ОМИКРОН ОМИКРОН ОМИКРОН
Система Orphus

Надежность микропроцессорных устройств релейной защиты: мифы и реальность

Введение.

Миф 1. Надежность МУРЗ выше надежности ЭМЗ потому, что МУРЗ не содержит подвижных частей

Миф 2. Надежность полупроводниковых реле на дискретных компонентах выше надежности электромеханических реле  [8]. Надежность полупроводниковых устройств защиты на основе интегральных микросхем с высокой степенью интеграции выше, чем надежность устройств на дискретных электронных компонентах [8]. Надежность микропроцессорных реле выше надежности электронных не микропроцессорных устройств.

Миф 3. Надежность МУРЗ значительно выше надежности всех остальных типов реле защиты  благодаря наличию встроенной самодиагностики. Самодиагностикой в МУРЗ охвачено 70 – 80 % всех элементов МУРЗ

Миф 4. МУРЗ являются существенно более надежными по сравнению с устройствами релейной защиты предыдущего поколения, так как содержат значительно меньшее число элементов и эти элементы значительно меньше подвержены физическому старению. МУРЗ также содержит меньшее количество  внутренних соединений

Заключение

Миф 4. МУРЗ являются существенно более надежными по сравнению с устройствами релейной защиты предыдущего поколения, так как содержат значительно меньшее число элементов и эти элементы значительно меньше подвержены физическому старению. МУРЗ также содержит меньшее количество  внутренних соединений [32].

Тезис о том, что МУРЗ содержит меньшее количество элементов, не выдерживает никакой критики и, по нашему мнению, вообще не требует даже обсуждения, поскольку в действительности количество элементов, из которых состоит МУРЗ на несколько порядков  больше, чем количество элементов, из которых состояли реле защиты предыдущих поколений. Что касается якобы более интенсивного физического старения, элементов реле защиты предыдущего поколения, то этот тезис также не выдерживает критики. Автор этого тезиса сравнивает современные материалы, применяющиеся в МУРЗ с материалами (пропиточными и покровными лаками, пластмассами, изоляционными материалами и электрическими контактами),   разработанными в СССР 50 лет тому назад и проработавшими в реле защиты десятки лет. Как мы уже отмечали выше, старые электромеханические реле западного производства, в которых применялись высококачественные материалы и покрытия, до сих пор успешно работают и прекрасно выглядят.

Рис. 10. Импульсный источник питания типа SPGU240A1, применяемый в МУРЗ различных типов. С10 – конденсатор, изменение параметров которого во времени приводит полной потере работоспособности источника питания.

 Кроме того, за последние десятилетия прогресс в области материалов достигнут не меньший, чем прогресс в области микроэлектроники. С другой стороны, не все обстоит так радужно со старением электронных компонентов, широко используемых в МУРЗ. Так, даже высококачественные электролитические конденсаторы японского производства начинают изменять свои параметры через 7 - 10 лет работы в высокочастотных импульсных  источниках питания, применяемых в МУРЗ.
В результате всего лишь изменения параметров одного из таких конденсаторов, рис. 10,  полностью перестают функционировать, например, источники питания типа SPGU240A1, применяемые в МУРЗ типов SPAC, SPAD, SPAU, SPAJ.

Рис. 11. Разрушение медных дорожек печатной платы, проходящих под конденсаторами из-за просочившегося электролита.

