Інноваційні засоби релейного захисту тягових мереж

Автор: Я. Корнієнко, керівник сектору перспективних розробок відділу тягових підстанцій ПрАТ «Плутон»

Міжнародний техніко-економічний журнал "Українська залізниця". – 2016 р. - №10 (40). – С. 14-19

Інноваційні засоби релейного захисту тягових мереж

Компанія «Плутон» має багаторічний досвід розробки та застосування пристроїв релейного захисту та автоматики для тягових підстанцій постійного струму.

В останній час у зв’язку зі збільшенням транспортного потоку та скороченням інтервалу руху рухомого складу виникає все більша потреба в інтелектуальних пристроях релейного захисту, призначених для захисту контактних мереж від перевантажень та струмів коротких замикань. В першу чергу це обумовлено тим, що в процесі аварійних подій, які відбуваються в енергосистемах тягового електропостачання після спрацювання швидкодійного вимикача, визначальним фактором для оперативного персоналу є швидка та точна оцінка аварійного режиму для найбільш ефективного прийняття рішення та відновлення електропостачання енергосистеми та рухомого складу у найкоротший термін.

Для електроенергетичних систем тягового електропостачання, які мають властивості швидкоплинності перехідних процесів, оцінка подій релейного захисту та вимикачів повинна виконуватися із застосуванням інтелектуальних мікропроцесорних пристроїв. Важливим в оцінюванні є наявність даних про роботу вимикача, а також параметрів струму та напруги у контактній мережі до виникнення аварійного процесу. Особливе значення для прийняття рішення мають дані про роботу логічної частини систем управління та послідовність подій до та під час виникнення аварійного режиму в електропостачанні тягового рухомого складу.

Все це потребує застосування у розподільчих пристроях постійного струму інтелектуальних мікропроцесорних пристроїв релейного захисту, які мають відповідні функції та характеристики, такі як: накопичення даних про аварійні процеси, надання їх в мінімальний час оперативному персоналу для подальшого аналізу, моніторинг параметрів тягового енергопостачання в режимі реального часу для запобігання розвитку аварійних процесів та ін. Компанія «Плутон» прагне зробити свій внесок у розвиток електротехнічної галузі у всьому світі та використовує інновації й досягнення для постійної модернізації продуктів та рішень. Одним з таких продуктів є інноваційна система моніторингу та захисту тягової мережі SMTN-3, яка представляє третє покоління захисних пристроїв, заснованих на передових технологіях.

SMTN-3: загальні відомості

Система моніторингу та захисту тягової мережі серії SMTN-3 призначена для:

• застосування у якості пристрою захисту тягової мережі від струмів короткого замикання та недопустимих перевантажень;
• моніторингу параметрів тягової мережі;
• застосування у якості пристрою накопичення даних для подальшого аналізу аварійних процесів, що трапилися.

SMTN-3 використовуються у розподільчих пристроях (РП) тягових підстанцій міського транспорту, метрополітену, електрифікованих залізниць, промислових підприємств, а також підприємств гірничовидобувної промисловості.

Система є комбінованим мікропроцесорним пристроєм релейного захисту. Застосування модульної мікропроцесорної архітектури, поряд із сучасними технологіями поверхневого монтажу, забезпечує високу надійність, більшу обчислювальну потужність та швидкодію, а також достатню точність вимірювання електричних величин та часових інтервалів, що дає можливість підвищити чутливість захисних функцій.

Реалізовані у пристрої алгоритми функцій захисту та автоматики, а також схеми підключення пристрою розроблені у співпраці із представниками енергосистем, що полегшує впровадження нової техніки для проєктувальників та експлуатаційного персоналу. Елементна база вхідних та вихідних кіл забезпечує сумісність SMTN-3 з будь-якими типами пристроїв автоматики різних виробників — електромеханічними, електронними, аналого-цифровими, мікропроцесорними. SMTN-3 може поставлятися самостійно для використання на діючих об’єктах при їх модернізації або реконструкції. Крім того, SMTN-3 може поставлятися у складі РП (КРП) при капітальному будівництві електроенергетичних об’єктів, а також у складі шаф систем телевимірювання, АСУ, інформаційно-керівних систем та ін.

SMTN-3 може включатися в АСУ та інформаційно-керівні системи у якості підсистеми нижнього рівня та виконувати функції телевимірювання та телесигналізації.

SMTN-3 забезпечує наступні експлуатаційні можливості:

• вимірювання величини, форми струму та напруги в тяговій мережі в різних режимах, у тому числі при короткому замиканні в лінії;
• захист тягової мережі від струмів короткого замикання, в тому числі від малих струмів віддалених коротких замикань та перевантажень;
• осцилографування та запис у довготривалу пам’ять форми та величини струмів та напруг при коротких замиканнях (виявлення одного із захистів аварійного процесу в тяговій мережі);
• зберігання та зображення осцилограм, а також передача в систему верхнього рівня (або у персональний комп’ютер) даних для подальшого аналізу;
• налаштування внутрішньої конфігурації (введення захисту, вибір захисних характеристик, кількість ступенів захисту та ін.) програмним засобом;
• місцевий та дистанційний ввід, зберігання та зображення уставок захисту;
• зберігання двох наборів уставок та перемикання наборів уставок за зовнішнім сигналом;
• зберігання та видача інформації про кількість та час спрацювань захисту;
• аналіз розподілення струмів між катодними розподільчими пристроями.
  
  

Склад системи

Система SMTN-3 побудована за модульним принципом. Таким чином, SMTN-3 складається із декількох частин, які є стандартними. Наявність деяких модулів є обов’язковою, оснащення іншими — опціональне, в залежності від вимог до системи, які висуває Замовник. Модульний принцип забезпечує незалежну роботу справних модулів при відмовах або несправностях у сусідніх модулях.

Система SMTN-3 конструктивно та функціонально складається із наступних обов'язкових блоків:

• модуль вимірювальний (МИ), розміщується в зоні силових кіл (відсік шин);
• модуль перетворювальний (МП), розміщується в зоні низьких напруг (відсік управління).

Модуль вимірювальний та модуль перетворювальний поєднуються між собою за допомогою оптичного кабелю, який забезпечує передачу інформації між модулями, а також гальванічну розв’язку між високовольтними вимірювальними та вторинними колами.

Модуль вимірювальний (МВ)

Основні функції МВ:

• узгодження з первинними датчиками (шунти, дільники напруги);
• гальванічна розв’язка низьковольтних кіл від високого потенціалу тягової мережі, за допомогою гальванічно розв’язаного блока живлення;
• перетворення аналогових вхідних електричних величин для їх узгодження з інтерфейсами МП;
• попередня фільтрація вхідного сигналу на основі аналогових та цифрових фільтрів;
• передача перетворених аналогових вхідних електричних величин в МП за допомогою оптичного кабелю.

Модуль перетворювальний (МП)

Модуль перетворювальний виконує обробку всіх даних, отриманих від МВ та інших додаткових модулів, а також від дискретних входів. Модуль складається із декількох обчислювальних систем, пов’язаних між собою інформаційними шинами/

Основні функції МП:

• первинна обробка та накопичення поточної інформації від МВ;
• нормалізація значень струму та напруги;
• діагностика та контроль отриманих даних від МВ на достовірність;
• захисні функції (аналіз даних від МВ згідно з алгоритмами захисту);
• формування сигналів на аварійне відключення комутаційних апаратів відповідно до функцій захисту;
• реєстрація та збереження даних про аварійні процеси тягової мережі;
• протоколювання подій системи;
• зберігання налаштувань системи;
• самодіагностика системи;
• зв’язок із системою верхнього рівня АСУ ТП;
• доступ до зміни та налаштування параметрів системи за допомогою «людино-машинного» інтерфейсу.

Опціонально обладнання комплектується наступними системами (модулями), які розширюють функціональний діапазон системи в цілому:

• система вимірювання опору лінії;
• система контролю ізоляції кабелю.

Система вимірювання опору лінії дозволяє визначити опір лінії перед ввімкненням швидкодійного вимикача із видачею заборони на ввімкнення, у разі якщо опір лінії нижчий ніж заданий параметр.

Система контролю ізоляції кабелю постійно контролює опір ізоляції кабелю та видає попереджувальний сигнал у разі погіршення параметрів ізоляції. У разі порушення ізоляції кабелю подається сигнал на відключення швидкодійного вимикача.

Захисні функції SMTN-3

SMTN-3 забезпечує безперебійну надійну роботу системи та фільтрацію від помилкових спрацювань. Виконує наступні захисні функції (див. табл. 1).

Табл. 1 Захисні функції від помилкових спрацювань

Найменування захисних   функцій	Визначення	Код ANSI	Призначення
Струмова відсічка	І0	50	захист від близьких КЗ
Струмовий захист із    витримкою часу	Іmax	76	-
Направлений захист  по швидкості наростання    струму	di/dt	-	захист від близьких КЗ
Направлений захист по    приросту струму	ΔI	-	захист від близьких КЗ
Захист максимальної    напруги	Umax	59	захист від перевищення напруги
Захист мінімальної  напруги	Umin	27	захист від перевищення напруги
Ампер-секундний захист	I(t)	49	захист від віддалених КЗ (тепловий захист)
Резервування відмов   вимикача	ПРВВ	BF	-

Ethernet — важливий крок в еволюції захисних пристроїв

На сьогодні на території країн СНД в основному використовуються релейні захисти, у яких використовується повільний та морально застарілий інтерфейс зв’язку RS-485, який не дозволяє оперативному персоналу за короткий час отримати дані про аварійні процеси. Впровадження у SMTN-3 технології передавання даних на основі Ethernet є найважливішим кроком на шляху до автоматизації підстанції та якісного покращення швидкості отримання даних від пристрою. Інтегруючи цю технологію у свої системи автоматизації, компанія «Плутон» об’єднала більш ніж 10-річний досвід у виробництві вимірювальних та захисних пристроїв із сучасними комунікаційними технологіями. Відтепер стало реальністю більш ефективне підключення пристроїв релейного захисту до перевірених на практиці телемеханізованих комплексів та систем збору даних, локальних мереж, для спільного використання накопичених даних та подальшого аналізу, прийняття правильних рішень в короткий термін або в режимі реального часу. При цьому підвищується надійність та працездатність нових та модернізованих підстанцій.

Реєстрація подій та параметрів

SMTN-3 формує та зберігає наступні записи:

• журнал подій;
• журнал збоїв;
• записи аварійного осцилографа.

Записи зберігаються на енергонезалежному твердотілому носії даних, що гарантує зберігання даних при порушенні живлення пристрою, а також високу надійність. Система SMTN-3 забезпечує формування та зберігання записів аварійного осцилографа. Формування запису аварійного осцилографа здійснюється при спрацюванні однієї з захисних функцій. SMTN-3 зберігає в собі до 200 записів аварійних процесів. При перевищенні цього ліміту новий запис буде збережений замість найстарішого запису. 

Аварійні записи можуть бути переглянуті за допомогою WEB-інтерфейсу, зчитані системою верхнього рівня через інтерфейс Ethernet або збережені на зовнішній USB-диск для подальшого аналізу за допомогою ПК. Система SMTN-3 також реєструє максимальні значення струму та напруги. При перевищенні нових виміряних значень струму або напруги, які були зареєстровані раніше, нові значення записуються на місце старих. Порівняння відбувається незалежно для каналів струму та напруги. Зафіксовані максимальні значення можуть бути обнулені, при цьому цикл реєстрації нових максимальних значень почнеться заново.

Людино-машинний інтерфейс (HMI)

У системі SMTN-3 передбачені наступні методи налаштування параметрів як самої системи, так і параметрів захисних функцій:

• місцевий інтерфейс «Людина-Машина» на основі РКІ з сенсорним екраном;
• віддалений інтерфейс «Людина-Машина» на основі WEB-технологій;
• віддалений доступ до пристрою за допомогою протоколу ModBusTCP/IP, для систем верхнього рівня та систем управління електропостачанням та ін.

Віддалений інтерфейс «Людина-Машина» на основі WEB-технологій являє собою інтегрований WEB-сервер у кожному перетворювальному модулі SMTN-3. Він не потребує встановлення додаткового програмного забезпечення на комп’ютері. Цей інтерфейс використовується для конфігурування, зображення та аналізу даних, накопичених системою SMTN-3. Зв’язок з WEB-сервером SMTN-3 може здійснюватися через кабель Ethernet або за допомогою підключення через ПК, планшетний комп’ютер або смартфон. Для роботи з WEB-сервером SMTN-3 потрібен тільки встановлений WEB-браузер на пристрої та відповідний доступ до локальної мережі. Інтерфейс «Людина-Машина» підтримує англійську мову. Інтерфейс також може бути виконаний іншими мовами.

Надійність

Все захисне та контрольно-вимірювальне обладнання, у тому числі й SMTN-3, виробництва компанії «Плутон» піддається ретельним випробуванням у власній сертифікованій випробувальній лабораторії.

Особлива увага при випробуваннях приділяється перевірці поведінки системи при імітації різних збоїв. При різних свідомо помилкових сигналах система працює стабільно, відповідно до заявлених характеристик. Такі помилкові сигнали, якби вони сталися в реальній ситуації, могли би привести до аварійного відключення електромережі.

Концепція розробки системи з використанням принципів перешкодостійкого кодування даних та інших ноу-хау призвела до створення пристрою, під час роботи якого відбувається постійний процес самодіагностики системи, її частин та модулів. Безперервне спостерігання зі сторони системи SMTN-3 за компонентами та каналами передачі даних з функцією самодіагностики значно зменшує потребу у періодичних роботах з техобслуговування та надзвичайно спрощує сам процес обслуговування, який проводить персонал підстанції. Згідно з розрахунками надійності, середній час між відмовами (MTBF) електроніки SMTN-3 складає близько 20 років. Все це доводить надзвичайно високу надійність та продуктивність системи навіть у достатньо суворих умовах експлуатації.

Сертифікати та відповідність вимогам міжнародних та європейських стандартів IEC

Компанія «Плутон» пропонує тільки якісні та перевірені продукти на ринку. У зв’язку з цим система SMTN-3 піддається сертифікованим випробуванням у закордонних випробувальних лабораторіях на відповідність вимогам міжнародних та європейських стандартів.

Зокрема, у сторонніх випробувальних лабораторіях проводяться наступні випробування системи SMTN-3:

• випробування на відповідність вимогам до електромагнітної сумісності;
• механічні випробування;
• кліматичні випробування.

Особлива увага при розробці SMTN-3 була приділена відповідності вимогам міжнародних та європейських стандартів в частині електромагнітної сумісності (ЕМС), тому як пристрій працює в умовах тягових підстанцій (промислових умовах) при великому рівні електромагнітних перешкод. Стійкість роботи та відсутність помилкових, невірних дій системи SMTN-3 в таких складних, з точки зору електромагнітних перешкод, умовах має першочергове значення для надійності розподільчих пристроїв та тягових підстанцій в цілому.

Застосування для модернізації

Дуже перспективним застосуванням SMTN-3 є використання його у якості пристрою релейного захисту при модернізації підстанцій. Це обумовлено тим, що SMTN-3 є самодостатнім пристроєм, який не потребує іншого додаткового обладнання управління та/або додаткових систем зв’язку з телемеханічними комплексами. Завдяки наявності вхідних/вихідних портів дискретних сигналів SMTN-3 може бути з легкістю інтегрований в існуючу схему управління розподільчого пристрою.

Погляд у майбутнє

Головна мета компанії — залишатися лідером у виробництві високоякісного обладнання та завжди пропонувати своїм Замовникам найкращий сервіс та продукцію найсучаснішого рівня, які відповідають міжнародним стандартам, інноваційним технологіям, та забезпечують безпеку та комфорт людей.

Компанія «Плутон» не зупиняється на досягнутих успіхах, постійно відстежує запити ринку, аналізує світові тенденції, прагне бути в курсі найновіших досягнень науки та техніки в електротехнічній області. В планах компанії — впровадження високотехнологічних інтелектуальних розробок по всьому світі та подальше представлення на ринок свіжих новаторських ідей в області розподілення енергії, релейного захисту та автоматики.

Надійшло у редакцію 02.09.2016 р.

скачать