CC BY
16Перспективы применения гибридной технологии
в релейной защите и автоматике
Владимир ГУРЕВИЧ
В 70—80 годах прошлого столетия электромеханические устройства релейной защиты (ЭМРЗ) западного производства (General Electric, ASEA, BBC) достигли высокого уровня [1]: они были способны выполнять весьма сложные функции и работать по сложному алгоритму, полностью обеспечивая потребности развитой электроэнергетики. Стоимость сложных ЭМРЗ доходила до нескольких десятков тысяч долларов, что было связано с ручным производством множества высокоточных деталей, ручной сборкой и ручной регулировкой готовых изделий. Стремление производителей снизить затраты на производство реле защиты привело их в 1970-х годах сначала к полупроводниковым реле, собранным из дешевых компонентов на печатной плате, а затем, в 1980-х годах, и к микропроцессорным реле с полной автоматизацией процесса сборки и проверки отдельных печатных плат, из которых и состоит современное микропроцессорное устройство релейной защиты (МУРЗ) [2].
Полупроводниковые реле защиты, собранные на дискретных электронных компонентах, полностью повторяли функции электромеханических реле, не внося никаких принципиально новых функций в релейную защиту.
Первые микропроцессорные реле тоже повторяли функции электромеханических защит, причем лишь самых простых. Это объясняется тем, что в то время перспективы применения микропроцессорной техники в релейной защите были еще туманны и основным стимулом к поиску альтернативы электромеханическим защитам было снижение затрат ручного труда в процессе производства. Типичным примером конструкций того времени является микропроцессорное реле типа RXIDK-2H и его полный транзисторный аналог — КХГОБ-2Н (рис. 1).
Рис. 1. Два токовых реле с зависимой выдержкой времени, одинаковыми техническими параметрами, характеристиками и размерами, произведенные одной и той же компанией (АВВ):
а) статическое полупроводниковое типа RXIDF-2H;
б) микропроцессорное RXIDK-2H:
1 — входной трансформатор тока;
2 — выходные электромагнитные реле;
3 — специализированный микропроцессор
В настоящее время МУРЗ достигли высокого уровня развития, тем не менее за прошедшие десятилетия никакой революции в области релейной защиты не произошло. Ни основные функции релейной защиты, ни ее принципы, выработанные в течение столетия, так и не изменились. Улучшились лишь характеристики реле защиты за счет логических и вычислительных способностей микропроцессоров.
Процесс перехода от электромеханических устройств защиты к микропроцессорным в одних странах начался раньше и идет более интенсивными темпами, в других — начался позднее и идет медленнее, поэтому процент МУРЗ в энергосистемах разных стран существенно различается (от 10 до 70%). Однако во всем мире современные тенденции развития релейной защиты характеризуются повсеместным вытеснением электромеханических устройств релейной защиты и автоматики микропроцессорными. Связано это с множеством причин, основная из которых — это возможность полной автоматизации процесса производства и испытаний реле и получения сверхприбыли. (Стоимость современных МУРЗ производства ведущих западных компаний осталась на уровне ЭМРЗ: $3000-10 000, при очень небольших затратах ручного труда.)
