МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ЗАЩИТЫ ПРИСОЕДИНЕНИЙ 6–35 кВ
Сравнительный анализ

В прошлом номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 1(43) 2007) Валентин Александрович Сушко начал разговор о вопросах и проблемах, возникающих при выборе микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики на российском электротехническом рынке.
Для детального рассмотрения автор выбрал 8 видов наиболее характерных для рынка МП терминалов защиты вводных выключателей, секционных выключателей и отходящих линий 7 компаний (ИЦ «Бреслер», Siemens, Schneider Electric, «АББ Автоматизация», НТЦ «Механотроника», «Радиус Автоматика» и Areva). В первой части материала были проанализированы основные технические данные терминалов, представленные в документации производителей.

Валентин Сушко, к.т.н., доцент Чувашского государственного университета, г. Чебоксары

СТОЙКОСТЬ К ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

В последнее время некоторые производители МП РЗА рекламируют возможность своих устройств работать в условиях 100% влажности с выпадением инея и росы. Однако это требует выполнения как минимум нескольких условий:

• применения герметичных выходных реле, работающих в среде инертного газа или осушенного воздуха при избыточном давлении;
• увеличения всех изоляционных расстояний по поверхности и по воздуху;
• герметизации всех собранных печатных плат с помощью многослойного покрытия специальными лаками или компаундами;
• применения специальных разъемов с увеличенными изоляционными расстояниями и гарантированным контактированием в 6–8 точках.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

С точки зрения требований к помехозащищенности не все МП РЗА соответствуют требованиям РД [1] по степени жесткости испытаний к отдельным видам помех с сохранением качества функционирования А по ГОСТ Р 50746 (нормальное функционирование без сбоев) или вообще такие испытания не проводятся.
В частности, все импортные МП РЗА не соответствуют требованиям по устойчивости к прерыванию напряжения питания в течение 0,5 с (степень жесткости 4 по ГОСТ Р 51317.4.11). Они устойчивы к прерыванию напряжения питания только от 10 до 100 мс (степень жесткости 2) (см. п. 34 таблицы), что может приводить к временному сбою в работе защит, прерыванию записей осциллограмм и другим временным нарушениям в выполнении основных и вспомогательных функций.
Частично не соответствуют требованиям РД и условия испытаний большинства МП РЗА на устойчивость к колебательным затухающим помехам частотой 0,1 МГц и 1,0 МГц по ГОСТ Р 51317.4.12, так как они испытываются только колебательными затухающими помехами частотой 1,0 МГц в соответствии с МЭК 255-22-1 (п. 35). По непонятным причинам зарубежные МП РЗА не испытываются на устойчивость к импульсным магнитным полям (п. 36), хотя они могут подвергаться их воздействию при возникновении ударных токов КЗ в КРУ 6–35 кВ или при ударах молнии в здание подстанции.

В требования РД не входят испытания наустойчивость к наведенным помехам по ГОСТ Р 51317.4.6, хотя импортные МП РЗА на это воздействие испытываются (п. 37).
Особого рассмотрения требует вопрос защиты МП РЗА от коммутационных перенапряжений в сети оперативного переменного напряжения 380/220 В при питании от ТСН. В соответствии со статистическими данными, приведенными в ГОСТ 13109 [2] (приложение Д), в кабельных сетях 380 В могут возникать коммутационные импульсные напряжения 4,5 кВ длительностью на уровне 0,5 амплитуды импульса, равной 1–5 мс. При использовании оперативного переменного или выпрямленного напряжений дискретные входы и входы блоков питания этих терминалов должны, очевидно, защищаться от таких перенапряжений.
Защита дискретных входов от перенапряжений варисторами применяется двумя российскими производителями, данные о защите источников питания в документации не обнаружены (п. 38). Необходимо заметить, что в случае применения варисторов напряжение среза варисторами должно быть отстроено от временных повышений напряжения в этих цепях во избежание выгорания варисторов (если нет предвключенных балластных резисторов), что неоднократно отмечалось при защите сетей 110–220 кВ от перенапряжений варисторами [3].
В целом вопрос о мерах защиты сети оперативного напряжения 380/220 В при питании от ТСН от коммутационных и грозовых перенапряжений, очевидно, должен решаться с привлечением специалистов в этой области. Возможно, потребуется многоступенчатая защита от перенапряжений.

АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

От алгоритмов обработки сигналов во многом зависит техническое совершенство МП РЗА. Число выборок в рассматриваемых устройствах составляет от 12 до 24 за период промышленной частоты. В документации на некоторые МП РЗА число выборок за период промышленной частоты выявить не удалось (п. 39).
Частотная коррекция для сохранения числа выборок постоянным при изменении частоты применяется в 3 из 8 рассматриваемых МП РЗА (п. 40). Частотная коррекция обеспечивает отсутствие дополнительной погрешности измерительных органов защиты при изменении частоты по отношению к номинальной на ±10%.
При отсутствии частотной коррекции выборок изменение частоты на ±10% вызывает дополнительную погрешность измерительных органов защиты от 2% до 10% (п. 41). Определение истинного действующего значения токов (с учетом гармонических составляющих) используется только для целей измерения в двух терминалах, а истинного значения напряжения для целей измерения – в одном (п. 42). В остальных для целей и защиты, и измерений используется действующее значение первой гармоники промышленной частоты (п. 43).

• электромеханические реле – на истинное действующее значение;
• статические реле на аналоговой элементной базе – на среднее значение;
• дискретные реле на МП элементной базе: одни типы реагируют на истинное действующее значение, другие – неизвестно на какие величины;
• МП терминалы РЗА – на действующее значение первой гармоники промышленной частоты.

В связи с этим отклонение от уставок при электромагнитных переходных процессах и дуговых КЗ в устройствах РЗА, построенных на различной элементной базе и использующих различные принципы измерения токов и напряжений, может значительно отличаться. Это может приводить к неселективному действию защит смежных участков сети, если их измерительные органы тока и напряжения построены на разных принципах измерения величин. Следует обратиться, по-видимому, к опыту фирмы General Electric, в МП РЗА которой F60 и F650 возможно измерение как истинного значения токов, так и действующих значений по первой гармонике, а выбор варианта осуществляется пользователем с помощью программных ключей.
Некоторые изготовители ссылаются на использование алгоритма восстановления синусоиды (п. 43), не приводя при этом никаких данных о дополнительных погрешностях. Подобных алгоритмов известно несколько, они используются при глубоком насыщении ТТ для уменьшения их погрешности и применяются в основном в защитах шин. Эти алгоритмы могут частично компенсировать погрешности ТТ, но не сводят их к нулю. Ощутимые погрешности такие алгоритмы могут давать при дуговых КЗ или при наличии больших амплитуд гармоник по другим причинам (например, в линии, питающей мощные инверторы, и при повреждении в них). Применение подобных алгоритмов для токовых защит ЛЭП 6–35 кВ вряд ли оправдано, когда предотвратить выход ТТ из класса точности можно увеличением сечения соединительных проводов между ТТ и устройством РЗА. Влияние гармоник на измерительные органы и дополнительные погрешности при этом дают только некоторые зарубежные производители (п. 44).
Следует отметить, что российские компании в технической документации приводят дополнительные погрешности измерительных органов только при изменении температуры окружающей среды и частоты напряжения в защищаемой сети. Но должны приводиться и другие дополнительные погрешности. Чтобы убедиться в этом, можно обратиться к стандартам МЭК на аппаратуру, близкую к устройствам РЗА по применению и по требованиям, например, к стандартам на статические счетчики электроэнергии [4, 5], где регламентируются дополнительные погрешности: при изменении напряжения питания; при наличии гармоник в цепях тока и напряжения; при наличии субгармоник в цепях переменного тока; при влиянии индукции внешнего магнитного поля и т.д. Часть указанных дополнительных погрешностей, отсутствующих в документации российских производителей, приводится в документации западных компаний, например, фирмы Siemens (погрешности при изменении напряжения питания, при наличии в токе 3-й гармоники и при наличии 5-й гармоники). Приводимые факты еще раз подчеркивают необходимость разработки обязательного перечня показателей, которые позволили бы объективно сравнивать характеристики различных МП РЗА.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ

У всех МП РЗА в качестве основной защиты от междуфазных КЗ применяется максимально-токовая защита со ступенчатой выдержкой времени (МТЗ), в которой ступени МТЗ могут быть направленными или ненаправленными (от 2 до 4 ступеней – п. 45). Отклонения от уставок МТЗ при переходных процессах по току и времени дает только фирма Areva (п. 47).
Последние 1 или 2 ступени МТЗ могут иметь несколько характеристик с зависимыми от тока выдержками времени. У российских фирм число таких характеристик от 4 до 6 (обычно 4 по стандарту МЭК), у зарубежных – до 11, поскольку используются еще до 7 характеристик по американским стандартам (п. 48).

Технические характеристики МП терминалов РЗА (линий, вводов, секционных выключателей) по данным эксплуатационной документации производителей. Продолжение. Начало в № 1(43) 2007.

В отечественных МП РЗА для защиты от замыкания на землю (ЗНЗ) обычно используется одноступенчатая защита с двумя независимыми выдержками времени (с действием на сигнал и на отключение). В зарубежных, ориентированных на использование при различном режиме заземления нейтрали (глухом заземлении, заземлении через резистор, через реактор или изолированной), может применяться до трех типов защиты по току нулевой последовательности в одном МП РЗА с включением на ток нулевой последовательности вторичных обмоток ТТ, с вычислением тока нулевой последовательности по фазным токам или с подключением к ТТ нулевой последовательности с ферромагнитным сердечником или специального типа «пояс Роговского» (чувствительные ЗНЗ). Число характеристик с зависимыми от тока выдержками времени может доходить до 11 (пп. с 49 по 52). Защиты от замыкания на землю в импортных МП РЗА наиболее избыточны по функциям для российских потребителей.
Для ЗНЗ в сетях с заземлением нейтрали через реактор в России традиционно используются защиты по сумме токов гармоник с абсолютным или относительным их замером (п. 53).
Загрубление уставок МТЗ и ЗНЗ при включении выключателей обычно производится для отстройки от БНТ при включении линий, питающих трансформаторы, находящиеся в режиме незначительной нагрузки или на холостом ходу, и применяется в основном отечественными производителями (п. 54). Иногда для этой же цели используется комбинированный пуск МТЗ по напряжению. Зарубежные производители чаще используют для таких целей отстройку от БНТ МТЗ и ЗНЗ с использованием второй гармоники тока.
Все устройства имеют функцию защиты от обрыва фазы, которая реализуется с помощью МТЗ по току обратной последовательности или по разности действующих значений максимального и минимального токов фаз (DI = I_макс – I_мин) (п. 55). Иногда используется более совершенный алгоритм защиты от обрыва фазы по соотношению токов обратной и прямой последовательности I₂/I₁ >, позволяющий выявлять обрыв фазы при малой загрузке ЛЭП. МТЗ по I₂ > может также использоваться как дополнительная защита для повышения чувствительности к несимметричным КЗ и может быть направленной (п. 55).
МП РЗА, обрабатывающие аналоговые сигналы токов и напряжений, имеют функцию пуска/блокировки МТЗ по напряжению (п. 56), защиту минимального напряжения (U <) с независимой выдержкой времени с числом ступеней от 1 до 4. Одна из ступеней, в некоторых случаях может быть с зависимой от напряжения выдержкой времени (п. 57).
Защита максимального напряжения (U >) используется в основном для защиты конденсаторных батарей и имеет 1–2 ступени с независимой выдержкой времени. В импортных МП РЗА одна из ступеней может быть с зависимой от напряжения выдержкой времени (п. 58).
Устройство резервирования при отказе выключателя (УРОВ) отсутствует у некоторых импортных МП терминалов. Иногда нет и реле минимального тока в фазах (I <) (п. 59). При снижении тока ниже уставки этих реле снимается сигнал «УРОВ». Если такие реле отсутствуют и сигнал «УРОВ» снимается после возврата токовых реле МТЗ, могут не выявиться отказы выключателя с разрушением фазы и горением дуги, когда ток может оказаться ниже тока возврата МТЗ.
В зарубежных МП РЗА отсутствуют функции автоматического ввода резерва (АВР), АВР с пуском по напряжению и контролем встречного напряжения, восстановления нормального режима (ВНР) после АВР (пп. 60–61). Реализовать их не всегда возможно даже при наличии свободно программируемой логики, если это не обеспечивается наличием необходимых измерительных органов.
В МП РЗА российского производства автоматическое повторное включение (АПВ) 1–2 кратное (если эта функция не выводится из действия программным ключом), в импортных кратность АПВ 1–9, иногда с контролем синхронизма (п. 62).
Следует еще остановиться на требованиях к надежности МП РЗА, предъявляемых в РД. В технических описаниях и инструкциях по эксплуатации зарубежных устройств не содержится требуемых данных по надежности, таких как:

