Микропроцессорные терминалы релейной защиты: устройство, функции и выбор

Микропроцессорный терминал релейной защиты: что это такое

Микропроцессорный терминал представляет собой устройство релейной защиты и автоматики, у которого измерительная, логическая и исполнительная части реализованы на микроконтроллере. Сигналы от трансформаторов тока и напряжения переводятся в цифровую форму, дальше устройство работает с числовыми значениями.

Терминология в отрасли размытая, и это затрудняет понимание, о чём идёт речь. Реле выполняющие одну функцию может быть максимальным токовым реле, минимальным реле напряжения, реле времени. Блок или терминал (разделения между этими двумя словами нет) объединяет измерительные органы, логику и выходные цепи в одном корпусе. Шкаф РЗА содержит терминал вместе с вторичным оборудованием (автоматические выключателей, промежуточные реле, светосигнальная аппаратура, ключи управления и т.п.).

Одно устройство серии МКЗП-МИКРО 2.0 реализует четыре ступени максимальной токовой защиты, две ступени земляной, защиты максимального и минимального напряжения, двигателя, ЛЗШ, дуговую защиту, АПВ, АВР, УРОВ и управление выключателем. На электромеханической базе реализовать такой объём защит потребует установка большого количества реле и занимает панель целиком. Обратная сторона этой концентрации разобрана ниже: отказ одного модуля выводит из работы все заложенные в него функции.

Устройство микропроцессорного терминала

Проследим путь сигнала от вторичной обмотки трансформатора тока до катушки отключения выключателя.

Аналоговый вход: токовые цепи и цепи напряжения

Терминалы серии МКЗП-МИКРО 2.0 унифицированы по приёму аналоговых сигналов: три фазных тока и ток нулевой последовательности 3I₀, два линейных напряжения и напряжение 3U₀. Промежуточные трансформаторы внутри устройства выполняют гальваническую развязку и преобразование сигнала на необходимый уровень.

Фазные токи измеряются в диапазоне 0,2–200 А вторичных величин, погрешность в диапазоне 1–150 А равна ±2 %. Промежуточный трансформатор земляной защиты выполнен на номинальный ток 0,2 А: при работе с ТТНП типа ТЗЛ и ТЗЛМ терминал фиксирует замыкания с первичным током от 0,3 А. Если ТТНП на присоединении нет, ток 3I₀ вычисляется, как векторная сумма трёх фазных токов.

Потребляемая мощность токового входа у модификаций без подпитки от токовых цепей не превышает 0,1 ВА на вход, вход измерения напряжения потребляет не более 0,15 ВА. У модификаций с подпиткой потребление входов фаз «А» и «С» доходит до 10 ВА на вход при токе 5 А, поскольку эти входы питают само устройство. Потребление учитывают при выборе трансформатора тока под устройства РЗА: требования к вторичной нагрузке у двух исполнений разные.

Аналого-цифровое преобразование и логика

Аналого-цифровой преобразователь дискретизирует входные сигналы, процессор вычисляет параметры режима по выборкам за период. Из тех же выборок терминал рассчитывает симметричные составляющие, уровень несимметрии, углы, мощность, тепловой импульс перегрузки.

Отдельная функция отвечает за включение трансформатора на холостой ход, когда возможен бросок тока намагничивания. Функция «Контроль БТН» фиксирует бросок и блокирует пусковые органы токовых защит до момента его затухания либо до истечения выдержки времени, которое задаётся уставкой в диапазоне 0,1–1 с. Руководство оговаривает и обратную сторону: при введённой отстройке от БТН возможно замедление токовых отсечек при насыщении трансформатора тока апериодической составляющей тока короткого замыкания.

Логическая часть сравнивает вычисленные величины с уставками и выдержками времени. Ступени МТЗ настраиваются в диапазоне 0,1–200 А с шагом 0,01 А, третья и четвёртая работают с независимой или время-токовой характеристикой. Для каждой ступени вводится орган направления мощности, отстройка от бросков тока намагничивания, блокировка по дискретному входу, ускорение после включения выключателя. Две независимые группы уставок переключаются из меню, по команде телеуправления или по дискретному входу.

Дискретные входы и выходные цепи

Дискретные входы принимают положение выключателя, блокировки от смежных присоединений, сигналы внешних защит, команды АЧР и ЧАПВ. Номинальное напряжение входных сигналов ~/=220 В. Число входов и выходов зависит от модификации устройства: от 4/4 у первого до 25/16 у четвёртого.

Отдельная группа цепей отвечает за дешунтирование в схемах РЗА. Два канала переводят ток из цепи трансформатора тока в токовый электромагнит отключения выключателя. Ограничение, которое надо знать до проектирования: работа цепей дешунтирования не гарантируется при уставках тока срабатывания ниже 5 А, а электромагниты выключателя должны иметь номинальный ток срабатывания 5 А. При электромагнитах на 3 А возможно самопроизвольное отключение из-за остаточного напряжения на замкнутом ключе, порядка 1–1,2 В.

Оперативное питание

Терминал работает на подстанциях с постоянным, выпрямленным переменным и переменным оперативным током. Номинальное напряжение ~/=220 В при рабочем диапазоне 85–265 В переменного и 120–370 В постоянного тока, есть исполнение на =110 В. Допустимый перерыв питания равен 4 с.

Модификации с индексом Т получают питание от вторичных цепей трансформаторов тока. Минимальный входной ток по одной фазе для запуска защиты составляет 2,5 А, а время готовности устройства к действию при питании от токовых цепей нормировано при токе не менее 5 А и не превышает 150 мс. Такое исполнение ставят там, где нет гарантированного оперативного питания.

Функции микропроцессорных терминалов защиты

Проектировщики и наладчики работают одновременно с русскими обозначениями защит и с кодами ANSI. Сводим их в одну таблицу для устройств МКЗП-МИКРО 2.0.

Защиты

Максимальная токовая защита выполнена в четыре ступени, первая применяется как токовая отсечка. Земляная защита имеет две ступени и выполняет защиту от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью. Группа защит по напряжению включает защиту минимального напряжения, защиту от повышения напряжения, от несимметрии и контроль исправности цепей напряжения.

Модификации с индексом ДЗ имеют три входа дуговой защиты с порогом срабатывания не менее 10 000 лк. К ним подключают фотодиодные датчики ДДЗ-01 с длиной провода до 20 м либо оптоволоконные ДДЗ-02 с длиной волокна до 10 м. Целостность линии связи с каждым датчиком терминал контролирует.

Автоматика

Терминал выполняет автоматический ввод резерва (АВР) с восстановлением нормального режима (ВНР), АПВ до четырёх циклов, команды АЧР и ЧАПВ, резервирование отказа выключателя, отключение от внешних защит. Логическая защита шин работает по параллельной или последовательной схеме.

Регистрация, ОМП и контроль выключателя

Глубина регистрации у серии: 8000 протоколов событий, 1000 протоколов аварий, 8000 протоколов коммутаций выключателя. Регистратор параметров нагрузки пишет 160 часов с шагом 1 с, цифровой осциллограф хранит до 100 осциллограмм. Функция определения места повреждения считает расстояние до точки междуфазного короткого замыкания методом одностороннего замера, в сетях с изолированной нейтралью, на кабельных и воздушных линиях без ответвлений с числом неоднородных участков до восьми. На воздушной линии это сокращает время поиска повреждения бригадой.

Устройство измеряет время коммутации выключателя и считает его коммутационный ресурс по кривой зависимости допустимого числа отключений от тока, которую задают из паспорта выключателя. Эксплуатация получает объективный критерий вывода выключателя в ремонт вместо календарного графика.

Микропроцессорные терминалы и электромеханические реле

Сроки службы электромеханики приведены по РД 153-34.3-35.613-00, п. 2.3.3.

Отраслевой контекст задаёт нормативка. РД 153-34.0-35.648-01 фиксирует: средний срок службы электромеханических устройств, установленный техническими условиями, составляет 12 лет, а фактический средний срок службы по опыту эксплуатации примерно 25 лет. Исходным условием технического перевооружения тот же документ называет наличие в эксплуатации 35 %, или 500 тыс., устаревших устройств, подлежащих реконструкции или замене.

Парк электромеханических реле меняется медленно. По концепции развития РЗА электросетевого комплекса ПАО «Россети» на 2014 год в эксплуатации находилось 1 735 828 устройств РЗА: электромеханических 77,45 %, микроэлектронных 4,12 %, микропроцессорных 18,54 %. За год доля микропроцессорных выросла с 16,22 % до 18,54 %.

Замену парка на действующих объектах выполняют через ретрофит ячеек 6–35 кВ, без строительства нового распределительного устройства.