С ростом количества применяемых МУРЗ и по мере их старения (некоторые типы МУРЗ находятся в эксплуатации уже 15-20 лет) стали проявляться многочисленные проблемы, связанные с их недостаточной надежностью [2]. Особая проблема возникла в последние годы в связи с развитием компьютерных и сетевых технологий (концепция Smart Grid [3]), а также технологий преднамеренных деструктивных электромагнитных воздействий на электронную аппаратуру [4]. В военных лабораториях всех развитых стран мира сегодня интенсивно разрабатываются методы разрушающего воздействия на электронную аппаратуру энергосистем с помощью компьютерных вирусов [5] и мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) [6]. Чем больше микропроцессорных устройств и систем используется в энергосистеме, тем она более уязвима к этим воздействиям. Таким образом, получается, что современные тенденции развития энергетики, в частности концепция Smart Grid, направлены в сторону увеличения ее уязвимости. Это неприятное последствие технического прогрес-
Таблица 1. Параметры современных малогабаритных тиристоров, предназначенных для монтажа на печатной плате
Параметр/Тип тиристора 3(Л^12 25Ш12 7(Л^16 CS 60-16ю1 BTW69-1200 CS 29-12ю1С
Тип корпуса ТО-247АС Т0-220АС SUPER-247 Р1^247 Т0Р3 220
Максимальное напряжение, В 1200 1200 1600 1600 1200 1200
Максимальный ток, А 30 25 70 75 50 35
Импульсный ток, А 300 300 1200 1500 580 200
Л/т, В/мкс 500 500 500 1000 1000 1000
^/т, А/мкс 150 150 150 150 50 150
Ток утечки, мА (для t = 25 °С) 0,5 0,5 1 0,2 5 2
Ток удержания, мА 100 150 200 200 150 50
Время включения, мкс 0,9 0,9 - 2 - 2
Таблица 2. Параметры современных мощных высоковольтных ЮВТ-транзисторов
Параметр/Тип транзистора №К35Ш20ДШ APT35GN120N FGA25N120ANTD №Н25Ш60 FGA50N100BNTD
Тип корпуса Т0-246АА ТО-247 Т0-3Р Т0-247 Т0-3Р
Напряжение коллектор-эмиттер, В 1200 1200 1200 1600 1000
Длительный ток коллектора, А 35 94 25 75 50
Импульсный ток коллектора, А 140 105 90 200 100
Рассеиваемая мощность, Вт 300 379 312 300 156
Напряжение насыщения, В 4 2,5-4,7 2,15 2,5-4,7 2
Время включения, нс 80 24 50 47 140
Время выключения, нс 900 300 190 86 630
Таблица 3. Параметры быстродействующих вакуумных высоковольтных герконов
Параметр/Тип геркона MRA5650G ^К-Ш5 НУ1?2016 НУ1?1559 MARR-5 ^К-Ш5
Тип контакта N0 N0 N0 N0 N0 N0
Коммутируемое напряжение, В 1000 1000 1000 1500 1000 1000
Коммутируемый ток, А 1 0,5 1 0,5 0,5 1
Коммутируемая мощность, Вт 100 10 25 10 10 100
Пробивное напряжение, В 1500 1500 2500 1500 2000 4000
Время замыкания, мс 0,6 0,5 0,8 0,4 0,75 1
Время размыкания, мс 0,05 0,1 0,3 0,2 0,3 0,1
Размеры, мм D = 2,75 1_ = 21 D = 2,3 1_ =14,2 D = 2,6 1_ = 21 D = 2,3 1_ =14,2 D = 2,66 1_ = 19,7 D = 2,75 1_ = 21
Чувствительность, ампервитков 20-60 15-40 15-70 15-50 17-38 20-60
Рис. 2. Дистанционная защита линий, выполненная на МУРЗ типа МЮ0М Р437 (внизу) и электромеханических реле типа LZ-31 (вверху), включенных на параллельную работу
са уже начинают замечать специалисты [7], предлагающие для повышения устойчивости энергосистем к указанным выше воздействиям резервировать МУРЗ электромеханическими реле (значительно более устойчивыми к этим воздействиям), например за счет введения двухуровневой РЗА.
Согласно предложению Б. Д. Щедрикова, первый уровень РЗА должен быть образован МУРЗ, а второй — электромеханическими реле тока типа РТ-40 и реле времени типа РВМ-12. Оба комплекта реле (МУРЗ и электромеханика) включены на параллельную работу, причем время срабатывания электромеханической защиты выбрано на 0,1 с больше времени срабатывания МУРЗ. По мнению автора предложения, электромеханика должна подстраховать МУРЗ в случае ее несрабатывания при аварийном режиме (то есть фактически таким включением реализуется логическая функция «ИЛИ»). Следует заметить, что включение МУРЗ и электромеханики на параллельную работу не является чем-то новым и давно используется на практике (рис. 2) [8].
Однако при таком включении не решена проблема ложных срабатываний МУРЗ при воздействии на них ЭМИ, которые могут привести к не менее серьезным проблемам в энергосистеме, чем несрабатывание. В другой работе тот же автор предлагает вместо параллельного включения электромеханики и МУРЗ использовать их включение таким образом, чтобы электромеханическое реле типа КРБ-126 давало разрешение на выполнение операции включения отключающей катушки выключателя микропроцессорным реле (то есть, по сути дела, в этом случае реализуется логическая функция «И»). Такое включение обеспечивает, конечно, гораздо лучшую устойчивость РЗ к ЭМИ, однако
снижает общую надежность РЗА (это неизбежная цена за повышение устойчивости защиты к ЭМИ). Кроме того, производство электромеханических реле неуклонно сокращается, а в странах Запада уже прекращено. ЭМРЗ, производство которых еще «теплится» на ЧЭАЗ, давно морально устарели и являются техникой даже не вчерашнего, а позавчерашнего дня.
