УДК 621.316.925

Совершенствование релейной защиты трансформаторов за счет использования микропроцессорных устройств релейной защиты

Митюхин Глеб Евгеньевич – студент Сибирского федерального университета

Научный руководитель Южанников Александр Юрьевич – кандидат технических наук, доцент Сибирского федерального университета

Аннотация: В данной работе представлен анализ устройств микропроцессорной релейной защиты, их основные достоинство и недостатки, а также сравнение различных отечественных производителей данных устройств по функциональным, а так же по технико-экономическим параметрам.

Ключевые слова: релейная защита, электроэнергетика, силовые трансформаторы.

Релейная защита на электромеханической базе эксплуатируется уже почти полтора столетия. На этой базе работает подавляющее большинство энергетических предприятий России и СНГ. Со временем конструкция электромеханических защит усложнялась, и реле развились до многофункциональных механических комплексов. Затем появились полупроводниковые устройства защиты. Они не имели такой высокой надежности как механические, поэтому не смогли полностью их заменить и на сегодняшний день они эксплуатируются вместе. Около 20 лет назад в энергетике стало массово внедряться новое оборудование для защиты объектов энергоснабжения, использующее компьютерные технологии на базе процессоров. Это оборудование стали называть сокращенным термином МУРЗ – микропроцессорные устройства релейной защиты. Они выполняют функции обыкновенных устройств РЗА на основе новой элементной базы – микроконтроллеров (микропроцессорных элементов). Устройства на микропроцессорной базе имеют свои особенностями. Они компактны. Специальное программное обеспечение реализует работу логики этих устройств. А конструктивно их выполняют из одного или нескольких микропроцессоров, выходных реле, измерительных преобразователей и дискретных входов.

Такое вариант исполнения позволил распределить в одном корпусе разные виды защит и связать их на программном уровне, что позволило уменьшить расходы на материалы для их изготовления и установки. Помимо этого, уменьшились габаритные размеры устройства и его энергопотребление. Конструкция цифровых защит позволяет унифицировать эти устройства и выпускать их с однотипным программным обеспечением. Это упрощает их дальнейшую эксплуатацию на объектах электроснабжения с большим количеством микропроцессорных защит с разными функциями. С помощью программного обеспечения можно задавать и изменять существующие установки и настройки, а также изменять функций защиты без изменения в схемах этих защит. Все сообщения о работе устройства в нормальных и аварийных режимах, а также осциллограммы этих событий записываются при помощи встроенного регистратора аварийных и эксплуатационных событий. Благодаря этому можно производить более точный анализ работы защит и аварийных ситуаций.

В процессе эксплуатации выявлены не только преимущества, но и недостатки таких устройств, а по некоторым показателям до сих пор ведутся споры между производителями и эскалирующими организациями.

Основные недостатки данных устройств – это высокая стоимость и низкая ремонтопригодность.

Если при поломке устройств, работающих на полупроводниковой или электромеханической базе, достаточно заменить отдельную неисправную деталь, то для микропроцессорных защит часто нужно заменять отдельный блок (блок аналоговых входов, блок дискретных входов и т.д) стоимость которой может составлять четверть 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 устройств у одного производителя.

Произведено уже много сравнений микропроцессорных устройств релейной защиты с электромеханическими и статическими реле, но гораздо интереснее сравнить различные микропроцессорные устройства между собой.

В данной работе проведем сравнительный анализ микропроцессорных устройств, используемых для защит трансформаторов напряжением 110-220 кВ таких производителей как ЭКРА, Мехатроника, РАДИУС-Автоматика (рисунок 1).

а)

б)

в)

Рисунок 1. Микропроцессорные устройства релейной защиты: а) ЭКРА БЭ2704 041 б БМРЗ-ТД, в) Сириус-Т3.

Можно выделить целый спектр аварийных ситуаций и ненормальных режимов работы, угрожающих силовым трансформаторам. Среди них, согласно [1]: многофазные замыкания в обмотках и на выводах; однофазные замыкания на землю в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухозаземленной нейтралью; межвитковые замыкания в обмотках; токи в обмотках, обусловленные внешними КЗ; токи в обмотках, обусловленные перегрузкой; понижение уровня масла; частичный пробой изоляции вводов.

