Философия релейной защиты

 

Автор

Гуревич Владимир, к.т.н., почетный профессор, центральная лаборатория Электрической компании Израиля

 

    Философия с греческого языка дословно переводится как «любовь к мудрости». Википедия определяет философию как науку, изучающую наиболее общие существенные характеристики и фундаментальные принципы реальности и познания, всеобщие законы развития мира и общества, нравственные категории и ценности. Краеугольным камнем философского мышления являются логика и критический анализ, применимые в каждой сфере жизнедеятельности, в том числе в электроэнергетике. А можно ли с помощью этих категорий «разложить» алгоритм работы электрической цепи с релейной защитой? Оказывается, что можно, но подобный анализ приводит к парадоксальным выводам.
    Жизнь современного человека тесно связана с использованием сложных и разветвленных систем, таких как сотовая связь, телевидение, радио, электрические системы и т.д. Их можно представить в виде так называемой потребительской цепи с последовательно соединенными звеньями. Последним компонентом этой цепи является некий аппарат (терминал) — телефон, телевизор, радиоприемник, холодильник, стиральная машина и др. Стремление улучшить терминал, с которым, собственно, и имеет дело конечный потребитель, сделать его «золотым», даже если все остальные элементы цепи по своему качеству весьма далеки от совершенства, вполне понятно и оправданно. Скажем, броский дизайн телевизора, удобство пользования, особые функции (например, способность записывать и воспроизводить передачи по заранее заданной программе, проигрывать компакт-диски; виртуальное разделение экрана на основной и вспомогательные, которые отображают несколько каналов одновременно и т.д.) придают этому устройству самостоятельную ценность в глазах потребителя, несмотря на то что оно всего лишь «закрывает» длинную цепь, называемую телевидением. Совсем не факт, что остальные составляющие такой цепи, например качество телепередач или трансляции, столь же безупречны, как конечный продукт. Однако это не мешает состоятельному потребителю вкладывать средства в дорогостоящую аппаратуру и не лишает менее обеспеченного человека желания и стимулов к ее приобретению. Таким образом, конечное звено в самых распространенных потребительских цепях обладает особым статусом, в связи с чем к нему предъявляются и особые требования со стороны пользователей и производителей. Однако каким бы качественным и «золотым» ни было это последнее звено, оно не в состоянии нарушить целостность и надежность всей цепи. Действительно, выход из строя приборов в одной комнате никак не влияет на их работу в соседнем помещении или квартире.
    Еще одна характерная особенность конечного звена рассмотренных потребительских цепей — преобладание функциональности и дизайна над надежностью и долговечностью. Это обусловлено современными тенденциями, когда причиной замены одного продукта другим является не столько его поломка, сколько моральное старение и появление на рынке изделий с более широкими возможностями и лучшим дизайном.
    А теперь обратимся к устройствам релейной защиты (РЗ) — важнейшему компоненту потребительской цепи электроснабжения, включающей в себя такие звенья, как производство, передача, распределение электроэнергии. Где же место РЗ в этой последовательности? Оказывается, его там просто нет — РЗ не участвует в поддержании нормального режима в цепи электроснабжения и не влияет на ее работу. От РЗ не зависит ни объем генерации, ни пропускная способность линий электропередачи, ни процесс распределения электроэнергии. Реле защиты можно даже физически отсоединить, и это никак не скажется на функциональности цепи электроснабжения. Что же такое релейная защита и какова ее роль в данной цепи? Чисто визуально РЗ можно представить в виде отдельных вспомогательных элементов, расположенных в местах соединения основных звеньев цепи электроснабжения — производства, передачи, распределения электроэнергии (см. рисунок).
    Функционально эти «узлы» образованы высоковольтными выключателями, состояние которых определяется релейной защитой. Не являясь последовательным звеном цепи электроснабжения, РЗ тем не менее воздействует на соединительные элементы (выключатели) цепи и может разорвать связи между всеми ее компонентами. Это фундаментальное отличие РЗ от других звеньев в потребительских цепях.
    Но если РЗ не принимает участия в обеспечении нормального режима цепи электроснабжения, то, может быть, оно влияет на работу в аварийном режиме? Распространено мнение о том, что подобное влияние заключается в предотвращении аварийных режимов в цепи электроснабжения. Но так ли это? Для ответа на этот вопрос нужно сначала понять, что такое релейная защита и каковы ее функции. Обратимся к публикации [1], в которой четко сформулированы понятия «реле защиты» и «релейная защита».
    Реле защиты — устройство, предназначенное для выявления аварийного режима работы защищаемого объекта и выдачи команды на исполнительный элемент, обеспечивающий прекращение этого режима.
    Система релейной защиты — совокупность взаимосвязанных устройств, обеспечивающих выявление аварийного режима работы электрооборудования и его прекращение.
    Из этих определений следует, что вопреки указанному мнению РЗ не способно предотвратить самопроизвольно возникший аварийный режим в цепи электроснабжения, а может лишь ограничить масштабы его воздействия на цепь во времени и пространстве, т.е. снизить мате-риальный ущерб от аварии, и не более того.