Кроме того, проблемы производства ЭМРЗ (большие затраты ручного труда, низкая рентабельность) ведь никуда не делись. В этой связи использование гибридных (герконо-полупроводниковых) реле защиты, выполненных на современных компонентах и не требующих ручного труда в тех объемах, которые требовались при производстве электромеханики, представляется гораздо более перспективным направлением создания специальных и резервных защит, чем традиционные ЭМРЗ.
Принцип повышения устойчивости МУРЗ к мощным ЭМИ путем использования герметичных магнитоуправляемых электромеханических элементов — герконов, разрешающих действие МУРЗ, был предложен нами в [9] за 15 лет до публикации предложения о двухуровневой РЗ, а идея о необходимости создания гибридного (герконо-полупроводникового) устройства РЗ была предложена нами почти 20 лет тому назад
[10], сразу же, как только возникли первые сомнения относительно помехоустойчивости МУРЗ. Причем уже тогда речь шла об использовании современных герконов, а не устаревших электромеханических реле [11-14]. Сегодня, с созданием новой элементной базы (миниатюрные высоковольтные вакуумные и газонаполненные герконы с электрической прочностью изоляции до 4 кВ, мощные герконы с большими коммутируемыми токами), а также небольших по размерам транзисторов и тиристоров с рабочим напряжением 1200-1800 В и коммутируемыми токами в десятки ампер появились, естественно, и новые возможности по созданию гибридных реле (в качестве самостоятельных реле защиты или пусковых органов для МУРЗ) (табл. 1-3).
Особенности современных герконов — высокая надежность (при соблюдении нормируемых ограничений по току и напряжению), высокое быстродействие (доли и единицы миллисекунд), отличная защита от пыли и влаги, отсутствие необходимости зачистки и регулировки в процессе эксплуатации, малые размеры, полная гальваническая развязка цепи управления (катушка) от выходной цепи (контактов) и возможность очень простыми средствами получить высоковольтную изоляцию между цепью управления и выходной цепью.
Вольфрамовый контакт
Ферромагнитные элементы с серебряным покрытием
Неподвижная
контактная
пружина
Точка изгиба
подвижного
контакта
Инертный Концы газ подвижной
и неподвижной 28,5 частей
MARR-5
V
Герметичный стеклянный баллон
17,4
:zzr.
19,7
н
и
Рис. 3. Современные герконы, рекомендуемые для использования в новых реле:
а) силовой газонаполненный геркон типа R15U (Yaskawa) с двумя стадиями коммутации;
б) миниатюрный быстродействующий вакуумный геркон типа MARR-5 (Hamlin Inc.)
Японская компания Yaskawa выпускает серию небольших по размерам мощных силовых герконов, с коммутируемым током до 5 А при напряжении 250 В (рис. 3).
При использовании герконов следует всегда принимать во внимание, что их высокая надежность гарантируется только при соблюдении ограничений коммутационной способности, оговоренных в технической документации. Так же как и полупроводниковые приборы, герконы быстро выходят из строя даже при кратковременном превышении разрешенных параметров коммутации.
Вместе с тем современные герконы, хотя и являются электромеханическими элементами, по своей надежности и количеству коммутационных циклов приближаются к полупроводниковым элементам, а по ряду показателей, например устойчивость к помехам и импульсным перенапряжениям, значительно превосходят их. Особые качества реле на основе герконов, не свойственные обычным электромеханическим реле (высокое быстродействие, четкий и стабильный порог срабатывания, высокий коэффициент возврата на переменном токе и др. [1]), позволили создать на их основе целый ряд устройств защиты и автоматики для промышленности, энергетики и военной техники [14-16]. Гибридным герконо-полупроводниковым устройствам посвящено несколько монографий автора [15-17], в которых описаны десятки устройств этого нового перспективного направления.
