 |
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ПРИСОЕДИНЕНИЙ 6–35 КВ
Есть ли выход из тупика?
 Валентин Сушко, к.т.н., доцент Чувашского государственного университета
Перспективам развития устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) в последних номерах нашего журнала уделялось много внимания («Новости ЭлектроТехники» № 6(36) 2005, № 1(37) 2006, № 2(38) 2006). Специалисты в области релейной защиты обсуждали достоинства и недостатки микропроцессорных устройств РЗА, проблемы их внедрения и перспективы использования в электроэнергетике России.
Один из наших постоянных авторов Валентин Александрович Сушко в своем материале отмечает, что число МП терминалов в стране ничтожно по сравнению с общим количеством применяемых устройств РЗА, большинство которых выработало свой срок службы. Ситуация сейчас близка к критической. Необходимо искать пути скорейшей замены устаревших реле.
Публикации в периодических научно-технических изданиях в последние годы в основном создавали впечатление, что дела в области электроэнергетики в России обстоят неплохо: принята «Стратегия развития РАО «ЕЭС России» [1], появляется значительное число современных разработок, освоенных в производстве, идет реконструкция подстанций и электростанций, вводятся в эксплуатацию новые объекты энергетики. Такое же благоприятное впечатление оставляли и статьи по вопросам релейной защиты и автоматики.
В связи с этим системная авария в «Мосэнерго» в мае 2005 г. была воспринята частью научно-технической общественности, не связанной непосредственно с эксплуатацией объектов электроэнергетики, как нечто неожиданное и непредсказуемое. Однако электроэнергетика России шла к этой аварии вполне закономерно в результате глубокого системного кризиса, вызванного прежде всего крайне низким уровнем инвестиций начиная с конца 80-х годов прошлого столетия. Это привело к обострению проблемы физического и морального старения основного и вспомогательного оборудования на фоне резкого снижения темпов воспроизводства основных фондов [2].
Даже за последние 5 лет объем инвестиций в электроэнергетику оказался в 2 раза ниже минимально необходимого [1, 2, 3]. Всё это не могло не сказаться на состоянии как электроэнергетики в целом, так и РЗА в частности.
На основании статистических данных АО «Фирма ОРГРЭС» о результатах работы РЗА [4, 5] и экспертных оценок темпов обновления устройств РЗА, в публикации [3] был сделан вывод о продолжении деградации РЗА в России. Увеличение физически изношенного оборудования РЗА со сроком службы более 25 лет ежегодно составляло 2% и ожидалось, что оно достигнет 46% в 2004 г. [3]. При этом на электростанциях еще в 2002 г. оно уже превысило 50% [5]. Как известно из теории надежности и из практики, физический износ оборудования в результате значительного превышения сроков эксплуатации, гарантированных фирмами-изготовителями, неминуемо приводит к наступлению катастрофических отказов. Процент неправильных действий РЗА по причине старения с каждым годом возрастает: 6,1% в 1998 г., 10,6% в 2000 г., 15,2% в 2002 г. [5] и, наконец, 18% в 2004 г.
Состояние РЗА в целом хуже, чем состояние электроэнергетики России, в связи с финансированием подотрасли по остаточному принципу. По этой же причине состояние РЗА распределительных сетей 6–35 кВ хуже, чем состояние РЗА объектов более высокого напряжения. Более того, ситуация в РЗА присоединений 6–35 кВ развивается по тупиковому сценарию и в дальнейшем будет только усугубляться.
Нынешнее состояние РЗА
В подавляющем числе устройств РЗА присоединений 6–35 кВ используются дискретные электромеханические и менее 6% статических (полупроводниковых и микроэлектронных) реле производства ОАО «Чебоксарский электроаппаратный завод» (ЧЭАЗ), находящихся в эксплуатации почти 30 лет (то есть с 1976 года).
Количество находящихся в эксплуатации реле можно ориентировочно определить, исходя из годовых объемов производства.
С 1976 года по 1988 год включительно ЧЭАЗ ежегодно выпускал около 300 тыс. реле тока серии РТ-40, 100 тыс. реле напряжения серии РН-50, 80–90 тыс. реле тока с зависимой от тока выдержкой времени серий РТ-80, РТ-90, 300 тыс. реле времени серий РВ-100, РВ-200, 2 млн различных типов промежуточных реле, 150–200 тыс. указательных реле, 150–200 тыс. различных статических реле (тока, напряжения, частоты, направления мощности, повторного включения и других).
