ОМИКРОН ОМИКРОН ОМИКРОН
Система Orphus

Микропроцессорные устройства релейной защиты: настоящее и будущее. В. Гуревич, канд. техн. наук

1. Введение
Электромеханические реле защиты последнего поколения полностью удовлетворяли всем требованиям, предъявляемым к ним как к средствам защиты электроэнергетических объектов от аварийных режимов в течение десятков лет. В новейших микропроцессорных устройствах функции релейной защиты объединили с функциями устройств связи и передачи данных, регистраторов аварийных режимов, узлов подстанционной логики и др. Такие многофункциональные комплексы стали сравнивать с единичными однофункциональными электромеханическими реле защиты, отработавшими не один десяток лет и порядком изношенными,  и говорить о неоспоримых преимуществах микропроцессорных «реле защиты». При этом как бы упускается из виду, что речь идет о совершенно разных по выполняемым функциям устройствах, которые просто нельзя сравнивать друг с другом [1] В статьях полурекламного характера, публикуемых специалистами ведущих мировых производителей и дистрибьюторов микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ) отмечаются только положительные качества МУРЗ. Существуют буквально единичные  публикации отдельных авторов, посвященные анализу проблем, связанных с переходом на микропроцессорные системы, хотя в действительности их возникает немало. Несмотря на проблемы, связанные с внедрением МУРЗ, их все более широкое распространение и полное вытеснение ими  электромеханических реле является неизбежным уже только потому, что выпуск электромеханических реле полностью прекращен практически всеми ведущими мировыми производителями реле. Причиной этого являются не непреодолимые принципиальные недостатки электромеханических реле (которые лишь изнашивались и не усовершенствовались последние 30 - 40 лет), а сверхприбыли, которые получают компании, при производстве МУРЗ по сравнению с производством электромеханических реле [2]. Поскольку будущее релейной защиты неизбежно связано с микропроцессорными системами (во всяком случае, для сложных защит), прогноз путей развития этого вида техники представляет безусловный интерес.

Микропроцессорные устройства релейной защиты: настоящее и будущее

В. Гуревич, канд. техн. наук
(Центральная лаборатория Электрической компании Израиля)

1. Введение

2. Цель статьи

3. Современные тенденции в конструировании микропроцессорных защит

4. Предлагаемые решения

5. Заключение


2. Целью данной статьи является анализ принципиальных конструктивных недостатков МУРЗ нынешнего поколения и предложения по созданию МУРЗ следующего поколения, предназначенных для вновь вводимых объектов.

3. Современные тенденции в конструировании микропроцессорных защит.

3.1. Если ввести некий показатель: «коэффициент удельной функциональности» (КУФ) микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ), характеризующий степень функциональной насыщенности, приходящийся на единицу объема МУРЗ, то можно констатировать, что этот показатель из года в год растет: физические размеры МУРЗ остаются неизменными (или даже уменьшаются), а их функциональные возможности постоянно расширяются. С чем связан такой рост? По нашему мнению, никакой объективной необходимости для увеличения КУФ нет, а речь идет лишь о конкурентной борьбе между производителями МУРЗ и их стремлении превзойти друг друга по техническому уровню производимых изделий. Поскольку величина  КУФ напрямую связана с уровнем техники и технологии, то увеличение КУФ, обычно,  напрямую ассоциируется с техническим уровнем МУРЗ и высокими технологическими возможностями компании-производителя. Таким образом, наращивание КУФ в МУРЗ, по нашему мнению, является не более, чем средством в конкурентной борьбе. Полезна ли эта тенденция и действительно ли она приводит к увеличению качества МУРЗ? На первый взгляд, да, поскольку, как уже отмечалось выше, увеличение КУФ обеспечивается за счет  использования более прогрессивных материалов, элементов и технологий и напрямую ассоциируется с увеличением технического уровня МУРЗ. На деле же все оказывается не так просто.  Поскольку прогресс в области новых материалов и технологий на самом деле не так стремителен, как хотелось бы производителям МУРЗ, в дело идут любые методы достижения поставленной цели, то есть увеличения КУФ. Уже стало тенденцией постоянное усложнение программного обеспечения, «навороченность» интерфейса, огромное количество не используемых  на практике функций, значительно усложняющих работу с МУРЗ и повышающих вероятность ошибки вследствие так называемого «человеческого фактора» [3]. Некоторые часто рекламируемые «выдающиеся способности» МУРЗ, увеличивающие КУФ, например, такие как полная внутренняя самодиагностика, на деле оказываются не более, чем рекламным трюком, призванным оправдать усложнение и увеличение стоимости МУРЗ.  О какой эффективности этой самодиагностики можно говорить, если она не способна обнаружить даже замену целой печатной платы, входящей в состав МУРЗ, не говоря уже повреждениях (и не только на периферийной плате, но и на главной плате с центральным процессором!). Например, такие повреждения, в результате которых МУРЗ не может связаться с компьютером, или отказывается  принимать и запоминать совершенно корректные изменения настроек, или не работает в режиме измерения входных аналоговых величин (токов и напряжений), и многие, многие  другие никак не обнаруживаются системой самодиагностики. А чем иным, как не рекламным трюком, можно назвать якобы способность МУРЗ постоянно контролировать исправность даже выходных исполнительных реле. Нам было очень интересно узнать, каким образом можно непрерывно контролировать исправность электромеханического реле, не вызывая его срабатывание.  

