Повреждение любого из многочисленных микроэлектронных (и не только!) компонентов этой многослойной платы с неизбежностью приведет к нарушению правильного функционирования МУРЗ, и никакой  watchdog  здесь не поможет, что и подтверждается данными, приведенными в [19].

● Источник питания.  МУРЗ всех типов снабжаются так называемыми импульсными источниками питания, в которых входное напряжение (переменное или постоянное) поступает на выпрямитель и фильтр, после чего прерывается с большой частотой (десятки килогерц) с помощью мощного транзисторного коммутирующего элемента, то есть превращается в переменное высокочастотное. Это высокочастотное напряжение трансформируется с помощью высокочастотного трансформатора в напряжение низкого уровня (чаще всего, 12 В), выпрямляется, фильтруется и стабилизируется. Далее из этого постоянного напряжения формируются более низкие напряжения (5 В, например), необходимые для работы МУРЗ. Микропроцессоры, обычно, весьма чувствительны к уровню питающего напряжения и могут производить непредсказуемые операции при определенном снижении напряжения питания, в связи с чем, в МУРЗ осуществляется постоянный мониторинг уровня напряжения питания ЦП. Как отмечалось выше, микросхемы семейства ADM 691-695  могут быть использованы для непрерывного контроля напряжения питания МУРЗ. Как и в случае со сторожевым таймером, это микросхема производит генерацию сигнала блокирующего работу ЦП при недопустимом снижении напряжения питания. Блокирующий сигнал остается до тех пор, пока напряжение питания не восстановится. Можно ли считать такой контроль уровня напряжения источника питания его самодиагностикой, повышающей надежность его функционирования? Вряд ли, поскольку речь идет о чисто технологической внутренней блокировке, предотвращающей сбои в ЦП. К надежности источника питания такой контроль не имеет никакого отношения. А между тем, именно источники питания МУРЗ являются самым ненадежным узлом МУРЗ. Во-первых, элементы источника питания работают в очень напряженном режиме: они постоянно подвержены воздействию высоких значениях напряжения и тока, рассеивают довольно высокие мощности на своих элементах. Во-вторых, они содержат большое количество алюминиевых электролитических конденсаторов, весьма плохо переносящих воздействие токов высокой частоты, на которой работают источники питания, и часто являющихся причиной полного отказа источника питания (а следовательно, и всего МУРЗ). Ну и чем тут может помочь мониторинг выходного напряжения источника? Разве он может заранее просигнализировать об ухудшении состояния конденсаторов и предотвратить, таким образом, внезапный отказ МУРЗ? 

● Выходные электромагнитные реле.  Как показано в исследованиях, выполненных автором [28, 29], контакты миниатюрных электромеханические реле (обычно используемых во всех типах МУРЗ в качестве выходных элементов, непосредственно управляющих отключающими катушками высоковольтных выключателей или катушками промежуточных реле) работают со значительной перегрузкой. Поэтому надежность этих реле существенно снижена по сравнению с величиной, нормируемой заводом-изготовителем. С другой стороны, в рекламных проспектах МУРЗ различных производителей обязательно отмечается, что исправность таких важных элементов, как выходные реле, непрерывно контролируется средствами самодиагностики МУРЗ. На первый взгляд, весьма трудно представить, как можно проверить исправность электромеханического реле в работающем МУРЗ, если контакты этого реле включены непосредственно в цепь отключающей катушки выключателя. Ну, нельзя проверить исправность контактов реле, ну и ладно. Будем проверять то, что можно проверить, решили производители МУРЗ и стали контролировать … целостность обмотки управления реле, путем пропускания через нее постоянного слабого тока.  Но при чем здесь обмотка, если самым напряженным и ненадежным элементом электромеханического реле является вовсе не обмотка, а контакты?! Да, но ведь и пьяный мужик ведь искал свой бумажник не там, где потерял, а там, где было светлее! Так чем же мы хуже этого мужика, очевидно, решили производители МУРЗ, хотя, наверное, не были пьяны, когда принимали такое решение. Ведь важно было громко заявить потребителю МУРЗ о самодиагностике выходных реле, а то, что такая самодиагностика совершенно неэффективна и ничего не дает, так ведь кто же об этом узнает?

● Узлы цифровых и аналоговых входов. Узел цифровых входов – это набор мощных гасящих резисторов, оптронов, электронных фильтров, мультиплексоров и т.д., смонтированных, обычно, на плате вместе с выходными реле, рис. 8.

Рис. 8. Блоки цифровых входов различной конфигурации МУРЗ типа REL316.

Узел аналоговых входов – это трансформаторы тока и напряжения, смонтированные, как правило, на отдельной плате, рис. 9.
По признанию  [30] эти узлы только частично охвачены самодиагностикой, причем без всяких пояснений того, как именно это сделано, а в  [31] отмечается, что они вовсе не охвачены самодиагностикой. Платы аналоговых и цифровых входов МУРЗ имеют, как правило, несколько различных конфигураций, рис. 8. Тип платы, установленной в данном конкретном МУРЗ должен быть обязательно введен в его память. Для того, чтобы прояснить ситуацию и расставить точки над i, мы заменили плату входов у МУРЗ типа REL316, тип которой записан в его памяти, на плату другого типа (рис. 8) без изменения записи в памяти МУРЗ и включили его. Оказалось, что МУРЗ загружается в нормальный режим работы, совершенно не замечая подмены целой платы. Естественно, что  правильно функционировать он уже не будет.  О какой же самодиагностике исправности внутренних компонентов этих узлов вообще может идти речь в такой ситуации? Как говорится, комментарии излишни.

