Микропроцессорные реле защиты. Как они устроены? Часть 1

Часть 2

Микропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ) появились на рынке в привычном сегодня виде около 20 лет тому назад и за прошедшее время серьезно потеснили все остальные виды реле защиты. Триумфальное шествие МУРЗ связано со многими причинами, главная из которых — сверхприбыль, получаемая производителями МУРЗ по сравнению с производством всех остальных видов защитных реле (электромеханических, полупроводниковых статических). Принцип действия и устройство современных МУРЗ очень сильно отличаются от защит других видов и имеют целый ряд специфических особенностей, знание которых является необходимым условием для правильного выбора и дальнейшей успешной эксплуатации МУРЗ. Доминирующее сегодня в среде специалистов-релейщиков отношение к МУРЗ, как к «черному ящику» с функциями релейной защиты отнюдь не способствует правильному выбору и успешной эксплуатации МУРЗ. Предлагаемый цикл статей автора призван помочь релейщикам, не являющимися специалистами в области электроники и микропроцессорной техники, восполнить существующий пробел и помочь правильно сориентироваться на обширном рынке устройств релейной защиты нового поколения.

В части 1 статьи рассматриваются общая структура и конструктивное исполнение МУРЗ, а также устройство аналоговых входов.

Общая структура и конструктивное исполнение МУРЗ

Основными узлами МУРЗ являются: блок аналоговых входов (трансформаторы тока и напряжения), входные фильтры (антиалиазинговые фильтры; цепи выборки и запоминания), мультиплексор, аналогово-цифровой преобразователь, микропроцессор, различные виды памяти, блок логических (цифровых) входов, блок релейных выходов, рис. 1.

Конструктивно МУРЗ представляют собой набор плоских модулей (печатных плат) представляющих собой различные функциональные узлы МУРЗ, размещенных в корпусах различных типов и размеров, рис. 2.

Существует несколько конструктивных схем расположения печатных плат в корпусах МУРЗ. Одной из таких конструктивных схем является так называемый «этажерочный модуль», которая предусматривает расположение печатных плат одна над другой. Платы скрепляются между собой резьбовыми втулками, образуя единый конструктивный модуль, похожий на этажерку, рис. 3.

Этот модуль затем устанавливается внутри корпуса МУРЗ. Соединение между платами осуществляется посредством разъемов и плоского гибкого кабеля. Очевидным недостатком такой конструкции является невозможность замены отдельного модуля без демонтажа и разборки всего МУРЗ.

Еще одной разновидностью конструктивного исполнения МУРЗ является корпус типа «открытый куб», рис. 4. В этой конструкции три печатные платы образуют боковые и заднюю стенки, скрепленные между собой специальными угловыми разъемами и присоединенные к металлической лицевой панели, являющейся четвертой стенкой.

После сборки вся эта конструкция вставляется во внешний корпус.

Наибольшее распространение получила конструкция с выдвижными платами, имеющая множество разновидностей, рис. 5.

Конструкция этого типа содержит алюминиевый корпус с направляющими, по которым в него вдвигаются отдельные (модули) печатные платы, из которых состоит МУРЗ.

Платы могут располагаться в корпусе вертикально или горизонтально. Еще одна дополнительная плата (так называемая «материнская плата») с набором разъемов расположена на дне этого корпуса. При выдвигании плат по направляющим в корпус МУРЗ выступающие на них разъемы входят в ответные части разъемов, расположенных на материнской плате и, таким образом, осуществляется соединение между платами.

В МУРЗ используется три типа плат, которые обеспечивают соединение между собой всех остальных плат. В первом случае это может быть материнская плата, на которой кроме набора разъемов расположены также микропроцессор, АЦП, различные виды памяти и все сопутствующие им элементы (Рис. 6б). Во втором случае это может быть отдельная жесткая плата с набором разъемов (Рис. 6а), или, в третьем случае — гибкий плоский многожильный кабель с разъемами, соединяющий между собой платы (рис. 6в). Соединительные платы двух последних типов еще иногда называют «кросс-платами».

В некоторых не очень удачных конструкциях, рис. 7 приходится вынимать сразу несколько модулей для того, чтобы добраться до модуля с источником питания. А чтобы выдвинуть этот модуль для замены источника питания необходимо отпаять выводы всех трансформаторов тока от клеммника на задней панели, а потом опять припаять.

Довольно странную конструкцию имеют реле типа Т60, рис. 8. Реле этого типа состоят из отдельных втычных модулей, расположенных в общем корпусе. В отличие от всех остальных МУРЗ, в Т60 каждый модуль помещен в стальной кожух, из-за чего реле получилось тяжелым (килограммов 15, не менее).

После вскрытия кожуха остается печатная плата с мощным разъемом на торце. Этот разъем имеет очень странную конструкцию и снабжен большим пластмассовым кожухом, разделенным на крупные ячейки, внутри которых расположены электронные компоненты, выходные реле, варисторы, рис. 9.

Этот кожух крепится на разъеме с помощью 8 пластмассовых защелок, по 4 с каждой стороны, которые должны открываться одновременно. Попытка открыть этот кожух сразу же привела к поломке одной из защелок, после чего мои попытки были прекращены. Никакой функциональной нагрузки этот пластмассовый кожух не несет и, по моему мнению, его единственное назначение — сделать реле неремонтопригодным.

МУРЗ этого типа снабжено как обычными электромеханическими, так и полупроводниковыми выходными реле, причем, как указано в его описании (T60 Revision: 5.6x), полупроводниковые выходные реле снабжены специальными схемами «для мониторинга постоянного напряжения на открытых контактах и постоянного тока, протекающего через замкнутые контакты». Как будто все ясно и понятно… Но то, что было написано далее поставило меня в тупик: «Напряжение записывается в виде логической единицы, когда ток в цепи контактов превышает 1-2,5 мА и ток считается логической единицей, когда он превышает 80-100 мА». Более странное (мягко выражаясь) объяснение, трудно даже представить. Странность эта не только в тексте, но и в сущности технического решения. Во-первых, мониторинг возможен только на постоянном токе, что ограничивает его область применения. Во-вторых, ток нагрузки может быть очень маленьким (1-3 мА), например, ток логического входа другого МУРЗ, или чувствительных электромеханических промежуточных реле. Как будет в этом случае работать система мониторинга тока? Оказывается, разработчики этой системы учли такую возможность и предлагают потребителям включать параллельно контактам дополнительный внешний резистор. Для напряжения 48 В этот резистор рекомендуется выбирать сопротивлением 500 Ом и мощностью 10 Вт. Это довольно крупный резистор! Представляете, каким должен быть этот резистор для напряжения 220 В? И где его устанавливать? Об этом разработчики Т60 скромно умалчивают…

Еще одно «изобретение»: автоматическая очистка контактов (autho-burnishing) внешних реле, которые подают сигналы на логические входы Т60. Конструкторы озаботились тем, что при очень малых входных токах логических входов (менее 3 мА) и окисленных контактах внешних реле сигнал может «не пройти» через них. Для самоочистки этих контактов в Т60 установлены на входах специальные нелинейные элементы (очевидно, что-то вроде позисторов), имеющих низкое сопротивление в обесточенном (холодном) состоянии и быстро повышающих сопротивление при приложении к ним напряжения (и повышении температуры). В результате, в первый момент после замыкания контактов внешнего реле, через них проходит ток 50-70 мА, который быстро снижается (в течение 25-50 мс) до 3 мА. Как будто, красивая идея. Но это только для тех, кто не очень хорошо разбирается в процессах на контактах. «Непроходимость» контактов в результате их окисления имеет место в слаботочных цепях с напряжением коммутации ниже 20-30 В. При более высоких напряжениях происходит пробой очень тонких окисных пленок и контакты, на вид черные и неприглядные, прекрасно проводят даже малые токи (фрикинг-эффект). Поэтому, для реальных напряжений эксплуатации МУРЗ проблема эта полностью надумана, а ее техническое воплощение совершенно бессмысленно.

Описание товара

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПО ТОКУ РС83-А2М

Функции защиты и автоматики

Основные технические характеристики устройства

Особенности устройства

• Для любой ступени МТЗ может быть назначена работа с независимой или с любой из 7 видов зависимых ампер-секундных характеристик.
• Для любой ступени МТЗ может быть введена или выведена блокировка по 2-й гармонике тока, позволяющая отстроится от броска тока намагничивания при включении выключателя.
• Каждая из ступеней ЗНЗ может быть назначена на работу по измеренному или расчетному току 3Iо.
• При работе по измеренному току 3Iо диапазон уставок по току ЗНЗ может быть от 0,004 А (вторичное значение) для обеспечения высокой чувствительности в сети с малыми токами замыкания на землю.
• При работе по расчетному току 3Iо диапазон уставок ЗНЗ может быть до 120 А (вторичное значение), для работы в сети с большими токами замыкания на землю (глухозаземленная нейтраль).
• Для любой ступени ЗНЗ может быть введен/выведен пуск по напряжению (вольтметровая блокировка).

