Микропроцессорная защита электроустановок

Устройства защиты, выполненные на базе электромеханических реле или с использованием полупроводниковых элементов и аналоговых интегральных микросхем, еще долго будут находить применение, особенно для алгоритмов простых повреждений. Им на смену приходят микропроцессорные устройства. Они имеют электронные входные и выходные цепи, а функции измерительных реле и логическая часть защиты реализуются программно. Можно сказать, что релейная защита построена на виртуальных реле. Такие защиты отличает высокий уровень унификации элементов, гибкость, возможность реализации сложных алгоритмов выявления повреждений, развитая система функционального контроля, уменьшение расходов на обслуживание, не требуют мощных трансформаторов тока и напряжения.

Выделяются основные принципы микропроцессорной системы защиты с цифровой обработкой информации [23]: неявное резервирование, унификация, модульность, функциональная децентрализация, специализация обработки информации, единство информационной базы, комплектность, гибкость. Возникновение неисправностей в аппаратной и программной частях предотвращаются путем перераспределения задач между элементами системы в полном объеме или с потерей некоторых второстепенных функций. Вероятность отказа системы в целом снижается. Центральным элементом таких устройств является микропроцессор – однокристалльная ЭВМ с оперативным и постоянным запоминающими устройствами, таймером и устройствами ввода-вывода.

Информационное обеспечение системы основано на параметрах входных сигналов: амплитуды, фазовые сдвиги и частота, а также их интегральные значения. Помехи, вызванные переходными процессами и сопровождающиеся появлением апериодических и гармонических составляющих, обусловливают погрешности, снижаемые предварительной фильтрацией входных токов и напряжений. В результате синусоидальный сигнал содержит информацию об основной гармонике входной величины. Наиболее широко используется цифровая обработка отсчетов мгновенных значений синусоидальных сигналов и их ортогональных составляющих.

В цифровых системах применяют определение амплитуд и фаз синусоидальных сигналов с использованием ортогональных составляющих, для получения которых используют метод Фурье и его модификации. Метод обеспечивает полное подавление во входном сигнале постоянной составляющей и гармоник с частотами, кратными ω_о при заданном ∆t.

Принципиальную возможность для определения информационных параметров входных сигналов обеспечивает времяимпульсный метод, основанный на замене синусоидального процесса последовательностью импульсов прямоугольной формы. Их длительности содержат информацию об амплитудах, частоте и фазовых сдвигах сигналов.

Формирование ортогональных составляющих входных сигналов в измерительных органах микропроцессорных защит обеспечивается в аналоговом, цифровом или смешанном видах с помощью формирователей. Аналоговые, усложняющие эту часть и не исключающие фазочастотные погрешности преобразования, используют активные фазоповоротные элементы с фазочастотными характеристиками, смещенными на угол π/2. При цифровой обработке ортогональные составляющие, если сигнал синусоидальный, могут быть получены по его мгновенным значениям, зафиксированным с интервалом Т/4, где Т – период сигнала.

Определение информационных параметров входных сигналов (вторичные токи и напряжения) в измерительных органах микропроцессорных защит на основе цифровой обработки отсчетов мгновенных значений, позволяет выяснить величины, называемые контролируемыми. В настоящее время все новые и реконструируемые энергообъекты стремительно оснащаются микропроцессорными устройствами релейной защиты и автоматики. Серийно выпускаются устройства типа «Сириус», SPAC (ABB) и др. Они выполняют функции защит линий 6-10 кВ, электродвигателей напряжением выше 1 кВ и др. [3]. Интересным представляется курс на создание так называемой «цифровой подстанции» (например, [13, 14, 15]).

В концепции «цифровой подстанции» между датчиками, устройством релейной защиты и выключателем стандартами МЭК 61850 вводится «посредник», весьма сложное устройство «общего пользования» – «шина процесса», локальная вычислительная сеть, – виртуальная структура связи «каждый с каждым», что несколько маскирует сильную связность системы релейной защиты и автоматики подстанции.

Команда на отключение выключателя от устройства защиты (простейшее сообщение в один бит информации) по стандартам МЭК 61850 сопровождается адресами отправителя и получателя, с привязкой к единому времени, и «срочно» посылается через «посредника» не выключателю, а его «поверенному» – «интеллектуальному электронному устройству». Это устройство должно в общем потоке информации обнаружить команду, принять и передать ее выключателю. Малейшая ошибка при проектировании, конфигурировании, задержка или сбой при передаче – и происходит отказ в отключении короткого замыкания или, в лучшем случае, задержка отключения.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое релейная защита и каким требованиям она должна удовлетворять?

2. Какие основные конструктивные особенности максимально токовых реле?

3. Назовите виды защитных характеристик реле?

4. Что такое оперативный ток и каковы его источники?

5. Какие принципиальные схемы релейных защит Вы знаете?

6. Что такое селективность защиты?

7. От каких аварийных режимов защищают электродвигатель напряжением выше 1 кВ?

8. Каким образом защищают электродвигатель напряжением до 1 кВ?