺電將高達3000萬千瓦左右,將是近幾年電力口最大的一年。我國電力嚴重不平衡,已嚴重制了國民經濟的發(fā)展,破壞了人們的生存質量。國家電網公司負責人表示,今年我國電力投資將進入第一個爆發(fā)性增長年,預計增長35%左,而電力缺口加大、電價上漲迫切、GDP用電單耗持續(xù)上升等三大難題在短期內難以解決。對輸變電企業(yè),國產輸配電設備由于其生產集度低、規(guī)模小、成本高,加入WTO后在價格和質等方面將受較大沖擊。近年來,FACTS技術已經在美國、日本、瑞典、西等國重要的超高壓輸電工程中得到應用。有表性的FACTS設備有:可控串聯補償器、靜止同補償器、統一潮流控制器等。靈活交流輸電技術CTS———FlexibleACTransmissionSystems,國際簡FACTS,是近年來發(fā)展起來的一種集現代電力技、微處理與微電子技術、通訊技術和控制技術為體綜合而成的用于控制交流輸電的新技術。它以電力電子技術為基礎并具有其他靜止控制器交流傳輸設備,它們能夠增強電網的可控能力,大提高供電系統的穩(wěn)定性及可靠性,并增大輸電量。由此可見FACTS就是基于電力電子變換器術并直接用于電網的一類快速控制功率設備的合,它們能實現靈活快速調節(jié)電網的無功、有功、流輸電系統的阻抗、電壓、相位的參數調節(jié),大幅提高線路輸送能力。國家電網目前正在推行全國聯網。東北和華已于2001年度實現了交流弱聯網,聯絡線功率十萬千瓦。遇到的問題是兩大區(qū)域電網之間的頻震蕩,其頻率抵達0·3HZ,靠調整兩大區(qū)的各發(fā)電機勵磁系統電力系統穩(wěn)定器(PSS)解決。03年9月又實現了華北和華中兩大網交流弱相,聯絡線功率限四十萬千瓦。遇到的問題是更低的振蕩,頻率抵達0·13HZ。至此,從我國最北的龍江南到西南四川的二灘水電廠從電氣上已聯一體,共四千多公里。從分析計算可知黑龍江省障有可能引起遠在數千里之外的二灘水電站跳。華東和華中聯網采用高壓直流輸電,可以控制頻振蕩的傳播,是合理而前瞻的方案。對南方電力系統來說,交直流并行輸電形成了特色,對系統分析、運行和調度都提出了復雜的新課題。要實現全國蓮網,必須研究廣域安全防御措施:做好遠方故障的預警報告,實施緊急控制,將故障影響范圍限制到最小范圍,盡可能保證重要負荷,并且在最段時間內恢復正常供電。我國電網基本是以行政區(qū)劃為基礎,由小到大步發(fā)展起來的。進入21世紀,隨著經濟發(fā)展和部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施,電力需求快速增長,電力不斷加強,我國電網發(fā)展開始進入全面推進西東送、南北互供和全國聯網,實現更大范圍資源化配置的新階段。隨著我國“加入世界貿易組進程的加快,電力工業(yè)改革的市場環(huán)境將更加善,為外資通過各種渠道進入我國發(fā)電市場開辟廣闊的空間,而國內潛力巨大的發(fā)電市場則為外提供了用武之地。在電力發(fā)展方面,我國堅持統一規(guī)劃,電網和源統一規(guī)劃,適度超前建設,保證電網安全。在網管理方面,我國始終堅持“安全第一、預防為的方針,加快建立和完善重大電網事故的應急理機制。首先,應當保證現已配置的繼電保護裝置、安全自動裝置能夠快速正確動作,不斷提高其正確動作率,確保各個開關裝置不拒動、不誤動。并且要考慮在并網運行的主要發(fā)電機組上安裝電力系統穩(wěn)定控制裝置(PSS),以提高系統的穩(wěn)定性。其次,應當盡快研制開發(fā)并推廣應用實時、在線的快速解列裝置,以便在一旦電力系統出現失穩(wěn)跡象時,能夠及時有效地解列故障點,保證電網迅速、可靠地過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。第三,在有條件的情況下,應適當加快推廣應用靈活交流輸電(FACTS)技術,促進本土化的步伐,以便實現對交流輸電功率潮流的靈活控制,大幅度提高電力系統的穩(wěn)定水平?！笆濉逼陂g我國電力規(guī)劃發(fā)電裝機凈增4500萬kw,投產規(guī)模7500萬kw,到2005年全國裝機達到3·5億kw,預計投資7000億元。第二節(jié)研究的目的及意義電力系統是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產與消費系統。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動力裝置轉化為電能，再經輸、變電系統及配電系統將電能供應到各負荷中心，通過各種設備再轉換成動力、熱、光等不同形式的能量，為地區(qū)經濟和人民生活服務。電能既能輸送大量的電能、創(chuàng)造巨大財富，也能在瞬間造成重大的災難性事故。繼電保護是發(fā)電設備和電站、變電站及配電系統綜合自動化監(jiān)控調度電網系統穩(wěn)定運行、線路安全提高電力傳輸和供電的可靠性不可缺少的重要組成部分之一,起著保證整個電力系統安全穩(wěn)定運行的重要作用,是電網安全的哨兵。隨著計算機技術近20年來的飛速發(fā)展,微機自動化裝置在電力系統中得到了越來越廣泛用,常規(guī)保護裝置正逐步從電力系統中退出原占據的舞臺。正在普及應用的微機型繼電保護自檢功能,有強大的邏輯處理能力、數值計算能和記憶能力,并且具備很強的數字通信能力,這切都是電磁繼電器、晶體管繼電器所難以匹敵。此外,微機保護以軟件計算實現保護功能,使繼電保護擺脫了傳統保護原理的束縛,能夠充分用現代工程數學、信息技術、人工智能等學科的果,結合繼電保護的工程實踐,研制性能更加優(yōu)、更能滿足實際需要的保護裝置?，F在因為有了量功能,加入了電壓測量,而有了電壓測量值,繼保護的實現方法就有了更大發(fā)展余地,這必然會發(fā)并研究出更適用于配電網的保護方法。伴隨著我國電力建設的蓬勃發(fā)展,在電力監(jiān)控配網自動化過程中,城網、農網改造拉動中低壓統控制保護,給繼電保護行業(yè)的發(fā)展帶來新的機。隨著科研工作的不斷深入,在運行管理水平進步提高的基礎上,繼電保護必將能適應我國電力統的發(fā)展對保護靈敏性、選擇性、快速性和可靠的新要求。繼電保護裝置是一種高由一個或幾個具有自動機構的特殊繼電器組成的自動保護裝置，它一般由測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分而組成。繼電保護裝置的可靠性是指由電力系統發(fā)生故障時在其規(guī)定的范圍內不拒動作：能快速地、有選擇性地、自動斷開被保護元件，防止事故范圍擴大化；出現不正常工作狀態(tài)時，能及時向值班人員發(fā)出故障報警信號，以便能及時消除出現的不正常工作狀態(tài)。但是在其他任何它不應動作的情況下而不產生誤動作。繼電保護裝置的拒動和誤會都會給電力系統帶來嚴重的危害，但是因為電力系統的結構和負荷性質是不同的，這樣而來拒動和誤動給電力系統所造成的危害也往往會不同。繼電保護及自動化裝置是電力系統的重要組成部分，它反映電力系統中各種電氣設備在運行中是否發(fā)生故障或處于不正常的工作狀態(tài)，并能實現遙測、遙信、遙調和遙控，防止電力系統故障的擴大。因而，繼電保護及自動化裝置的可靠性，對電力工業(yè)的安全生產有更為重要的意義。電力系統安全、可靠運行時非常重要的，從而要求繼電保護及自動化裝置必須具有很高的可靠性。對于繼電保護設備的可靠性指標和標準，目前在國際上，也沒有成熟的標準和經驗可以借鑒，在通過對繼電保護設備產品工作特點的分析研究，初步確定繼電保護及自動化裝置的可靠性指標，為今后進一步深入開展繼電保護設備可靠性特征量奠定基礎。近年來，國內各大電網由于繼電保護拒動、誤動引起的大面積停電事故時有發(fā)生，給國民經濟與人民生活帶來極大危害。對此，防止繼電保護不正確動作，提高繼電保護的運行可靠性，具有十分重要的意義。