Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 203.

Об эффективности новых устройств РЗА

Понятие «релейная защита» появилось примерно век назад и уже успело устареть, хотя в России это заметно меньше, чем в некоторых странах Запада, где само понятие «реле» постепенно уходит в прошлое, уступая место названию «микропроцессорный терминал».

При чтении литературы по релейной защите часто возникает впечатление, что поведение РЗ в различных ситуациях легко предсказать, а основные величины, на которых базируется ее функционирование, могут быть достаточно точно определены.

В реальности же это далеко не всегда так. В процессе функционирования релейной защиты, как выяснилось, существенную роль играет фактор случайности и неопределенности.

Главные эксплуатационные свойства релейной защиты – техническое совершенство (включающее в себя селективность и устойчивость функционирования) и надежность функционирования.

С точки зрения надежности основной функцией РЗ является снижение ущерба при авариях в энергосистеме. Релейная защита, отключая поврежденный элемент, уменьшает глубину аварии, не дает ей развиться на окружающие элементы энергосистемы. Защита, обладающая высоким техническим совершенством и надежностью, может значительно повысить надежность и эффективность функционирования энергосистемы. В то же время ненадежная защита сама становится источником аварийности и может нанести системе большой ущерб.

К защите от коротких замыканий предъявляются следующие основные требования:
– не срабатывать при отсутствии короткого замыкания в системе;
– не срабатывать при повреждениях вне зоны защиты;
– срабатывать при повреждениях на защищаемом объекте.

В отдельных случаях перечисленные требования нарушаются, и тогда говорят, что защита отказывает в функционировании, т.е. проявляется фактор случайности и неопределенности в ее работе. Возможны следующие основные виды отказов в функционировании:
– ложные срабатывания (при отсутствии короткого замыкания в системе);
– излишние срабатывания (при повреждениях вне зоны защиты);
– отказы в срабатывании (при повреждениях на защищаемом объекте).

Элементы случайности и неопределенности в работе защиты могут появляться в результате разных факторов, которые принято делить на две группы:
– проявляющиеся в исправной и правильно настроенной защите;
– возникающие при появлении неисправностей или неправильной настройке.

Обычно при неправильных действиях защиты требуется определить причину таких действий. Чаще всего отказы в функционировании РЗ возникают по следующим причинам:
– из-за низкого технического совершенства (в тех случаях, когда произошло такое неблагоприятное сочетание событий, на которое защита в принципе не рассчитана);
– из-за ошибок проектантов или обслуживающего персонала;
– из-за возникновения неисправностей в схеме защиты.



Микропроцессорная защита ведет к авариям?

Исторически устройства релейной защиты выполнялись на разных элементах:
– на электромеханических реле;
– с использованием электронных ламп;
– с использованием полупроводниковых транзисторов и диодов;
– на микросхемах среднего уровня интеграции (операционные усилители, логические ячейки и т.д.);
– на базе микропроцессоров.

В развитых странах, как отмечалось выше, подавляющее большинство устройств РЗА выполняется на базе микропроцессоров.

В нашей стране релейная защита энергосистем в большинстве случаев по-прежнему выполняется на базе реле, по большей части электромеханических. Переход на современную элементную базу – микросхемы среднего уровня интеграции и микропроцессорную технику происходит медленно.

По данным фирмы ОРГРЭС, к 2002 году в энергосистемах России находилось в эксплуатации 98,5% электромеханических устройств (включая устройства с элементами микроэлектроники и на полупроводниковой основе) и 1,5% микроэлектронных устройств, включая микропроцессорные. В соответствии с данными, число микропроцессорных устройств РЗА составляет всего порядка 0,12% от общего количества. Таким образом, можно констатировать, что переход на современную элементную базу, о необходимости которого длительное время говорится, пока не состоялся.

Ситуация осложняется еще и тем, что конечная цель такого перехода – значительное повышение эффективности функционирования – как правило, не достигается. Зато заметно улучшилось техническое совершенство. Микропроцессорные терминалы и панели релейной защиты на микросхемах среднего уровня интеграции гораздо проще настраивать, они дают достаточно полную информацию о произошедшей аварии, могут изменить в случае необходимости свои уставки по команде с диспетчерского пункта и т.д. Но процент неправильных действий современных панелей и шкафов РЗ часто оказывается существенно выше, чем для старых защит, выполненных на электромеханических реле.

Появились своего рода «чемпионы» по количеству отказов. Так, по данным фирмы ОРГРЭС, в 1994 году процент неправильной работы дифференциальной защиты блоков на базе реле ДЗТ-21 составил 62,5. В последующие годы показатели колебались около этой цифры. Дифференциальная защита трансформаторов с реле ДЗТ-21 и ДЗТ-23 неправильно работала в 30,3% случаев, дифференциальная защита шин с торможением – в 24,1% и т.д.

Едва ли такие результаты можно назвать удовлетворительными.



