Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматизации в электроэнергетических системах. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
Кумертауский филиал ОГУ
Микропроцессорные устройства релейной
защиты и автоматизации в
электроэнергетических системах
учебное пособие
Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский
государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по программам высшего образования по направлению подготовки
13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
Оренбург
2016
УДК 621.315.5
ББК 45.09
П 61
Рецензент – доктор технических наук, зав. кафедрой АТИС ФГБОУ ВО
«Уфимский государственный нефтяной технический университет» филиал в г.
Стерлитамаке Е.А. Муравьева
Богданов, А.В., Бондарев, А.В.
П 61 Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматизации в
электроэнергетических системах: учебное пособие/ А.В. Богданов, А.В.
Бондарев; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2016. – 82 с.
ISBN 8-987-903550-43-2
Учебное пособие раскрывает содержание соответствующего раздела
дисциплины «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических
систем», способствующее усвоению пройденного материала, предназначено
для студентов по направлению подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и
электротехника.
УДК 621.315.5
ISBN 8-987-903550-43-2
ББК 45.09
© Богданов А.В., Бондарев А.В. 2016
© ОГУ, 2016
2
Содержание
Введение
4
1
Основные принципы построения микропроцессорных
устройств релейной защиты
11
1.1
Микропроцессорные устройства релейной защиты и
автоматики электроэнергетических систем. Основные
сведения
11
1.2
Классификация защитных функций МУРЗ
21
1.3
Проектирование систем релейной защиты и автоматики с
использованием микропроцессорных устройств на примере
МУРЗ SPAC, БМРЗ, ТОР и ЭКРА
25
1.4
Основы программного обеспечения микропроцессорных
устройств РЗА
38
2
Современные микропроцессорные устройства релейной
защиты
45
2.1
Внутренняя структура микропроцессора
45
2.2
Устройства микропроцессорной релейной защиты и
автоматики НТЦ «Механотроника»
46
2.3
Терминалы МУРЗ серии SPAC 810
55
2.4
Устройство микропроцессорной защиты фирмы «ABB»
RET670
60
2.5
Устройство микропроцессорной защиты Sepam
70
2.6
Устройство микропроцессорной защиты компании AREVA
73
Список использованных источников
80
3
Введение
Около 15 лет назад в энергетике стало массово внедряться новое оборудование
для защиты объектов энергоснабжения, использующее компьютерные технологии
на базе процессоров. Его стали называть сокращенным термином МУРЗ —
микропроцессорные устройства релейной защиты.
Они выполняют функции обыкновенных устройств РЗА на основе новой
элементной базы — микроконтроллеров (микропроцессорных элементов).
Отказ от электромеханических и статических реле, обладающих
значительными габаритами, позволил более компактно размещать оборудование на
панелях РЗА. Такие конструкции стали занимать значительно меньше места. При
этом управление посредством сенсорных кнопок и дисплея стало более наглядным и
удобным.
Например, терминал защит линий 110 кВ выполняет функции дистанционной
защиты, токовой направленной защиты нулевой последовательности, а также
осуществляет измерение основных электрических величин. На ЖК-дисплее данного
устройства персонал, обслуживающий данную электроустановку, может
контролировать нагрузку данной линии по фазам, напряжение, потребляемую
активную и реактивную мощность.
На многих подстанциях сопротивления контура заземления не отвечает
требованиям эксплуатации микропроцессорных устройств релейной защиты, что
предполагает большой объем строительных работ. Иначе такие защиты могут не
санкционированно работать при электромагнитных возмущениях в системе,
которые легко создать преднамеренно, как и хакерские атаки на программное
обеспечение.
Каждый электромонтер, который осуществляет оперативное обслуживание
подстанции, знаком с так называемой схемой-макетом (оперативной схемой). При
производстве оперативных переключений, электромонтер отображает выполненные
изменения на схеме-макете вручную. Это необходимо для того, чтобы убедиться в
4
правильности и достаточности выполненных операций, а также для удобства
контроля положений коммутационных аппаратов.
МП-устройства имеют еще одну полезную функцию – отображение
мнемосхемы присоединения. Эта функция позволяет контролировать положение
коммутационных аппаратов, заземляющих устройств. Микропроцессорные
устройства всех присоединений подстанции подключаются к системе SCADA, на
которой отображается вся схема подстанции. В данном случае система SCADA
является альтернативной заменой схеме-макету. Если в схеме-макете изменения
положения коммутационных аппаратов фиксировались вручную, то в системе
SCADA эти функции выполняются автоматически.
