Mikroprozessorbasierte Relaisschutzgeräte: Überblick über Möglichkeiten und kontroverse Themen

Vor etwa 15 Jahren begann die breite Einführung neuer Schutzgeräte für Energieanlagen, die prozessorbasierte Computertechnologie nutzen, in der Energiewirtschaft. Es wurde der abgekürzte Begriff MPD (Mikroprozessor-basierte Relaisschutzgeräte) genannt.

Sie erfüllen die Funktionen gewöhnlicher Geräte für Relaisschutz und Automatisierung auf der Grundlage einer neuen Elementbasis – Mikrocontroller (Mikroprozessorelemente).

Vorteile von Mikroprozessor-Relaisschutzgeräten

Der Verzicht auf elektromechanische und statische Relais, die große Abmessungen haben, ermöglichte eine kompaktere Platzierung der Geräte auf Relaisschutz- und Automatiktafeln. Solche Designs nahmen deutlich weniger Platz ein. Gleichzeitig ist die Steuerung über Touch-Tasten und das Display optischer und komfortabler geworden.

Die Außenansicht des Panels, einschließlich des Mikroprozessor-Relaisschutzes, ist in der Abbildung dargestellt.Mittlerweile ist die Einführung von MPD zu einer der Hauptrichtungen bei der Entwicklung von Relaisschutzgeräten geworden. Dies wird dadurch erleichtert, dass neue Technologien neben der Hauptaufgabe des Relaisschutzes und der Automatisierung – der Beseitigung von Notfallmodi – die Implementierung einer Reihe zusätzlicher Funktionen ermöglichen.

Sie beinhalten:

• Registrierung von Notfallzuständen;

• Vorhersage der Trennung synchroner Benutzer bei Verstößen gegen die Systemstabilität;

• Fähigkeit, lange Distanzen zu verkürzen.

Die Implementierung solcher Fähigkeiten auf der Grundlage des elektromechanischen Schutzes von EMI und analogen Geräten wird aufgrund technischer Schwierigkeiten nicht durchgeführt.

Mikroprozessorbasierte Relaisschutzsysteme arbeiten nach genau den gleichen Prinzipien in Bezug auf Geschwindigkeit, Selektivität, Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit wie herkömmliche Relaisschutzgeräte.

Im Betrieb zeigten sich nicht nur die Vorteile, sondern auch die Nachteile solcher Geräte und einigen Indikatoren zufolge gibt es noch immer Streitigkeiten zwischen Herstellern und Betreibern.

RZA-Panels mit Mikroprozessorschutz ausgestattet

Nachteile

Viele Käufer mikroprozessorbasierter Relaisschutzgeräte sind mit der Leistung dieser Systeme aus folgenden Gründen unzufrieden:

• hoher Preis;

• geringer Wartungsaufwand.

Wenn bei einem Ausfall von Geräten, die auf Halbleiter- oder elektromechanischer Basis arbeiten, der Austausch eines einzelnen defekten Teils ausreicht, ist zum Schutz des Mikroprozessors häufig der Austausch des gesamten Motherboards erforderlich, dessen Kosten ein Drittel der Kosten betragen können die gesamte Ausrüstung.

Darüber hinaus erfordert der Austausch viel Zeit bei der Suche nach einem Teil: Die Austauschbarkeit solcher Geräte ist selbst bei vielen gleichartigen Konstruktionen desselben Herstellers überhaupt nicht vorhanden.

Elektromechanische Relais sind seit über 35 Jahren erfolgreich im Einsatz

Kontroverse Themen

1. Hohe Zuverlässigkeit von Mikroprozessor-Relaisschutzgeräten im Vergleich zum elektromechanischen Schutz

Hersteller von Mikroprozessorgeräten betonen in der Werbung die Abwesenheit beweglicher Teile im System, was mit dem Ausschluss mechanischer Verschleißerscheinungen verbunden ist. Hinzu kommen noch die Themen Metallkorrosion und Isolationsalterung in elektromechanischen und halbleiterbasierten Strukturen.

Die Erfahrung mit dem Betrieb des elektromechanischen Schutzes beträgt bereits etwa eineinhalb Jahrhunderte. Die meisten Energieunternehmen in Russland und GUS-Partnern arbeiten auf dieser Grundlage. Viele Relais werden seit mehreren Jahrzehnten mit Strom versorgt, und das entwickelte Wartungs- und Betriebssystem ermöglicht eine garantierte Verwendung über einen längeren Zeitraum.

Tatsächlich kann es nur in zwei Fällen zu Isolationsdefekten und Korrosion kommen:

• Verstoß gegen die Produktionstechnologie;

• Abweichung von den Betriebs- und Wartungsvorschriften.

Betrachtet man das Problem des mechanischen Verschleißes beweglicher Teile, so ist zu bedenken, dass diese nur bei Kontrollen durch das Personal nach mehreren Jahren (gerechnet ab dem Betriebszeitpunkt) oder bei häufig vorkommenden Unfällen auftreten selten.

Gleichzeitig in Mikroprozessorgeräten zum Relaisschutz:

• die meisten Komponenten überwachen ständig den Stromkreis und tauschen Signale untereinander aus;

• die Elemente der elektrischen Eingänge sind ständig einer Hochspannung von 220 Volt sowie Impuls- und Spitzenwerten transienter Prozesse ausgesetzt;

• Die Leistungseinheiten mit Hochgeschwindigkeitsimpulsschaltung arbeiten ohne Abschaltung unter Freisetzung von Wärme und machen den Hauptanteil der MPD-Ausfälle aus.

2. Die Relaiszuverlässigkeit stieg schrittweise von elektromechanischen Designs zu Halbleiterdesigns auf Basis diskreter Komponenten, dann zu integrierten Schaltkreisen und der höchsten unter den Mikroprozessorgeräten

Statistiken zeigen eine höhere Zuverlässigkeit elektromechanischer Relais im Vergleich zu Halbleiteranaloga im täglichen Gebrauch. Das gegenteilige Bild ist erst dann zu beobachten, wenn die Schaltzyklen auf mehrere Hunderttausend oder Millionen erhöht werden.

Integrierte Schaltkreise verwenden eine viel größere Anzahl elektronischer Elemente, die weniger überspannungsbeständig sind als Halbleiterrelais. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Gerät statischer Elektrizität und elektromagnetischem Rauschen ausgesetzt ist, die in Hochspannungsgeräten ständig vorhanden sind.

Die Statistiken über Ausfälle von Mikroprozessor-Relaisschutzgeräten japanischer Unternehmen widerlegen den Mythos der höchsten Zuverlässigkeit des Mikroprozessorschutzes. Hierzu zählen auch keine „Softwarefehler“, die bei Inspektionen oft nicht erkannt werden, aber jederzeit auftreten können.

3. Die Zuverlässigkeit von Mikroprozessor-Relaisschutzgeräten wird durch integrierte Selbstdiagnose verbessert

Zu den mikroprozessorbasierten Abwehrmaßnahmen gehören:

• Analog-Digital-Wandler;

• Speicher (ROM – ROM + RAM – RAM);

• PROZESSOR;

• Stromversorgung;

• elektromagnetische Ausgangsrelais;

• Knoten von analogen und digitalen Eingängen.

Zusammensetzung der Blöcke des Mikroprozessor-Relaisschutzes

Alle diese Komponenten werden auf unterschiedliche Weise von Selbstdiagnosealgorithmen abgedeckt und nicht immer vollständig kontrolliert.

Die interne Prüfung soll die Funktion des Relaisschutzes im Falle eines Fehlers in seinem Stromkreis, nicht im Stromnetz des Energieversorgungsunternehmens, signalisieren und blockieren. Daher erhöht es die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems nicht.

4. Die Zuverlässigkeit mikroprozessorbasierter Relaisschutzgeräte ist höher, da ihre Komponenten widerstandsfähiger gegen physikalische Alterung sind

Bei ordnungsgemäßem Betrieb funktionieren die in den 1970er Jahren in der UdSSR eingeführten elektromagnetischen Schutzrelais immer noch einwandfrei und haben ihre technischen Eigenschaften beibehalten.

Elektrolytkondensatoren selbst der besten Unternehmen in Japan, die Teil des Relaisschutzes sind, verlieren nach 7 Jahren Betrieb in Schaltnetzteilen ihre Eigenschaften und Dichtheit und erzeugen Elektrolytlecks, die die Kupferbahnen der Leiterplatten korrodieren können.

MPD-Schadensstatistik japanischer Unternehmen

Hersteller von Mikroprozessorgeräten haben den Wunsch verspürt, die Größe elektronischer Komponenten zu reduzieren, indem sie Modi mit erhöhter Wärmeableitung schaffen, die aus dem Kühlsystem entfernt werden müssen, was nicht immer geschieht.

Schwierigkeiten bei der Arbeit

1. Elektromagnetische Verträglichkeit

Moderne Mikroelektronik reagiert sehr empfindlich auf elektromagnetische Strahlung, und in Umspannwerken, die unter Bedingungen erhöhter elektrischer Feldstärke betrieben werden, sind Sätze von Mikroprozessor-Relais-Schutzvorrichtungen installiert, die einen zuverlässigen abgeschirmten Schutz mit akkumulierter Potenzialableitung zur Erde erfordern.

In vielen Umspannwerken entspricht der Widerstand der Erdschleife nicht den Anforderungen für den Betrieb von Mikroprozessor-Relaisschutzgeräten, was einen hohen Bauaufwand mit sich bringt. Andernfalls können solche Schutzmaßnahmen bei elektromagnetischen Störungen im System, die leicht absichtlich herbeigeführt werden können, wie beispielsweise bei Hackerangriffen auf Software, zu einem unbefugten Betrieb führen.

2. Zu erledigende Aufgaben

Der Ausfall eines Mikroprozessor-Schutzes führt zu schwerwiegenderen Folgen für die Elektrizität als der Ausfall des elektromagnetischen Schutzes, da das Mikroprozessor-Relais-Schutzgerät funktionell die Aufgaben des 3 ÷ 5 elektromagnetischen Schutzes erfüllt.

3. Schulung des Personals

Eine Vielzahl von Unternehmen auf der Welt mit einem Umsatz von mehr als Milliarden Dollar beschäftigen sich mit der Herstellung von Mikroprozessorgeräten für den Relaisschutz. Allein in Russland und den GUS-Staaten sind mehr als 10 Unternehmen auf dem Weltmarkt tätig.

Jedes Sicherheitsgerät wird mit einer einzigartigen Technologie hergestellt, die die Austauschbarkeit von Elementen und Software ausschließt. Technische Beschreibungen mit Gebrauchsanweisung sind mehrseitige Bücher mit mehreren hundert A4-Blättern. Es erfordert viel Zeit und Fachwissen, sie zu studieren.

Wenn ein neuer Typ eines mikroprozessorbasierten Relaisschutzgeräts auf den Markt kommt, auch vom gleichen Hersteller, muss der Personalschulungsprozess neu gestartet werden.

Schlussfolgerungen

Mikroprozessorbasierte Relaisschutzgeräte sind eine wirklich fortschrittliche Richtung in der Entwicklung der Elektrizität.

Die von den Herstellern angekündigte hohe Zuverlässigkeit von Mikroprozessorgeräten zum Relaisschutz entspricht nicht immer der Realität.

Das Personal, das eine Mikroprozessor-Schutzeinheit wartet, muss sich aller Schwachstellen dieser Geräte bewusst sein und deren Betrieb geschickt korrigieren.

Es ist höchste Zeit, dass Regierungsbehörden sich mit Standardisierungsfragen befassen und mikroprozessorbasierte Relaisschutzsysteme einbeziehen.

Gurevich VI Schwachstellen von Mikroprozessor-Schutzrelais: Probleme und Lösungen. — M.: Infra-engineering, 2014 — 248 S.: Il.