ФМ

ФМ: Фазочувствительная Микропроцессорная защита и автоматика в электроэнергетике

В современной электроэнергетике аббревиатура ФМ наиболее часто и корректно расшифровывается как Фазочувствительная Микропроцессорная защита. Это не отдельный аппарат, а целый класс современных устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), построенных на микропроцессорной элементной базе и реализующих, в числе прочих, фазочувствительные алгоритмы. Ядром таких устройств являются многофункциональные терминалы, заменяющие целые комплексы электромеханических и аналоговых реле. Их применение охватывает все уровни энергосистемы: от линий электропередачи 6-750 кВ, трансформаторов, шин распределительных устройств до мощных электродвигателей и конденсаторных батарей на промышленных предприятиях.

Архитектура и принцип действия терминалов ФМ

Микропроцессорный терминал ФМ представляет собой сложное программируемое устройство. Его архитектура включает несколько ключевых модулей:

• Аналоговые входы (АЦП): Принимают сигналы от трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН) через промежуточные преобразователи. Аналого-цифровой преобразователь с высокой частотой дискретизации оцифровывает мгновенные значения токов и напряжений всех фаз.
• Дискретные (бинарные) входы: Принимают сигналы о положении выключателей (включен/отключен), сигналы от других устройств, команды с диспетчерского пульта.
• Дискретные (силовые) выходы: Исполняющие органы, предназначенные для подачи команд на отключение выключателя, включение АВР, сигнализацию и т.д.
• Центральный процессор и память: Обрабатывают оцифрованные сигналы по заложенным алгоритмам, сравнивают их с уставками, формируют логику работы и принимают решения.
• Устройства связи: Интерфейсы (RS-485, Ethernet) для объединения в цифровые сети АСУ ТП, связи с верхним уровнем (SCADA) и другими устройствами по протоколам (Modbus, IEC 60870-5-103/104, IEC 61850).
• Панель управления (ВЧИ): ЖК-дисплей и клавиши для локального управления, просмотра измерений, осциллограмм и событий.

Принцип действия основан на непрерывном вычислении действующих значений токов и напряжений, углов между ними, мощностей, сопротивлений и других производных величин в реальном времени. Эти вычисленные значения сравниваются с заданными уставками. При превышении уставки или выполнении заданных логических условий запускается таймер, и по его истечении формируется команда на выходном реле.

Ключевые функции и защиты, реализуемые в терминалах ФМ

Современный терминал ФМ интегрирует десятки функций. Основные группы защит:

1. Защиты линий электропередачи (воздушных и кабельных)

• Дистанционная защита (ДЗ): Основная быстродействующая защита для ВЛ 35 кВ и выше. Ее действие основано на измерении сопротивления петли «фаза-фаза» или «фаза-ноль». Характеристика срабатывания в комплексной плоскости сопротивления (R/X) позволяет четко отделить повреждения на защищаемой линии (зона 1, 2, 3) от внешних КЗ и нормальных режимов.
• Токовая отсечка (ТО): Защита без выдержки времени от КЗ в начале линии.
• Токовая направленная нулевой последовательности (ТННП): Чувствительная защита от замыканий на землю в сетях с изолированной или компенсированной нейтралью. Фазочувствительность здесь проявляется в анализе угла между током 3I0 и напряжением 3U0 для определения поврежденной фазы и направления на повреждение.
• Защита от замыканий на землю в сетях с эффективно заземленной нейтралью (ТЗНП).

2. Защиты силовых трансформаторов

• Дифференциальная токовая защита (ДЗТ): Основная быстродействующая защита, сравнивающая токи на вводах трансформатора. Современные алгоритмы компенсируют изменение коэффициента трансформации, группу соединения обмоток и ток намагничивания (бросок тока холостого хода).
• Газовая защита (сигнал от реле РГЧ): Подключается к дискретным входам терминала.
• Максимальная токовая защита (МТЗ) с пуском по напряжению: Резервная защита от внешних КЗ.
• Защита от перегрузки с тепловой моделью трансформатора.

3. Автоматические функции

• Автоматическое повторное включение (АПВ): Одно-, двух- или трехфазное, с возможностью проверки синхронизма или наличия напряжения.
• Автоматический ввод резерва (АВР): На секционном выключателе или вводе резервного питания.
• Автоматическая частотная разгрузка (АЧР).

Преимущества микропроцессорных терминалов ФМ перед устройствами прежних поколений

Критерий	Электромеханические и аналоговые реле	Микропроцессорные терминалы ФМ
Функциональность	Одно реле – одна функция. Для полной защиты объекта требуется шкаф с десятками реле.	Один терминал заменяет весь шкаф, реализуя все основные и резервные защиты, автоматику, контроль, измерение и учет.
Гибкость и настройка	Жесткая логика, ограниченные возможности по изменению характеристик и уставок.	Программируемая логика (PLC), широкий диапазон регулирования уставок, выбор характеристик срабатывания.
Самодиагностика и информация	Отсутствует. Неисправность выявляется при проверке или отказе в действии.	Непрерывный самоконтроль, журналы событий и осциллограммы (запись токов и напряжений до, во время и после КЗ), что критически важно для анализа аварий.
Точность и быстродействие	Зависят от механического износа, температуры. Время срабатывания десятки миллисекунд.	Высокая стабильность характеристик, отсутствие механического износа. Время срабатывания 15-40 мс (в 1.5-3 раза быстрее).
Связь и интеграция в АСУ	Только контактные выходы для телемеханики.	Цифровые интерфейсы и стандартные протоколы для передачи всех данных, уставок, осциллограмм в SCADA.
Габариты и обслуживание	Большие шкафы, необходимость регулярных проверок и регулировок.	Компактность, значительное сокращение объема регламентных работ.

Аспекты проектирования и эксплуатации систем на базе ФМ

Внедрение микропроцессорных терминалов требует системного подхода:

• Выбор аппаратуры: Определение необходимого набора функций, количества аналоговых и дискретных сигналов, требований к протоколам связи. Популярные серии: Siemens SIPROTEC, ABB REF, Schneider Electric Sepam, отечественные терминалы серий «Байкал», «Сириус», «ШЭП».
• Проектирование логики: Разработка схемы цепей тока, напряжения, дискретных входов/выходов (СИ/СО). Программирование логики АПВ, АВР, блокировок, межблочных связей.
• Расчет уставок: Выполняется на основе расчетов токов КЗ, нагрузочных и режимных характеристик защищаемого объекта. Требует высокой квалификации инженера-расчетчика.
• Пуско-наладочные работы (ПНР): Включают:
  • Проверку монтажа и цепей ТТ/ТН.
  • Ввод уставок и конфигурации.
  • Моделирование аварийных режимов с помощью переносных реле-тестеров (типа ОВЕН, Primestar, FREJA) для проверки правильности срабатывания всех защит и логики.
  • Регистрацию и анализ осциллограмм тестовых отключений.
• Эксплуатация: Мониторинг состояния устройств через SCADA, анализ журналов событий после срабатываний, периодическая проверка (раз в несколько лет) с помощью тестеров.

Тенденции развития: от ФМ к интеллектуальным цифровым подстанциям

Развитие технологий ФМ идет в русле концепции цифровой подстанции согласно стандарту МЭК 61850. Ключевые направления:

• Полная цифровизация первичного оборудования: Использование «умных» датчиков (оптических ТТ/ТН) с цифровым выходом, непосредственно подключаемых к сети подстанции по оптоволокну.

GOOSE-обмен (Generic Object Oriented Substation Event): Высокоскоростной обмен дискретными сигналами (командами, статусами) между терминалами по оптоволоконной сети Ethernet, что заменяет сотни медных контрольных кабелей.

• Системная интеграция: Глубокое взаимодействие всех устройств РЗА, автоматики, измерения и учета в едином информационном пространстве, что позволяет реализовывать сложные системные противоаварийные автоматики.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается ФМ от простого микропроцессорного реле?

Термин «ФМ» подчеркивает ключевую особенность – наличие фазочувствительных алгоритмов (направленных защит, дифференциальных, дистанционных), требующих анализа не только величины, но и фазы (угла) токов и напряжений. Простые микропроцессорные реле могут реализовывать только максимальные токовые защиты без определения направления.

Как часто нужно проверять и настраивать терминалы ФМ?

Межпроверочный интервал для микропроцессорных терминалов, согласно нормативным документам (РД 153-34.0-35.613-2001), может быть увеличен до 4-6 лет (по сравнению с 1-2 годами для электромеханических реле) при условии наличия надежной системы самодиагностики. Однако ежегодный внешний осмотр, проверка целостности цепей ТТ/ТН и анализ журналов событий обязательны.

Что важнее при выборе: количество функций или надежность?

Надежность является базовым требованием. Следует выбирать устройства от производителей с подтвержденной репутацией и длительным опытом эксплуатации в аналогичных условиях. Избыточное количество неиспользуемых функций может усложнить конфигурацию и повысить риск ошибок при настройке. Оптимален выбор терминала с необходимым и достаточным функционалом.

Можно ли интегрировать терминалы разных производителей в одну систему?

Да, но с ограничениями. Интеграция на уровне дискретных сигналов (сухие контакты) всегда возможна. Для цифровой интеграции в АСУ ТП критически важен поддерживаемый протокол связи. Стандарт IEC 61850 призван решить проблему совместимости, однако на практике для глубокой интеграции (GOOSE-обмен между устройствами) часто предпочтительна аппаратура одного производителя или проверенные комбинации.

Что такое «цифровая осциллограмма» и зачем она нужна?

Это файл, содержащий запись мгновенных значений всех аналоговых величин (токов фаз, напряжений) и статусов дискретных сигналов за определенный период до, во время и после срабатывания защиты. Осциллограмма является главным инструментом для анализа правильности работы защиты, определения характера и места повреждения, выявления аномалий в работе первичного оборудования (например, подпитка дуги от генераторов).

Как защитить терминал ФМ от электромагнитных помех в РУ?

Необходимо строго соблюдать требования ЭМС (электромагнитной совместимости): использовать экранированные медные контрольные кабели с заземлением экрана с одной стороны, устанавливать устройства в металлические шкафы с качественным заземлением, применять ограничители перенапряжений в цепях дискретных входов/выходов и питания, соблюдать разделение силовых и слаботочных цепей при прокладке.