Релейная защита

Состояние релейной защиты и автоматики (РЗА) неразрывно связано с общим состоянием электроэнергетики. Реформирование отрасли в соответствии с Федеральным законом № 35-ФЗ «Об электроэнергетике» от 26.03.2003 и его последующими редакциями было нацелено, в частности, на повышение эффективности и надежности ее функционирования, что предполагало обновление и повышение качества работы устройств РЗА энергосистемы.
По мнению Валентина Александровича Сушко, ни эти, ни другие заявленные цели реформирования электроэнергетики в России не достигнуты и деградация РЗА в отрасли продолжается.

Валентин Сушко, к.т.н., доцент кафедры ТОЭ и РЗА, Чувашский ГУ, г. Чебоксары

РЗА В РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЕ
Современное состояние

РЗА И РЕФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

В [1] констатировалось деградирующее состояние РЗА к началу реформирования электроэнергетики в России. В соответствии c [2] обновление парка устройств РЗА, с учетом частичной модернизации (ретрофита), составляло не более 2% в год. При этом из 1650 тысяч устройств РЗА, находившихся в эксплуатации в России в 2002 г., около 42% имели срок службы более 25 лет (при гарантированных изготовителями сроках службы 12–15 лет) и ежегодно этот показатель возрастал на 2%.

Положение в области РЗА оказалось гораздо хуже, чем в электроэнергетике в целом, т.к. инвестиции в РЗА составляли менее 1% инвестиций в электроэнергетику, а стоимость РЗА несколько более 1% стоимости основного оборудования электроэнергетики. Это привело к ежегодному росту неправильных действий РЗА по причине старения самих устройств и контрольных кабелей: с 6,4% в 1997 г. до 15,2% в 2002 г.

Для качественного изменения парка устройств РЗА с заменой его микропроцессорными устройствами и прекращения дальнейшей деградации РЗА требовалось приоритетное финансирование этой подотрасли с увеличением объемов инвестиций по сравнению с существовавшим тогда уровнем в 5–6 раз. Но этого не случилось.

Надежды на прекращение дальнейшей деградации РЗА в процессе реформирования электроэнергетики России, к сожалению, не оправдались. Это произошло по нескольким причинам.

• В России произошло полное разрушение системы управления надежностью работы электроэнергетики. В СССР этими вопросами в Минэнерго занималось Главное техническое управление по эксплуатации энергосистем совместно с проектными и научно-исследовательскими институтами «ГлавНИИпроекта». После распада СССР в энергохолдинге РАО «ЕЭС России» недолго просуществовал Департамент научно-технической политики, который был ликвидирован в 2000 г. [3]. Прекратилась подготовка такой необходимой информации, как «Обзор аварий и нарушений в работе электростанций и в энергосистемах», а также выпуск противоаварийных циркуляров в электроэнергетике [3]. Фактически произошел полный демонтаж сложившейся системы управления надежностью в электроэнергетике.

В настоящее время в Минэнерго РФ нет структурного подразделения, которое отвечало бы за надежность работы электроэнергетики и проведение научно-технической политики. Хотя формально в Минэнерго РФ существует Департамент государственной энергетической политики, его влияние на владельцев частных энергоактивов ограничивается тем, что модернизация частных паросиловых электростанций с переводом их на парогазовый цикл производится по программе Договоров о предоставлении мощностей (ДПМ) с механизмом компенсации затрат инвесторов за государственный счет, а не за собственный счет этих частных компаний, как это предусматривалось «Энергетической стратегией России на период до 2020 года».

Отмечу, что в США за надежную работу электроэнергетики отвечает Североамериканский совет по надежности электроснабжения (NERC), который, в соответствии с Законом об энергетической политике от 2005 г., работает под эгидой Конгресса США и по его поручению периодически проводит оценку надежности ЭЭС Северной Америки, контролирует работу ЭЭС, обучает, тренирует и сертифицирует промышленный персонал.

Возвращаясь в Россию, отметим, что:

• Государство распродало частным владельцам множество электростанций и электрических сетей по демпинговым ценам. В результате произошло дробление объектов электроэнергетики с выведением прибыли из электроэнергетической отрасли.
• План инвестиционной программы РАО «ЕЭС России» под названием «ГОЭЛРО-2» по вводу в 2008–2010 гг. новых генерирующих мощностей 48 ГВт за счет инвестиций частного капитала в объеме 3 трлн руб. был полностью провален. К 2011 г. ни один из 100 энергоблоков не был введен в эксплуатацию, по 16 энергоблокам проводились начальные работы, а по остальным работы даже не начинались.
• Был разрушен научно-технический потенциал НИИ и проектных институтов в отрасли электроэнергетики.
• Снижен уровень подготовки оперативного и технического персонала с увеличением загрузки последнего и уменьшением его численности при нарастающей напряженности между трудом и частным капиталом (долгое время не удавалось достигнуть трудового соглашения между профсоюзами и работодателями).

СТАТИСТИКА ПО УСТРОЙСТВАМ РЗА

В табл. 1 приведены статистические данные о работе всех видов устройств РЗА в России и в ЕНЭС за период с 2002 г. по 2013 г. включительно [4–9].

Таблица 1. Показатели работы РЗА в России и в ЕНЭС с 2002 по 2013 г.

Наиболее полные данные о работе РЗА в России в последний раз были приведены за 2002 г. После этого такие показатели представлялись только по ЕНЭС, в связи с тем что частные владельцы отказались представлять данные о работе РЗА и аварийности на их энергообъектах, объявив их коммерческой тайной.

С учетом данных табл. 1 и ежегодного роста числа устройств РЗА примерно на 1,2% [4], данные о работе РЗА на объектах ЕНЭС охватывают не более 12–17% от всех устройств РЗА в электроэнергетике России. Как работают остальные 83% устройств РЗА в России, ни Минэнерго РФ, ни широкой научно-технической общественности неизвестно.

До 2002 г. включительно показатель правильной работы всех устройств РЗА в России находился на уровне 99,5%. Например, в 2000 г., по данным ОАО «Фирма ОРГРЭС», показатель правильной работы 1469066 устройств РЗА составлял 99,59%, когда в эксплуатации находилось 98,5% электромеханических (ЭМ) устройств, а микроэлектронные (МЭ) и микропроцессорные (МП) составляли всего 1,5%.

В ЕНЭС показатель правильной работы устройств РЗА любого принципа действия за период с 2004 по 2013 г. включительно колебался в диапазоне от 98,7 до 99,27% (см. табл. 1).

Показатель неправильной работы РЗА из-за дефектов и неисправностей РЗА возрастал с 2002 г. по 2013 г. от 26,4 до 35,8% (табл. 1), а показатель неправильной работы из-за старения РЗА и контрольных кабелей колебался от 10,2 до 17,2%.

Наибольший интерес могут представлять данные о том, как сказывалось на показателях работы РЗА увеличение количества МП-устройств РЗА, используемых в единой энергосистеме России.

В табл. 2 приведены данные ОАО «Фирма ОРГРЭС» за 2005–2013 гг. о количественном и процентном составе МП-устройств РЗА в ЕНЭС и процент их правильной работы [9]. За это время процентный состав МП-устройств РЗА в ЕНЭС увеличился с 3,2% в 2005 г. до 23,9% в 2013 г., а показатель их правильной работы – с 91,5 до 99,12% соответственно.

Таблица 2. Ретроспективные показатели количества МП РЗА в ЕНЭС и их правильной работы

Казалось бы, процент правильной работы МП-устройств РЗА в последние годы не намного ниже общего процента правильной работы всех устройств РЗА. Так, за 2013 г. разница этих показателей по ЕНЭС (табл. 1, 2) составила 0,15%. Однако такая оценка не дает объективной картины надежности ЭМ и МП-устройств РЗА, т.к. сравнение производится при разном количестве тех и других устройств, отличающемся в несколько раз.

НЕПРАВИЛЬНАЯ РАБОТА ПО ОБЩИМ ПРИЧИНАМ

Как представляется, сравнительную оценку различных видов устройств необходимо производить по показателю их неправильной работы, отнесенному к одинаковому количеству сравниваемых видов устройств (например, ко всем РЗА в ЕНЭС одного вида или к 10 тысячам устройств РЗА каждого вида и т.д.).

В [9] приводятся данные о том, что в 2013 г. в ЕНЭС в эксплуатации находилось 23,9% МП РЗА, которые дали 35% всех неправильных действий РЗА. При этом 37% всех дефектов и неисправностей, выявленных при техническом обслуживании РЗА, составили дефекты самих устройств.

Взяв соотношение показателя неправильной работы МП РЗА к их процентному составу в ЕНЭС и умножив результат на 100%, получим относительное увеличение показателя неправильной работы МП РЗА в 2013 г., если бы в ЕНЭС были только МП РЗА:

При этом абсолютный показатель неправильной работы МП РЗА составил бы (табл. 1): 0,73% х 1,46 = 1,07%.

Вычислим такой же показатель для ЭМ-устройств, считая, что они составляют остальную часть РЗА в ЕНЭС – 76,1%, и пренебрегая отличием показателя неправильной работы 4% МЭ РЗА от ЭМ (т.к. нет данных), получим:

Абсолютный показатель неправильной работы ЭМ РЗА составил бы 0,73% х 0,854 = 0,62%.

Отношение полученных показателей (1) и (2):

говорит о том, что в 2013 г. МП РЗА работали неправильно в 1,7 раза чаще, чем такое же количество ЭМ-устройств.

Необходимо отметить, что 75% всех МП-устройств РЗА в ЕНЭС находились в эксплуатации не более 4 лет, а 42% – не более 2 лет. При этом 50% ЭМ РЗА в ЕНЭС находятся в эксплуатации более 25 лет, а более 35% – не менее 35 лет [11].

Таким образом, ожидаемый эффект от применения МП РЗА при их существующей надежности может обернуться недопустимым прогрессирующим снижением надежности РЗА.

Аналогично приведенным выше расчетам соотношения неправильной работы МП и ЭМ-устройств РЗА в ЕНЭС можно рассчитать соотношение неготовности одинакового количества МП и ЭМ-устройств РЗА при указанном выше значении 37% всех дефектов и неисправностей устройств РЗА, приходящихся на МП РЗА, выявленных в процессе эксплуатации РЗА.

Соотношение неготовности одинакового количества МП и ЭМ РЗА в 2013 г. составляло:

То есть неготовность относительно новых МП РЗА была в 1,87 раза больше, чем ЭМ РЗА со сроком эксплуатации 20–35 лет.

НЕПРАВИЛЬНАЯ РАБОТА ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ПРИЧИНАМ

Необходимо также сравнить показатели неправильной работы МП и ЭМ-устройств РЗА по техническим причинам, характерным только для самой аппаратуры, исключив причины, касающиеся внешних цепей (неисправность трансформаторов тока, оперативных цепей и др.) и ошибок в уставках. Не будем учитывать работу 4% МЭ-устройств РЗА.

Неправильная работа МП РЗА из-за технических причин (дефектов и неисправности аппаратуры и МП ВЧ-аппаратуры, дефектов и сбоев программного обеспечения, из-за прочих технических причин, включающих низкую помехоустойчивость МП РЗА) в 2013 г. составила 39,2% [9].

Данные о неправильной работе ЭМ РЗА в ЕНЭС из-за дефектов и неисправностей ЭМ-реле имеются только за 2011 г. (13,4% от всех технических причин) [7], но их можно, очевидно, использовать применительно к 2013 г., т.к. количество устройств за 2 года даже уменьшилось примерно на 1000.

Проведя расчет показателя соотношения неправильной работы МП и ЭМ РЗА по основным техническим причинам в 2013 г. аналогично (4), получим:

Таким образом, в 2013 г. МП-устройства РЗА работали неправильно по основным техническим причинам примерно в 7,8 раза чаще, чем такое же количество ЭМ-устройств РЗА.

Аналогично (5) может быть рассчитан показатель соотношения неправильной работы ЭМ и МЭ-устройств РЗА в 2013 г. из-за дефектов и неисправностей (с учетом имеющихся данных по МЭ-устройствам за 2011 г. – 4,3% [7], МЭ-устройства дали 4,37% всех неправильных срабатываний по техническим причинам в пересчете на 2013 г.):

МЭ-устройства РЗА в 2013 г. неправильно срабатывали в 5,2 раза чаще, чем ЭМ-устройства РЗА при их одинаковом количестве по причине дефектов и неисправностей.