Причины отказов в функционировании

Рассмотрим одну из причин такой неприятной статистики. Величина повреждений для таких защищаемых объектов, как силовые трансформаторы и сборные шины, очень мала. Например, силовые трансформаторы повреждаются в среднем один раз в 15-40 лет (при таких повреждениях и возникает необходимость в срабатывании их защиты), ненамного чаще повреждаются сборные шины (частота их повреждений зависит от напряжения и количества присоединений). В то же время короткие замыкания вне зоны защиты случаются по несколько раз в год. Если хотя бы малая часть этих внешних коротких замыканий приводит к излишним срабатываниям, то величина отказов в функционировании будет угрожающе большой.

При вполне, казалось бы, удовлетворительных характеристиках самой защиты высокий процент ее неправильных действий обусловлен низкой повреждаемостью защищаемого объекта, причем, устанавливая одну и ту же защиту на разных защищаемых объектах, получаем разные значения процента неправильных действий.

Для объектов, которые повреждаются относительно часто (например, для линий электропередач), статистика отказов гораздо благоприятнее. Например, в 1997 году токовая защита от замыкания на землю на ЛЭП 500-750 кВ типа ПДЭ-2002 имела 7,1% неправильных срабатываний, дистанционная защита ШДЭ-2800 – 2,3%, направленная высокочастотная защита ПДЭ-2802 – 3,2% неправильных срабатываний и т.д.

Все описанные выше устройства защиты выполнены на микроэлектронной элементной базе (в основном, с использованием микросхем среднего уровня интеграции). В то же время, как отмечалось выше, в энергосистемах России по-прежнему эксплуатируется большое количество устройств РЗ, выполненных на старых электромеханических реле. Процент их неправильных действий в среднем составляет 0,4-0,5%.

Справедливости ради следует отметить, что и в развитых странах Запада переход на современную элементную базу, связанный, как правило, с усложнением схемы и конструкции устройств и панелей РЗ, также сопровождался существенным увеличением количества отказов в функционировании. В конце прошлого века процент неправильных действий устройств релейной защиты, выполненных на электромеханических реле, там составлял 0,1% (в России для аналогичного оборудования – 0,4-0,6%), для реле на базе интегральных микросхем – 0,3% (в России для различных шкафов и панелей 2,3-10%), для защит на базе микропроцессоров – 5% (в последние годы в России появились первые, хотя и не очень представительные, данные о количестве неправильных действий таких устройств – 1,4%. Видимо, путем частых автоматических диагностических проверок, период между которыми в ряде случаев приближается к нескольким часам, удалось предотвратить переход большинства дефектов в аварии).

Срок службы электромеханических реле на Западе составлял в то время 30 лет и более, остальных – 20 лет и более. В последнее время появились сведения о том, что срок службы систем релейной защиты, например, в США приблизился к 5-7 годам. Быстрый прогресс в области разработки новых защит на микропроцессорной базе там приводит к частому обновлению применяемой техники.

Отмечается, что 38% устройств релейной защиты в России проработало больше 25 лет, морально и физически устарело и требует замены. Количество отказов в функционировании, связанных со старением аппаратуры, растет из года в год. Аналогично обстоит дело и с объектами защиты – многие элементы силовой схемы энергосистемы (генераторы, трансформаторы и т.д.) проработали уже гораздо больше своего нормативного срока, что приводит к росту числа отказов и, в свою очередь, повышает требования к релейной защите.



Как ликвидировать ошибки персонала?

По-прежнему порядка 60% отказов в функционировании устройств РЗА связано с ошибками персонала. Старение парка релейной защиты и большое количество отказов по вине эксплуатационного персонала приводят к необходимости широкого использования автоматических и полуавтоматических диагностических устройств, основная цель которых – быстро выявить возникающие в схемах РЗ дефекты и дать возможность устранить их до того, как они перейдут в разряд аварий (при возникновении в системе коротких замыканий или других возмущений).

Во многих странах за рубежом принята технология обслуживания устройств защиты, не требующая участия обслуживающего персонала служб релейной защиты электрических станций, распределительных подстанций и промышленных предприятий в проверках, наладках и изменении уставок. Всем этим занимается специально обученный персонал предприятий – изготовителей и поставщиков устройств защиты. Сам объем проверок во много раз меньше, чем на нашей традиционной технике, поскольку большая часть проверок выполняется автоматически – диагностическими устройствами, встроенными в сами устройства РЗ. Например, некоторые микропроцессорные терминалы проверяют сами себя один раз в несколько часов и при появлении неисправностей тут же информируют об этом.

Такой подход позволил не только в несколько раз поднять надежность, но и существенно (до двух раз) сократить персонал электротехнических лабораторий.

Большинство специалистов сходятся во мнении, что переход на микропроцессорную элементную базу релейной защиты в России неизбежен, хотя и будет связан с большими трудностями.

Основные причины, затрудняющие такой переход, – это отсутствие квалифицированного обслуживающего персонала, низкая надежность устройств релейной защиты на микропроцессорах, высокая стоимость, плохая электромагнитная совместимость с условиями, которые реально существуют на большинстве подстанций, и т.д. По словам одного из специалистов, «в российских условиях проще снести подстанции бульдозером и на их месте построить новые».

В качестве временной меры предлагается, устанавливая новые микропроцессорные комплекты релейной защиты, дублировать их российскими электромеханическими аппаратами.

Почему импортные устройства не работают в России?
Однако много раз за последние годы специалисты, заказывающие современные микропроцессорные импортные устройства релейной защиты, убеждались в том, что дорогие импортные устройства далеко не всегда правильно работают в российских условиях.

Это объясняется рядом причин:
1. Импортные микропроцессорные терминалы в большинстве случаев предъявляют повышенные требования к параметрам контура заземления, в частности требуют низкого импульсного сопротивления этого контура. На Западе принято для таких устройств монтировать свой собственный контур заземления. В российских условиях многие отказы в функционировании таких защит связаны с наведенными в контуре заземления импульсными помехами.
2. Микропроцессорные терминалы подвержены влиянию электромагнитных помех, поступающих «из воздуха», по цепям оперативного тока, цепям напряжения и трансформаторов тока. Отмечались случаи ложного срабатывания защиты, например при включении рядом с ней мобильного телефона.
3. Современные устройства защиты часто не могут быть удовлетворительно «состыкованы» с отечественными трансформаторами тока, которые имеют недопустимо большие для западных терминалов погрешности и в установившихся, и, особенно, в переходных режимах.
4. Часто импортные защиты не учитывают особенностей отечественной техники, в частности защищаемых объектов.
5. Сама «идеология» построения импортных устройств РЗА обычно не соответствует отечественной. В частности, на Западе практически отсутствуют такие понятия, как АЧР, САОН, по-другому выполняется АПВ и т.д.

Все это требует от отечественных заказчиков внимательного анализа всего комплекса проблем в целом еще до того, как заказать те или иные современные устройства релейной защиты. Практика показывает, что так бывает далеко не всегда и эксплуатационники выявляют многие недостатки защит уже в процессе их практической работы, сопровождающейся отказами в функционировании защиты.

Особенности перехода на микропроцессорную защиту
В процессе перехода РЗ на современную элементную базу, по-видимому, придется учитывать и следующие тенденции:
– микропроцессорные защиты не должны слепо дублировать уже известные алгоритмы, необходимо активно работать над совершенствованием теории релейной защиты и создавать для микропроцессорных защит новые, более совершенные одиночные алгоритмы и группы таких алгоритмов, дополняющих и корректирующих друг друга;
– при разработке новых защит необходимо уделять особое внимание обеспечению их высокой надежности и эффективности;
– шире должны использоваться адаптивные к схеме и режиму защищаемого объекта защиты;
– от «распределенной» системы с установкой отдельных, независимых комплектов защиты на каждом защищаемом объекте целесообразно переходить к централизованным защитам, использующим информацию с нескольких смежных силовых объектов;
– в российскую практику необходимо вводить более совершенные датчики тока и напряжения, шире использовать неэлектрические параметры, характеризующие состояние защищаемого объекта и т.д.

Для повышения схемной надежности релейной защиты часто пользуются так называемым резервированием, используя несколько комплектов защиты и включая выходные цепи каждого из них на отключение защищаемого объекта. Это далеко не всегда приводит к ожидаемым результатам. Иногда при реализации такого решения надежность и эффективность защиты не повышаются, а понижаются.

Почти любая попытка путем изменения схемы повысить надежность защиты приводит к тому, что один из аспектов надежности улучшается, а другой ухудшается. Например, устанавливая дополнительный комплект защиты и «заводя» его на отключение защищаемого объекта, мы повышаем надежность срабатывания. При этом надежность несрабатывания уменьшается. Суммарный ущерб от ненадежности для одного защищаемого объекта (например, силового трансформатора) может уменьшиться, а для другого – увеличиться.

Для особо ответственных силовых объектов может оказаться оптимальной схема с тремя полноценными комплектами релейной защиты, при этом защищаемый объект должен отключаться только при одновременном действии на отключение не менее двух из этих комплектов.

В заключение хотелось бы отметить, что оптимальные с точки зрения надежности и эффективности всего комплекса устройств РЗА силового объекта результаты могут быть получены только после обстоятельного анализа особенностей не только применяемых устройств релейной защиты, но и анализа особенностей защищаемого объекта, его роли в работе окружающей части электроэнергетической системы, последствий, к которым приводит отказ в исполнении каждой из функций защиты.

Шалин А.И., д. т.н., профессор, ведущий специалист ООО «ПНП БОЛИД», г. Новосибирск

В 204 выпуске читайте: Средства релейной защиты