4. Предлагаемые решения

4.1. Основной принцип конструирования будущих МУРЗ должен быть, по нашему мнению, такой же, как и у современных персональных компьютеров: сотни разновидностей корпусов, материнской платы, памяти, периферийных устройств десятков различных производителей прекрасно сочетаются друг с другом, являются взаимозаменяемыми, позволяют производить обновление (upgrade) отдельных узлов, оставляя неизменными другие.  Ничего не мешает использованию такого же принципа и для новых МУРЗ. Отдельные функциональные модули, выполненные на жестких печатных платах в едином конструктивном стиле, снабженные втычными разъемами – такой нам видится будущая микропроцессорная защита.

Рис. 9. Специальный металлический шкаф и элементы фильтров для усиленной защиты от внешних электромагнитных полей в широком спектре частот
1 –силовой экранированный кабель; 2 – отсек, экранирующий ввод и разделку силового кабеля; 3 – мощный сетевой фильтр с элементами защиты от перенапряжений; 4 и 5 – внутренняя и внешняя поверхности шкафа; 6 и 9 – прокладки из специальной электропроводной резины; 7 – сигнальный кабель; 8 – специальный высокочастотный фильтр; 10 – стенка шкафа.

Такое же заимствование из области персональных компьютеров следует, по нашему мнению, осуществить и для программного обеспечения: базовый «релейный» прототип WindowsTM  и набор прикладных программ, реализующих функции конкретных видов защит на общей базе – наиболее перспективное, по нашему мнению, направление развития программного обеспечения.

4.2. МУРЗ должны располагаться в специальных металлических шкафах, рис. 9, изготовленных по специальной технологии, обеспечивающей надежную защиту от внешних электромагнитных излучений в широком спектре частот. Такие шкафы выпускаются сегодня многими компаниями, например: R.F. Installations, Inc.; Universal Shielding Corp.; Eldon;  Equipto Electronics Corp.; European EMC Products Ltd;  Amco Engineering, и многими другими. Шкафы должны быть снабжены направляющими для введения печатных плат и соответствующими разъемами для подключения печатных плат. В одном таком шкафу могут быть размещены несколько различных МУРЗ. Поскольку реле защиты занимают очень незначительную часть площади подстанции или станции, то задача ограничения объемов, занимаемых такими шкафами не должна быть превалирующей целью при рассмотрении новых принципов построения защит.  Скорее наоборот. По нашему мнению, плотность монтажа печатных плат, выполненных на обычных  элементах, должна быть уменьшена до уровня, при котором поиск неисправностей и ремонт становится доступным технику средней квалификации. Показатели такого рода, а не упомянутый выше КУФ, должны стать мерилом технического уровня МУРЗ.  

4.3. Установленная мощность элементов, рассеивающих энергию, должна в 4 – 5 раз превышать фактически рассеиваемую мощность. Только в этом случае может быть обеспечена сравнительно низкая температура силовых элементов и их высокий срок службы. Предельные значения токов и напряжений применяемых электронных компонентов должны также выбираться с 4 – 5 кратными запасами. Элементы защиты от перенапряжений (например, варисторы) должны выбираться с достаточно большой рассеиваемой мощность (диаметр диска не менее 20 мм). Длительное допустимое рабочее напряжение этих защитных элементов и напряжение «срабатывания» (clamping voltage) должны быть скоординированы с реальным рабочим напряжением и с максимально допустимым  напряжением применяемых компонентов.

4.4. Функциональные блоки будущих цифровых защит, такие как:

а) миниатюрные реле с позолоченными контактами для слаботочных низковольтных сигнальных цепей;
б) электромагнитные реле промышленного типа с мощными контактами для управления промежуточными электромагнитными реле систем автоматики;
в) быстродействующие полупроводниковые реле на основе тиристоров или IGBT-транзисторов со специальными драйверами с оптической развязкой и с элементами защиты от перенапряжений – для включения отключающей катушки выключателя;

• источники питания;
• микропроцессорные самописцы (регистраторы), для записи аварийных режимов и срабатываний реле и другой коммутационной аппаратуры,

 должны быть выполнены в виде отдельных печатных плат-модулей.

4.5. Блок главного процессора с памятью и со всеми вспомогательными элементами должен быть помещен в отдельный экранированный отсек и быть гальванически изолированным от всех остальных узлов оптическими связями.

4.6. Плата главного процессора, плата связи и передачи данных, плата регистратора аварийных событий выполненные на микрокомпонентах поверхностного монтажа, не должны быть ремонтируемыми. Остальные платы должны быть выполнены на обычных компонентах и должны иметь конструкцию печатной платы, предусматривающую поиск неисправностей и ремонт.   

4.7. Несмотря на появившуюся возможность объединения функции разных видов защит, расположенных в одном шкафу, и реализации их на общем мощном микропроцессоре,  такая возможность, по-нашему мнению, не должна быть реализована в связи с опасностью излишней концентрации многих функций защиты в единственном устройстве.  Вместе с тем, запись аварийных режимов и регистрация срабатывания всех защит, установленных в шкафу могут быть вполне выполнены на общем для всего шкафа микропроцессоре и флэш-памяти. Система связи и передачи данных также может быть общей для всех защит, установленных в шкафу.