Преимущества

• Расширенный диапазон допустимых питающих напряжений ~/= от 80 до 420 В (до 5 мин.).
• Расширенный диапазон рабочих температур от -40°С до +70°С
• Невысокое энергопотребление, от 10 Вт.
• Высокая степень защиты устройств по лицевой панели, IP54.
• Встроенное питание по цепям тока и дешунтирование.
• Быстрый холодный старт по токовым цепям от 150 мс.
• Встроенная функция дуговой защиты.
• Встроенный источник для гарантированного питания дискретных входов.
• Высокая ремонтопригодность за счет модульной конструкции с легко заменяемыми унифицированными модулями для устройств разного назначения.

Техническая документация

• Руководство по эксплуатации РС83-А2М.
• Бланк уставок РС83-А2М;
• Карта памяти Modbus-RTU РС83-А2М;
• Протоколы проверки РС83-А2М.
• Схемы подключения.
• Типовые схемы РЗА, в которых применяется РС83-А2М.

Программное обеспечение

• ПО CODIS для конфигурации терминала РС83-А2М.
• ПО ComTradeViewer для просмотра осциллограмм в формате COMTRADE, записанных терминалом РС83-А2М.

Модули аналоговых входов

Наиболее простыми в МУРЗ являются модули аналоговых входов, состоящие из набора трансформаторов тока и напряжения, рис. 10.

Конструкция трансформаторов напряжения ничем не отличается от конструкции обычных маломощных трансформаторов. Трансформаторы тока содержат изолированную многовитковую вторичную обмотку, намотанную на каркасе и покрытую изоляционной пленкой. Первичная обмотка представляет собой несколько витков (обычно, 5 витков на номинальный первичный ток 1 А и 1 виток на номинальный ток 5А), намотанных поверх вторичной обмотки обычным многожильным изолированным монтажным проводом, рис. 10. Такой трансформатор представляет собой, фактически, преобразователь тока в напряжение. Если в процессе эксплуатации МУРЗ возникает необходимость в изменении входного номинального тока аналоговых входов с 1 А на 5 А (или наоборот), то сделать это очень просто путем намотки (или, наоборот, смотки) нескольких витков провода. Никаких проблем в эксплуатации этот узел МУРЗ обычно не создает и является самой надежной его частью.

В большинстве типов МУРЗ этот набор трансформаторов выполнен в виде отдельного модуля, хотя встречаются и конструкции, в которых в этом же модуле размещены входные фильтры, аналого-цифровые преобразователи, и другие элементы предварительной обработки аналоговых сигналов, рис. 11.

В некоторых типах МУРЗ можно встретить миниатюрные тороидальные трансформаторы тока и напряжения капсулированные эпоксидным компаундом, рис. 12. Такая конструкция лучше защищена от воздействия влаги, но отвод тепла в ней затруднен. Кроме того, она является неремонтопригодной и в ней не возможно изменить коэффициент трансформации. Следует иметь ввиду, что при кажущейся более высокой надежности такой конструкции, ее реальная эксплуатационная надежность может быть даже ниже, чем у обычного не капсулированного трансформатора. Это связано не только с затрудненным отводом тепла, но и с внутренними механическими напряжениями в обмотках, возникающими в процессе отверждения и усадки эпоксидного компаунда. Такого рода проблемы проявляются, обычно, при наличии многовитковых обмоток, намотанных тонким проводом (как в трансформаторах напряжения).

В. ГУРЕВИЧ, канд. техн. наук

Модуль центрального процессора

Главным модулем МУРЗ, часто называемым CPU Module, является наиболее сложная, наиболее дорогая и наиболее насыщенная элементами печатная плата, рис. 27, выполненная по технологии поверхностно­го монтажа (SMD technology), на которой расположены: микропроцессор, элементы памяти, АЦП, мультиплексор, вспомогательные (периферийные) микропроцессоры, коммуникационный контроллер, коммуникационный порт, и т.д.

За полтора десятка лет, прошедших с выпуска реле 316 серии, конструкция главного модуля с центральным процессором не претерпела принципиальных изменений, рис. 28. Заметны на глаз лишь меньшие размеры главного микропроцессора и сопутствующих функциональных элементов, меньшее их количество. Это обусловлено прогрессом последних лет в области нанотехнологий, который привел к существенному снижению размеров полупроводниковых элементов (речь идет о единицах и даже долях микрона), уменьшению толщины слоев полупроводниковых и изоляционных материалов, уменьшению рабочих напряжений, увеличению рабочей скорости, увеличению плотности размещения элементарных логических ячеек в одном устройстве.

Все это вместе взятое привело к резкому повышению чувствительности полупроводниковых элементов, особенно ячеек памяти, к ионизирующим излучениям. Эта чувствительность стала настолько высокой, что обычный (то есть совершенно нормальный) радиационный фон на уровне моря стал опасным для ячеек памяти.

Особенно опасными являются потоки высокоэнергетических элементарных частиц, приходящих из космоса. Даже одна такая частица при попадании в ячейку памяти рождает вторичные потоки электронов и ионов, вызывающие самопроизвольное переключение элементарного транзистора или разряд емкости в элементах с зарядовой памятью. Проблема усугубляется тем, что в современных микропроцессорных структурах наблюдается устойчивая тенденция расширения использования элементов памяти.

Многие современные интегральные микросхемы высокого уровня интеграции, входящие в состав микропроцессорного устройства, содержат встроенные элементы памяти достаточно большого объема, исправность которых вообще никак не контролируется. В последние годы проблема резкого увеличения чувствительности к ионизирующим излучениям стала актуальной не только для элементов памяти, но также и для высокоскоростных логических элементов, компараторов и т.д., то есть, практически, для всей современной микроэлектроники.

Кроме ионизирующих излучений, все более опасными для всей современной микроэлектроники становятся преднамеренные высокочастотные электромагнитные излучения, используемые во многих видах современного электромагнитного оружия.

Микропроцессорные терминалы защит и автоматики ABB

Функционал, преимущества микропроцессорных терминалов защит по сравнению с электромеханическими защитными устройствами
Оборудование распределительных устройств подстанций, в частности отходящие линии, питающие потребителей или смежные подстанции, должны иметь надежную защиту от возможных повреждений. Вплоть до 2000-х гг. в качестве защит оборудования на подстанциях применяли исключительно устройства релейной защиты и автоматики электромеханического типа , которые построены на реле электромеханического принципа работы.

Теперь старые электромеханические защиты постепенно вытесняются современными устройствами – микропроцессорными терминалами защит, управления и автоматики оборудования , которые все чаще встречаются на вновь построенных или технически переоснащенных подстанциях. В данной статье рассмотрим функционал и преимущества микропроцессорных терминалов защит на примере использования терминала REF 630 производства фирмы ABB для защиты линии потребителей напряжением 35кВ, приведем сравнительную характеристику с их предшественниками – защитами электромеханического типа.

Преимущества современных устройств релейной защиты и автоматики

Одним из основных преимуществ микропроцессорных терминалов над защитами старого образца, является их компактность. Для реализации защиты, автоматики, управления оборудованием линии 35 кВ необходимо монтировать сложную схему из множества электромеханических реле, которые едва помещаются на одну релейную панель.

Кроме того, необходимо для каждой линии установить ключ управления выключателем, переключатели для выбора режимов работы, накладки для переключения/вывода из работы автоматических устройств, измерительные приборы для фиксации тока нагрузки по линии – для перечисленных элементов нужно установить еще одну панель.

Микропроцессорный терминал защит имеет небольшие габаритные размеры.

Благодаря небольшому габаритному размеру на одной панели релейной защиты и автоматики можно разместить два терминала защит и соответствующие ключи для управления выключателями линий 35кВ, а также для переключения различных режимов работы устройств РЗА.

В рассматриваемом примере терминал защит REF 630 обеспечивает защиту отходящей линии электропередач. В терминале также есть другие стандартные конфигурации, которые позволяют использовать данный терминал для защиты силового трансформатора, секционного или шиносоединительного выключателя.

Огромное преимущество данного устройства заключается в том, что стандартные конфигурации можно с максимальной точностью настроить для реальных условий, учесть все возможные нюансы, выбрать нужные функции.

Что касается измерительных приборов, то в случае использования микропроцессорных терминалов защит их устанавливать не нужно, так как на дисплее защитного устройства выводится пофазная нагрузка линии, а также другие электрические параметры.