СИТУАЦИЯ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

Ситуация с МП-устройствами РЗА в России осложняется тем, что большая часть рынка этих устройств контролируется зарубежными компаниями. Так, на долю основного российского производителя МП РЗА – фирму «ЭКРА» – в 2013 г. приходилось около 23% этих устройств, находящихся в эксплуатации в ЕНЭС, а на долю зарубежных производителей (Siemens, Alstom, ABB, GE) – 50,4% [9]. При этом заказчики МП-аппаратуры РЗА при поставке ее инофирмами зачастую остаются один на один со своими проблемами, и технической помощи им ждать неоткуда, что неминуемо отрицательно сказывается на надежности работы РЗА.
По моему мнению, в России реальную помощь заказчику могут оказать только российские производители МП-устройств РЗА.
В [5] ставился вопрос о целесообразности процедуры технического освидетельствования устройств РЗА, отработавших установленный срок, хотя это является обязательным требованием в отношении всех технических систем, в т. ч. и в электроэнергетике. В результате технического освидетельствования должно быть сделано заключение о замене устаревшего оборудования или о продлении его срока службы на определенное время. То, что в России устройства РЗА могут находиться в эксплуатации в течение двух и более установленных сроков службы без их технического освидетельствования, тоже говорит о деградации подотрасли РЗА.
Необходимо также отметить, что все сложные высоконадежные технические системы в мире разрабатываются и проектируются на базе математической теории надежности. В этом отношении в России релейная защита электроэнергетических систем является, очевидно, редчайшим исключением, т.к. в настоящее время при ее разработке и проектировании этой теорией не руководствуются. Некоторые из этих вопросов будут рассмотрены во второй части статьи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шамис М.А., Сыч А.А., Сушко В.А. Состояние релейной защиты в России // Электро-Info. 2004. № 11.
2. Федеральный закон № 35-ФЗ «Об электроэнергетике».
3. Кудрявый В.В. Системные причины аварий // Энергоэксперт. 2012. № 6(35).
4. Коновалова Е.В. Основные результаты работы устройств РЗА на электрических станциях в энергосистемах Российской Федерации // Сборник докладов технического семинара «Релейная защита и электроавтоматика электрических станций». М.: ЦПТИ ОРГРЭС, 2004.
5. Коновалова Е.В. Основные результаты работы устройств РЗА на объектах ЕНЭС. Общие данные по работе устройств РЗА на объектах РСК энергосистем Российской Федерации. Результаты работы микропроцессорных устройств РЗА в ЕНЭС и в РСК // Сборник докладов «Релейная защита и автоматика энергосистем». М., 2006.
6. Коновалова Е.В., Сахаров С.Н. Устройства РЗА в ЕНЭС. Основные результаты работы // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 4(52).
7. Кузьмичев В.А., Коновалова Е.В., Сахаров С.Н, Захаренков А.Ю. Ретроспективный анализ работы устройств РЗА в ЕНЭС // Релейная защита и автоматизация. 2012. № 1(06).
8. Кузьмичев В.А., Коновалова Е.В., Сахаров С.Н., Захаренков А.Ю. Ретроспективный анализ работы устройств РЗА в ЕНЭС // Новое в российской электроэнергетике. 2014. № 7.
9. Кузьмичев В.А., Коновалова Е.В., Захаренков А.Ю., Сахаров С.Н., Балуев А.В. Анализ работы микропроцессорных устройств РЗА в ЕНЭС России // Релейная защита и автоматизация. 2014. № 2(15).
10. Кудрявый В.В. Взгляд из провала // Энергоэксперт. 2008. № 3.
11. Буртаков В.С., Захаренков А.Ю., Кузьмичев В.А. Рекомендации по модернизации, реконструкции и замене длительно эксплуатирующихся устройств релейной защиты и электроавтоматики энергосистем // Релейная защита и автоматизация. 2013. № 1(10).