第三節(jié)電力系統繼電保護設備的可靠性國內外理論研究現狀一、國外研究現狀在過去的二十年中電器可靠性研究主要是針對接觸器和有無繼電器，日本在1980年發(fā)布了《有可靠性要求的小型控制繼電器通則》，美國國防部在1964年發(fā)布了MIL-R-39016《有可靠性指標的電磁繼電器總規(guī)程》，前蘇聯在接觸器、繼電器、控制器等電器產品的標準中也都規(guī)定了額可靠性要求及可靠性試驗方法，法國及德國在有關產品標準中也規(guī)定了要通過統計方法來確定小容量交流接觸器的壽命。國際上對量度繼電器的可靠性研究起步較晚，IEC第41技術委員會電氣繼電器成立于1916年，1971年TC41布魯塞爾會議決定成立兩個分委員會：SC41A和SC41B。后者的主要工作范圍是負責IEC電氣工程領域內量度繼電器及保護裝置的標準化工作，考慮構成電力系統保護方案的裝置的組合，包括用于這些系統的控制和檢測裝置。二、國內理論研究現狀在電力系統工作中，系統元件不可避免會出現隨機故障，且隨電力系統電壓等級與容量增大，一旦出現隨機故障，將會影響較為廣泛的區(qū)域，對使用客戶的日常生活與工作造成不同程度的影響。因此，為實現電力系統安全且高效運行，保障民生社稷，加強繼電保護的準確性、安全性以及可靠性是電力企業(yè)不斷追求的目標。繼電保護分為靜、動態(tài)式兩種裝置，其中，靜態(tài)式繼電保護裝置的元件種類較為繁雜，且元件的制作過程具有相當難度。因此，元件的質量、使用壽命受制于多方面因素的影響，進而提高電力系統出現隨機故障的機率。繼電保護裝置能支持電力系統正常運行，需基于管理人員是否能對投入運行的繼電保護裝置給予合理化統一管理，管理人員對繼電保護裝置的認識度不高、工作不夠到位等均會造成電網運行受到影響，能夠制約電力企業(yè)的發(fā)展。孫鵬，李巖，刑念海，聶鵬（2013）提出繼電保護裝置有“正確動作”和“正確不動作”兩種完好狀態(tài)，說明保護裝置是可靠的。如果保護裝置在被保護設備處于正常運行而發(fā)生“誤動”或保護設備發(fā)生故障時，保護裝置卻“拒動或無選擇性動作”，則為“不正確動作”。就電力系統而言，保護裝置“誤動或無選擇性動作”并不可怕，可以自動重合閘來進行糾正，可怕的是保護裝置的“拒動”，造成的大面積影響，可能導致電力系統解裂而崩潰。蔡本暉（2014）對電力系統繼電保護不穩(wěn)定所產生的原因電力系統繼電保護不穩(wěn)定現象按照硬件因素、軟件因素、人為因素三個大方面進行分類和闡述。其中硬件因素繼電保護的硬件具有組成復雜、功能參數多、技術要求高的特點，其質量和可靠性對繼電保護系統的穩(wěn)定性造成直接影響。軟件因素經過多年的發(fā)展與改良，在原有的電氣跳閘裝置等傳統組件基礎上，現用的繼電保護系統與計算機和單片機等先進的控制技術進行了融合，為軟件對繼電保護的作用提供了支持。人為因素安裝、調度、操作人員的工作失誤，也是影響繼電保護穩(wěn)定性的重要因素，據統計，人為因素故障在220kV系統中占總故障的38%。近年來，人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統各個領域都得到了應用，在繼電保護領域應用的研究也已開始。［11］神經網絡是一種非線性映射的方法，很多難以列出方程式或難以求解的復雜的非線性問題，應用神經網絡方法則可迎刃而解。天津大學從1996年起進行神經網絡式繼電保護的研究，已取得初步成果。對于某些保護裝置實現計算機聯網，也能提高保護的可靠性。天津大學1993年針對未來三峽水電站500kV超高壓多回路母線提出了一種分布式母線保護的原理，初步研制成功了這種裝置。繼電保護狀態(tài)檢修體系的實現需要微機保護、SEL保護裝置等自動裝置的監(jiān)測信息，在線監(jiān)測保護裝置的運行狀態(tài)。此外，利用遠程傳動診斷繼電保護裝置及斷路空開的動作情況，自動實現監(jiān)測、診斷設備確定是否需要維修，并合理地安排檢修項目及維修時間。隨著變電站和輸電線路的數量越來越多，繼電保護檢驗工作量劇烈增加。而繼電保護系統作為保障電力系統正常運行的重要手段，其檢修方式必須做出改變以適應電力生產發(fā)展的需求。電力檢修的趨勢是要求檢修快速效率高，停電時間短，而相對應的電力檢修人員并未隨著電網規(guī)模的擴大正比增長，就使得技術人員長期超負荷工作，不但完成率無法保證，甚至容易發(fā)生誤接線、誤操作等事故。通常采用指標體系對電力系統繼電保護可靠性進行評價，但是指標體系是否具有科學性、準確性、可靠性等能直接影響電力系統繼電保護可靠性的評價結果。因此，我國電力企業(yè)需合理而科學的建立一個符合繼電保護可靠性評價的指標體系，才能實現評價治療量的提高。三、總結目前，對于可靠性理論在電力系統繼電保護方面的應用研究還處于發(fā)展時期，在這方面的文獻論述不多。國內外學者主要從正確建立繼電保護系統可靠性指標體系及如何評估可靠性指標進行了研究，在工程、理論上也取得了一定的成果。研究系統可靠性的方法很多，其中以狀態(tài)空間法、概率法、故障樹法最常見。狀態(tài)空間法引起適用范圍較廣，在可修復系統可靠性研究中得到廣泛的應用，是一種非常有效的方法。電力系統中繼電保護系統一般是可修復的，因此多數文獻使用狀態(tài)空間法研究繼電保護系統的可靠性。第四節(jié)本文的框架結構及研究方法一、本文的框架一、緒論（一）選題的背景（二）研究的目的和意義（三）電力系統繼電保護設備的可靠性狀態(tài)檢修技術國內外理論研究綜述（四）本文的框架結構及研究方法（五）可能的創(chuàng)新和不足之處二、繼電保護（一）繼電保護的發(fā)展歷程（二）繼電保護的基本原理（三）繼電保護的功能性要求（四）繼電保護可靠性分析三、影響電力系統繼電保護設備可靠性的各種因素（一）繼電保護設備自身的因素（二）軟件因素（三）外部環(huán)境因素（四）人為因素四、提高電力系統繼電保護設備可靠性的各種技術措施（一）冗余技術（二）降額設計（三）EMC設計（四）提高軟件可靠性（五）三次設計（六）提高人機交互可靠性（七）綜合分析提高可靠性的技術措施五、繼電保護未來的發(fā)展（一）計算機化（二）智能化（三）網絡化（四）保護、控制、測量、數據通信一體化六、結論二、研究方法1、文獻法：通過查閱文獻資料了解、證明所要研究對象的方法。2、個案研究法：針對我國曾經及近幾年出現過的電力系統與繼電保護設備有關的事故，進行電力系統繼電保護設備可靠性狀態(tài)分析。3、調查法：收集、分析、整合資料。分析所收集資料，針對其中與本文有關聯的內容加以整合。4、比較法：根據一定標準，對國內外的繼電保護設備可靠性的技術分析進行對比，對不同的繼電保護設備可開行狀態(tài)技術檢修的對比?？赡艿膭?chuàng)新和不足之處一、理論及研究方法的創(chuàng)新之處二、可能的不足之處繼電保護設備可靠性分析第一節(jié)繼電保護的發(fā)展歷史電力系統繼電保護泛指繼電保護技術和各種繼電保護設備裝置綜合組成的繼電保護系統，包括了繼電保護的原理設計、配置、整定、調試等技術及通信設備，還包括獲取點亮信息的電流、電壓互感二次回路經過繼電保護裝置到短路跳閘線圈的一整套具體設備。由于電力系統的發(fā)展，用電設備的公路、發(fā)電機的容量增大，電力系統的飛速發(fā)展對于熔斷器已不能滿足選擇性和快速性的要求。1890年出現了直接裝于斷路器上反應一次電流的電磁性過流繼電器。1901年出現了感應型過電流繼電器，1910年開始應用方向性電流保護，1920年后距離保護裝置出現，1927年出現了高頻保護裝置，1990年，反應工頻故障分量原理的保護裝置被廣泛應用。建國后，我國開始進行繼電保護的原理研究并進行設計、制造，不斷完善進步我國繼電保護技術，在短短十年時間里就已經趕上了同先進國家水平。在上世紀50年代，我國創(chuàng)造性地對外國先進繼電保護設備的性能和運行技術進行吸收消化后掌握，建立了擁有豐富運行經驗和身后繼電保護理論造詣的繼電保護技術隊伍，對全國的繼電保護技術隊伍的建立和成長起了指導作用，并在引進國外先進技術后建立了我國自己的繼電器制造業(yè)。在20世紀50年代末，晶體管繼電保護已開始研究，隨著晶體管的發(fā)展，晶體管式繼電保護裝置出現。我國在上世紀60年代建立了機電式繼電保護裝置的研究、設計、制造、運行、教學等完整體系，為我國繼電保護技術發(fā)展奠定了堅實的基礎。60年代～80年代晶體管繼電保護得到了廣泛應用，天津大學與南京電力自動化設備廠合作研究的500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護，運行于葛洲壩500KV線路上，結束了500kV線路保護完全依靠從國外進口的時代。在此期間，從70年代中，基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護的研制、生產、應用仍處于主導地位，這是集成電路保護時代。在這方面南京電力自動化研究院研制的集成電路工頻變化量方向高頻保護起了重要作用，天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的集成電路相電壓補償式方向高頻保護也在多條220kV和500kV線路上運行。我國從70年代末即已開始了計算機繼電保護的研究，高等院校和科研院所起著先導的作用。華中理工大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學、天津大學、上海交通大學、重慶大學和南京電力自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機保護裝置。1984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定，并在系統中獲得應用，揭開了我國繼電保護發(fā)展史上新的一頁，為微機保護的推廣開辟了道路。在主設備保護方面，東南大學和華中理工大學研制的發(fā)電機失磁保護、發(fā)電機保護和發(fā)電機?變壓器組保護也相繼于1989、1994年通過鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研制的微機線路保護裝置也于1991年通過鑒定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護也相繼于1993、1996年通過鑒定。至此，不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護各具特色，為電力系統提供了一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝置。隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果?？梢哉f從90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的時代。上世紀60年代到80年代是晶體管繼電保護蓬勃發(fā)展和廣泛采用的時代。其中天津大學與南京電力自動化設備廠合作研究的500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護,運行于葛洲壩500kV線路上,結束了500kV線路保護完全依靠從國外進口的時代。在20世紀70年代中,基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列,逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護的研制、生產和應用仍處于主導地位,這是集成電路保護時代。我國從20世紀70年代末即已開始了計算機繼電保護的研究,1984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定,并在系統中獲得應用,揭開了我國繼電保護發(fā)展史上新的一頁,為微機保護的推廣開辟了道路。從90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的時代。不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護各具特色,為電力系統提供了一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全且工作可靠的繼電保護裝置。隨著微機保護裝置的研究,在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。第二節(jié)電力系統繼電保護電力系統在生產過程中，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，縱向對稱故障包括單相斷相和兩相斷相，又稱非全相運行。電網在發(fā)生故障后會造成很嚴重的后果：（1）電力系統電壓大幅度下降，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，產生的電弧會燒壞電氣設備。（3）破壞發(fā)電機的并列運行的穩(wěn)定性，引起電力系統震蕩甚至使整個系統失去穩(wěn)定而解列瓦解。（4）電氣設備中流過強大的電流產生的發(fā)熱和點動力，使設備的壽命減少，甚至遭到破壞。不正常情況有過負荷、過電壓、電力系統震蕩等。電氣設備的過負荷會發(fā)生熱現象，會使絕緣材料加速老化影響壽命，容易引起短路故障。所以必須設置一套設備對電力系統實施監(jiān)控，并對異常情況進行動作，使損失降低到最小。所以出現了繼電保護設備。繼電保護主要利用電力系統中原件發(fā)生短路或異常情況時電氣量的變化來構成繼電保護動作。繼電保護裝置的任務在于：在宮殿系統運行正常時，安全地、完整地監(jiān)視各種設備的運行狀況，為值班人員提供可靠的運行依據；供電系統發(fā)生故障時，自動地、迅速地、并由選擇地切除故障部分，保證非故障部分繼續(xù)運行；當供電系統中出現異常運行工作狀況時，它應能及時準確地發(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的衛(wèi)士，它的基本任務有：（1）當電力系統發(fā)生故障時，自動、迅速、有選擇地將故障設備從電力系統中切除，保證系統其余部分迅速恢復正常運行，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備?？梢娎^電保護是任何電力系統必不可少的組成部分，對保證系統安全運行、保證電能質量、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用于工廠企業(yè)高壓供電系統、變電站等，用于高壓供電系統線路保護、主變保護、電容器保護等。高壓供電系統分母線繼電保護裝置的應用，對于不并列運行的分段母線裝設電流速斷保護，但僅在斷路器合閘的瞬間投入，合閘后自動解除。另外，還應裝設過電流保護，對于負荷等級較低的配電所則不可裝設保護。變電站繼電保護裝置的應用包括：（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，三段為電流保護。（2）母聯保護：需同時裝設限時電流速斷保護和過電流保護。（3）主變保護：主變保護包括主保護和后背保護，主保護一般為重瓦斯保護、差動保護，后備保護為負荷電壓過流保護、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。隨著繼電保護技術的飛速發(fā)展，微機保護的裝置逐漸投入使用，由于生產廠家的不同、開發(fā)時間的先后，微機保護呈現豐富多彩、各顯神通的局面。但基本原理及要達到目的基本一致。第三節(jié)繼電保護的基本原理繼電保護裝置必須具有正確區(qū)分被保護元件是處于正常運行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護區(qū)內故障還是區(qū)外故障的功能。保護裝置要實現這一功能，需要根據電力系統發(fā)生故障前后電器物理量變化的特征為基礎來構成。電力系統發(fā)生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：電流增大。短路時故障點與電源之間的電氣設備和輸電線路上的電流將由符合電流增大至超過負荷電流。電壓降低。當發(fā)生相間短路和接地短路故障時，系統各點的相間電壓或電壓值下降，且越靠近短路點，電壓越低。電流與電壓值見的相位角改變。正常運行時電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數角，一般約為20°，三相短路時，電流與電壓值見的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60°～85°，而在保護反向三相短路時，電流與電壓值見的相位角則是180°+（60°～85°）。測量阻抗發(fā)生變化。測量阻抗即測量點電壓與電流之比值。正常運行時，測量阻抗為負荷阻抗；金屬性短路時，測量阻抗轉變?yōu)榫€路阻抗，故障后測量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。不對稱短路時后，出現相序分量，如兩相及單項接地短路時，出現負序電流和負序電壓分量；單相接地時，出現負序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運行時是不出現的。利用短路故障時電氣量的變化，便可構成各種原理的繼電保護。此外，出了上述反應工頻電氣量的保護外，還有反應非工頻電氣量的保護。因此繼電保護基本原理是利用被保護線路或設備故障前后某些變化的物理量為信息量，當這信息量達到一定值時，啟動邏輯環(huán)節(jié)，發(fā)出相應的命令。利用基本電氣參數量的區(qū)別發(fā)生短路故障后，利用電流、電壓、線路測量阻抗、電壓電流間相位、負序和零序分量的出現等的變化，構成相應的保護。①過電流保護反應電流增大而動作的保護稱為過電流保護。如在線路上發(fā)生三相短路故障，則從電源到短路點值間將流過短路電流，短路點之前的保護都可以反應到這個電流，但是只有離短路點最近的保護才最快跳閘來切除故障。②低電壓保護低電壓保護是反應電壓降低而動作的保護。③距離保護距離保護也稱低阻抗保護，是反應保護安裝處到短路點值見的阻抗下降而動作的保護。利用比較兩側的電流相位正常運行時線路兩側的電流大小相等，相位差為180度，外部短路時結論與正常運行相同。若兩側電流相位相同，則判為內部故障。反應序分量或突變量是否出現電力系統對稱運行時，不存在負序、零序分量，當發(fā)生不對稱短路時，將會出現負序、零序分量。可以根據是否出現負序、零序分量構成序分量保護：根據正序突變量構成對稱、不對稱短路保護。反應非電量保護瓦斯保護、過負荷保護等。當前繼電保護檢修多以人工巡檢為主，這種方式雖然能夠在一定程度上發(fā)現故障隱患，但是仍存在著某種程度上的不足。定期檢修是按規(guī)定周期檢修排查，就使得檢修周期內的故障不能及時發(fā)現;另外，周期檢修會造成很大的過剩浪費。由于電力設備對于生產的重要性，其檢修時間越短對生產生活的影響越小。隨著變電站和輸電線路的數量越來越多，繼電保護檢驗工作量劇烈增加。而繼電保護系統作為保障電力系統正常運行的重要手段，其檢修方式必須做出改變以適應電力生產發(fā)展的需求。電力檢修的趨勢是要求檢修快速效率高，停電時間短，而相對應的電力檢修人員并未隨著電網規(guī)模的擴大正比增長，就使得技術人員長期超負荷工作，不但完成率無法保證，甚至容易發(fā)生誤接線、誤操作等事故。要想電網可靠、安全的運行，繼電保護的監(jiān)測和檢修必須要尋找新的解決辦法。微機保護裝置從一定程度上解決了這一難點。第四節(jié)繼電保護的功能性要求（1）操作簡單靈活繼電保護在計算機技術的引用下，在人機界面方面越來越好，對電力系統的維護和調試工作也更加便捷快速，這樣就縮短了電力系統中故障問題的解決和維修的時間，提高了檢修的效率，而且在以往運行經驗的積累基礎上，也可以實現在現場通過相關軟件方法來對繼電保護的特性和結構進行改變。（2）優(yōu)化繼電保護的動作特征和性能繼電保護正確率較高的一個表現就是，在得到常規(guī)保護不容易獲得的特性時，其很強的記憶力可以更好地實現對故障的分量保護，因此，可以采取引進先進的自動化控制技術和新的數學理論和技術來實現。（3）易提高可靠性這一特點主要是體現在數字元件方面，數字元件的特性和性能具有很強的穩(wěn)定性，不會因為溫度的變化、電源的波動以及使用時間而受到影響，而且它的自檢和巡檢能力也非常好，能夠采用軟件對主要元件、部位的工況以及軟件自身進行及時的檢測。（4）遠方監(jiān)控繼電保護裝置的一個顯著的優(yōu)勢就是可以在計算機技術的支持下實現遠方監(jiān)控的功能，它所具有的串行通信功能可以和繼電保護監(jiān)控系統的通信聯絡相結合，對不在一個控制區(qū)域的設備進行實時的監(jiān)控。（5）有很大的功能擴充空間它可以給其他相關輔助功能的實現提供很大的空間，為其順利實現創(chuàng)造很多的條件。例如：故障的錄波和波形的分析等，它可以很便利的附加低頻減載、自動重合閘、故障的測距等輔助功能。對繼電保護裝置的基本要求有四點：選擇性、靈敏性、速動性和可靠性。（1）選擇性當供電系統中發(fā)生故障時，繼電保護裝置應能有選擇性地將故障部分切除。也就是它應該首先斷開距離故障點最近的斷路器，以保證系統中其他非故障部分能繼續(xù)正常運行。系統中的繼電保護裝置能滿足上述要求的，就成為有選擇性，否則就成為沒有選擇性。（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應能力。在保護裝置的保護范圍內，不管短路點的位置如何、不論短路的性質怎樣，保護裝置均不應產生拒絕動作；但在保護區(qū)外發(fā)生故障時，又不應該產生錯誤動作。保護裝置靈敏與否，一般用靈敏系數來衡量。保護裝置的靈敏系數應根據不利的運行方式和故障類型進行計算。靈敏系數越高，則反應輕微故障的能力越強。各類保護裝置林敏系數的大小，根據保護裝置的不同而不盡相同。（3）速動性速動性指保護裝置應能盡快切除短路故障?？s短切除故障的時間，就可以減輕短路電流對電氣設備的損壞程度，加快系統電壓的恢復，從而為電氣設備的自啟動創(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計原理、整定計算、安裝調試要正確無誤；同時要求組成保護裝置的各元件的質量要可靠、運行維護要的當、系統應盡可能的簡化有效，以提高保護的可靠性。第五節(jié)繼電保護可靠性分析隨著我國現代化進程不斷推進，各行業(yè)對于電力系統安全穩(wěn)定運營的要求越來越高。近年來，繼電保護在電力系統運用過程起到了非常重要的作用，但如若系統元件出現隨機故障，將會影響電網的持續(xù)運行，同時給國民基礎設施安全帶來威脅。因此，為保證電力系統運行安全，研究電力系統繼電保護可靠性尤為重要。從電力系統的構造來看，其主要由“三器”與接線組成，其中，“三器”為互感器、斷路器以及繼電器。回顧性分析，目前的電力系統繼電保護是由機電、整流、晶體管以及集成電路發(fā)展而來的，隨著我國自動化技術及科學技術的更新與進步，電力系統已經進入了微機時期，繼電保護得到提高。傳統的繼電保護的精度準確性不高且對運行的電網計算速率較低，不僅影響工作效率，且難以維持電力系統持續(xù)性滿足人們的需求。與傳統繼電保護局進行對比，現階段應用于繼電保護中的微機具有極高優(yōu)勢，利用其自身工作原理與獨特的功能推進我國電力企業(yè)的發(fā)展。一、可靠性基礎繼電保護的功能，就是將檢測到的電氣量與整定值進行比較，在越過整定值或邊界時就動作。繼電保護裝置工作的好壞用四個基本要求來衡量。可靠性。電力系統正常運行時，繼電保護裝置應可靠地不動作；當被保護設備發(fā)生故障或不正常工作狀態(tài)時，繼電保護裝置應可靠地動作。前者稱作安全性，如果電力系統正常運行時繼電保護裝置動作了，誤發(fā)信號或誤將某設備切除，非但為起到保護作用，反而由于誤動作造成了電力系統的不安全；后者稱作可依賴性，如果被保護設備發(fā)生故障或出現不正常工作狀態(tài)時繼電保護裝置拒絕動作，就沒有起到保護作用，該保護不可依賴。由此可見，繼電保護必須滿足可靠性的要求。迅速性。迅速性又可稱作快速性，是指繼電保護裝置的動作速度。理論上講，繼電保護裝置的動作速度越快越好；但是實際應用中，為防止干擾信號造成保護裝置的誤動作及保證保護間的相互配合，繼電保護不得不人為的設置一動作時限。目前繼電保護的動作速度完全能滿足電力系統的要求。最快的繼電保護裝置的動作時間約為5ms。選擇性選擇性是指：電力系統出現故障時，繼電保護裝置發(fā)出跳閘命令僅將故障設備切除，使停電范圍盡可能減小，保證無故障部分繼續(xù)運行。二、繼電保護設備的可靠性繼電保護在電力系統中占據重要地位，屬于電力系統的核心，能否正常運行對電力系統的工作起著關鍵性作用。隨著我國電力企業(yè)的發(fā)展規(guī)模逐漸擴大，電網所覆蓋的區(qū)域隨之擴大，使用客戶逐漸增多，因此，繼電保護工作越來越受到電力企業(yè)的重視。在電力系統工作中，系統元件不可避免會出現隨機故障，且隨電力系統電壓等級與容量增大，一旦出現隨機故障，將會影響較為廣泛的區(qū)域，對使用客戶的日常生活與工作造成不同程度的影響。因此，為實現電力系統安全且高效運行，保障民生社稷，加強繼電保護的準確性、安全性以及可靠性是電力企業(yè)不斷追求的目標。電力系統繼電保護有別于其他電子設備，工作過程體現了其有別于電子設備的一些特性，具體概括為以下幾方面：（1）繼電保護分為靜、動態(tài)式兩種裝置，其中，靜態(tài)式繼電保護裝置的元件種類較為繁雜，且元件的制作過程具有相當難度，因此，元件的質量、使用壽命受制于多方面因素的影響，進而提高電力系統出現隨機故障的機率。（2）在電力系統中，投入運行的各線段的不同類型的繼電保護裝置彼此間具有相輔相成、共同配合實現電力系統持續(xù)正常工作。因此，研究繼電保護可靠性不能僅針對于但類型繼電保護裝置，而是要面向應用于電力系統中的所有繼電保護裝置。研究項目包括，各個繼電保護裝置工作的可靠性、各個繼電保護裝置共同配合電力系統運行的可靠性。電力系統繼電保護裝置屬于機電設備當中一種，其與電子設備有較為巨大的差異，繼電保護裝置主要由測量、定值調整、執(zhí)行以及邏輯等幾部分構成。繼電保護裝置工作原理基本概述為：首先，測量來自被電力系統保護的對象的運行相關信息，根據測量接受的數據信息與調整好的預計值進行對比，以此作為判斷線段是否出現故障或電網運行異常的依據。其次，繼電保護裝置的邏輯部分對測量部分提供的信息進行判斷，從而確認電力系統繼電保護是否處于動作狀態(tài)。再者，執(zhí)行部分根據測量部分、邏輯部分提供的結果，判斷是否予以電網運行，即發(fā)信號或跳閘。以上對繼電保護工作原理進行分析，其全部過程均依據自動化技術完成，利用自動化系統對繼電保護設備實現完整的支持，接收繼電保護設備各個組成部分收集的數據以及通訊信息，同時對這些已接收的數據信息進行分析，分辨數據的安全與否。一旦數據不符合繼電保護裝置監(jiān)測的相關要求，自動化系統立即報警，將報警處理結果向自動化系統反饋，經過自動化系統及時且科學的統計后，工作人員能及時的對報警信息進行有效處理，達到確保繼電保護裝置正常運行的目的。三、繼電保護裝置可靠性評估方法通常采用指標體系對電力系統繼電保護可靠性進行評價，但是指標體系是否具有科學性、準確性、可靠性等能直接影響電力系統繼電保護可靠性的評價結果。因此，我國電力企業(yè)需合理而科學的建立一個符合繼電保護可靠性評價的指標體系，才能實現評價治療量的提高。為建立科學而合理的指標體系，電力企業(yè)工作人員需同時進行以下幾方面的工作。（1）指標體系需切實可行，符合實際。（2）以使用符合實際要求為前提，盡可能降低企業(yè)成本，以便于資金運作通暢。（3）可靠性指標的水平需根據電力系統繼電保護使用條件的不同而確定。（4）指標體系需滿足繼電保護測定值范圍之內。（5）指標系統能對現行的繼電保護可靠性進行有效性分析，即指標體系的建立需具有較強的針對性。目前，我國電力企業(yè)對電力系統繼電保護可靠性研究已有所進展，但因我國電力企業(yè)起步相對于國外先進國家較晚，自動化水平與國外存在一定落差，因此，研究工作仍需繼續(xù)。在繼電保護中，電力企業(yè)常采用“正確動作率”對繼電?？煽啃赃M行觀測，根據觀測結果，分析每年繼電保護可靠性的變化，評估可靠性的價值。此外，采用“正確動作率”也能為不同電力系統繼電保護可靠性的對比提供參考依據，進而分析出可靠性較強的電力系統繼電保護裝置，從而為我國電力繼電保護水平的提高帶來發(fā)展方向。然則，“正確動作率”對于我國電力系統繼電保護可靠性雖有促進作用，但其自身也存在負面之處，該方法運用中沒有考慮電網區(qū)域之外的隨機故障不動作的發(fā)生頻率，繼電保護的可靠想準確性不高，難以提高工作人員的積極性，降低預防故障的意識。在“正常動作率”的影響之下，一旦系統出現故障，將會使局部或廣泛的使用客戶受到影響，如生活、工作、身心。第二章影響電力系統繼電保護設備可靠性的各種因素第一節(jié)繼電保護設備自身的因素（1）繼電保護裝置。繼電保護裝置中與繼電保護可靠性密切相關的模塊有：電源供應模塊；中央處理模塊；數字量輸入模塊；模擬量輸入模塊；數字量輸出模塊。（2）二次回路。由二次回路絕緣老化、裸露導致接地等原因造成的故障在繼電保護系統故障中占有一定比例。（3）繼電保護輔助裝置。這些輔助裝置包括交流電壓切換箱、三相操作繼電器箱及分相操作繼電器箱等，它們起著極為重要的作用。（4）裝置的通信、通道及接口。高頻保護的收發(fā)信機、縱聯差動保護的光纖、微波的通信接口等裝置系統易于發(fā)生通信阻斷故障，直接影響繼電保護裝置的正確動作。硬件因素繼電保護的硬件具有組成復雜、功能參數多、技術要求高的特點，其質量和可靠性對繼電保護系統的穩(wěn)定性造成直接影響。第一，繼電保護裝置。繼電保護裝置中電源供應模塊、數字量輸入模塊、中央處理模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、等都與繼電保護的穩(wěn)定性密切相關。第二，繼電保護輔助裝置。包括交流電壓切換箱、分相操作繼電器箱、三相操作繼電器箱等輔助裝置均對繼電保護的可靠性起到重要作用。第三，二次回路。二次回路造成的繼電保護系統故障主要原因包括回路絕緣老化、線路裸露接地等。第四，斷路器。作為電力網絡的重要組件,斷路器的可靠性對繼電保護于電力系統主接線的穩(wěn)定均具有明顯影響。第五，通信、通道及接口。容易發(fā)生通信阻斷故障的裝置包括高頻保護的收發(fā)信機、微波的通信接口、縱聯差動保護的光纖等,這些裝置對繼電保護的動作正確性與準確性造成直接影響。第二節(jié)軟件因素軟件出錯將導致保護裝置誤動或拒動。目前影響微機保護軟件可靠性的因素有：需求分析定義不夠準確；軟件結構設計失誤；編碼有誤；測試不規(guī)范；定值輸入出錯等。軟件因素經過多年的發(fā)展與改良，在原有的電氣跳閘裝置等傳統組件基礎上，現用的繼電保護系統與計算機和單片機等先進的控制技術進行了融合，為軟件對繼電保護的作用提供了支持。影響軟件可靠性的因素主要包括:編碼錯誤、需求分析定義不明確、定值設定錯誤、軟件結構設計失誤、測試不規(guī)范等。軟件故障將導致保護裝置糾錯能力失常、誤動、拒動、功能畸變等。第三節(jié)外部環(huán)境因素對于繼電保護可靠性來說，自然環(huán)境主要涉及到三個方面：其一，溫度，往往由于溫度的差異變化，使得元件器件的表面出現脫落，泄露的情況，由此將導致元件的性能不能有效實現。再者說，不同材料制造的繼電元件，其對于溫度的感應度也是不一樣的，由此是的整個設備的可靠性也出現不一樣的情況。也就是說，我們在思考溫度因素的時候，也要講元件的材料，元件的屬性弄清楚。其二，濕度，一旦長期處于濕度過高的環(huán)境下，是的元件材料的機械性能和化學性能都發(fā)生了改變，出現體積過大，精度不清，密封性不良，表面脫落的現象。其三，過大的沖擊和振動，此類情況下，將直接導致元件的結構變形，出現裂紋，使得其繼電保護的可靠性大打折扣，由此極大的影響了繼電保護的效率。