Неправильные действия релейной защиты являются одной из основных причин возникновения тяжелых аварий, периодически происходящих в энергосистемах во всем мире. По данным North American Electric Reliability Council [1] в 74% случаях причиной тяжелых аварий в энергосистемах были неправильные действия релейной защиты в процессе развития аварии. Поэтому от надежности релейной защиты во многом зависит надежность всей энергосистемы.
Миф 1. Надежность МУРЗ выше надежности ЭМЗ потому, что МУРЗ не содержит подвижных частей
Надежность микропроцессорных устройств релейной защиты:
мифы и реальность
В. Гуревич, канд. техн. наук,
Israel Electric Corp.
Интенсивные научно-исследовательские и конструкторские работы в области электромеханических реле защиты (ЭМЗ) были фактически полностью заморожены около 30 – 35 лет тому назад и все усилия разработчиков были переключены на создание электронных, а затем и микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ). ЭМЗ полностью обеспечивали и обеспечивают до сих пор надежную защиту объектов электроэнергетики, поэтому причиной полного забвения ЭМЗ и перехода на МУРЗ является не неспособность ЭМЗ выполнять свои функции, а нечто совершенно иное. Вследствие проводимой ведущими компаниями-производителями реле защиты технической политики, прогресс последних десятилетий в области новых материалов и технологий никак не затронул ЭМЗ. Находящиеся десятки лет в эксплуатации ЭМЗ на сегодняшний день сильно износились и устарели и поэтому вызывают справедливое недовольство обслуживающего персонала. С другой стороны, демонтаж ЭМЗ и переход на микропроцессорные реле защиты на действующих объектах электроэнергетики связан с необходимостью инвестирования значительных денежных средств, причем не только на приобретение МУРЗ, компьютеров и специального дорогостоящего тестового оборудования, на замену вышедших из строя и не подлежащих ремонту весьма дорогостоящих блоков МУРЗ. Значительные капиталовложения потребуются также и на реконструкцию системы заземления подстанции, на обучение обслуживающего персонала, и т.д. Все это существенно тормозит процесс перехода на МУРЗ. По данным [2] к 2002 году в энергосистемах России находилось в эксплуатации 98.5% ЭМЗ и только 1.5% различных электронных устройств релейной защиты, а по данным [3] количество МУРЗ составляет около 0.12% от общего количества устройств релейной защиты. На Западе темпы замены релейной защиты на действующих объектах также не очень высоки. По данным [4] при существующих темпах потребуется около 70 лет для замены всех реле защиты на микропроцессорные. Такие низкие темпы обновления парка релейной защиты на действующих объектах электроэнергетики во всем мире обуславливает интенсивную рекламную деятельность компаний-производителей МУРЗ и их торговых агентов.
Одним из основных доводов, приводимых, обычно в доказательство преимуществ МУРЗ, является их, якобы, значительно более высокая надежность по сравнению с электромеханическими и электронными защитами. Этот тезис представляется настолько очевидным, что, обычно, не вызывает возражений и часто повторяется менеджерами и даже техническим персоналом электроэнергетических компаний. Однако, при более глубоком анализе ситуации оказывается, что основу этого тезиса составляет целый набор распространенных мифов о микропроцессорных защитах [5].
Миф 1. Надежность МУРЗ выше надежности ЭМЗ потому, что МУРЗ не содержит подвижных частей [6].
Отказы ЭМЗ связывают в литературе, обычно, со старением и повреждением изоляции (истирание, высыхание), ржавлением винтов и клеммных зажимов, износом в механической части реле. Однако, с учетом того, что количество циклов срабатывания (то есть движения подвижных частей) за весь срок службы ЭМЗ в реальных условиях эксплуатации в энергосистемах не превышает нескольких сотен, говорить о механическом износе подвижных частей реле можно только в случае явного брака завода-изготовителя или использования неподходящих для этих целей материалов. Что касается коррозии металлических элементов или высыхания изоляции, то это следствие использования при изготовлении реле некачественных материалов. Такие дефекты являются характерными для ЭМЗ Российского производства и практически не встречаются в реле ведущих Западных компаний, находящихся в эксплуатации по 30-40 лет даже в условия тропического климата [7]. Таким образом, говорить о недостаточном механическом ресурсе ЭМЗ, как вида реле, абсолютно необоснованно. С другой стороны, если подвижные элементы ЭМЗ находятся в движении только в моменты срабатывания реле, то тысячи электронные компонентов МУРЗ постоянно находятся в работе: постоянно работают генераторы сигналов, многочисленные транзисторные ключи, усилители, стабилизаторы напряжения, микропроцессор постоянно обменивается сигналами с элементами памяти, аналого-цифровой преобразователь постоянно ведет обработку входных сигналов и т.д. Многие элементы постоянно находятся под воздействием высокого рабочего напряжения (220 - 250 В) и импульсов перенапряжений, периодически возникающих во входных цепях и цепях питания, постоянно рассеивают мощность (то есть греются) и т.д. В особо тяжелом режиме работают в МУРЗ импульсные высокочастотные источники питания, которые очень часто являются причиной отказов МУРЗ.
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.
Утверждение о безусловно большей надежности электронных реле перед электромеханическими – распространенное заблуждение [9]. Повышенной надежностью полупроводниковые реле обладают только при очень большом (сотни тысяч, миллионы) количестве коммутационных циклов или при большой частоте коммутации. Во многих других случаях надежность полупроводниковых реле существенно ниже надежности электромеханических [10].
Рис. 1. Принципиальные схемы двух усилителей сигналов с близкими параметрами: вверху интегральной микросхемы типа LM741 широкого применения, содержащего 20 транзисторов; внизу – усилителя на дискретных элементах, содержащего 4 транзистора.
Дискретные электронные элементы имеют гораздо более высокую устойчивость к перенапряжениям и другим неблагоприятным воздействиям, чем интегральные микросхемы [11]. По данным [12] 75% всех повреждений микропроцессорных устройств происходит по причине воздействия перенапряжений. Такие перенапряжения с амплитудой от десятков вольт до нескольких киловольт, возникающие вследствие коммутационных процессов в цепях [13] или при воздействии электростатических разрядов, являются «смертельными» для внутренних микроэлементов микросхем и процессоров. По данным [12] обычные транзисторы (дискретные элементы) могут выдерживать напряжение электростатического разряда почти в 70 раз более высокое, чем, например, микрочип памяти (EPROM) микропроцессорной системы. Самое страшное, что случайные сбои в работе микропроцессора, вызванные электромагнитными шумами, могут быть временными [14], такими как самопроизвольные изменения содержания оперативной памяти (RAM) и регистров, а внутренние повреждения могут носить скрытый характер [15]. Оба этих вида повреждений не выявляются никакими тестами и могут проявляться в самые неожиданные моменты.
В [16] отмечается, что в связи с низкой устойчивостью МУРЗ к переходным процессам и перенапряжениям МУРЗ предъявляют особо жесткие требования к защите от электромагнитных воздействий. Попытки использования микропроцессорных реле без усиленной электромагнитной защиты часто приводят к их отказам [16, 17].
Электронные устройства на дискретных элементах содержат гораздо меньше компонентов, чем аналогичные по параметрам устройства на интегральных микросхемах, рис. 1, что уже само по себе отнюдь не способствует более высокой надежности интегральных микросхем.
Да и статистика по повреждениям элементов МУРЗ, собранная представителями различных компаний-производителей МУРЗ, рис. 2 [18], очень убедительно опровергает очередной миф о более высокой надежности интегральных микросхем.
Рис. 2. Статистические данные по повреждениям МУРЗ ведущих Японских компаний [18].
По данным статистики, представленным в [8], хорошо видно, что реле защиты на электронных элементах имеют втрое большую повреждаемость, чем электромеханические, а микропроцессорные – в 50 раз большую повреждаемость!
Надежность собственно микропроцессоров таких производителей как Intel, AMD может быть очень высокой, но ведь микропроцессор – это всего лишь не большая, хотя и очень важная часть МУРЗ, содержащего много десятков микросхем. В [19] утверждается, что блок микропроцессора (то есть печатная плата с микропроцессором, памятью, аналого-цифровым преобразователем, библиотекой программ и всеми вспомогательными элементами) наиболее подверженная отказам часть МУРЗ. Кроме того, в отличие от обычных микросхем, отказом микропроцессора является не только его физическое повреждение, но также и сбои в его программном обеспечении – повреждения не известные ранее для электромеханических и электронных реле. Как отмечено в [19] программные багги далеко не всегда обнаруживаются при тестировании МУРЗ. Дополнительным источником проблем является необходимость периодического обновления (upgrade) версий программ, используемых МУРЗ, при котором часто возникает несоответствие между «железом» и программой (hardware and software incompatibilities) [19]. Такого рода проблемы могут проявиться в самые неожиданные моменты и могут привести к очень тяжелым последствиям для сети. Как известно, одной из причин крупнейшей аварии в энергосистемах США и Канады в августе 2003 года была именно «компьютерная проблема», обусловленная «зависанием» компьютерной системы управления в энергосистеме “First Energy” [20].
6 Апрель, 2008 
49119 
Выполняется отправка...