9.4.1 Надежность функционирования систем с цифровыми реле

Одной из особенностей цифровых устройств является относитель­ная простота организации контроля исправности аппаратной части и программного обеспечения. Этому благоприятствует циклический ре­жим работы микропроцессора по заложенной в реле программе. От­дельные фрагменты этой программы и выполняют самотестирование устройства защиты. В цифровых реле при самоконтроле часто исполь­зуются определенные приемы.

Так, неисправность тракта аналого-цифрового преобразования с большой глубиной охвата входящих в него узлов обнаруживается путем периодического считывания опорного (неизменного по времени) на­пряжения. Если микропроцессор обнаруживает расхождение между по­следним и ранее полученным результатом, то он формирует сигналы неисправности.

Неисправность ОЗУ проверяют, записывая в ячейки заранее из­вестные числа и сравнивая результаты, получаемые при последующем считывании.

Рабочая программа, хранимая в ПЗУ, периодически рассматрива­ется МП как набор числовых кодов; МП выполняет их формальное суммирование, а результат сравнивает с контрольной суммой, хранимой в заранее известной ячейке.

Целостность обмоток выходных реле проверяют при кратковре­менной подаче на них напряжения и контроле обтекания их током.

Периодически выполняется самотестирование МП, измеряются параметры блока питания и других важнейших узлов устройства.

На случай выхода из строя самого МП, осуществляющего само­контроль, в цифровых устройствах предусматривают специальный сто­рожевой таймер. Это несложный, а, следовательно, очень надежный узел. В нормальном режиме МП посылает в этот узел импульсы с за­данным периодом следования. С приходом очередного импульса сторо­жевой таймер начинает отсчет времени. Если за отведенное время от МП не придет очередной импульс, который сбрасывает таймер в исход­ное состояние, то таймер воздействует на вход возврата МП в исходное состояние. Это вызывает перезапуск управляющей программы. При не­исправности МП "зависает", устойчиво формируя 0 или 1. Это обнару­живает сторожевой таймер и формирует сигнал тревоги. При необходи­мости блокируются наиболее ответственные узлы устройства защиты.

Безусловно, тестирование не может обеспечить 100 % выявления внутренних дефектов изделия. Реально тестированием удается охватить примерно 70-80% всех элементов изделия.

Надежность функционирования любого устройства следует рас­сматривать в двух аспектах: надежность самого устройства и надеж­ность функционирования всей системы, в состав которой входит данное устройство. Надежность аппаратной части какого-либо устройства, в первую очередь, определяется количеством затраченных на его изготов­ление комплектующих изделий и их качеством.

У аналоговых устройств объем аппаратной части растет пропор­ционально увеличению числа реализуемых функций и их сложности, а у цифровых устройств объем аппаратной части остается практически не­изменным при вариациях сложности алгоритма и достаточно широких пределах.

С другой стороны, для цифровых устройств характерен непрерыв­ный автоматический контроль аппаратной части и программного обес­печения- Самоконтроль существенно повышает надежность цифровой РЗ как системы, благодаря своевременному оповещению персонала о случаях отказа аппаратной части. Это позволяет незамедлительно при­нимать меры по восстановлению работоспособности системы РЗ. В ана­логовых системах РЗ, как правило, предусматривается лишь периодиче­ский тестовый контроль работоспособности аппаратной части, причем с участием человека. При периодическом контроле возможна эксплуата­ция неисправной системы РЗ в течение достаточно длительного време­ни - до момента очередной плановой проверки. Таким образом, можно говорить о более высокой надежности функционирования цифровых устройств.

9.4.2. Помехозащищенность цифровых реле

Помехозащищенность представляет собой способность аппарату­ры правильно функционировать в условиях электромагнитных помех. Необходимая помехозащищенность обеспечивается при:

• требуемом превышении уровней информационных сигналов над уровнем помех. В этой связи в энергетике используют сигналы с номинальными уровнями 1 А и более, 100 В и выше;

• правильной прокладке линий связи датчиков информации с уст­ройствами РЗ, а при необходимости - при защите линий связи от действия помех и ении самих помех;

• правильном конструировании аппаратной части устройства РЗ. Как правило, входную часть устройства защиты выполняют по схеме, показанной на рис.9.11. При этом рабочий сигнал Ес передастся по двухпроводной линии в виде разности потенциалов или током. Обычно входным воспринимающим элементом устройства является промежуточный трансформатор Т. Как уже отмечалось, трансформатор обеспечивает одновременно и преобразование подводимых сигналов, и гальваническое разделение внутренних и внешних цепей.

Рис. 9.11 Входной тракт устройства РЗА

Помехи могут наводиться как между проводами линий связи (по­мехи дифференциального или поперечного вида Епд), так и между лю­бым проводом линии и землей (синфазные или продольные помехи Епд) Синфазные помехи опасны для дифференциальных приемников. Проникая внутрь устройства по паразитным емкостным связям Си, эти помехи затем могут накладываться на рабочий сигнал, который внутри устройства, как правило, является синфазным и передается относитель­но общей шины нулевого потенциала. Поэтому конструкторы аппарату­ры применяют меры, чтобы максимально ослабить паразитные (емкостные) связи между первичной обмоткой промежуточного трансформато­ра Т и элементами внутренней схемы устройства.