    Все вышесказанное относится к исправному реле защиты. Но ведь РЗ, как и любое другое сложное техническое устройство, может выйти из строя. При этом возникает совершенно новая ситуация, в которой неисправное реле в результате так называемого излишнего срабатывания может подать ложную команду на отключение выключателя (на разрыв связей между звеньями цепи) и тем самым искусственно прервать нормальное функционирование цепи электроснабжения, т.е. спровоцировать ее переход в аварийный режим с отключением тысяч потребителей и нанесением большого ущерба. Отсюда следует парадоксальный на первый взгляд вывод о том, что реле защиты не может предотвратить аварийный режим работы цепи электроснабжения, но способно его вызвать.
    В последнее время в области релейной защиты происходят серьезные качественные изменения. Однофункциональные электромеханические реле (ЭМ) сменяются многофункциональными микропроцессорными устройствами РЗ (МУРЗ) с улучшенными характеристиками и свободно программируемой логикой. Как же влияет совершенство характеристик и расширение функциональных возможностей новых реле защиты на работу цепи электроснабжения? Как уже было отмечено, в нормальном режиме — никак. При возникновении аварийного режима в цепи МУРЗ за счет более совершенных характеристик способны эффективнее, чем ЭМ, ограничить масштабы его воздействия во времени и пространстве и уменьшить материальный ущерб от аварии.
    В то же время известно [2], что МУРЗ менее надежны, чем ЭМ (имеются в виду лучшие образцы ЭМ ведущих западных компаний-производителей, а не крайне изношенные и покрытые коррозией реле типа РТ-40 или РТ-80, отработавшие по 30—40 лет); их срок службы не превышает 15—20 лет; они значительно больше подвержены деструктивным внешним влияниям, таким как кибератаки или преднамеренные электромагнитные воздействия. Концентрация большого количества функций в одном терминале, наличие в МУРЗ дополнительных и не свойственных РЗ функций, ошибки персонала при свободном программировании логики — все это еще заметнее снижает надежность РЗ, растет вероятность неправильных действий, другими словами, таких воздействий на цепь электроснабжения, которые приводят к нарушению ее нормальной работы (возникновению аварийного режима).
    Таким образом, переход от ЭМ к МУРЗ хотя и способствует некоторому уменьшению материального ущерба от самопроизвольных аварий в цепи электроснабжения, одновременно приводит к увеличению их количества (за счет добавочных аварий, вызванных неправильными действиями самой РЗ) в этой цепи. В подтверждение этого тезиса приведем цитату из [3], наглядно иллюстрирующую общую картину: «Традиционная электромеханическая релейная защита, как, впрочем, и все отечественное низковольтное оборудование, надежна и долго служит, что вполне соответствует основному принципу известной австрийской фирмы Пауля Герца: все электротехническое оборудование должно работать не менее 50 лет. Достаточно сказать, что уникальный электро-энергетический комплекс России вот уже полсотни лет работает без системных аварий. В ходе реформирования электроэнергетики философия релейной защиты и автоматики (РЗА), где до сих пор эксплуатировались в основном электромеханические и микроэлектронные устройства производства ЧЭАЗ, пересматривается. Техническое перевооружение защиты предполагает внедрение микропроцессорных устройств РЗА, основными производителями которого являются как раз иностранные компании. Решение базируется на положительном зарубежном опыте применения и эксплуатации микропроцессорных устройств. Но не следует забывать, что у легкой и многофункциональной дорогостоящей импортной техники есть свои особенности. По данным Международной энергетической организации времен развитого социализма (СИГРЭ) и советского академика В.КА. Веникова, системные аварииК— регулярное явление в энергетике многих стран, где использовалось и применяется электрооборудование фирм, активно занимающих сегодня российский рынок.
    В отличие от стабильной работы Единой энергетической системы России, защищенной электромеханическими реле, за рубежом за последние два десятка лет произошло 13Ккрупных аварий, 8 из них — в США. Электроснабжение нарушалось на огромных территориях. В то же время российская техника безупречно функционирует в Египте, Иране, Африке. До сих пор у электростанций не было аварий и отказов».
    На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в отличие от рассмотренных в начале статьи потребительских цепей такие свойства, как надежность и долговечность, для релейной защиты, работающей в цепи электроснабжения, должны преобладать над улучшенными характеристиками, многофункциональностью и дизайном. Из этого вытекает несколько важных положений.
    1. Рекламируемые принципиальные преимущества МУРЗ над ЭМ несущественны, поскольку очень слабо влияют на общую эффективность цепи электроснабжения.
    2. Основные усилия разработчиков и производителей МУРЗ должны быть направлены на повышение надежности работы и устойчивости к преднамеренным внешним воздействиям, а не на увеличение числа функций, совершенствование характеристик и дизайна.
    3. При сравнениях, оценках качества МУРЗ и выборе конкретного типа устройств приоритетными должны стать надежность и устойчивость к внешним факторам.
    4. В практику необходимо вводить простые, понятные и эффективные методы оценки надежности МУРЗ [4] и организации сбора реальных данных по отказам.
    Литература
    1. Гуревич В.И. Реле защиты и релейная защита: проблемы терминологии // Вести в электроэнергетике. — 2012. — № 4.
    2. Гуревич В.И. Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы. — М.: Инфра-Инженерия, 2011.
    3. Усова С.В. «Светлое завтра» будет предсказывать курс доллара // Энергетика и промышленность России. — 2002. — № 8 (24).
    4. Гуревич В.И. Для оценки надежности микропроцессорных устройств релейной защиты нужен новый критерий // Электротехнический рынок. — 2011. — № 6.