• средняя наработка на отказ сменного элемента;
• средний срок службы сменного элемента до капитального ремонта;
• средняя вероятность отказа в срабатывании устройства за год;
• параметр потока ложных срабатываний устройства в год;
• полный средний срок службы устройства.

Такие расчетные данные могут предоставляться при наличии исходных данных по надежности комплектующих электронных компонентов и узлов (интенсивность отказов, наработка до отказа, срок службы в часах и другие показатели), однако их производители не предоставляют (кроме, в ряде случаев, срока службы в часах электролитических конденсаторов).
Отечественные компании показатели надежности предоставляют в своей документации. При этом остается большим секретом, на базе каких исходных данных по надежности комплектующих компонентов они получены. Поэтому необходимо отменить требование к отечественным производителям давать показатели надежности, так как приводимые в настоящее время данные могут только вводить в заблуждение потребителей.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Дальнейшее проведение тендеров по закупке устройств релейной защиты только по ценовым показателям может привести к снижению технического совершенства и надежности релейной защиты и ее деградации. Очевидно, следует проводить тендеры с учетом не только ценовых, но и технических показателей предлагаемых для закупки устройств РЗА.
2. Всесторонняя оценка технических параметров устройств РЗА в сжатые сроки проведения тендеров практически невозможна при существующей практике произвольного изложения технических данных в документации.
3. Назрела необходимость в подготовке нормативного документа, регламентирующего перечень технических показателей и их нижний допустимый предел для устройств РЗА различного назначения подобно тому, как это излагается в стандартах МЭК, например, на статические счетчики активной энергии.
4. Эффективное проведение тендеров по закупке МП РЗА возможно при заблаговременной экспертной оценке возможных поставщиков по критерию соотношения стоимость/эффективность. При этом следовало бы не ограничиваться только техническими описаниями и инструкцией по эксплуатации, а запрашивать и дополнительные данные у изготовителей устройств, например, спецификации применяемых комплектующих и другие данные, и в необходимых случаях закупать единичные образцы для изучения их технического и технологического уровня и испытаний. После предварительного выявления потенциальных поставщиков оборудования тендер только выявил бы наиболее достойного из них. При подобных мерах исключалась бы возможность поставки дешевого, но некачественного оборудования.
5. Появившиеся в последнее время нарекания на низкую надежность микропроцессорных устройств РЗА вызываются, как представляется, не низкой надежностью самих микропроцессоров, а в большей степени недостатками, просчетами и упущениями в процессе разработки изделий и при их эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России». Департамент науки и техники. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем. РД 34.35.310-97.
2. ГОСТ13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего применения.
3. Дмитриев Н. Применение ОПН в сетях 110–220 кВ. Факторы риска – квазистационарные перенапряжения // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 5(41).
4. ГОСТ Р 52322-2005 (МЭК62-053-21:2003). Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 21. Статические счетчики активной энергии классов точности 1 и 2.
5. ГОСТ Р 52323-2005 (МЭК62053-22:2003). Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S.