+230 В с Отключающая [ катушка выключателя
Промежуточное реле
Герконовое реле с регулируемым порогом срабатывания
HbEzStc
j'VYY^
-230 В
Конкретным примером гибридного реле защиты может служить быстродействующее реле токовой отсечки, специально разработанное нами для делительной автоматики сети (рис. 4) [14]. Это очень простое устройство, содержащее минимальное количество элементов, выбранных с большими запасами по напряжению. Так, например, тиристор рассчитан на напряжение 1200 В, а миниатюрный вакуумный геркон — на 2000 В. Изоляция между входной катушкой и герконом выдерживает напряжение в 5 кВ, которое может быть при необходимости увеличено.
Не только простейшие функции РЗА, но и более сложные алгоритмы могут быть реализованы на этой элементной базе, например, реле с зависимой выдержкой времени, реле дифференциальной защиты, реле направления мощности, реле, реагирующие на короткое замыкание и не реагирующие на увеличение тока нагрузки и др. [13].
Особенности герконов позволяют использовать их и для создания специальных типов защиты, которые не могут быть реализованы на традиционной элементной базе — ни электромеханической, ни микропроцессорной, например для защиты мощных силовых трансформаторов от индуцированного геомагнитного тока [18]. В этом реле, предназначенном для защиты силовых трансформаторов от геомагнитных токов в земле, наведенные мощной солнечной бурей или компонентом Е3 высотного ядерного взрыва [6], нельзя использовать устройства, выполненные на микроэлектронных компонентах, чувствительных к электромагнитному импульсу. Идеальным решением проблемы является использование гибридной герконо-полупроводниковой технологии, базирующейся на дискретных высоковольтных элементах [18], устойчивых к электромагнитным помехам и импульсным перенапряжениям (рис. 5).
На рис. 5а показан принцип действия реле, чувствительного к постоянной составляющей тока в нейтрали силового трансформатора (наведенный геомагнитный ток) и не чувствительного к переменному току в нейтрали силового трансформатора, изменяющемуся в широких пределах. Реле состоит из геркона RS с обмоткой, размещенного на кабеле, соединяющем нейтраль трансформатора с точкой заземления, перпендикулярно к оси кабеля, и обычного тороидального трансформатора тока СТ, установленного на этом кабеле. При отсутствии постоянной составляющей в токе нейтрали магнитное поле кабеля, воздействующее непосредственно на геркон, полностью компенсируется магнитным полем катушки, надетой на геркон, питающейся от трансформатора тока. Изменение переменного тока, протекающего в нейтрали, приводит к пропорциональному изменению обоих магнитных полей, воздействующих на геркон, и к их взаимной компенсации. В случае появления значительной постоянной составляющей в токе нейтрали (более 10-15 А) баланс магнитных полей, воздействующих на геркон, нарушается:
Рис. 4. Быстродействующее гибридное реле токовой отсечки со встроенным промежуточным сигнальным реле на герконе
Рис. 5. Реле защиты силового трансформатора
от низкочастотного индуцированного геомагнитного тока в цепи нейтрали
магнитное поле кабеля по-прежнему воздействует на него, а компенсирующее магнитное поле катушки, запитанной от трансформатора тока, нет, поскольку постоянная составляющая тока не проходит через трансформатор тока. В результате геркон срабатывает.
Реальная схема реле включает дополнительно усилитель мощности на тиристоре VS, варистор RU и цепочку R1C1, защищающие тиристор от помех и перенапряжений (рис. 5б). Реле снабжено сплошным электростатическим экраном и ферромагнитным экраном, имеющим окно лишь со стороны кабеля в месте расположения геркона. Реле соединено с цепью отключающей катушки выключателя СВ посредством специального экранированного кабеля с витыми парами и многослойным комбинированным экраном, заземленным с двух концов [3], устойчивым к воздействию электромагнитного импульса [2]. В реле могут использоваться миниатюрные высоковольтные вакуумные герконы, например типа KSK-1A85 (производства компании Meder Electronics), с электрической прочностью изоляции между контактами 4000 В (табл. 3). При необходимости увеличения чувствительности могут быть использованы дополнительные ферромагнитные элементы (концентраторы магнитного поля), расположенные в области геркона (рис. 5в).