Электромонтер при производстве оперативных переключений проверяет
соответствие схемы подстанции, фактически отображенной на мониторе SCADA.
Следует отметить, что возможность подключения микропроцессорных
устройств управления, автоматики и защиты оборудования к системе АСУ ТП
позволяет дистанционно осуществлять контроль над режимом работы
оборудования, а также производить операции с коммутационными аппаратами
(выключателями) без необходимости наличия на подстанции постоянного
обслуживающего персонала.
Несмотря на многочисленные преимущества, у МП-защит есть и некоторые
недостатки. Один из существенных недостатков данного типа защит – достаточно
узкий диапазон рабочих температур. Поэтому в помещениях, где расположены
щиты управления оборудованием (в данном случае укомплектованных
микропроцессорными устройствами РЗА) необходимо обеспечить оптимальные
климатические условия.
Еще один существенный недостаток МП-защит заключается в том, что при
потере оперативного тока, осуществляющего питание данных устройств, или при
сбое в программном обеспечении, оборудование электроустановки остается без
защиты. В данном случае при возникновении короткого замыкания на одном из
участков сети может произойти повреждение электрооборудования.
В то время как устройства защиты электромеханического исполнения,
5
токовые цепи которых непосредственно воздействуют на соленоид отключения
привода выключателя, отключают выключатель в любом случае, в том числе и при
отсутствии оперативного тока.
Исчезновение оперативного тока на подстанциях – это достаточно редкое
явление, так как для этой цели используются аккумуляторные батареи, способные
некоторое время обеспечивать устройства защит, автоматики и управления
оборудования в рабочем состоянии. Но в случае повреждения в распределительном
щите постоянного тока или на кабеле, подающего оперативный ток к шкафам защит
оборудования, происходит обесточивание защитных устройств.
Недостатки характерны для всех типов устройств, в том числе и для
электромагнитных и полупроводниковых защит. На фоне преимуществ
микропроцессорных терминалов, их недостатками можно пренебречь. За данными
устройствами будущее энергетической отрасли.
К эксплуатационным трудностям относится и вопрос электромагнитной
совместимости. Современная микроэлектроника очень чувствительна к
электромагнитным излучениям, а комплекты микропроцессорных устройств
релейной защиты устанавливаются на подстанциях, работающих в условиях
повышенной напряженности электрического поля, требующей надежной
экранированной защиты с отводом накапливаемых потенциалов в землю.
Сейчас внедрение МУРЗ стало одним из основных направлений в развитии
устройств релейных защит. Этому способствует то, что кроме основной задачи РЗА
— ликвидации аварийных режимов, новые технологии позволяют реализовать ряд
дополнительных функций.
К ним относятся:
регистрация процессов аварийного состояния;
опережение отключения синхронных потребителей при нарушениях
устойчивости системы;
способность к дальнему резервированию.
Реализация таких возможностей на базе электромеханических защит (ЭМЗ) и
аналоговых устройств не осуществляется ввиду технических сложностей.
6
Микропроцессорные системы релейной защиты точно работают по тем же
принципам быстродействия, избирательности, чувствительности и надежности, что
и обычные устройства РЗА.
В процессе эксплуатации выявлены не только преимущества, но и недостатки
таких устройств, а по некоторым показателям до сих пор ведутся споры между
производителями и эксплуатационниками.
Многие покупатели микропроцессорных устройств релейной защиты остались
неудовлетворенными работой этих систем благодаря:
высокой стоимости;
низкой ремонтопригодности.
Если при поломке устройств, работающих на полупроводниковой или
электромеханической базе достаточно заменить отдельную неисправную деталь, то
для микропроцессорных защит часто нужно заменять полностью материнскую
плату, стоимость которой может составлять треть цены за все оборудование.
К тому же для замены потребуется потратить много времени на поиск детали:
взаимозаменяемость в таких устройствах полностью отсутствует даже у многих
однотипных конструкций одного производителя.
Таким образом, спорные вопросы о применении МУРЗ все же остаются. Во-
первых, высокая надежность микропроцессорных устройств релейной защиты по
сравнению с электромеханическими защитами.
С одной стороны, в МУРЗ отсутствуют подвижные части, что связывается с
исключением условий механического износа. Сюда же добавляют вопросы коррозии
металлов и старение изоляции у конструкций электромеханической и
полупроводниковой базы. С другой стороны, опыт эксплуатации ЭМЗ составляет
уже примерно полтора столетия. На этой базе работает подавляющее большинство
энергетических предприятий России и партнеров из СНГ. Многие реле стоят под
напряжением по нескольку десятков лет, а разработанная система технического
обслуживания и эксплуатации позволяет гарантированно использовать их еще
довольно длительное время.
На самом деле дефекты изоляции и коррозии могут возникнуть только в двух
7
случаях:
нарушение технологии изготовления;
отклонение от правил эксплуатации и обслуживания.
Если рассматривать вопрос механического износа подвижных частей, то надо
учитывать, что они срабатывают только при проверках персоналом, проводимых
через несколько лет (учитываются ресурсом наработки) или при авариях, которые
возникают очень редко.
В то же время в микропроцессорных устройствах релейной защиты:
большинство компонентов постоянно осуществляют мониторинг
электрической схемы и обмениваются сигналами между собой;
элементы электрических входов все время подвергаются воздействию
высокого напряжения 220 вольт, а также импульсных и пиковых величин
переходных процессов;
блоки питания импульсной схемы работают без отключения с выделением
тепла и формируют основную долю отказов МУРЗ.
Во-вторых, надежность реле постепенно повышается от электромеханических
конструкций к полупроводниковым на дискретных компонентах, затем к
интегральным микросхемам и самая высокая у микропроцессорных устройств.
Выводы статистики свидетельствуют о более высокой надежности
электромеханических реле перед полупроводниковыми аналогами в повседневной
эксплуатации. Обратная картина наблюдается только при увеличении циклов
коммутации до нескольких сотен тысяч или миллионов.
В интегральных микросхемах работает значительно большее количество
электронных элементов, менее устойчивых к перенапряжениям, чем в
полупроводниковых реле. Особенно это сказывается при воздействии статического
электричества и электромагнитных шумов, которые постоянно присутствуют на
объектах энергетики с высоким напряжением.
Статистика отказов микропроцессорных устройств релейной защиты японских
компаний опровергает миф о самой высокой надежности микропроцессорных
защит. К тому же сюда не включены «программные сбои», которые часто не могут
8
быть выявлены при проверках, но способны проявиться в любой момент.
В-третьих, надежность микропроцессорных устройств релейной защиты
повышает встроенная самодиагностика.
В составе микропроцессорных защит работают:
аналого-цифровые преобразователи;
память (ПЗУ — ROM + ОЗУ — RAM);
центральный процессор;
источник питания;
выходные электромагнитные реле;
узлы аналоговых и цифровых входов.
Все эти компоненты по-разному охвачены алгоритмами самодиагностики и не
всегда полностью контролируются.
Внутренняя проверка предназначена для выдачи сигнала и блокировки работы
релейной защиты при возникновении неисправности в ее схеме, а не в
электрической сети энергетического предприятия. Поэтому не повышает
надежность энергосистемы.
В-четвертых, надежность микропроцессорных устройств релейной защиты
выше, потому что входящие в ее состав элементы более устойчивы к физическому
старению.
При правильной эксплуатации электромагнитные реле защит, введенные в
работу при СССР в 70-х годах, до сих пор прекрасно работают и сохранили свои
технические характеристики.
Входящие в состав релейной защиты электролитические конденсаторы даже
лучших компаний Японии после 7 лет работы в импульсных блоках питания теряют
свои свойства, герметичность, создают протечки электролита, способного разъесть
медные дорожки плат.
У производителей микропроцессорных устройств замечено стремление
уменьшать габариты электронных компонентов за счет создания режимов с
рассеиванием повышенного тепла, которое должно отводиться системой
охлаждения, что не всегда выполняется.
9
В данном учебном пособии изложены основные принципы построения МУРЗ,
рассмотрены современные виды МУРЗ и требования к устройствам релейной
защиты и автоматики с учетом возможных алгоритмов ликвидации основных видов
повреждений и ненормальных режимов электроэнергетических систем.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]