 В других случаях имеет место разрушение не только электронных компонентов, но даже растворение участков медных дорожек под действием вытекшего из конденсаторов электролита, рис. 11. 
Еще одной проблемой является стремление производителей к миниатюризации МУРЗ любой ценой, что приводит к использованию в МУРЗ электронных элементов, работающих с перегрузкой и рассеивающих повышенное количество тепла, что отнюдь не способствует повышению их надежности и уменьшению старения. Особенно актуальна эта проблема для цепей цифровых входов, на которые подается напряжение до 250 В [33].
Многослойные печатные платы МУРЗ предполагают огромное количество контактных переходов (перемычек) между слоями. Из личной практики автора известны случаи неправильных действий МУРЗ вследствие возрастания переходного сопротивления этих переходов.
Конструкция многих типов МУРЗ предполагает наличие материнской печатной  платы с многоконтактными разъемами и функциональных печатных плат с ответными разъемами, сочленяемыми с материнской платой. Вместо материнской платы иногда используются гибкие многожильные шины с многочисленными контактными   разъемами, соединяющими между собой отдельные печатные платы. Далеко не всегда все эти контактные соединения обеспечивают надежную передачу низкоуровневых слаботочных сигналов между платами. Во всяком случае, вопреки распространенному мифу, МУРЗ содержит намного больше всевозможных  контактных соединений, чем реле предыдущих поколений.

Еще один класс проблем, о котором предпочитают не вспоминать. В свете повышенной чувствительности современной микроэлектроники к электромагнитным излучениям, особенно актуальной для МУРЗ становится проблема электромагнитной совместимости (ЭМС). Многие специалисты обращают внимание на частое несоответствие реальных параметров систем заземления на подстанциях требованиям, предъявляемым МУРЗ  [34, 35] и, как следствие этого, на отказы в работе МУРЗ. Но мало что известно специалистам в области релейной защиты о проблеме электромагнитного терроризма, то есть преднамеренных воздействия на устройства релейной защиты мощных электромагнитных излучений [36], а также о проблеме хакерских атак (Cyber Security) [37]. Эти проблемы были неизвестны ранее в релейной защите и стали актуальными лишь в связи с применение МУРЗ, поскольку их чувствительность к электромагнитным помехам в 10000 раз выше, чем у электромеханических реле [34] и они имеют встроенное программное обеспечение, также подверженное внешним воздействиям. А если, в дополнение ко всему вышесказанному, принять во внимание, что один МУРЗ выполняет функции 3 – 5 ЭМЗ, то положение с надежностью МУРЗ усугубляется еще больше, так как отказ одного из общих элементов МУРЗ эквивалентен по своим последствиям одновременному отказу сразу нескольких  видов защиты. В связи с этим в [38] даже предлагается при переходе на МУРЗ предусматривать дополнительную независимую, простую, недорогую, не микропроцессорную резервную защиту на случай чрезвычайных ситуаций. Как говорится,  «приехали»…

Заключение

  1. Надежность МУРЗ ниже надежности электромеханических реле и электронных реле на дискретных элементах.
  2. Встроенная самодиагностика МУРЗ малоэффективна и вообще не является средством повышения надежности МУРЗ.
  3. Нанотехнологии, применяемые при  производстве комплектующих элементов на основе которых построены МУРЗ, приводят к возникновению не известных ранее для релейной защиты проблем, игнорирование которых может привести к катастрофическим последствиям. Менеджеры, принимающие решения в области релейной защиты и персонал энергокомпаний должны быть осведомлены об этих особенностях МУРЗ.
  4. Функция записи аварийных режимов и  функция передачи информации по современным каналам связи не являются прямыми функциями релейной защиты и для их осуществления существуют отдельные микропроцессорные системы, которые выполняют эти функции намного лучше, чем МУРЗ. В отличие от релейной защиты, отказ в работе этих устройств не приводит к тяжелым авариям в энергосистемах. Поэтому к устройствам собственно релейной защиты должны, предъявляться иные требования по надежности и, соответственно, использоваться иные подходы при конструировании, направленные на повышение надежности и снижение уязвимости.
  5. Ответственные лица, принимающие решения о реконструкции релейной защиты и путях ее дальнейшего развития, должны четко понимать свойства и особенности МУРЗ,  учитывать не только широко рекламируемые преимущества МУРЗ, но также и их, обычно замалчиваемые, серьезные недостатки, одним из которых является пониженная надежность.

 

Литература:

  1. Hunt R. K. Hidden Failure in Protective Relays: Supervision and Control. Thesis to Master of Science in Electrical Engineering, Virginia Polytechnic Institute, 1998.
  2. Коновалова Е. В. Основные результаты эксплуатации устройств РЗА энергосистем Российской Федерации. – Сборник докладов XV научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва, 2002
  3. Белотелов А. К. Научно-техническая политика РАО «ЕС России» в развитии систем релейной защиты и автоматики – Сборник докладов XV научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва, 2002
  4. Johnson G., Thomson M., Reliability Consideration of Multifunction Protection. – Basler Electric Corp.
  5. Гуревич В. И. Как нам обустроить релейную защиту: мнения российских специалистов и взгляд со стороны. Вести в электроэнергетике, № 2, 2007.
  6. Projjalkumar R. Is the Era of Electromechanical Relays Over?  - Frost & Sullivan Market Insight, 5 Mar 2004.
  7. Гуревич В. И. Микропроцессорные реле защиты: альтернативный взгляд. Электро-инфо, 2006, № 4.
  8. Heising C. R., Patterson R. C. Reliability Expectations for Protective Relays. Developments in Power Protection. Fourth International Conference in Power Protection, 11 – 13 Apr., 1989, Edinburgh, UK.
  9. Mahaffey T. R.  Electromechanical Relays Versus Solid-State: Each Has Its Place. Electronic Design, September 16, 2002.
  10. Electromechanical vs. Solid State Relay Characteristics Comparison. Application Note 13c3235. Tyco Electronics.
  11. Gurevich V. Electronic Devices on Discrete Components for Industrial and Power Engineering. Boca Raton – New York – London, CRC Press, 2008, 420 p.
  12. Clark O. M., Gavender R. E. Lighting Protection for Microprocessor-based Electronic Systems. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 26, No. 5, 1990.
  13. Uchimura K., Michida J., Nozu S., Aida T. Multifunction of Digital Circuits by Noise Induced in Breaking Electric Contacts. Electronics and Communications in Japan, vol. 72, issue 6, 2007.
  14. Henderson I. A., McGhee J., Szaniawski W., Domaradzki P. Incorporating High Reliability into the Design of Microprocessor-based Instrumentation. IEE Proceedings, vol. 138, No. 2, 1991.
  15. Phadke A. G.  Hidden failures in electric power systems. International Journal of Critical Infrastructures, vol. 1, No. 1, 2004.
  16. Ковалев Б. И., Наумкин И. Е. Основные проблемы и задачи электромагнитной совместимости вторичных цепей высоковольтных подстанций. Сборник докладов XV научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва, 2002.
  17.  Information Notice No. 94-20: Common-Cause Failures Due to Inadequate Design Control and Dedication. US Nuclear Regulatory Commission, Washington, 1994
  18. Matsuda T., Kovayashi J., Itah H., Tanigushi T., Seo K., Hatata M., Andow F. Experience with Maintenance  and Improvement in Reliability of Microprocessor-based Digital Protection Equipment  for Power Transmission Systems. Report 34-104, SIGRE, Session 30 Aug. – 5 Sept., 1992, Paris.
  19. He S., Shen L., Lui J. Analyzing Protective Relay Misoperation Data and Enhancing Its Correct Operation Rate. IEEE/PES Transmission and Distribution Conference & Exhibition: Asia and Pacific, Dalian, China, 2005.
  20. Final Report on the August 14, 2003 Blackout in the United States and Canada: Causes
  21. Шмурьев В. Я. Цифровые реле защиты. Библиотечка электротехника, вып. 1 (4), Москва, НТФ «Энергопрогресс», 1999.
  22. Hamdioui S., Al-Ars Z., Goor A. J.  Testing Static and Dynamic Faults in Random Access Memories. Proceedings of the 20th IEEE VLSI Test Symposium, 2002, IEEE Computer Society
  23. Hamdioui S, Gaudadjiev G. N. Future Challenges in Memory Testing. proceddings of PRORISC'03, pp. 78-83, Veldhoven, November 2003. 
  24. Soft Errors in Electronic Memory – A White Paper, Terrazon Semiconductor, January 2004.
  25. Soft Errors in Advanced Semiconductor Devices – Part I: The Three Radiation Sources. IEEE Transactions on Device and Material Reliability, vol. 1, No. 1, 2001.
  26. Dodd P. E., Shaneyfelt M. R., Felix J. A., Schwank J. R. Production and Propagation of Single-Event Transient in High-Speed Digital Logic ICs. IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 51, No. 6, 2004.
  27. Johnson A. H., Miyahira T. F., Irom F., Edmonds L. D. Single-Event Transients in High-Speed Comparators. IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 49, issue 6, part 1, 2002.
  28. Gurevich V. Nonconformance in Electromechanical Output Relays of Microprocessor-Based Protection Devices Under Actual Operation Conditions, Electrical Engineering & Electromechanics, No.1, 2006.
  29. Gurevich V. Peculiarities of the Relays Intended for Operating Trip Coil of the High-Voltage Circuit Breakers, Serbian Journal of Electrical Engineering, vol. 4, No. 2, 2007.
  30. Kumm J. J., Schweitzer E. O., Hou D., Assessing the Effectiveness of Self-Test and Other Monitoring Means in Protective Relays,  21st Annual Western Protective Relay Conference,Spokane, WA. Oct. 18-20, 1994
  31. Advanced Digital Relay Systems - Is testing still needed? Omicron Electronics, vol. 5, issue 1, 2000.
  32.  Шнеерсон Э. М. Цифровая релейная защита. Энергоатомиздат, М., 2007.
  33. Гуревич В. И. Микропроцессорные устройства релейной защиты: настоящее и будущее. – Электрические сети и системы, 2007, № 5.
  34. Борисов Р. Невнимание к проблеме ЭМС может обернуться катастрофой. – Новости электротехники, 2001, № 6(12).
  35. Матвеев М. Электромагнитная обстановка на объектах определяет ЭМС цифровой аппаратуры. - Новости электротехники, 2002, № 1(13).
  36. Gurevich V. Electromagnetic Terrorism: New Hazards. Electrical Engineering & Electromechanics, No. 4, 2005.
  37. IEEE Std 1686-2007, IEEE Standard for Substation Intelligent Electronic Devices (IEDs) Cyber Security Capabilities.
  38. Пуляев В. И. Итоги работы устройств релейной защиты и автоматики ОАО «ФСК ЕЭС». Сборник докладов XV научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва, 2002.
6 Апрель, 2008              33889              ]]>Печать]]>
5 / 18 ( Хорошо )