第四節(jié)人為因素人為因素安裝、調度、操作人員的工作失誤，也是影響繼電保護穩(wěn)定性的重要因素，據統計，人為因素故障在220kV系統中占總故障的38%。人為因素造成的故障主要包括：安裝人員未按設計規(guī)范操作；搭接不到位；接線錯誤；繼電保護裝置運行管理失誤；忽略電氣設備巡檢；故障未能及時維修等。繼電保護受自然、人為因素的影響。據調查，電力系統是否得以正常運行主要受三個方面的影響：其一，自然因素。對于電力系統運行而言，自然因素屬于不可抗拒力，例如暴雨、寒雪、霜凍均對線段造成影響，降低繼電保護可靠性。其二，人為因素：（1）制造商專業(yè)素質不高，制造過程對繼電保護裝置的設計缺乏合理、科學，以至于產品質量不高。此外，制造商對產品的安裝沒有符合作業(yè)標準，操作缺乏規(guī)范。（2）繼電保護裝置管理人員缺乏工作責任心。繼電保護裝置能支持電力系統正常運行，需基于管理人員是否能對投入運行的繼電保護裝置給予合理化統一管理，管理人員對繼電保護裝置的認識度不高、工作不夠到位等均會造成電網運行受到影響，能夠制約電力企業(yè)的發(fā)展。第三章提高電力系統繼電保護設備可靠性的各種技術措施第一節(jié)冗余技術繼電保護系統的設計可以采用容錯技術，在不影響其正確的狀況下，允許繼電保護系統的個別裝置的不正確工作。實現著中容錯技術的一個方法是硬件的冗余。目前，在設計繼電保護系統硬件的冗余時，通常采用并聯、備用切換、多數表決等，這種冗余設計模式能夠明顯的改善繼電保護的拒動率、可用度等可靠性指標，也能使誤動率這一可靠性指標惡化。多數表決方式能夠實現可靠性指標達到任一規(guī)定值，促進可靠性指標的改善；備用切換方式能夠顯著的改善可用度指標，但是對誤動率、拒動率以及可靠度并沒有影響。所以，硬件冗余設計需要以繼電保護系統的實際情況進行選擇。繼電保護系統的優(yōu)化冗余設計能夠在滿足可靠性指標的基礎上，使用最少數量的保護裝置，實現投資金額的最小化。雖然繼電保護系統可靠性能的提高和投資金額的減少兩者之間是相互矛盾的，然而兩者求極值均可利用優(yōu)化冗余設計方案之間的對比作出選擇、解決。因此，在進行實際的繼電保護系統的設計時，在任何狀況下都能滿足系統可靠性指標是，需將其放置在第一位。在系統完成正常工作所需的資源以外的附加資源稱為冗余資源。應用冗余資源來克服故障影響的技術則稱為冗余技術。通過冗余可以屏蔽或者恢復故障，從而提高系統的可靠性。冗余技術可以有如下幾種基本形式：硬件冗余：應用附加的硬件來實現故障檢測及容錯；.軟件冗余：應用附加的軟件來實現故障檢測及容錯；信息冗余：應用附加信息來實現檢錯或糾錯；時間冗余：應用附加的時間以執(zhí)行系統的功能；硬件冗余：使用增加硬件設備（如多種結構、雙機結構、表決系統）的方法，掩蓋故障造成的影響，使計算機及其應用系統在發(fā)生局部故障時，系統任能正常工作，并將備份硬件接替上去。這是系統可靠性設計的重要內容。在考慮硬件冗余結構時，組建級、電路級、功能單元級、部件級、系統級一般都可以采用冗余結構，但在計算機應用系統級一般很少采用組建級冗余結構，并有并聯冗余備份冗余和多數表決系統之分。其中，備份冗余又可分為熱備份、暖備份和冷備份冗余。特點：主要用于高可靠性場合。軟件冗余：采用編碼、譯碼技術、檢測和校正信息在傳輸、存儲中產生的差錯；采用軟件保護技術，減少軟件出錯；采用多版本設計，降低軟件錯誤而造成的影響；采用故障隔離和邏輯切換、重組合技術，減少故障產生影響；采用故障檢測和恢復技術。特點：軟件冗余的靈活性較大，可設計性較強，可調整性也很強。通過軟件容錯技術、信息保護技術、防火墻技術等，可以很好的達到通過軟件設計來保證相關設備裝置可靠性的目的。信息冗余：主要是利用增加信息位數和復雜的檢錯和編碼。如采用奇偶校驗、海明校驗、CRC碼校驗、多重模塊、階段表決等方法檢測信息差錯，并進行自動糾錯處理。時間冗余：故障限制；故障檢測；故障屏蔽；重試技術；故障診斷；重組；恢復；重啟；修復；重構。按照故障處理方式：故障檢測；故障屏蔽；動態(tài)冗余。其中硬件冗余是應用最廣泛的冗余形式，硬件冗余有三種基本的形式：被動冗余、主動冗余及混合冗余。冗余設計過程中，必定會增加整個系統的體積、成本等；在整個設計過程中也要綜合考慮。在進行冗余設計時，一般情況下應注意：(1)在設計時應在可靠性、體積、重量及成本四者之間進行權衡優(yōu)化設計；(2)在設計時，不是構成系統所有的單元都需要進行冗余設計，應選取那些可靠性薄弱環(huán)節(jié)和對執(zhí)行任務及安全性影響至關重要單元進行冗余設計。(3)為了提高系統的任務可靠性，如果提高單元的元器件可靠性可以與進行冗余設計有相同可靠性水平；同時，提高單元的元器件水平較易且成本不高，那就采取提高單元的元器件可靠性水平，即選用高可靠元器件，尤其對長期工作的通訊產品尤為重要，往往在較長工作時間更顯現出選用高可靠元器件的優(yōu)越性。第二節(jié)降額設計降額設計可以通過降低零件承受的應力或提高零件的強度的辦法來實現。工程經驗證明，大多數機械零件在低于額定承載應力條件下工作時，其故障率較低，可靠性較高。為了找到最佳降額值，需做大量的試驗研究。當機械零部件的載荷應力以及承受這些應力的具體零部件的強度在某一范圍內呈不確定分布時，可以采用提高平均強度(如通過大加安全系數實現)、降低平均應力，減少應力變化(如通過對使用條件的限制實現)和減少強度變化(如合理選擇工藝方法，嚴格控制整個加工過程，或通過檢驗或試驗剔除不合格的零件)等方法來提高可靠性。對于涉及安全的重要零部件，還可以采用極限設計方法，以保證其在最惡劣的極限狀態(tài)下也不會發(fā)生故障。降額設計，為了提升電子設備的可靠性而常用，主要是指構成電子設備的元器件使用中所承受的應力（電應力和溫度應力）低于元器件本身的額定值，以達到延緩其參數退化，增加工作壽命，提高使用可靠性的目的。施加在電子元器件上的電應力、熱應力大小直接影響電子元器件的失效率高低。如鍺NPN晶體管基本失效率與電應力及熱應力關系，如果溫度不變（0℃），而從滿負荷使用降至額定負荷的0.1使用，則基本失效率降低了6倍；如果電應力不變（額定負荷的0.1）而溫度從90℃降至0℃，則基本失效率降低了16倍；如果負荷及溫度都降低，電應力從額定值0.6降至0.1，而溫度從55℃降至0℃，則基本失效率降低到原來的1/20。在降額設計中，“降”得越多，要選用的元器件在性能就應該越好，成本也就越高，所以在降額設計過程中，要綜合考慮。電子產品發(fā)展到今天，人們已經總結出“降額”的通用準則。但并不所有的電子產品都可以“降額”，在實現設計過程時，應該注意：(1)不應將標準所推薦的降額量值絕對化，應該根據產品的特殊性適當調整；(2)應注意到，有些元器件參數不能降額；(3)一般說來，對于電子元器件，其應用應力越降低越能提高其使用可靠性，但卻不盡然。如聚苯乙烯電容器，降額太大易產生低電平失效；(4)為了降低元器件的失效率，提高設備可靠性而大幅值降低其應用應力，按其功能往往需要增加元器件數量和接點，反而降低了設備可靠性；(5)對器件進行降額應用時，不能將所承受的各種應力孤立看待，應進行綜合權衡；(6)不能用降額補償的方法解決低質量元器件的使用問題，低質量產品要慎重使用。第三節(jié)EMC設計電磁兼容是研究在有限的空間、時間和頻譜資源下，各種設備或系統可以共存而不致引起降級的一門科學。電磁兼容（EMC）包括電磁干擾（EMI）和電磁敏感度（EMS）兩個方面。電磁兼容是指設備或系統在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。要提升這種能力，有許多應用課題要解決，如：電磁波的散射、透射、傳輸、孔縫耦合，各種干擾源的機理和特性，各種干擾參數的計算和測試，各種結構的屏蔽效果，各種防護方法、測試方法、標準等等。對應設計的方法也有多種，如：防靜電設計、防雷設計、防地電位升設計等等；一般從以下方面考慮，以保證產品的EMC特性：(1)靜電放電的防護。首先要阻止電流直接進入電子線路，最普通的辦法就是建立完善的屏蔽結構（必要時在外殼與電路之間增加第二層屏蔽層），屏蔽層接到電路的公共接地點上。對內部的電路來說，如果需要與金屬外殼相連時，必須采用單點接地的方式，防止放電電流流過這個電路，造成傷害。(2)屏蔽。采用屏蔽的目的有兩個：一是限制內部的輻射電磁能越過某一區(qū)域；二是防止外來的輻射進入某一區(qū)域。主要對電場、電磁場、磁場進行屏蔽（現實對磁場的屏蔽更難）。(3)接地。接地的目的一是防電擊，一是去除干擾。接地可分為兩大類，即安全接地與信號接地。接地時應該注意：接地線愈短愈好、接地面應具有高傳導性、切忌雙股電纜分開安裝、低頻宜采用單點接地系統、高頻應采用多點接地系統、去除接地環(huán)路；(4)濾波。實際工作中，無法完全做好接地與屏蔽的工作。因此，會采用濾波（將不需要的信號去除）的方式來彌補不足，主要通過濾波電路來實現。在實際使用中，由于設備所產生的雜訊中共模和差模的成分不一樣，所采用的濾波電路也有變化，可適當增加或減少濾波元件。具體電路的調整一般要經過EMI測試后才能有滿意的結果。第四節(jié)提高軟件可靠性單個微機保護裝置的軟件規(guī)模并不是很大，但針對不同的用戶需求對軟件源代碼的修改所形成的版本眾多，而且不能保證每一次修改都可以接受。有如下所列的非常現實的困難擺在保護開發(fā)項目管理人員面前：①開發(fā)項目的整體管理如何進行；②項目組的各個子項目如何統一調度；③項目組的成員之間如何進行有效協調；④修改軌跡如何保留，以便撤消不可接受的修改；⑤研發(fā)過程中形成的軟件的各個版本如何進行標識；⑥各個版本的源代碼和文檔如何進行關聯等。必須引入一種管理機制，在這種機制下，不僅是源代碼，而且整個開發(fā)項目也可以得到有效管理。借助項目管理工具可以實現這樣的目的，目前市場上可以選擇的此類工具很多，例如VisualSourceSafe（簡稱VSS）具有面向項目的特性，能有效地管理應用程序開發(fā)工作中的日常任務。VSS將所有的項目源文件（源代碼文件、文檔等）以特有的方式存入數據庫。開發(fā)組的成員不能對該數據庫中的文件進行直接的修改，而是簽出（Checkout）到自己的工作目錄下進行修改和調試，然后將修改后的項目文件簽入（Checkin）給VSS，由它進行綜合更新。軟件可靠性設計有自頂向下設計、結構化程序設計、程序綜合與推導、函數程序設計以及有關的形式說明和程序變換等。這些程序設計技術的共同特點是：都能使程序具有既易于理解，又易于驗證的良好結構，但這常常是程序運行效率偏低，為了解決這個矛盾，可先設計一個結構良好的程序，作為理解和驗證的文本，然后用程序變換技術把它變換成一個高速運行的程序交付使用。(1)軟件容錯技術概念：軟件容錯是指在軟件故障的情況下，系統仍能在預定條件和預定時間內仍能正確的執(zhí)行的能力。原理：將若干個根據同一規(guī)范編寫的不同程序或程序塊，在不同空間同時進行或在同一空間依次進行，然后每一個預定的檢測點上或最終通過表決器表決，或接受測試進行裁決。在判明其正確或一致后，接受這一結果，否則拒絕接受或給出報警。(2)信息保護技術概念：為防止信息被非法竊取、篡改、非法使用或被破壞而采取的保護措施。方法：身份驗證與口令、信息編碼與加密、內存保護、外存保護、防火墻等。(3)防火墻技術采用防火墻技術的目的：限制訪問者進入一個被嚴格控制的點、防止進攻者接近防御設備、限制一個訪問者離開一個被嚴格控制的點、檢查、篩選、過濾和屏蔽信息流中有害服務，防止對計算機系統進行蓄意破壞。設置防火墻的作用：有效地收集和記錄互聯網上的活動和網絡無用情況、能夠隔開網絡中的一個網絡段與另一個網絡段，防止一個網絡段的問題傳播到整個網絡、防火墻是一個安全檢查站，能有效地過濾、篩選和屏蔽一切有害的服務和信息、防火墻可作為防止不良現象發(fā)生的交通警察，能執(zhí)行和強化網絡安全策略。第五節(jié)三次設計三次設計也稱田口方法，是田口玄一創(chuàng)立的優(yōu)化設計的方法。他認為，設計可以分三個階段進行：系統設計（提出初始設計方案）、參數設計（尋求參數的最佳搭配，提高產品性能的穩(wěn)定性）、容差設計（對關鍵件以合適的公差范圍）。三次設計的目的是用廉價元器件做成質量上乘、性能穩(wěn)定可靠的產品。在三次設計中，參數設計是最重要的，是三次設計的核心。通過參數設計，即使采用參數波動大的元器件，產品的整機性能仍十分穩(wěn)定。如何達到此目的？首先使系統達到最大的信噪比（即保證系統在各種干擾的影響下是最穩(wěn)定的），而不是保證目標輸出值；接著再把系統的輸出特性值調整到目標值（這樣可以大大地提高產品的穩(wěn)定性）。這個過程其實質在于非線性效應的利用。在一個非線性系統/器件中：(1)器件的輸入X與輸出Y的一般波形如下圖；(2)我們期望的目標輸出值在A點；(3)在A點附近，如果輸入的變化量Dx，對應的輸出變化量Dy將很大；(4)所以在參數設計時，找到此器件最穩(wěn)定的輸出點：B點；(5)在B點附近，如果輸入的變化量Dx，對應的輸出變化量DY將很小；(6)針對B點的輸出，我們采用一個線性器件把輸出值調整到對應Ａ點的值即可。第六節(jié)提高人機交互可靠性操作系統的人機交互功能是決定計算機系統“友善性”的一個重要因素。人機交互功能主要靠可輸入輸出的外部設備和相應的軟件來,完成。,可供人機交互使用的設備主要有鍵盤顯示、鼠標、各種模式識別設備等。與這些設備相應的軟件就是操作系統提供人機交互功能的部分。人機交互部分的主要作用是控制有關設備的運行和理解并執(zhí)行通過人機交互設備傳來的有關的各種命令和要求。早期的人機交互設施是鍵盤顯示器。操作員通過鍵盤打入命令，操作系統接到命令后立即執(zhí)行并將結果通過顯示器顯示。打入的命令可以有不同方式，但每一條命令的解釋是清楚的，唯一的。隨著計算機技術的發(fā)展，操作命令也越來越多，功能也越來越強。隨著模式識別，如語音識別、漢字識別等輸入設備的發(fā)展，操作員和計算機在類似于自然語言或受限制的自然語言這一級上進行交互成為可能。此外，通過圖形進行人機交互也吸引著人們去進行研究。這些人機交互可稱為智能化的人機交互。提高人機交互可靠性的方法:(1)確定零件合理的安全系數安全系數是指零件在理論上計算的承載能力與實際所能承擔的負荷之比值。確定安全系數時應考慮以下幾個因素：環(huán)境條件的影響如溫度、濕度、沖擊、振動等；使用中發(fā)生超負荷或誤操作時的后果；(2)貯備設計貯備設計是指將若干功能相同的零組部件作為備用機構，當其中某個零組部件出現故障時，備用機構馬上啟動工作，使機器仍能保持正常工作。例如，滾動軸承中的雙排滾珠，當其中一排損壞時，另一排仍可以維持正常工作。采用貯備設計的產品，一般是有劇毒的化工設備、故障率較高的設備、流水生產線上的關鍵設備或一旦出現事故損失較大的設備。貯備設計的目的在于提高可靠性，如果盲目采用，或設計不當將會因增加體積、重量和費用而導致相反的效果。(3)耐環(huán)境設計在產品設計時要考慮環(huán)境條件的影響，應進行耐機械應力（振動、沖擊等）設計和抗氣候條件（高溫、低溫、潮濕、雨淋、日曬、風化、腐蝕等）設計。設計時就應預計產品實際使用的環(huán)境條件，并采取相應的耐環(huán)境措施。為此，在設計、試制階段要進行實驗室模擬或現場作預計環(huán)境條件下的可靠性試驗，如耐久性試驗、壽命試驗、環(huán)境試驗、可靠性測定和可靠性驗證等試驗。(4)簡單化和標準化設計產品簡單化和標準化是提高可靠性的關鍵，即產品在滿足功能要求的前提下，其結構越簡單越好，因為這時零件數少了，發(fā)生故障的機會就少了。在簡單化和標準化設計中應注意如下幾點：①應避免單純追求高水平及復雜化，盡量選用標準件。②要處理好極限設計，設計時應考慮并保證產品在各種惡劣條件下工作的可靠性，可以通過保險機構、連鎖機構等安全裝置或安全措施來解決。(5)提高結合部的可靠性機械產品都是由若干零部件組成，故零部件間的結合部位很多。結合部位的配合性質有相對靜止的，也有相對運動的，還有要求密封的，所以相應的有各種連接方式，如有螺栓螺母連接、焊接連接、銷子或鍵連接、齒輪齒條連接、滑板與導軌連接或主軸與軸承連接以及法蘭、密封圈與轉軸或箱體連接等。