Слабые места микропроцессорных терминалов

Микропроцессорные терминалы критикуют, и критика предметная. Развёрнуто её сформулировал В. И. Гуревич в статье «Проблемы микропроцессорных устройств релейной защиты: кто виноват и что делать?». Разберём претензии по порядку.

Начнём с неудобной цифры. По данным А. И. Шалина процент неправильных действий микропроцессорных устройств составлял 1,4 % против 0,5 % у электромеханических реле. Среди причин разрыва в литературе называют две: приработочные отказы электроники, о которых прямо говорит РД 153-34.3-35.613-00, и возросшее влияние человеческого фактора, на котором настаивает Гуревич. Обе причины учтены в действующих правилах технического обслуживания.

Ремонтопригодность. Гуревич указывает, что заменённый модуль стоит до трети цены всего устройства и сам ремонту не подлежит. Руководство по эксплуатации МКЗП-МИКРО 2.0 в п. 6.3 определяет устройство как восстанавливаемое и ремонтопригодное: модульная конструкция рассчитана на замену неисправного блока на месте установки, внутренняя самодиагностика определяет неисправный элемент. Ремонт в период гарантийной эксплуатации выполняет завод-изготовитель, дальше работы ведутся по договору с заводом специалистами, аттестованными на право ремонта микропроцессорных устройств. Тот же порядок закреплён в РД 153-34.3-35.613-00, п. 2.3.11.

Концентрация функций. При серьёзной неисправности сторожевой таймер блокирует устройство целиком, и присоединение остаётся без всех защит, заложенных в этот блок. Ответ здесь частичный. Самодиагностика локализует неисправность до узла: клавиатура, каналы измерения цепей напряжения, АЦП, микросхемы памяти. Для каждого случая руководство указывает, какие функции блокируются, а какие продолжают работать. Полное резервирование даёт второй комплект защит, ЛЗШ и УРОВ смежных присоединений.

Приработочные отказы и старение. РД 153-34.3-35.613-00 в п. 2.3.3 прямо указывает: наибольшее количество отказов электронной техники происходит в начале и в конце срока службы. Отсюда требование сокращать периоды между проверками в первые два-три года и после 10–12 лет эксплуатации. Периоды между профилактическими восстановлениями в первые годы принимают не более 6 лет, по мере накопления опыта цикл увеличивают до 12 лет.

Помехи и условия эксплуатации. Электроника работает в среде коммутационных перенапряжений, а часть терминалов не рассчитана на неотапливаемые распредустройства. Устойчивость подтверждают испытаниями по серии IEC 61000: для МКЗП-МИКРО 2.0 приняты степень жёсткости 4 по магнитному полю промышленной частоты (30 А/м непрерывно, 300 А/м в течение 1 с), по микросекундным импульсным помехам 1/50 мкс уровнем 4 кВ и по наносекундным 5/50 нс уровнем 2 кВ, степень 3 по радиочастотному полю и электростатическим разрядам. Климатическое исполнение УХЛ3.1 по ГОСТ 15150 задаёт диапазон рабочих температур −40…+55 °C.

Человеческий фактор. Ошибок персонала при работе с микропроцессорной техникой больше, чем было при электромеханике, и это следствие числа настраиваемых параметров. Риск снижает регламент: РД 153-34.3-35.613-00 в п. 2.3.9 требует перед новым включением подавать на устройство оперативный ток в течение 3–4 суток с действием на сигнал, после чего проводить тестовый контроль и лишь затем переводить защиту на отключение.

Трудоёмкость проверок. Гибкость устройства оборачивается объёмом работ при наладке. Автоматизация меняет порядок цифр: комплекс из тестов МТЗ, токовой отсечки, АПВ и УРОВ в ручном режиме занимает много времени, через программу «Генератор проверок» комплекса РЕТОМ всего 40 минут.

Взаимозаменяемость. Единого стандарта на конструктив нет, корпуса и разъёмы устройств разных производителей несовместимы. Внутри одной серии вопрос решается унификацией: все устройства МКЗП-МИКРО 2.0 выполнены с одними посадочными размерами.

Зависимость от оперативного питания. Потеря оперативного тока выводит защиту из работы. Исполнения с питанием от вторичных цепей трансформаторов тока и с дешунтированием снимают эту зависимость: защита запускается от тока присоединения и отключает выключатель без внешнего источника.

Как выбрать микропроцессорный терминал для ячейки 6–35 кВ

Шаг 1. Тип присоединения и состав защит

Отходящая линия требует МТЗ, токовой отсечки и земляной защиты. Ввод и секционный выключатель добавляют АВР, защиты по напряжению и ЛЗШ. Силовой трансформатор мощностью до 6,3 МВА нуждается в блокировке от бросков тока намагничивания. Электродвигателю мощностью до 4 МВт нужна защита от асинхронного режима и от несимметрии фазных токов.

Шаг 2. Схема оперативного питания

Есть гарантированный оперативный ток от аккумуляторной батареи, берите базовое исполнение. Оперативного тока нет, применяйте исполнение с индексом Т и питанием от токовых цепей. Выключатель управляется токовым электромагнитом отключения, нужен индекс ДШ с цепями дешунтирования.

Шаг 3. Число дискретных входов и выходов

Здесь возникает типовая ошибка проектирования: терминал подбирают по составу защит, а на объекте выясняется, что входов не хватает под автоматику. Каждая функция расходует сигналы. ЛЗШ забирает вход блокировки от смежных присоединений и выход блокировки на вышестоящую ступень, АВР требует положения обоих вводов и секционного выключателя, УРОВ работает с положением выключателя, схема управления забирает команды включения и отключения.

Первое исполнение с четырьмя входами и четырьмя выходами закрывает базовые защиты присоединения. Схемы с развитой автоматикой начинаются со второго исполнения, а при полном наборе АВР, ЛЗШ и телеуправления нужны третье или четвёртое.

Шаг 4. Дуговая защита

Встроенная дуговая защита на трёх каналах закрывает отсеки одной ячейки. Для защиты секции с большим числом датчиков и селективностью по зонам дополнительно устанавливают отдельное устройство дуговой защиты МИКО-ДЗ.

Шаг 5. Связь с АСУ ТП

Терминал подключается по интерфейсу RS485 с протоколом MODBUS RTU. Адрес в сети задаётся в диапазоне 1–247, скорость обмена от 9600 до 115 200 бит/с при заводском значении 38 400.

Настройка и ввод терминала в работу

Уставки рассчитывают по методике для распределительных сетей 6–35 кВ, затем задают в устройство со встроенной клавиатуры, или из программы Uprog по USB, из мобильного приложения «РЗА ЭСТРА», или загрузкой файла, подготовленного в автономном режиме. Уставки хранятся в энергонезависимой памяти, задать их можно и при отсутствии оперативного питания, запитав устройство от порта USB.

Порядок ввода в работу задаёт РД 153-34.3-35.613-00. Перед новым включением на устройство подают оперативный ток в течение 3–4 суток, при возможности с рабочими токами и напряжениями и с действием на сигнал, затем проводят тестовый контроль и переводят защиту на отключение. Первый профилактический контроль выполняют через 10–18 месяцев.

Периодичность опробования определяют местные условия, решение утверждает главный инженер предприятия. Правильное действие устройства в течение 6 месяцев до срока опробования приравнивается к опробованию.

Часы реального времени синхронизируются через АСУ. Это условие корректного разбора аварии: без единого времени осциллограммы смежных присоединений не сопоставляются.

Микропроцессорные терминалы РЗА и цифровая подстанция

Стандарт МЭК 61850 переносит обмен между устройствами на цифровую шину. Мгновенные значения токов и напряжений идут потоком Sampled Values от преобразователей аналоговых сигналов, дискретные сигналы между терминалами передаются сообщениями GOOSE вместо контрольных кабелей.

Для сетей 6–35 кВ переход на стандарт МЭК 61850 идёт медленнее, чем на 110 кВ и выше. Экономика цифровой ячейки складывается из стоимости преобразователей, коммутаторов и системы единого времени, и на объекте с десятком присоединений эти затраты окупаются не всегда. RS485 с протоколом MODBUS RTU остаётся рабочим решением для распределительных сетей.

Микропроцессорные терминалы ЭСТРА

НПП «ЭСТРА» разрабатывает и производит устройства релейной защиты с 1991 года. Название расшифровывается как электрические станции, релейная защита и автоматика.

Устройства внесены в реестры Минпромторга и Минцифры. Срок службы терминалов серии МКЗП-МИКРО 2.0 составляет 25 лет, средняя наработка на отказ 125 000 часов, гарантия 10 лет. Средний срок отгрузки 10 дней, в эксплуатации находится более 40 000 устройств.

Частые вопросы

Чем микропроцессорный терминал отличается от микропроцессорного реле?

Реле выполняет одну функцию, терминал объединяет измерительные органы, логику, выходные цепи и регистрацию в одном корпусе. Для присоединения 6–35 кВ один терминал заменяет отдельную панель защиты.

В чём главные недостатки микропроцессорных терминалов?

Концентрация функций в одном устройстве, приработочные отказы электроники в первые годы, повышенные требования к квалификации персонала, отсутствие взаимозаменяемости между производителями. Первые три причины закрываются регламентом обслуживания и резервированием.

Взаимозаменяемы ли терминалы разных производителей?

Аппаратно нет: корпуса, посадочные размеры и разъёмы отличаются, единого стандарта на конструктив не существует. Внутри одной серии МКЗП-МИКРО 2.0 посадочные размеры унифицированы.

Можно ли поставить терминал на подстанции без гарантированного оперативного питания?

Да. Исполнения с индексом Т питаются от вторичных цепей трансформаторов тока и запускаются при токе от 2,5 А по одной фазе. Для управления выключателем с токовым электромагнитом отключения берут исполнение с индексом ДШ.

Сколько дискретных входов нужно для ЛЗШ и УРОВ?

ЛЗШ расходует один вход блокировки и один выход на вышестоящую ступень, УРОВ работает с положением выключателя. С учётом схемы управления и сигнализации берут исполнение не ниже второго, с 11 входами и 8 выходами.

Нужно ли менять трансформаторы тока при переходе с электромеханики?

Чаще нет: токовый вход терминала потребляет не более 0,1 ВА, то есть нагружает вторичную цепь меньше прежнего комплекта реле. Характеристики намагничивания и класс точности проверить всё равно нужно, особенно при исполнении с питанием от токовых цепей, где потребление доходит до 10 ВА на вход.

Как часто проверять микропроцессорный терминал?

Первый профилактический контроль через 10–18 месяцев после включения. Периоды между профилактическими восстановлениями в первые годы принимают не более 6 лет, затем увеличивают до 12 лет. Срок службы терминалов серии составляет 25 лет при условии проведения требуемых мероприятий по обслуживанию.

Источники

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е изд. Раздел 3. Защита и автоматика.
2. РД 153-34.3-35.613-00. Правила технического обслуживания устройств релейной защиты и электроавтоматики электрических сетей 0,4–35 кВ. 3-е изд., перераб. и доп. М.: ОРГРЭС, 2000.
3. РД 153-34.0-35.648-01. Рекомендации по модернизации, реконструкции и замене длительно эксплуатирующихся устройств релейной защиты и автоматики. М.: ОРГРЭС, 2001.
4. ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов.
5. Серия IEC 61000: IEC 61000-4-2, 61000-4-3, 61000-4-4, 61000-4-5, 61000-4-8, 61000-6-2. Электромагнитная совместимость.
6. Руководство по эксплуатации МКЗП-МИКРО 2.0. Версия 1.18 от 11.02.2026. ТУ 27.12.31-100-23566247. Новосибирск: НПП «ЭСТРА», 2026.
7. Методические указания по расчёту и выбору уставок защит распределительных сетей 6–35 кВ. 2-е изд. Новосибирск: НГТУ, НПП «ЭСТРА», 2026.
8. Шнеерсон Э. М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007. 549 с.
9. Чернобровов Н. В., Семёнов В. А. Релейная защита энергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1998.
10. Гуревич В. И. Проблемы микропроцессорных устройств релейной защиты: кто виноват и что делать? // Автоматизация и IT в энергетике. 2010. № 3 (8). С. 36–45.
11. Шалин А. И. Микропроцессорные реле защиты: необходим анализ эффективности и надёжности // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 2 (38).
12. Концепция развития релейной защиты и автоматики электросетевого комплекса. Приложение № 1 к протоколу Правления ОАО «Россети» от 22.06.2015 № 356пр. М., 2015. 49 с.
13. Алиев М. М., Сидоров А. В., Хакимов Р. Х. Анализ статистики отказов микропроцессорных и электромеханических устройств релейной защиты // Вестник науки. 2024. № 6 (75), т. 3. С. 1489–1500.
14. Морозов Д. В., Мохов Н. А. Автоматизация испытаний устройств РЗА: программа «Генератор проверок» // Релейная защита и автоматизация. 2021. № 1 (42). С. 66–72.