Перечисленные состояния могут привести к повреждению, возгораниям, сокращают срок службы силовых трансформаторов, а также другого оборудования подстанции. Поэтому для быстрой ликвидации аварийных состояний и сигнализации о нарушении нормальных режимов работы в силовых трансформаторах применяется целый комплекс автоматических релейных защит, резервирующих друг друга.

К ним относятся: газовая защита (ГЗ), устанавливаемая внутри бака силового трансформатора и устройства РПН, в том числе на струйных реле; дифференциальная токовая защита; токовая отсечка (ТО); максимальная токовая защита (МТЗ); направленные токовые защиты, среди них токовая направленная защита нулевой последовательности (ТНЗНП); защита от токов перегрузки.

Сравним данные терминалы по их функционалу, Сравнение функционала микропроцессорных блоков РЗА представлены в таблице 1.

Наименование функции защиты	ЭКРА ШЭ2607 041	БМРЗ-ТД	Сириус-Т3
ДЗТ	+	+	+
ДЗОш	+	+	+
ДНП	+		+
Газовая защита	+	+	+
ТЗНП	+	+	+
МТЗ	+	+	+
ЛЗШ	+
Защита от перегрузки	+	+	+
Прием сигналов от технологических защит	+	+	+
Защита от дуговых замыканий	+	+	+
Контроль изоляции НН	+
Блокировка РПН	+	+	+
Защита от потери охлаждения	+	+	+
Резервирование при отказе выключателя	+	+	+
Логика пуска пожаротушения	+	+	+

Исходя из полученных данных, у каждого производителя устройства содержат основные необходимые защиты, однако устройство компании ЭКРА обладают более широким функционалом.

Однако помимо набора защит, сравним данные устройства по технико-экономическим параметрам, ведь при практически идентичном функционале устройств, выбор остается за тем, кто при прочих равных условия обладает меньшей стоимостью.

Технико-экономическое сравнение микропроцессорных блоков РЗА представлены в таблице 2.

Сравниваемые параметры	ЭКРА ШЭ2607 041	БМРЗ-ТД	Сириус-Т3
Количество дискретных входов	48	46	21
Количество дискретных выходов	32	32	12
Количество аналоговых входов по току	12	16	9
Габаритные размеры (ВхШхГ),мм	465х483х448	195х300х312	190х305х215
Масса, кг, не более	22	10	7
Порт Ethernet (TX или FX), шт	2	2	2
Порт RS-485, шт		2	1
Порт PPS, шт	1	1	-
Порт USB, шт	1	1	1
Стоимость, руб	От 512 000	От 350 000	От 210 000

По результатам технико-экономического сравнения выделяется БРМЗ-ТД, так как обладает самой оптимальной стоимостью за представленные характеристики.

Выбор производителя микропроцессорных устройств для модернизации ячеек остается за заказчиком оборудования, но важно понимать, что обслуживание микропроцессорных устройств любого производителя требует соответствующую квалификацию обслуживающего персонала.

В большинстве случаев модернизация релейной защиты на промышленных предприятиях происходит постепенно, в несколько этапов, на каждом из этапов реализуется несколько проектов. Основной проблемой является то, что в рамках реализации различных проектов используется оборудование разных компаний. Для обслуживания оборудования персонал должен освоить программное обеспечение для каждого оборудование, которое в свою очередь тоже отличается функционалом, интерфейсом, а также содержит свое собственное средство для просмотра и анализа осциллограмм.

Данный аспект значительно усложняет обслуживание данных устройств для местного релейного персонала, которому необходимо обучиться обслуживать весь парк устройств релейной защиты.

Список литературы

1. Чернобровов Н.В. Релейная защита энергетических систем / Н.В. Чернобровов. М.: Энергоатомиздат, 1998. 189 с.
2. Руководящие указания по релейной защите. Защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов. М: Энергоатомиздат, 2014. 125 с.
3. Официальный сайт Компании ЭКРА. – URL: https://ekra.ru/ (дата обращения: 11.05.2023)
4. Официальный сайт Компании Мехатроника. – URL: https://mtronics.ru/ (дата обращения: 11.05.2023)
5. Официальный сайт Компании РАДИУС-Автоматика. – URL: https://www.rza.ru/ (дата обращения: 11.05.2023).