這些結合部位的故障率一般都比較高，所以極易誘發(fā)其他故障的發(fā)生。為此，在可靠性設計時應特別注意設法提高結合部位的可靠度，即保證結合部的連接強度、剛度及配合精度和密封要求等。(6)結構安全設計在結構設計時，要做到結構合理，從根本上消除危險與有害因素，使操作者徹底從危險部位或危險狀態(tài)下解脫出來，是提高產品可靠性和安全性的根本出路。例如，鐵路上兩節(jié)車廂之間的連接器，傳統的方法用的是連桿插銷連接器，工人在脫開或連接兩節(jié)車廂時，必須接近兩節(jié)車廂之間進行拔出或插入銷子的操作，這時工人就處于可能被兩節(jié)車廂撞擊或擠傷的危險部位中，隨時都可能被撞傷。而現在使用的車輛自動連接器，不需工人到兩節(jié)車廂之間直接操作，而是利用低速相碰觸自動連接。因為根除了危險因素，當然也就不會發(fā)生被車廂撞傷的事故了。(7)設置齊全的安全裝置作為可靠性較高的現代化機械設備，已具備也必須具備必要的安全裝置，以便用來防止超載、超行程、超溫、超壓、誤操作、誤接觸、外部環(huán)境突變(如停電、停氣等)而引起的事故以及限制事故的擴大。一般都是通過在線監(jiān)測儀器及時捕捉異常信號的變化，當超限時立即發(fā)出警報信號、故障顯示或自動停機等。這是設計、制造部門應完成的任務，絕不應把危險與有害因素等事故隱患留給用戶。(8)人機界面設計人機界面是人與機器交換信息的環(huán)節(jié)，如果人機界面設計不當，人與機器相接觸造成能量逸出，將直接會導致事故發(fā)生。所以在人機界面設計時，即人機工程設計時，必須考慮人的生理、心理因素，考慮人機協調關系，如人的正常生理能力和允許限度。要求所設計的顯示器，長時間觀察或監(jiān)聽而不易疲勞；操縱機構應設計成在操作時需要用的操作力不大，有“手感”而不沉重；控制器和顯示器應盡量少而集中，配置合理，避免操作失誤；且設有連鎖保護裝置，做到即使誤操作某一控制器也不會引起事故。第七節(jié)綜合分析提高可靠性的技術措施對于電磁干擾往往使用的是屏蔽，屏蔽可以分為三種，其一，電場屏蔽，其二，磁場屏蔽，其三，電磁屏蔽；在一般情況下都會使用電磁屏蔽的方式來有效的處理磁場的干擾問題。我們知道，對于電磁場最簡單的措施，即在感應源和受感器之間亦金屬隔離的方式，有效的避免寄生電容的耦合現象，此時就實現了電場的屏蔽。有時有些電場干擾比較強的，往往使用導電金屬接地的方式，既有效又經濟。還需要注意的不同的磁場干擾要使用相應的措施，唯有這樣才能保證繼電保護運作的綜合分析提高可靠性的技術措施有：(1)冗余設計過程中，必定會增加整個系統的體積、成本等；在整個設計過程中也要綜合考慮。在進行冗余設計時，一般情況下應注意：①在設計時應在可靠性、體積、重量及成本四者之間進行權衡優(yōu)化設計；②在設計時，不是構成系統所有的單元都需要進行冗余設計，應選取那些可靠性薄弱環(huán)節(jié)和對執(zhí)行任務及安全性影響至關重要單元進行冗余設計。③為了提高系統的任務可靠性，如果提高單元的元器件可靠性可以與進行冗余設計有相同可靠性水平；同時，提高單元的元器件水平較易且成本不高，那就采取提高單元的元器件可靠性水平，即選用高可靠元器件，尤其對長期工作的通訊產品尤為重要，往往在較長工作時間更顯現出選用高可靠元器件的優(yōu)越性；(2)在降額設計中，“降”得越多，要選用的元器件在性能就應該越好，成本也就越高，所以在降額設計過程中，要綜合考慮。電子產品發(fā)展到今天，人們已經總結出“降額”的通用準則。但并不所有的電子產品都可以“降額”，在實現設計過程時，應該注意：①不應將標準所推薦的降額量值絕對化，應該根據產品的特殊性適當調整；②應注意到，有些元器件參數不能降額；③一般說來，對于電子元器件，其應用應力越降低越能提高其使用可靠性，但卻不盡然。如聚苯乙烯電容器，降額太大易產生低電平失效；④為了降低元器件的失效率，提高設備可靠性而大幅值降低其應用應力，按其功能往往需要增加元器件數量和接點，反而降低了設備可靠性；⑤對器件進行降額應用時，不能將所承受的各種應力孤立看待，應進行綜合權衡；⑥不能用降額補償的方法解決低質量元器件的使用問題，低質量產品要慎重使用；(3)計算機軟件已廣泛應用于工程系統，軟件可靠性對工程系統的可靠性的影響也越來越受到重視。軟件不會發(fā)生因易變性造成的失效，軟件也基本上不會降級而且在發(fā)生了降級也易于將它恢復到其原始水準。因此一個正確的程序會無限地運行而不會失效，但軟件可能會由于未檢測到的錯誤而不能完成預期的功能，軟件編寫和設計的缺陷是軟件失效的主要原因。軟件可靠性與硬件可靠性存在一些差別。第四章繼電保護未來的發(fā)展第一節(jié)計算機化計算機硬件迅猛發(fā)展，微機保護硬件也不斷發(fā)展。原華北電力學院研制微機線路保護硬件已經歷了3個發(fā)展階段：從8位單CPU結構微機保護問世，不到5年時間就發(fā)展到多CPU結構，后又發(fā)展到總線不出模塊大模塊結構，性能大大提高，到了廣泛應用。華中理工大學研制微機保護也是從8位CPU，發(fā)展到以工控機核心部分為基礎32位微機保護。南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎微機線路保護，已到大面積推廣，目前也研究32位保護硬件系統。東南大學研制微機主設備保護硬件也了多次改進和提高。天津大學一開始即研制以16位多CPU為基礎微機線路保護，1988年即開始研究以32位數字信號處理器(DSP)為基礎保護、控制、測量一體化微機裝置，目前已與珠海晉電自動化設備公司合作研制成一種功能齊全32位大模塊，一個模塊就是一個小型計算機。采用32位微機芯片并非只著眼于精度，精度受A/D轉換器分辨率限制，超過16位時轉換速度和成本方面都是難以接受；更重要是32位微機芯片具有很高集成度，很高工作頻率和計算速度，很大尋址空間，豐富指令系統和較多輸入輸出口。CPU寄存器、數據總線、址總線都是32位，具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務轉換功能，并將高速緩存(Cache)和浮點數部件都集成CPU內。電力系統對微機保護要求不斷提高，保護基本功能外，還應具有大容量故障信息和數據長期存放空間，快速數據處理功能，強大通信能力，它保護、控制裝置和調度聯網以共享全系統數據、信息和網絡資源能力，高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當于一臺PC機功能。計算機保護發(fā)展初期，曾設想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝置。當時小型機體積大、成本高、可靠性差，這個設想是不現實現，同微機保護裝置大小相似工控機功能、速度、存儲容量大大超過了當年小型機，用成套工控機作成繼電保護時機已經成熟，這將是微機保護發(fā)展方向之一。天津大學已研制成用同微機保護裝置結構完全相同一種工控機加以改造作成繼電保護裝置。這種裝置優(yōu)點有：(1)具有486PC機全部功能，能滿足對當前和未來微機保護各種功能要求。(2)尺寸和結構與目前微機保護裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強，可運行于非常惡劣工作環(huán)境，成本可接受。(3)采用STD總線或PC總線，硬件模塊化，不同保護可任意選用不同模塊，配置靈活、容易擴展。繼電保護裝置微機化、計算機化是不可逆轉發(fā)展趨勢。但對如何更好滿足電力系統要求，如何進一步提高繼電保護可靠性，如何取更大經濟效益和社會效益，尚須進行具體深入研究。智能化

近年來，人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規(guī)劃、模糊邏輯等電力系統各個領域都到了應用，繼電保護領域應用研究也已開始。神經網絡是一種非線性映射方法，很多難以列出方程式或難解復雜非線性問題，應用神經網絡