Главная плата микропроцессорной защиты семейства RE_*316

Рис.1. Главная плата микропроцессорной защиты семейства  RE_*316 на базе компьютерного микропроцессора  Intel-486.

 

Проведенное нами исследование показало, что речь идет о контроле целостности обмотки реле путем пропускания через нее слабого тока, не вызывающего срабатывания. Но разве катушка реле, а не его контакты является самыми нагруженным и самым ненадежным элементом? Конечно нет, но организовать никому не нужный контроль катушки ведь намного проще, чем контроль состояния контактов, а для нового рекламного объявления вовсе  не важно что именно и как контролируется.

3.2. Печатные платы МУРЗ все чаще выполняются методом поверхностного монтажа с применением микрокомпонентов. При этом плотность монтажа на такой плате настолько высока, рис. 1, что даже обсуждать вопрос о поиске неисправности и ремонте такой платы абсолютно бесперспективно. Ее можно только  выбросить и заменить новой. Предоставим читателю самому представить себе примерную стоимость платы реле REL-316 с центральным микропроцессором  Intel-486, изображенную на рис. 1.

Печатная плата импульсного источника питания микропроцессорной защиты

Рис. 2. Печатная плата импульсного источника  питания микропроцессорной защиты, совмещающая микрокомпоненты поверхностного монтажа с крупными дискретными элементами обычного монтажа.

 
Все чаще на одной печатной плате размещают микрокомпоненты поверхностного монтажа вместе с крупными силовыми элементами, электрически связанными друг с другом, рис.2.

Печатная плата микропроцессорной защиты, объединяющая разные функциональные узлы

Рис. 3. Печатная плата микропроцессорной защиты, объединяющая разные функциональные узлы и выполненная полностью на электронных элементах обычного монтажа с высокой плотностью монтажа.

 

С учетом того, что компании-производители никогда не предоставляют потребителю подробных принципиальных схем таких плат, поиск неисправностей на них и ремонт также очень сложны. Часто приходится выбрасывать даже такие платы, несмотря на большое количество крупных дискретных компонентов обычного монтажа.  Тенденция все большего увеличения плотности монтажа свойственна также и печатным платам на основе обычных дискретных элементов. Когда речь идет об источниках питания, работающих с относительно высокими напряжениями и мощностями, рис. 3,  такой монтаж приводит к опасному сближению разнопотенциальных печатных проводников на плате, что повышает вероятность электрического пробоя запыленной печатной платы при повышении влажности воздуха. Кроме того, при плотном монтаже утяжеляется тепловой режим работы электронных компонентов и заметно сокращается их срок службы. Искать неисправности и ремонтировать печатные платы при таком плотном монтаже совсем не просто и не дешево, учитывая значительные затраты времени.

3.3. Серьезную проблему представляют собой электролитические конденсаторы, широко используемые в большом количестве в источниках питания МУРЗ. Через 7 – 10 лет работы в импульсных высокочастотных  источниках питания даже очень высококачественные конденсаторы производства известных японских компаний начинают протекать, выделяя химически весьма агрессивный электролит. При этом работоспособность источника питания сохраняется до тех пор, пока не произойдет разрушение рядом стоящих микрокомпонентов или растворение медных дорожек печатного монтажа, которых не спасает даже слой специального прочного лака, называемого «маской», рис. 4. Вряд ли кто-то осмелится гарантировать исправность узла даже после попытки устранения  повреждения и возвращать в эксплуатацию такое ответственное устройство, как МУРЗ, после повреждений такого рода.

Фрагмент печатной платы микропроцессорной защиты с повреждениями, вызванными протечкой электролита из конденсаторов.

Рис. 4. Фрагмент печатной платы микропроцессорной защиты с повреждениями, вызванными протечкой электролита из конденсаторов.

 

3.4. Только стремлением уменьшить размеры МУРЗ можно объяснить использование практически всеми мировыми лидерами в области производства МУРЗ миниатюрных электромагнитных реле для прямого включения отключающих катушек высоковольтных выключателей и для управления достаточно мощными внешними промежуточными реле. Как показано в [4, 5], технические характеристики подавляющего большинства таких реле не соответствуют реальным условиям эксплуатации их в МУРЗ, что, естественно, снижает надежность защиты.