Для получения реле с более низкой чувствительностью и более высоким порогом срабатывания продольная ось геркона должна образовывать угол, отличный от 90°, с осью кабеля, на котором он установлен. Тиристор тоже миниатюрный, высоковольтный, типа SKT50/18E (производства компании Semikron), с максимальным напряжением 1800 В и максимальным длительным током 75 А, выдерживающий высокие скорости нарастания напряжения (1000 В/мкс) и широкий диапазон рабочих температур (-40.. . + 130 °C). Цепь питания отключающей катушки снабжена накопительным конденсатором С3, обеспечивающим срабатывание выключателя даже при пропадании оперативного напряжения. Цепочка R2C2 предназначена для допол-
нительного повышения помехоустойчивости устройства. Конденсатор С2 обеспечивает некоторую задержку включения тиристора, предотвращая его отпирание под действием мощной импульсной помехи.
Применение в этом реле дискретных высоковольтных компонентов вместо традиционной микроэлектроники позволяет обеспечить его высокую надежность в условиях воздействия мощных электромагнитных помех и перенапряжений, характерных для солнечных бурь и электромагнитного импульса.
Заключение
Еще раз подчеркнем, что описанная в статье технология предназначена для использования не вместо МУРЗ, а вместо ЭМРЗ; в тех случаях, когда использование МУРЗ экономически или технически не оправдано; в качестве резервной защиты; в качестве пусковых органов для МУРЗ, а также в специальных случаях, когда использование микроэлектроники недопустимо.
Описанная технология уже прошла «проверку временем». Разработанное автором гибридное реле тока «Квазитрон-2» [12] с выносными датчиками на герконах вошло в состав «Панелей защитных крановых» типов ПЗКМ-160, ПКЗМ-250, ПКЗМ-400, выпускаемых по ТУ 16-92X1-621.001.
Литература
1. Гуревич В. И. Электрические реле. Устройство, принцип действия и применения. Настольная книга электротехника. Серия «Компоненты и технологии». М.: Солон-Пресс, 2011.
2. Гуревич В. И. Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы. Учебно-практическое пособие. М.: Инфра-Инженерия, 2011.
3. Гуревич В. И. Интеллектуальные сети — новые перспективы или новые проблемы? // Электротехнический рынок. 2010. № 6. 2011. № 1-2.
4. Гуревич В. И. Проблема электромагнитных воздействий на микропроцессорные устройства ре-
лейной защиты // Компоненты и технологии. 2010. № 2-4.
5. Гуревич В. И. Кибероружие против энергетики // PRO Электричество. 2011. № 1.
6. Гуревич В. И. Проблема устойчивости микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики к преднамеренным деструктивным электромагнитным воздействиям // Компоненты и технологии. 2011. № 4. 2011. № 5.
7. Щедриков Б. Д. Электромеханические устройства релейной защиты и автоматики в энергетике: настоящее и будущее // Релейная защита и автоматизация. 2010. № 1.
8. Гуревич В. И. О некоторых путях решения проблемы электромагнитной совместимости релейной защиты в электроэнергетике // Промышленная энергетика. 1996. № 3.
9. Гуревич В. И. Принципы повышения помехоустойчивости статических реле тока // Энергетика и электрификация. 1992. № 2.
10. Гуревич В. И. Пути повышения электромагнитной совместимости релейной защиты в электроэнергетике // Промышленная энергетика. 1995. № 2.
11. Гуревич В. И. О развитии средств релейной защиты электрических сетей // Энергетическое строительство. 1994. № 1.
12. Гуревич В. И. Универсальные защитные реле максимального тока нового поколения // Электротехника. 1994. № 1.
13. Гуревич В. И. Гибридные герконо-полупровод-никовые устройства — новое поколение реле защиты // Проблемы энергетики. 2007. № 9-10.
14. Гуревич В. И. Высокостабильное герконо-полупроводниковое реле тока с повышенным быстродействием // Энерго-Инфо. 2007. № 2.
15. Гуревич В. И. Высоковольтные устройства автоматики на герконах. Хайфа, 2000.
16. Gurevich V. Protection Devices and Systems for High-Voltage Applications. New York — Basel: Marcel Dekker Inc., 2003.
17. Gurevich V. Electronic Devices on Discrete Components for Industrial and Power Engineering // CRC Press (Taylor & Francis Group), 2008.
18. Гуревич В. И. Силовые трансформаторы тоже подвержены влиянию Солнца // Электротехнический рынок. 2011. № 5.