Что касается дифференциальных помех Епд, то наиболее дейст­венным способом является максимальное ограждение линий связи от воздействия источников помех, если источник помехи неустраним. Для этого необходимо знать, как помехи попадают в линию связи.

Принято различать гальванический, электростатический и индук­тивный пути проникновения помех из одной электрической пени в дру­гую.

Гальваническая связь представляет собой непосредственную связь цепи приемника полезного сигнала с цепью, где расположен источник помехи. Чаще всего этот путь возникает из-за наличия общего провод­ника в рассматриваемых цепях. Принято считать, что «земля» во всех точках имеет потенциал, равный нулю. Это не совсем так.

Снижению уровня такого рода помех благоприятствует только увеличение сечения шины заземления. Однако, и увеличение сечения общей шипы может оказаться неэффективным в случае высокочастот­ных помех, когда начинает проявляться индуктивный характер сопро­тивления шины. Кардинальное решение проблемы защиты от проник­новения помех по земле - это заземление слаботочных цепей только в одной точке.

Электростатическая (емкостная) связь электрических цепей возни­кает в схемах с контурами с большим сопротивлением, когда проводники таких цепей генерируют и воспринимают электрические поля. Поме­хи между цепями такого рода еще называют перекрестными. Наиболее неблагоприятным случаем является близкое расположение проводников разных цепей на значительном расстоянии.

Эффективным способом борьбы с помехами этого рода является скрутка проводов и применение электростатических экранов. Скрутка способствует выравниванию емкостей между проводами, а экранирова­ние уменьшает емкость связи как таковую. Отсюда следует, что нежела­тельно использовать для образования канала связи жилы из разных кабелей.

Индуктивная связь характерна для цепей с малым сопротивлени­ем. Чаще всею индуктивная связь проявляется при замыкании на землю в трехфазных цепях. При междуфазных КЗ внешнее поле трехфазной линии относительно мало вследствие близкого расположения проводов и равенства нулю суммы фазных токов. При замыкании на землю обра­зуется контур протекания тока больших геометрических размеров.

Для борьбы с помехами, наводимыми за счет индуктивной связи, используют все мероприятия, рассмотренные для случая электростати­ческой связи. Как видно, помехи попадают на линию связи разными пу­тями. В реальной ситуации проявляются одновременно все виды пара­зитной связи.

9.4.3. Эффективность экранирования кабелей связи

Экранирующее действие металлической оболочки кабеля объясня­ется тем, что в ней наводятся токи, создающие поле, которое компенси­рует вызывающее их внешнее поле. Для эффективного экранирования толщина стенок экрана должна быть соизмерима с длиной волны элек­тромагнитного поля в веществе экрана. Например, на промышленной частоте 50 Гц медный экран эффективен лишь при толщине стенок 6 см, а железный - при толщине 4,5 мм. Несмотря на очевидные достоинства ферромагнитных экранов, на практике применяют экраны из хорошо проводящих материалов, так как магнитная проницаемость ферромаг­нитных веществ сильно зависит от напряженности внешнего поля. При насыщении ферромагнитного экрана его экранирующие свойства резко ухудшаются.

Кабели с экранами из немагнитного материала наиболее эффек­тивны при защите от электростатических и высокочастотных электро­магнитных полей. Для защиты от низкочастотных электромагнитных полей потребовались бы толстостенные ферромагнитные экраны, что практически невыполнимо при протяженных трактах передачи. От этих полей защищают скруткой жил кабеля, что уменьшает площадь конту­ра, образуемого жилами, и выравнивает перекрестные емкости и взаимоиндуктивности проводов. В виду того, что часто помехами являются грозовые и коммутационные перенапряжения, представляющие собой кратковременные импульсы и ВЧ-колебания, применение немагнитных экранов оправдывается, так как основная энергия таких помех сосредо­точена в высокочастотной области.

Эффективность действия экранов зависит не только от частотного спектра помехи, но в от схемы их заземления, расположения жил кабеля внутри экрана. На рис.9.12 представлены различные варианты соедине­ния источника сигнала Ес с приемником (нагрузкой Rн) и приведены ко­эффициенты ослабления помехи. В качестве исходного случая выбран простейший, когда кабель содержит один сигнальный провод (рис.9.12,а). Снижение уровня наводок в схемах на рис.9.12. б-г обусловле­но уменьшением эффективной площади контура рабочего сигнала. По этой причине в качестве проводников измерительной цепи применяют жилы, принадлежащие одному контрольному кабелю, и ни в коем слу­чае не применяют жилы разных кабелей. При незаземленных источнике или нагрузке (рис. 9.12,в,д) полезный сигнал распространяется по обратному проводу или экрану кабеля, что уменьшает эффективную пло­щадь контура и тем самым уровень помех. Если ток экрана искажает рабочий сигнал, экран следует заземлять в одной точке: у источника для уменьшения излучаемых помех, или у нагрузки для снижения уровня воспринимаемых помех. Экраны кабелей высокочастотных сигналов за­земляют у концов и не менее чем через каждые 0,2λ, (λ - длина волны электромагнитного поля) вдоль их длины.