4.8. Входные трансформаторы тока и напряжения (блок аналоговых входов) являются высоконадежными элементами МУРЗ и случаи их повреждения в процессе эксплуатации МУРЗ не выявлены. Поэтому они  могут быть рассчитаны по мощности для совместного использования их всеми устройствами МУРЗ, установленными в шкафу. Блок аналоговых входов должен иметь функционально законченную конструкцию, позволяющую изъять целиком весь блок из общей схемы МУРЗ и заменить его блоком принципиально иной конструкции, например, с оптическим входом, предназначенным для получения оптического входного аналогового сигнала с оптических трансформаторов тока и напряжения нового поколения.

4.9. Алюминиевые электролитические конденсаторы источников питания должны быть выделены в отдельный блок (печатную плату). Этот блок  должен заменяться независимо от состояния конденсаторов каждые 5 лет.

4.10. Источник питания должен быть общим на весь шкаф. Этот источник должен содержать два отдельных, независимых блока: основной и резервный, включаемый в работу автоматически при выходе из строя основного. Кроме этого, источник питания должен содержать небольшой герметичный необслуживаемый аккумулятор с зарядным устройством, как это сделано, например, в системах пожарной сигнализации. Весьма перспективно использование вместо такого аккумулятора электролитических конденсаторов большой емкости на напряжение не менее 450 – 500В.  В университете штата Северная Каролина разработаны конденсаторы с накапливаемой энергией в 5 – 7 раз превышающей энергию обычных конденсаторов [8]. Возможно также использование суперконденсаторов, обеспечивающих  питание шкафа релейной защиты в течение небольшого промежутка времени, достаточного для срабатывания защиты при нарушениях в системе централизованного питания [7]. Цепи питания каждого отдельного модуля должны быть развязаны от цепей питания соседнего модуля таким образом, чтобы повреждение в одном из них не сказывалось на работоспособности другого.

4.11. Шкаф релейной защиты должен быть снабжен платой-модулем с быстродействующими высоконадежными электромеханическими элементами, выполненными, например, на герконах или на гибридных геркононо-полупроводниковых элементах. Такие элементы будут обеспечивать быстродействующее срабатывание выходных реле защиты в обход микропроцессора при больших кратностях токов на входах защиты, когда режим определяется однозначно как аварийный и никакая дополнительная обработка входного сигнала для определения режима как аварийного, уже не требуется. Как показано в работах автора [9, 10], простые модули на таких элементах имеют быстродействие (0.8 – 1.5 мс), значительно превышающее быстродействие микропроцессорной защиты (20 – 40 мс).

5. Заключение
Предлагаемые принципы построения  систем релейной защиты позволят повысить ее надежность, гибкость и удобство в использовании. Появится возможность с минимальными затратами производить модернизацию защиты. Если какие-то узлы МУРЗ показали неудовлетворительную работу, то их можно с легкостью заменить на узлы другого производителя. При переходе на новое поколение микропроцессоров не нужно заменять все устройство целиком, включая входные цепи, источники питания, фильтры и т.д. а нужно всего лишь заменить одну – две печатные платы. При переходе на оптические трансформаторы тока и напряжения необходимо будет заменить лишь одну печатную плату аналоговых входов, а не всю защиту, как это нужно было бы делать сегодня. Аналогичным образом можно будет заменять и модернизировать программное обеспечение защиты. Все это приведет к появлению на рынке новых компаний, специализирующихся на выпуске отдельных функциональных блоков и отдельных прикладных программ, усилению конкуренции и, в конечном свете, к стремительному улучшению качества релейной защиты при одновременном снижении ее стоимости.  

Автор отдает себе отчет в том, что рассмотрел далеко не все аспекты проблемы и сформулировал далеко не все принципы конструирования будущих МУРЗ и поэтому приглашает к обсуждению этой темы всех заинтересованных специалистов.

Литература

1. Гуревич В. Как нам обустроить релейную защиту: мнения российских специалистов и взгляд со стороны -  Вести в электроэнергетике, 2007, N 2.
2. Гуревич В. Как не обжечься на микропроцессорных реле защиты. - PRO-электричество, 2006, N 3/19.
3. Гуревич В. Микропроцессорные реле защиты: новые перспективы или новые проблемы? – Электрические сети и системы, 2006 , N 1.
4. Gurevich V. Nonconformance in Electromechanical Output Relays of Microprocessor-Based Protection Devices Under Actual Operating Conditions. - Electrical Engineering & Electromechanics, 2006, No. 1.
5. Gurevich V. Dealing with Problems in Output Relays Used in Microprocessor-Based Protection Devices. – Electricity Today. Transmission and Distribution, Part I, in No. 1 (Vol.19); Part II, in No. 2 (Vol.19), 2007.
6. Gurevich V. Electromagnetic Terrorism: New Hazards. – Electrical Engineering & Electromechanics, 2005, No. 4.
7. Gurevich V. A problem of Power Supply of Microprocessor-Based Protective Relays in Emergency Mode. – Electricity Today. Transmission and Distribution, 2006, No. 8 (Vol. 18).
8. Capacitors hold promise of increase in energy storage capability. RF Design, Jul.25, 2007.
9. Гуревич В. Гибридные герконо-полупроводниковые реле - новое поколение устройств релейной защиты. – Электрические сети и системы, 2007 , N    .
10. Gurevich V. Simple Very High-Speed Overcurrent Protection Relay. – Electrical Engineering & Electromechanics, 2007, No. 1.