3.5.  В некоторых типах МУРЗ, производимых ведущими мировыми компаниями используются малогабаритные соединители (разъемы) в цепях с напряжением 250 В,  не предназначенные для работы при таких напряжениях. Для уменьшения опасности электрического пробоя между близко расположенными выводами миниатюрных реле и соединителей, на печатных платах МУРЗ иногда можно видеть специальные просечки в плате, расположенные между выводами, рис. 5.

Фрагмент печатной платы микропроцессорной защиты с просечками, выполненными между близко расположенными выводами малогабаритных разъемов (1) и миниатюрных выходных реле (2) с целью предотвращения электрического пробоя.

Рис. 5. Фрагмент печатной платы микропроцессорной защиты с просечками, выполненными между близко расположенными выводами малогабаритных разъемов (1) и миниатюрных  выходных реле (2)  с целью предотвращения электрического пробоя.

 

3.6. Все возрастающая плотность монтажа усугубляет положение и с электромагнитной совместимостью, особенно в ситуации возрастания опасности преднамеренных дистанционных воздействий на МУРЗ очень мощных направленных электромагнитных импульсов [6]. Специальные мощные импульсные ультравысокочастотные генераторы, рис. 6,  позволяют мгновенно вывести из строя существующие МУРЗ с расстояния от нескольких десятков метров до полукилометра даже из проезжающего автомобиля, не говоря уже о военных средствах поражения в виде электромагнитных бомб и зарядов, свободно продающихся сегодня на рынке вооружений.

Специальные мощные импульсные ультравысокочастотные генераторы, предназначенные для воздействия на электронную аппаратуру

Рис. 6. Специальные мощные импульсные ультравысокочастотные генераторы, предназначенные для воздействия на электронную аппаратуру.

 

3.7. Совершенно очевидно, что все более возрастающая концентрация функций релейной защиты в одном устройстве при одновременном увеличении коэффициентов загрузки электронных компонентов вовсе не способствует повышению надежности релейной защиты.  В такой ситуации достаточно отказа даже одного компонента, обслуживающего любой общий для всего МУРЗ узел (центральный микропроцессор, память, источник питания и т.п.) и важный энергетический объект может быть ложно отключен или может быть серьезно поврежден при несрабатывании релейной защиты в аварийной ситуации.   

3.8. МУРЗ – дорогостоящие устройства, приобретение которых осуществляется, как правило, на конкурсной основе. Не все функциональные узлы МУРЗ имеют одинаковую загрузку, одинаковый тепловой режим и одинаковую вероятность отказов, одинаковый срок службы. Наиболее подвержены отказам типа электрических пробоев или теплового разрушения, сильно загруженные блоки, такие, как источники питания, платы входов и выходов. Отказы блока центрального процессора имеют совершенно другой характер и связаны, обычно, не с физическими повреждениями, а  нарушениями в работе с программой. Как правило, почти не выходят из строя блоки с входными трансформаторами тока и напряжения.  В разных моделях МУРЗ разных производителей показатели надежности отдельных блоков могут существенно различаться. Однако, сегодня использование функциональных блоков одних МУРЗ вместо таких же по назначению блоков других МУРЗ полностью исключается. Более того, даже полная замена МУРЗ одного производителя на МУРЗ другого производителя на действующей подстанции вызывает сложности в связи с большим разнообразием форм и размеров этих устройств, рис.7 . 

Современные микропроцессорные МУРЗ ведущих мировых производителей

Рис. 7. Современные микропроцессорные МУРЗ ведущих мировых производителей

 

3.9. Цифровые (логические) входы в МУРЗ очень распространенного типа REL, REC, RET серии 316, выполнены в виде набора совершенно одинаковых ячеек, функционально представляющих собой логические элементы ЗАПРЕТ, рис. 8, 

Вход и выход этой схемы через изолирующие оптроны Opt1 и Opt2 включены в электронные цепи МУРЗ, связанные с микропроцессором. Выходной сигнал с оптрона Opt2 логически моделирует (повторяет) наличие или отсутствие входного напряжения. Функционирование этой схемы может быть заблокировано программным методом. При этом блокирующий сигнал с микропроцессора через соответствующие электронные цепи поступает на запрещающий вход ячейки (вход оптрона Opt1). Проблема такой логической ячейки заключается в высоком уровне входного сигнала (220 – 250 В постоянного тока), который нужно погасить до уровня 1.5 – 2 В, при котором работает оптрон Opt2. Общий ток, потребляемый схемой, делится примерно поровну между резисторами R1 и R2, поэтому оба они, в принципе, должны были быть одинаковой мощности. Однако для двух крупных резисторов (таких как R1), да еще и с расстоянием между ними, необходимым для охлаждения, нет места на плате. Поэтому функции элемента, рассеивающего избыточную мощность, конструкторы МУРЗ возложили на транзистор VT, работающий не в ключевом режиме, как обычно в таких схемах, а в усилительном. Естественно, что резистор R2 при этом выбран малой мощности и малых размеров. Ничего не скажешь, оригинальное решение, однако на практике такое стремление к миниатюризации приводит к серьезным проблемам: резистор R2 часто полностью сгорает, приводя иногда к выгоранию участков печатной платы и даже рядом стоящих элементов. Проблема заключается в транзисторе VT.

Цифровые (логические) входы микропроцессорной защиты серии RE_*316

Рис. 8. Цифровые (логические) входы микропроцессорной защиты серии RE_*316:
печатная плата, один канал и его принципиальная схема.

 

При работе в усилительном режиме и постоянном рассеивании избыточной мощности он нагревается до температуры 70 – 80 ºС.  В отличие от обычного резистора, сопротивление которого незначительно увеличивается с ростом температуры, сопротивление прямого перехода транзистора с ростом температуры существенно уменьшается вследствие  смещения рабочей точки на характеристике и увеличения коэффициента усиления. Это приводит к возрастанию коллекторного тока, то есть тока через резистор R2.  При одновременном нагреве многих  резисторов R1  и транзисторов VT в десяти-пятнадцати входных цепях  температура внутри части корпуса МУРЗ (разделенного переборками) в которой установлена плата цифровых входов,   может существенно возрасти. Это приводит к дальнейшему смещению рабочей точки транзистора и увеличению его коллекторного тока вплоть до полного сгорания резистора  R1. При этом диод VD, который, судя по схеме, призван стабилизировать рабочую точку транзистора, оказывается мало эффективным в связи с тем, его температура и температура транзистора различаются на 50 – 60 градусов. Таким образом, стремление производителя уменьшить размеры МУРЗ, используя транзистор вместо мощного резистора для рассеивания избыточной мощности, привело к снижению надежности МУРЗ. Проблема недостаточной надежности этой схемы, связанной с миниатюризацией не ограничивается только описанным парадоксом. Еще одной причиной сгорания резистора R2, выявленной на практике, является недостаточный  уровень изоляции миниатюрного конденсатора С. Частичные пробои его внутренней изоляции и возрастание тока утечки при постоянно приложенном к нему напряжении около 200 В также приводит к перегоранию резистора R2. Одной из причин этих пробоев может быть также недостаточная эффективность варисторов RU, применяемых в МУРЗ – самых маленьких (для экономии места) и, следовательно, самых маломощных из всех существующих типов, из-за чего они не всегда способны поглотить энергию импульса перенапряжения. Кроме того, не понятно вообще кто кого защищает: варистор ли электронные компоненты, или электронные компоненты защищают варистор, поскольку напряжение «срабатывания» (clamping voltage) установленных на плате варисторов (650 В) значительно превышает максимальное допустимое напряжение электронных компонентов (например, 350 В для транзистора VT). При таком соотношении параметров электронные компоненты будут выходить из строя еще до того, как сработают варисторы.

3.10. Для повышения надежности электропитания МУРЗ используют, как правило, постоянный оперативный ток. Однако,  даже при использовании постоянного оперативного тока возможны нарушения в цепях аккумуляторов. При этом питание шин постоянного тока на подстанции обеспечивается только зарядным устройством, питающимся от сети переменного тока. При возникновении аварийного режима в высоковольтной сети, защищаемой МУРЗ, пропадает питание зарядного устройства и МУРЗ оказывается без питания в самый ответственный момент. Проведенные нами исследования [7] показали, что в реальных условиях эксплуатации МУРЗ различных типов успевают выдать сигнал на отключение выключателя  только, если они работают в функции мгновенной отсечки, то есть без выдержки времени. 

5 Февраль, 2008              31387              ]]>Печать]]>
3 / 10 ( Средне )

Последние комментарии : 2

Слава             Добавлен: 16 Октябрь, 2009 16:02       Ответить
Какое оборудования может служить для снятия команд (вкл. Откл.)с уктс в 6кв ячейки. Для фиксации на табло или монитор с цикличным запоминанием от 10 команд? (Есть маленькая проблема, когда одни говорят, что давали команду, а другие не принимали.) Подмигиваю
Zaharov             Добавлен: 26 Март, 2010 09:21       Ответить
Хороший пример как не надо писать о цифровых устройствах. Подробно материал отрецензирован на странице http://olgezaharov.narod.ru/summa.html.

Добавить комментарий

Ваше имя

Текст

Контрольный вопрос

Дva plus trи ? (цифрой)

Вверх страницы