Рис. 9.12. Эффективность различных экранов

Прокладка линий связи даже неэкранированным контрольным ка­белем вблизи хорошо заземленного проводника (шиной заземления, ме­таллоконструкциями и т.п.) способствует снижению уровня наводимых помех.

В энергетике требования безопасности диктуют свои нормы в час­ти заземления экранов кабелей. Практические рекомендации по защите вторичных цепей электрических станций и подстанций от действия им­пульсных помех содержатся в соответствующих методических указаниях.                                                                                                                                                                                                                                                                                      

В условиях повышенного уровня электромагнитных помех при плохих контурах заземления применяют экранированные кабели.

9.4.4. Техническое обслуживание цифровых реле

Все виды технического обслуживания, программы и периодич­ность их проведения регламентируются правилами технического об­служивания устройств РЗА. Требования к техническому обслуживанию конкретного устройства РЗА (объемы, периодичность и методы обслу­живания) определяются его изготовителем и включаются в ТЗ, ТУ и ин­струкции по эксплуатации. Как правило, подготовка цифрового устрой­ства РЗА к работе предусматривает внешний осмотр, проверку сопро­тивления изоляции, выставление и проверку уставок, тестовую провер­ку в соответствии с ТО.

Однако, цифровые устройства защиты более информативны и су­щественно отличаются по конструктивному исполнению от их аналого­вых предшественников. Так, высокая плотность монтажа, использова­ние многослойных печатных плат, отсутствие принципиальных схем и полной информации по алгоритмам функционирования узлов делают цифровые устройства защиты ремонтно-пригодными только до уровня отдельных конструктивных модулей. Встраиваемые системы самодиаг­ностики и контроля, как правило, выводят на дисплей код неисправно­сти, что упрощает поиск поврежденного узла. Однако, даже самые со­вершенные принципы не могут обеспечить стопроцентный самоконтроль. Поэтому МП-устройства также должны подвергаться техниче­скому обслуживанию с участием персонала.

Благодаря высокой информативности цифровых устройств РЗА, их неисправность и неисправности в цепях измерительных трансформа­торов, приводов выключателей могут быть обнаружены косвенными способами. Так, практически все цифровые устройства могут предоста­вить информацию о контролируемых величинах, входных и выходных сигналах управления. Анализируя эти данные, можно своевременно об­наружить обрывы во входных и выходных цепях. По информации, за­поминаемой в аварийных режимах (численные значения токов КЗ, вре­мя запуска тех или иных измерительных органов и т.д.) можно убе­диться в правильном согласовании уставок как данного устройства РЗА, так и защит смежных участков.

Традиционный способ проверки устройства РЗА путем подачи внешних сигналов от устройства проверки с контролем основных пара­метров релейных органов (порога срабатывания, коэффициента возвра­та, времени срабатывания и т.д.) также упрощается, если это МП-устройство. Во-первых, малое потребление по цепям тока и напряжения позволяет автоматизировать процесс проверки, используя такие устрой­ства, как, например, КЕТОМ (фирма «Динамика», Россия). Это обору­дование сводит к минимуму участие человека в проведении проверки и оформлении отчетности. К тому же, сохранение результатов проверки в виде файлов позволяет легко сопоставлять результаты проверок, прове­денных в разное время. Следует отметить и го обстоятельство, что ус­тавки цифровых реле легко могут быть получены через ЭВМ и, при не­обходимости, оформлены в виде документа.

При работе с МП-устройствами РЗ принимают все меры, исклю­чающие повреждение электронных компонентов статическим электри­чеством. При ремонте аппаратуру располагают на заземленном токопроводящем столе. Тело работающего должно иметь потенциал стола, что обычно обеспечивается с помощью заземленного кольца или брас­лета. Такие меры защиты обусловлены тем, что электрический заряд, находящийся на теле человека, способен разрушать полупроводниковые структуры. Причем, статическое электричество может и не вызвать вы­ход изделия из строя сразу же, но предрасположит это изделие к отказу в будущем.

При обслуживании МП-устройств нельзя расстыковывать и со­стыковывать разъемные соединения блоков устройства, когда оно нахо­дится под напряжением. Это обуславливается не столько соображения­ми техники безопасности (уровни напряжения в МП-устройствах, как правило, не превышают 36 В), а высокой вероятностью выхода из строя интегральных микросхем при несоблюдении очередности подключения внешних цепей. На микросхему должно быть подано сначала напряже­ние питания и только затем - входные сигналы.