Как видно на фото, на дисплее терминала защит помимо нагрузки по данной линии, отображена мнемосхема с указанием фактического положения коммутационных аппаратов: шинных разъединителей от 1 и 2 системы шин 35 кВ, вакуумного выключателя, линейного разъединителя присоединения, а также положение стационарных заземляющих устройств шинных и линейного разъединителей. Также на дисплее указано напряжение по той системе шин, от которой в данный момент питается линия.

При необходимости терминал защит может быть настроен для вывода на дисплей других измеряемых величин (напряжение по фазам, активная и реактивная составляющая нагрузки, ее направленность, частота электрической сети) и индикации различных режимов работы (состояние комплекта АПВ, АПВ, ЧАПВ, ЛЗШ).

Также существенным преимуществом микропроцессорных защиты является удобство контроля над режимом работы оборудования, в том числе и ликвидации возникших аварийных ситуаций. На лицевой панели терминала расположены светодиодные индикаторы с указанием их наименований.

В защитах старого образца для индикации режимов работы использовались сигнальные реле, так называемые «блинкеры». При возникновении аварийной ситуации или отклонений от нормальной работы защитных устройств необходимо просматривать каждое из указательных реле, которые очень часто имели неудобное взаимное расположение, при этом каждое из реле необходимо возвращать в исходное положение («квитировать») индивидуально.

На терминале защит светодиоды расположены в один столбик, поэтому фиксировать возможные отклонения достаточно удобно – стоит только посмотреть на соответствующий терминал. Также преимуществом является то, что для «квитирования» светодиодов на терминале достаточно нажать одну кнопку.

Это преимущество наиболее оценимо в случае возникновения большой аварии на подстанции, когда срабатывает множество защитных устройств. В этом случае достаточно подойти к каждому терминалу, зафиксировать положение светодиодов и нажать кнопку. Для электромеханических защит необходимо затратить значительно больше времени для того, чтобы зафиксировать положение каждого указательного реле и вернуть его в исходное положение, то есть «квитировать».

Функциональные особенности микропроцессорных устройств релейной защиты

Если для защит линии используются микропроцессорные устройства, то в случае отключения выключателя от защит или в случае работы автоматики, в памяти устройства фиксируется время срабатывания, наименования сработавшей защиты или элемента автоматики линии, а также приводятся электрические параметры в доаварийный, аварийный и послеаварийный периоды. Благодаря данному функционалу, можно точно восстановить картину произошедшего, что очень важно в случае возникновения больших аварий, несчастных случаев в энергетике.

На фото можно увидеть, что фиксация аварийных ситуаций осуществляется вплоть до миллисекунд. Это позволяет при анализе работы защитных устройств, правильно определить очередность их работы и сделать вывод о правильности работы защит в соответствии с заданными уставками и условиями их работы.

Устройство позволяет хранить в энергонезависимой памяти 1000 записей событий.

Терминал защит имеет функцию самодиагностики , контроля входящих и выходящих цепей, что позволяет своевременно обнаружить неисправность. При использовании электромеханических защит нарушения в работе защитных устройств не сигнализируются, поэтому нарушение их работы очень часто обнаруживается в случае некорректной работы защиты или полного ее отказа.

Что касается уставок срабатывания защит, то в микропроцессорном защитном устройстве они изменяются в меню, посредством выбора необходимых значений. При этом можно создать несколько групп уставок и быстро переключаться между ними, что очень удобно в случае возникновения необходимости временной смены значений уставок.

Также одним из преимуществ микропроцессорных терминалов является возможность их подключения к системе SCADA , что позволяет обслуживающему персоналу подстанции мониторить состояние коммутационных аппаратов, величину нагрузок и напряжений на шинах; а также к системе АСДУ, которая позволяет не только контролировать, но управлять оборудованием дистанционно, с центрального диспетчерского пункта.

Шкафы РЗА

Современные микропроцессорные устройства РЗА выполняют не только свою прямые задачи защиты, но и другие смежные функции. Таким образом, сегодня большое количество устройств можно укомплектовать в одном шкафу, что значительно упрощает монтаж оборудования, непосредственную эксплуатацию, а также значительно освобождает пространство.

Типовые шкафы защиты имеют еще ряд дополнительных преимуществ: так как шкафы выполняются по стандартным схемам, проверенным в эксплуатации, вероятность ошибок в работе значительно снижается, а удобство в наладке и монтаже возрастает. Узнайте еще больше о РЗА и типовых решениях на нашем сайте.