Последние комментарии : 5

zayarov             Добавлен: 17 Август, 2011 04:25       Ответить
О мифах про надежность цифровых устройств, сочиненных Гуревичем читайте здесь http://_______2.narod.ru/mify.html
Maxim Arsenev             Добавлен: 21 Март, 2013 06:31       Ответить
Статистика обращений пользователей цифровых устройств к изготовителю за один месяц http://rza.org.ua/article/read/Nadezhnost-cifrovyh-ustrojstv-v-cifrah-i-diagrammah--Zaharov-O-G.html
ФИО             Добавлен: 31 Январь, 2016 19:42       Ответить
Старый мудак Захаров (Maxim Arsenev) никак не успокоится и продолжает засирать всем мозги своим никчемным сайтиком-помойкой. Не дают ему покоя лавры его оппонента. Завистник и мудозвон, да не будет никто твои помои читать.
для фио             Добавлен: 1 Февраль, 2016 13:43       Ответить
Читают. И из многих стран. Не беспокойся. Подборка рецензий размещена на этой странице -http://_______.narod.ru/slovar/liter_nad.htm
для фио             Добавлен: 1 Февраль, 2016 13:48       Ответить
статья размещена 20 Март, 2013 года и просмотрена за это время 1946 раз. Адрес статьи- http://rza.org.ua/article/read/Nadezhnost-cifrovyh-ustrojstv-v-cifrah-i-diagrammah--Zaharov-O-G.html

Добавить комментарий

Ваше имя

Текст

Контрольный вопрос

Дva plus trи ? (цифрой)

Вверх страницы