В течение последующих 10 лет (с 1989 года по 1998 год включительно) годовой объем производства реле в ОАО «ЧЭАЗ» упал в среднем в 8–10 раз.
За период с 1999 года по 2005 год включительно среднегодовой объем производства составлял по электромеханическим реле: тока – 70–90 тыс., напряжения – 20–30 тыс., тока с зависимой выдержкой времени – 8–15 тыс., времени – 40–50 тыс., промежуточных – 200 тыс., указательных – 40–80 тыс. Статических реле выпускалось ежегодно в среднем 40–50 тыс.
После распада СССР на территории России осталось около 75% выпущенных ранее реле. На ремонтные нужды в течение всего рассматриваемого периода уходило не более 5% выпускаемых реле, что находится в пределах точности расчетов и в дальнейшем не учитывается.
До распада СССР примерно 20% реле шло на нетиповые панели РЗА присоединений 110–220 кВ. В 90-е годы прошлого столетия объем выпуска нетиповых панелей упал в большей степени, чем выпуск реле, и продолжал падать в дальнейшее время. В связи с этим в ориентировочных расчетах после 1988 года расход реле на нетиповые панели не учитывается.
Исходя из изложенных предпосылок, в табл. 1 приводятся ориентировочные данные по количеству находящихся в эксплуатации в России реле на присоединениях 6–35 кВ в электроэнергетике и в промышленности, включая её добывающие отрасли. Там же приводится стоимость возможной замены устаревших реле на новые в ценах 2006 г. (ценами этого года без НДС мы будем оперировать и в дальнейшем).
Таким образом, всего в эксплуатации в устройствах РЗА присоединений 6–35 кВ на начало 2006 г. находилось ориентировочно около 30 млн электромеханических и статических реле производства ОАО «ЧЭАЗ», для замены которых потребовалось бы около 26,6 млрд руб.
Кроме того, в городских электрических сетях до сих пор находится в эксплуатации большое количество реле РТВ со сроком службы более 40 лет. Их количество, по результатам опроса начальников служб РЗА ряда распределительных сетевых компаний (РСК), в кабельных сетях городов составляет от 40 до 100% всех устройств РЗА. Общее количество находящихся в эксплуатации реле РТВ составляет примерно 200–250 тыс. штук. Их замена на реле РТ-80 при замене старых высоковольтных выключателей вакуумными стоила бы около 380 млн руб.
Помимо реле ОАО «ЧЭАЗ», в России использовались промежуточно-указательные реле серии РЭУ-11 украинского производства. Их находится в эксплуатации 500–600 тыс. на сумму около 150 млн руб.
Таким образом, в России для защиты присоединений 6–35 кВ используется около 31 млн электромеханических и статических реле, для эквивалентной замены которых потребовалось бы более 27 млрд руб.
С учетом стоимости межрелейного монтажа при частичной модернизации оборудования подстанций (ретрофите) комплектные устройства РЗА на дискретных реле удорожаются ориентировочно на 50–70% (исходя из соотношения цен известных комплектов защиты типа КЗ и входящих в них реле). Поэтому указанные выше затраты на замену реле возросли бы примерно до 46 млрд руб.
При модернизации подстанций в руководящих документах РАО «ЕЭС России» рекомендуется использовать микропроцессорные (МП) комплекты (терминалы) РЗА. По данным ОРГРЭС [5], в 2002 г. в эксплуатации в электроэнергетике страны находилось около 5 тыс. МП комплектов РЗА на присоединениях всех классов напряжений. В 2004 г. это количество выросло до 7 тыс. комплектов, что составляет около 1,7% всех устройств РЗА в электроэнергетике. За 2 года темпы обновления устройств РЗА на МП устройства составили около 0,24% в год. При сохранении таких темпов замены устаревших устройств на МП устройства РЗА, их полная замена могла бы произойти (без учета ограниченного срока службы устройств) более чем через 400 лет! Комментарии здесь, как говорится, излишни.
Исходя из соотношения количества присоединений напряжением 6–35 кВ и 110–750 кВ и объемов продаж МП терминалов РЗА для разных классов напряжений, можно считать, что в электроэнергетике России в 2004 г. из 7 тыс. МП терминалов РЗА около 5 тыс. использовались для защиты присоединений 6–35 кВ. В промышленности, включая добывающие отрасли, находилось еще около 3–4 тыс. МП комплектов РЗА. Таким образом, в 2004 г. всего на присоединениях 6–35 кВ находилось около 8–9 тыс. комплектов РЗА, при средней цене 70–80 тыс. рублей за комплект на сумму около 700 млн руб.
Комплект устройств РЗА присоединений 6–35 кВ на электромеханических реле включает в себя в качестве основных измерительных органов 4–5 токовых реле, а комплект контроля напряжения на секции шин – в среднем 4 реле напряжения. С учетом такой предпосылки и данных таблицы 1 можно заключить, что для полной замены комплектов на электромеханических реле МП комплектами РЗА присоединений 6–35 кВ в электроэнергетике России потребовалось бы от 900 тыс. до 1,1 млн МП терминалов на сумму ориентировочно от 70 до 90 млрд руб. А учитывая потребности также и промышленных предприятий, необходимо всего около 1,2–1,4 млн МП терминалов РЗА на сумму 95–110 млрд руб.
Развитие ситуации
Распределительные сетевые компании испытывают острую нехватку инвестиций, поэтому наряду с полной реконструкцией подстанций проводится и ретрофит. В последнем случае обычно старые высоковольтные выключатели заменяются вакуумными, металлоконструкции ячеек КРУ не меняются, а комплекты РЗА заменяются устройствами опять же на электромеханических реле. При полной реконструкции подстанций применяются или МП терминалы РЗА, или комплекты на электромеханических реле, в зависимости от финансовых возможностей РСК.
При этом необходимо отметить, что в России сложились высокие цены на МП терминалы РЗА для присоединений 6–35 кВ, сравнимые или даже превышающие цены вакуумных выключателей. Одной из причин этого явилось заимствование западно-европейского стереотипа в отношении набора функций МП терминалов РЗА, которые значительно усложнились даже в части собственно функций защиты и автоматики по сравнению с комплектами РЗА на электромеханических реле:
- увеличение числа ступеней фазных токовых защит и защиты от замыкания на землю, количества видов токовых характеристик с зависимыми от тока выдержками времени;
- практически повсеместное введение логической защиты шин, защиты от обрыва фазы, нескольких групп уставок токовых защит и других функций РЗА;
- увеличение числа дискретных входов / выходов.
Всё это, наряду с введением других функций (измерения значительного числа параметров, диагностики выключателя, регистрации событий, осциллографирования переходных процессов, последовательного канала связи), приводит к повсеместному удорожанию МП терминалов РЗА, так как требует применения более производительных и дорогих МП комплектующих.
Между тем некоторые введенные функции в МП терминалы РЗА используются редко или вообще не могут быть использованы. Так, в России в находящихся в эксплуатации МП терминалах РЗА последовательные каналы связи не используются в 70% случаев. Рекламируемые в МП терминалах РЗА функции измерения для технического учета электроэнергии не могут быть реализованы, так как высоковольтные трансформаторы тока, используемые для цепей релейной защиты, не соответствуют метрологическим требованиям по классу точности для технического учета электроэнергии.
В результате российские производители зачастую упускают из вида несопоставимые инвестиционные возможности зарубежных и российских электроэнергетических компаний. Всё это обрекает нашу электроэнергетику на недопустимо медленные сроки обновления устройств РЗА, о чем говорилось выше.
Кроме того, участники нашего рынка устройств РЗА, за небольшим исключением, похоже, до сих пор не усвоили ряд законов рынка и стремятся иметь высокий уровень рентабельности своих изделий, устанавливая на них высокие цены. При этом уменьшается спрос на их изделия и соответственно суммарная прибыль. И только одна-две фирмы с успехом действуют на рынке при более низком уровне рентабельности изделий, постоянно увеличивая суммарную годовую прибыль за счет резкого увеличения скорости оборачиваемости капитала.
Следует отметить также, что цены МП терминалов РЗА европейских производителей в России обычно значительно (до 60%) выше, чем в Европе, за счет таможенных пошлин, транспортных расходов, расходов по растаможиванию продукции и других необходимых затрат.
Несмотря на постоянный рост цен на электромеханические реле, вызванный в основном высоким уровнем инфляции в России, они являются наиболее дешевым средством для создания комплектов РЗА присоединений 6–35 кВ и продолжают применяться при модернизации подстанций. Например, на оперативном постоянном токе набор дискретных реле стоит:
- автоматики и управления вводного выключателя – около 12 тыс. руб.;
- релейной защиты вводного выключателя – около 6 тыс. руб.;
- защиты и управления секционного выключателя – около 11,5 тыс. руб.;
- автоматики и управления выключателя отходящей линии (с АПВ и ЧАПВ) – около 9 тыс. руб;
- защиты выключателя отходящей линии от междуфазных КЗ и замыканий на землю – от 4 до 12,5 тыс. руб. в зависимости от схемных решений.
С учетом стоимости межрелейного монтажа приведенные суммы существенно увеличиваются – как указывалось выше, в 1,5–1,7 раза.
Электромеханические реле в настоящее время идут в основном в электроэнергетику для модернизации подстанций. Сопоставляя приведенные выше цифры по темпам обновления устройств РЗА с помощью электромеханических реле (~1,7% в год) и МП устройств (~0,24% в год), можно сделать вывод о том, что отсутствие инвестиций и высокие цены на МП терминалы РЗА вынуждают РСК применять на присоединениях 6–35 кВ новые устройства РЗА на электромеханических реле в 7 раз чаще, чем МП устройства РЗА. Однако этот вариант развития событий является тупиковым.
Использование в 21 веке электромеханических реле, изготовленных по технологии 60–70-х годов прошлого столетия с ручной сборкой и калибровкой путем гибки контактных пластин, не позволяет ни гарантировать стабильность параметров реле с течением времени, ни снизить эксплуатационные расходы на проверку и подкалибровку реле в течение срока их эксплуатации, ни обеспечить необходимый уровень автоматизации и надежности работы оборудования подстанций.
С учетом строительства новых подстанций и соответствующего прироста числа устройств РЗА на 1,2% в год [5], к 2015 году количество устройств РЗА, находящихся в эксплуатации более 25 лет, может составить около 60–65%.
Ожидаемое увеличение инвестиций в электроэнергетику с 2007 г., о котором заявляют некоторые члены правительства, до 400–500 млрд рублей в год, в случае его реализации, как представляется, будет направлено прежде всего на создание генерирующих мощностей и развитие магистральных ЛЭП ФСК. Инвестиции же в распределительные сети РСК вряд ли будут существенно увеличены.
Перспективы
В России сложился ущербный рынок устройств РЗА присоединений 6–35 кВ, который ни по номенклатуре изделий, ни по ценам не может удовлетворить потребителей. Появившиеся несколько лет назад упрощенные и более дешевые МП устройства РЗА без функций управления выключателем (УЗА-10А.2 фирмы «Энергомашвин», «Орион» и «Орион-М» производства ЗАО «Радиус Автоматика») пока не оказывают существенного влияния на ситуацию на этом рынке.
Между тем можно обратиться к чужому опыту. Так, в Финляндии в 80-е годы прошлого столетия всего за несколько лет устройства РЗА на электромеханических и статических реле в распределительных сетях впервые в мире были полностью заменены простыми токовыми микропроцессорными защитами.
Сегодня в Финляндии численность эксплуатационного персонала в распределительных сетях на 100 км ЛЭП в 10 раз меньше, чем в России.
Несколько лет назад на западном рынке появились дешевые микропроцессоры, которые позволили европейским фирмам Siemens, Telemecanique и некоторым японским компаниям создать малые промышленные контроллеры с числом входов/выходов до 40, сопоставимые по цене с несколькими реле. Они уже практически вытеснили электромеханические реле и реле времени, которые использовались для выполнения логических операций в различного рода простых автоматических устройствах (торговых автоматах и др.). Цена новых программируемых контроллеров Telemecanique серии Zelio Logic 2 находится в пределах 110–200 евро. Контроллеры (интеллектуальные реле) имеют дискретные и аналоговые входы, релейные и транзисторные выходы, компактное и модульное исполнения, устанавливаются на DIN-рейку 35 мм.
Разработка и освоение производства в России подобных малых контроллеров для целей РЗА позволили бы отказаться от производства промежуточных электромагнитных реле и электромагнитных и статических реле времени для выполнения логических операций в РЗА и функций по управлению высоковольтными выключателями. Как показывает предварительная проработка вопроса, цена такого контроллера в России с числом входов/выходов от 16 до 40, при организации серийного производства, могла бы составить от 4 тыс. рублей до 7–8 тыс. рублей. Такие контроллеры соответствуют требованиям к РЗА большинства присоединений напряжением 6–35 кВ.
Необходима также дальнейшая разработка и производство дискретных измерительных реле на МП элементной базе. В настоящее время такие реле тока серии РСТ-40 и напряжения РСН-50 выпускает ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары). Цена этих реле сопоставима с ценой электромеханических реле. Требуется освоение производства других видов измерительных реле на МП элементной базе, цена которых не превышала бы цену выпускаемых электромагнитных и статических реле.
На переходный период с программируемыми контроллерами можно было бы сочетать также и выпускаемые в настоящее время микроэлектронные реле. В сочетании с контроллерами, МП дискретные реле позволили бы осуществить построение устройств РЗА с гибкими функциями измерения и логическими функциями, задаваемыми проектными организациями. При этом полностью заменялись бы выпускаемые устаревшие электромагнитные и статические реле практически без повышения цен на новые устройства или даже со снижением их за счет удешевления реализации логических операций.
Мировая практика показывает, что в настоящее время ряд фирм, для построения гибких систем РЗА, выпускает МП дискретные реле. Это, например, фирмы АВВ (система Combiflex), DEIF
A/S (Uni-line), SELCO (G-Line). Причем зачастую одни и те же производители выпускают устройства РЗА и с гибкой, и с жесткой архитектурой (например АВВ). В последнее время наблюдается тенденция, за счет некоторого удорожания устройств РЗА, вводить при жестком наборе измерительных органов программируемую логику или даже программируемые компараторы (компания General Electric).
Программируемые контроллеры с аналоговыми и дискретными входами после относительно несложной доработки можно превратить в простые токовые МП терминалы РЗА с функцией управления выключателем, которые могут стать основой для технического перевооружения РЗА присоединений 6–35 кВ в России. Их цена при серийном производстве может составить 10–12 тыс. руб., что в 1,5–2 раза ниже указанных выше ориентировочных цен комплектов РЗА на электромеханических и статических реле. Эти же МП терминалы РЗА могут заменить до 80% дорогих терминалов РЗА, присутствующих в настоящее время на рынке устройств РЗА.
Новые МП могут обеспечить разработку также терминала РЗА с числом аналоговых входов до 8, с токовыми направленными защитами в фазах и от замыкания на землю, цена которого с функцией управления выключателем составит около 20 тыс. руб., что в 3–7 раз ниже цен аналогичных по функциям РЗА МП устройств, предлагаемых в настоящее время на российском рынке.
Модульное исполнение упрощенных терминалов РЗА позволило бы в последующем, по мере необходимости, дооснащать их модулями последовательного канала связи, расширения числа входов/выходов, преобразователями для термопар и зондов и другими устройствами.
Выпускаемые в настоящее время дорогие МП устройства РЗА, имеющие функции последовательного канала связи, регистратора событий, осциллографа и другие дополнительные функции, а также значительное число дискретных входов/выходов, могут использоваться для более ответственных присоединений или объектов и в зависимости от инвестиционных возможностей потребителей.
Предлагаемые меры позволили бы, в случае их реализации, при существующем объеме инвестиций увеличить годовые поставки с 2 до 4% от числа находящихся в эксплуатации устройств РЗА. С учетом ежегодного роста числа устройств РЗА до 1,2%, обновляемость составила бы до 2,8–3% в год.
Конечно, это не решает полностью проблему приемлемых сроков обновления устройств РЗА присоединений 6–35 кВ в электроэнергетике России. Приемлемое решение проблемы потребует увеличения инвестиций в 2–3 раза.
Литература
1. Стратегия развития РАО «ЕЭС России». Internet, www.rao-ees.ru.
2. Ремезов А.Н., Романов А.А., Косинов Ю.П., Бржезянский С.Э. Проблемы технического перевооружения энергопредприятий РАО «ЕЭС России» и пути их решения // Электрические станции. – 2000. – № 1. – С. 55–59.
3. Шамис М., Сыч А., Сушко В. Состояние релейной защиты в России // Электро-Info. – 2004. – № 11. – С. 4–7.
4. Коновалова Е.В. АО «Фирма ОРГРЭС». Основные результаты эксплуатации устройств РЗА энергосистем РФ. XV научно-техническая конференция «Релейная защита и автоматика энергосистем. 2002 г.». Сборник докладов. – Москва, РАО «ЕЭС России», 2002.
5. Коновалова Е.В. Основные результаты работы устройств РЗА на электрических станциях в энергосистемах Российской Федерации. Релейная защита и автоматика электрических станций: Сборник докладов технического семинара. – Москва, АО «Фирма ОРГРЭС», 2004. – С. 5–10.
| 
|