Рис. 9. Блок аналоговых входов МУРЗ, содержащий входные трансформаторы тока и напряжения.

В заключение этого раздела следует отметить, что вопреки распространенному мнению, внутренняя самодиагностика на самом деле не является средством, предназначенным для снижения интенсивности отказов МУРЗ, то есть повышения его надежности. Целью такой самодиагностики  является блокирование работы МУРЗ и выдача об этом сигнал тревоги до возникновения аварийного режима в сети, а не во время его.

Миф 4. МУРЗ являются существенно более надежными по сравнению с устройствами релейной защиты предыдущего поколения, так как содержат значительно меньшее число элементов и эти элементы значительно меньше подвержены физическому старению. МУРЗ также содержит меньшее количество  внутренних соединений [32].

Тезис о том, что МУРЗ содержит меньшее количество элементов, не выдерживает никакой критики и, по нашему мнению, вообще не требует даже обсуждения, поскольку в действительности количество элементов, из которых состоит МУРЗ на несколько порядков  больше, чем количество элементов, из которых состояли реле защиты предыдущих поколений. Что касается якобы более интенсивного физического старения, элементов реле защиты предыдущего поколения, то этот тезис также не выдерживает критики. Автор этого тезиса сравнивает современные материалы, применяющиеся в МУРЗ с материалами (пропиточными и покровными лаками, пластмассами, изоляционными материалами и электрическими контактами),   разработанными в СССР 50 лет тому назад и проработавшими в реле защиты десятки лет. Как мы уже отмечали выше, старые электромеханические реле западного производства, в которых применялись высококачественные материалы и покрытия, до сих пор успешно работают и прекрасно выглядят.

Рис. 10. Импульсный источник питания типа SPGU240A1, применяемый в МУРЗ различных типов. С10 – конденсатор, изменение параметров которого во времени приводит полной потере работоспособности источника питания.

Кроме того, за последние десятилетия прогресс в области материалов достигнут не меньший, чем прогресс в области микроэлектроники. С другой стороны, не все обстоит так радужно со старением электронных компонентов, широко используемых в МУРЗ. Так, даже высококачественные электролитические конденсаторы японского производства начинают изменять свои параметры через 7 - 10 лет работы в высокочастотных импульсных  источниках питания, применяемых в МУРЗ.
В результате всего лишь изменения параметров одного из таких конденсаторов, рис. 10,  полностью перестают функционировать, например, источники питания типа SPGU240A1, применяемые в МУРЗ типов SPAC, SPAD, SPAU, SPAJ.

Рис. 11. Разрушение медных дорожек печатной платы, проходящих под конденсаторами из-за просочившегося электролита.

В других случаях имеет место разрушение не только электронных компонентов, но даже растворение участков медных дорожек под действием вытекшего из конденсаторов электролита, рис. 11. 
Еще одной проблемой является стремление производителей к миниатюризации МУРЗ любой ценой, что приводит к использованию в МУРЗ электронных элементов, работающих с перегрузкой и рассеивающих повышенное количество тепла, что отнюдь не способствует повышению их надежности и уменьшению старения. Особенно актуальна эта проблема для цепей цифровых входов, на которые подается напряжение до 250 В [33].
Многослойные печатные платы МУРЗ предполагают огромное количество контактных переходов (перемычек) между слоями. Из личной практики автора известны случаи неправильных действий МУРЗ вследствие возрастания переходного сопротивления этих переходов.
Конструкция многих типов МУРЗ предполагает наличие материнской печатной  платы с многоконтактными разъемами и функциональных печатных плат с ответными разъемами, сочленяемыми с материнской платой. Вместо материнской платы иногда используются гибкие многожильные шины с многочисленными контактными   разъемами, соединяющими между собой отдельные печатные платы. Далеко не всегда все эти контактные соединения обеспечивают надежную передачу низкоуровневых слаботочных сигналов между платами. Во всяком случае, вопреки распространенному мифу, МУРЗ содержит намного больше всевозможных  контактных соединений, чем реле предыдущих поколений.

Еще один класс проблем, о котором предпочитают не вспоминать. В свете повышенной чувствительности современной микроэлектроники к электромагнитным излучениям, особенно актуальной для МУРЗ становится проблема электромагнитной совместимости (ЭМС). Многие специалисты обращают внимание на частое несоответствие реальных параметров систем заземления на подстанциях требованиям, предъявляемым МУРЗ  [34, 35] и, как следствие этого, на отказы в работе МУРЗ. Но мало что известно специалистам в области релейной защиты о проблеме электромагнитного терроризма, то есть преднамеренных воздействия на устройства релейной защиты мощных электромагнитных излучений [36], а также о проблеме хакерских атак (Cyber Security) [37]. Эти проблемы были неизвестны ранее в релейной защите и стали актуальными лишь в связи с применение МУРЗ, поскольку их чувствительность к электромагнитным помехам в 10000 раз выше, чем у электромеханических реле [34] и они имеют встроенное программное обеспечение, также подверженное внешним воздействиям. А если, в дополнение ко всему вышесказанному, принять во внимание, что один МУРЗ выполняет функции 3 – 5 ЭМЗ, то положение с надежностью МУРЗ усугубляется еще больше, так как отказ одного из общих элементов МУРЗ эквивалентен по своим последствиям одновременному отказу сразу нескольких  видов защиты. В связи с этим в [38] даже предлагается при переходе на МУРЗ предусматривать дополнительную независимую, простую, недорогую, не микропроцессорную резервную защиту на случай чрезвычайных ситуаций. Как говорится,  «приехали»…

Заключение

Литература: