Защита микропроцессорных устройств релейной защиты от преднамеренных дистанционных деструктивных воздействий. Часть 2 - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

4658
Защита микропроцессорных устройств релейной защиты от преднамеренных дистанционных деструктивных воздействий. Часть 2

Как было показано нами ранее в [1], микропроцессорные устройства релейной защиты (МУРЗ) объектов электроэнергетических систем являются, вследствие выполняемых ими функций, весьма опасными каналами проникновения преднамеренных дистанционных деструктивных воздействий (ПДДВ) в энергосистему.

Такие ПДДВ могут быть классифицированы как:

 - кибернетические (кибератаки);

- электромагнитные (электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва, мощное ультраширокополосное направленное электромагнитное излучение специальных генераторов, импульсное излучение взрывных генераторов одноразового действия);

- функционально-технологические (использование нормальных технологических функций реле защиты, заранее запрограммированных таким образом, что при их активации без использования кибернетических атак (например, подачей напряжения на дискретный вход) МУРЗ выдаст соответствующие команды на высоковольтные коммутационные аппараты, приводящие к нарушению нормальной работоспособности электрической сети или даже целой энергосистемы).

ПДДВ могут воздействовать на МУРЗ следующим образом:

- вызвать внутренние повреждения микроэлектронных компонентов, сопровождающиеся мгновенными неправильными действиями релейной защиты;

- привести к латентным повреждениям микроэлектронных компонентов, не проявляющимся при стандартных проверках исправности МУРЗ, но проявляющимся в процессе работы МУРЗ виде неправильного выполнения ими определенной совокупности логических и вычислительных операций.

- вызвать нарушения функционирования МУРЗ путем вмешательства в алгоритм его действия (кибератаки);

- вызвать неправильные действия релейной защиты при сохранении полной физической и программной исправности МУРЗ (функционально-технологические ПДДВ).

В соответствии с [1] различают пассивные и активные методы защиты МУРЗ от ПДДВ. К пассивным методам защиты относятся специальные широкополосные фильтры, специальные монтажные шкафы, кабели, специальные покрытия и краски, отражающие электромагнитные волны, шторы и ковры из металлических нитей, специальные строительные материалы, ослабляющие электромагнитное излучение. Активные методы защиты основаны на совместном использовании МУРЗ и электромеханических реле защиты (ЭМРЗ), значительно более устойчивых к ПДДВ. При этом различают два способа включения МУРЗ и ЭМРЗ: параллельное и последовательное [2]. Параллельное включение МУРЗ и ЭМРЗ требует наличия полного комплекта электромеханических реле защиты, рассчитанного на выполнение всего комплекса защитных функций. Кроме того, такое включение никак не гарантирует отсутствие ложных и непредусмотренных срабатываний МУРЗ, подвергнутого воздействию ПДДВ. Как показано в [1], ложные, излишние и непредусмотренные срабатывания МУРЗ (термины, предложенные в [3]) могут привести к ущербу большему, чем несрабатывания. Последовательное включение МУРЗ и ЭМРЗ не требует использования полноценного комплекта ЭМРЗ, а нуждается лишь в наличии упрощенного пускового органа. Кроме того, такое включение предотвращает ложные и непредусмотренные срабатывания МУРЗ, подвергнутого воздействию ПДДВ. Поэтому именно такое включение является предпочтительным. Конкретный пример такой защиты на основе специально разработанного устройства с быстродействующими электромеханическими элементами – герконами – описан в [4, 5] (рис.1).

Разработанное устройство предназначено для защиты МУРЗ от функционально-технологических ПДДВ – наиболее сложного вида ПДДВ, от которого не существует никаких других средств защиты. Очевидно, что описанное в [4, 5] устройство – это всего лишь один из примеров предложенной концепции, призванный подтвердить принципиальную возможность ее практической реализации, и это устройство нуждается в дальнейшем развитии, уточнении и совершенствовании. Тем не менее, на этом примере можно с уверенностью утверждать, что проблема защиты МУРЗ от функционально-технологических ПДДВ может быть успешно решена. Следует отметить, что описанное устройство, блокирующее дискретные входы, связь и выход МУРЗ в периоды между аварийными режимами, на которые должно реагировать МУРЗ, эффективно защищает его не только от функционально-технологических ПДДВ, но также и от внутренних повреждений, вызванных проникновением на чувствительные входы мощных электромагнитных воздействий, также и от кибератак.

Для защиты МУРЗ от внутренних повреждений, связанных с воздействием высоковольтных импульсов, которые могут проникнуть на его аналоговые входы через цепи тока, напряжения, а также для защиты цепей питания могут использоваться известные методы повышения устойчивости электронной аппаратуры к электромагнитным воздействиям. Следует отметить, что современные МУРЗ уже имеют встроенную защиту от таких воздействий, соответствующую требованиям стандартов по электромагнитной совместимости. Однако ПДДВ существенно отличаются по своей интенсивности и частотному диапазону от естественных электромагнитных помех, предусмотренных этими стандартами, поэтому встроенная в МУРЗ защита должна быть существенно усилена. Это одно из направлений повышения устойчивости МУРЗ к ПДДВ. Второе направление связано с применением дополнительных внешних средств защиты, известных как пассивные методы защиты (см. выше).

Элементами, связывающими аналоговые входы МУРЗ с внешними цепями тока и напряжения, являются входные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), поэтому именно эти элементы будут подвергнуты воздействию мощных перенапряжений ПДДВ в первую очередь. Входные ТТ в МУРЗ имеют наиболее простую конструкцию. Как правило, это многовитковая вторичная обмотка, намотанная на ферромагнитном сердечнике, и первичная обмотка, состоящая из нескольких витков толстого изолированного провода, намотанных поверх изолированной вторичной обмотки.

На рис.2 показан фрагмент модуля аналоговых входов МУРЗ с установленными ТТ. Хорошо видна первичная обмотка, состоящая из 4 витков гибкого изолированного провода черного цвета.

Методы повышения устойчивости такой конструкции к воздействию мощных импульсных напряжений достаточно просты и заключаются в следующем:

- использование заземленного экрана (в виде фольги или дополнительной однослойной обмотки), расположенного между первичной и вторичной обмотками;

- капсулирование вторичной обмотки путем заливки ее эпоксидным компаундом с отверждением под вакуумом;

- использование провода в высоковольтной изоляции для изготовления первичной обмотки;

- использование дополнительных экранов и полупроводящих покрытий, выравнивающих электрическое поле в конструкции ТТ;

- применением магнитопровода с изолированной поверхностью.

На рис.3 показаны трансформаторы тока капсулированной конструкции с вторичной обмоткой, заложенной в пластмассовый корпус и залитой эпоксидным компаундом, отвержденным под вакуумом. Видна первичная обмотка, состоящая из одного витка гибкого изолированного провода.

Десятки типов гибких проводов в высоковольтной изоляции из силикона, полиэтилена, фторопласта на напряжения 10...25 кВ выпускаются многими компаниями: Teledyne Reynolds, Multi-contact; Allied Wire & Cable; Wiremax; Dielectric Sciences Inc., Axon’ Cable, Daburn Electronics & Cable, Sumitomo Electric, Belden, ОКБ Кабельной промышленности, ООО «Редкий Кабель» и многими другими.

Рекомендации по усилению устойчивости ТН аналогичны, за исключением того, что вместо гибкого провода с высоковольтной изоляцией в качестве первичной обмотки, применяется обмоточный провод с улучшенной изоляцией третьего класса в соответствии с IEC 60317-0-1 Specification for particular types of winding wires – Part 0-1: General requirements – Enamelled round copper wire из полиимида (Polyimide), а также пропитка под вакуумом обеих обмоток. Поскольку увеличение сечения обмоточного провода сопровождается автоматическим увеличением толщины изоляции и ее электрической прочности, то следует стремиться к использованию большего по сечению провода, несмотря на естественное увеличение размеров ТН. Некоторые производители выпускают обмоточные провода с изоляцией из полиимида, выдерживающие полуторное и даже двойное напряжение, по сравнению с нормируемым по стандарту IEC 60317-0-1, например, английская компания P.A.R. Insulations & Wires Ltd, турецкая Bemka A. S. и др. Для дополнительной защиты ТН может быть рекомендована установка внутри МУРЗ специальной защитной цепочки со стороны его первичной обмотки. Такое устройство показано на рис.4, где обозначены:

1 – полупроводниковый супрессор;

2 – токоограничивающие резисторы;

3 – мощный варистор.

Такая цепочка, содержащая комбинацию защитных элементов с различными характеристиками, наиболее эффективна для защиты от электромагнитных ПДДВ. На вторичной стороне ТН и ТТ должны быть установлены дополнительно два низковольтных встречно включенных стабилитрона, ограничивающих уровень напряжения электромагнитной помехи, поступающей на вход электронной схемы, если таковая все же проникнет на вторичную обмотку через все слои изоляции и экран.

Высококачественные внутренние источники питания МУРЗ имеют встроенные фильтры на входе, включающие варисторы, дроссели, конденсаторы, достаточно эффективно подавляющие электромагнитные помехи, включающие ПДДВ. Но очень важно, чтобы все без исключения источники питания МУРЗ были снабжены такими высококачественными фильтрами.

Рассмотренные выше меры касаются конструкции самого МУРЗ и находятся в сфере ответственности производителей. Но помимо этих мер, необходимо предусмотреть еще и меры групповой защиты МУРЗ, включающие специальные релейные шкафы [2] и другие известные меры пассивной защиты. Среди этих мер следует особо выделить специальные фильтры, включенные в месте ввода в релейный зал цепей напряжения и тока от измерительных трансформаторов, расположенных снаружи, а также в цепи питания переменного тока зарядно-подзарядных устройств (УЗП). При этом следует иметь в виду, что речь идет не о простых фильтрах, ослабляющих естественные электромагнитные помехи, а о фильтрах, специально предназначенных для подавления электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва и мощных электромагнитных излучений ПДДВ. Технические требования к таким фильтрам оговариваются военными стандартами и справочниками, в частности, MIL-STD-188-125 и MIL-HDBK-423.

Такие фильтры содержат наборы элементов, служащих для подавления импульсных перенапряжений (как правило, это мощные варисторы) и ослабления высокочастотных сигналов (последовательно включенные катушки индуктивности и параллельно включенные конденсаторы).

На рис.5 показан внешний вид фильтра и упрощенная схема одного звена фильтра, предназначенного для защиты от ПДДВ. Реальная схема содержит несколько последовательно включенных звеньев на каждую фазу. На входе устройства включены мощные варисторы RU.

Самые лучшие образцы таких фильтров обеспечивают затухание помехи не менее чем на 80...100 дБ в широком спектре частот от десятков килогерц до десятков гигагерц при полной нагрузке с токами от десятков до сотен ампер.

На рис.6 показана типовая частотная характеристика фильтров, предназначенных для защиты от ПДДВ.

Такие фильтры производятся многими специализированными компаниями: ETS-Lindgren, Captor Corp., LCR Electronics, MPE, Transtector, Eurofarad, Holland Shielding System, European EMC Products Ltd., EMS Development Corp., Meteolabor, Fil-Coil, RFI Corp., Genisco Filter Corp. и др. На рынке широко представлены фильтры, предназначенные для установки в цепях питания переменного и постоянного тока в однофазном и трехфазном исполнении на токи от нескольких десятков ампер до нескольких тысяч ампер.

На рис.7 показаны мощные фильтры для цепей питания: вверху на токи в несколько десятков ампер, внизу на токи свыше 1000 А.

Имеются также маломощные фильтры для цепей управления на токи 1...3 А, которые могут быть использованы для защиты вторичных цепей напряжения внешнего ТН (рис.8), а также для систем связи и передачи данных (рис.9).

Для дополнительной защиты системы оперативного электропитания постоянного тока (СОПТ) могут быть использованы специальные устройства, содержащие мощные варисторы с термоэлементами, отключающими варистор и выдающими сигнал в случае повреждения варистора (рис.10).

Такие устройства специально предназначены для защиты СОПТ от импульсных перенапряжений.

Таким образом, можно констатировать, что сегодня существуют надежные методы защиты МУРЗ от всех видов ПДДВ. Выбор того или иного метода защиты зависит от конкретного случая. Наиболее полную и эффективную защиту от всех видов ПДДВ обеспечивает комбинированная защита, включающая и активные, и пассивные средства. Понятно, что применение дополнительных технических средств приведет к некоторому удорожанию релейной защиты, однако с учетом того, что особая защита от ПДДВ требуется далеко не для каждого установленного МУРЗ, общее удорожание электроэнергетического объекта окажется не столь уж существенным. Кроме того, следует учитывать, что применение средств защиты от ПДДВ резко повышает устойчивость микропроцессорной релейной защиты и к обычным электромагнитным помехам, то есть повышает надежность ее работы не только в возможных экстремальных условиях, но и в обычном режиме работы.

 

Литература

1. Гуревич В.И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения. – М.: Инфра-инженерия, 2014.

2. Гуревич В.И. Электромеханические и микропроцессорные реле защиты. Возможен ли симбиоз? // Релейная защита и автоматизация. – 2013. – №2. – С.75–77.

3. Гуревич В.И. Про терминологию в релейной защите // PRO Электричество. – 2013. – №3-4. – С.51–52.

4. Гуревич В.И. Аппаратные средства защиты современной релейной защиты от дистанционных деструктивных воздействий // Электрик. – 2013. – №12. – С.32–35.

5. Гуревич В.И. Технико-экономические аспекты аппаратного метода защиты микропроцессорных реле в вопросах и ответах // Электрик. – 2014. – №1-2. – С.28–33.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus