Опыт внедрения БМРЗ на ЛАЭС

Косов М. Ю., èíæ.

Ленинградская атомная электростанция

В июле 2000 г. на первом энергоблоке ЛАЭС в качестве нижнего уровня КИУ (комплекс измерительный, управляющий) РЗА введены в эксплуатацию микропроцессорные блоки релейной защиты (БМРЗ), автоматики и управления двигателями 6 кВ 1НР-1 (первый насос расхолаживания энергоблока ¹ 1) и 1МПЭН-1 (первый малый питательный электрический насос энергоблока ¹ 1). Всего на июнь 2002 г. находятся в опытной эксплуатации 23 БМРЗ-ДА24 (блок микропроцессорный релейной защиты – двигатель асинхронный; 24 – номер модификации) и два БМРЗ-ВВ (вводного выклю- чателя) производства НТЦ “Механотроника”.

Âпериод с 1980 по 1990 г. на производственных участках МСРЗА (в основном, главной схемы блока и надежного питания) началась эксплуатация микроэлектронных реле, принципиальные электрические схемы которых содержали большое количество функциональных узлов, собранных на операционных усилителях и логических интегральных микросхемах. Эти реле в процессе эксплуатации проявили себя не с лучшей стороны. Эксплуатационные возможности и высокие техниче- ские характеристики с лихвой нейтрализовались сложностью наладки, частыми выходами из строя

èненадежной работой. Факты неудовлетворительной работы устройств объяснялись применением некачественной элементной базы и недостаточной помехозащищенностью.

Âконце 70-х годов практически на всех участках МСРЗА (местная служба релейной защиты и автоматики) были внедрены и эксплуатируются по сей день электронные реле, которые отрабатывают уже второй срок службы. При проведении плано- во-предупредительных ремонтов заменяются выработавшие свой ресурс радиоэлементы с последующей полной наладкой всего устройства. В связи с такой обстановкой затягиваются ремонты, происходят ложные срабатывания защит.

Цепи вторичной коммутации электрической части станции на момент пуска первой очереди почти полностью состояли из электромеханиче- ских реле, которые обладают 100%-ной помехозащищенностью.

На сегодняшний день МСРЗА ЛАЭС работает уже с четвертым поколением устройств РЗА. Этот факт дает возможность поделиться опытом внедрения БМРЗ на ЛАЭС и затронуть некоторые технические и психологические аспекты эксплуатации.

Во многом благодаря неоднозначному отношению специалистов МСРЗА к БМРЗ как к изделию

отечественного производства и персональной ответственности за свое будущее оборудование была проведена большая исследовательская работа, которая дала ответы на интересующие вопросы и поставила новые вопросы перед разработчиками МП РЗА и заказчиками.

Выбор устройств, выпускаемых НТЦ “Механотроника”, был обусловлен целым рядом достоинств и преимуществ общего характера над аналогичными изделиями зарубежных и отечественных производителей.

Но главным камнем преткновения был вопрос о возможности применения микропроцессорных устройств для защиты и автоматизации процессов управления оборудования, важного для безопасности АЭС. В результате было принято решение испытать устройство в лаборатории. Руководство НТЦ “Механотроника” предоставило два блока для натурных испытаний.

Экспериментам подвергся БМРЗ-ДА24 зав. ¹ 0060 (на тот день еще без штампа на корпусе “для АЭС”). Перед специалистами участка наладки и ремонта РЗА была поставлена неординарная, требующая творческого отношения задача: заставить блок сработать в ситуациях, когда он работать не должен, проверить работоспособность в условиях тяжелой электромагнитной обстановки, проанализировать алгоритмическую часть, выявить слабые места.

Так как принципиальные электрические схемы фирма не предоставила, теоретически выявить слабые места не удалось. При внутреннем осмотре было обнаружено, что пайка произведена полуавтоматом, платы лакированные. Сигнальный и центральный процессоры, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) установлены на панельках, это делает возможным модернизацию устройства в будущем и изменение “зашитых” программ (что мы в процессе внедрения делали не раз и оценили это по достоинству).

Выходные реле, смонтированные на плате модуля ввода-вывода вместе с электронными ключа- ми, – малогабаритные, герметичные, с позолоченными контактами, с одинаковой конструкцией и коммутационной способностью для цепей сигнализации и управления выключателем. Модуль вво- да-вывода содержит также пороговые элементы (входные оптронные ячейки, выполненные на отдельных съемных платах), так что ремонт в условиях лаборатории РЗА возможен при правильно выбранном ЗИП. Блок питания – импульсный, с предохранителем и большими по емкости электро-

2003, ¹ 11

63

литическими конденсаторами, которые одновременно являются элементами сглаживающих фильтров и аккумуляторов энергии для питания БМРЗ при перерывах питания длительностью до 1,5 с. Наличие “электролитов” наводит на мысль о том, что срок службы блока питания в условиях КРУ 6 кВ ЛАЭС будет не более 10 лет, а хранение на складах (без питающих напряжений) еще уменьшит его. Модуль аналоговых сигналов содержит набор ПИТ (преобразователь измерительный тока) и ПИН (преобразователь измерительный напряжения) на заказанные диапазоны. Замена измерительных преобразователей также не составит труда. Модуль пульта выполнен с герметичными кнопками, кроме входа RS-232 (судя по конструкции пульт брызгозащищен). На платах не замечено ни одного регулировочного элемента; это дает возможность предположить, что изделие должно надежно работать. Практически все элементы импортные, география фирм-производителей широка.

Микропроцессорный блок релейной защиты (БМРЗ) имеет кассетно-модульную конструкцию (всего семь унифицированных модулей), а встроенная система самодиагностики построена таким образом, что в определенном кадре подменю “Тест” выводится информация о неисправном модуле. Диагностику и ремонт в условиях КРУ 6 кВ при соответствующих навыках можно произвести за 10 – 15 мин.

По результатам внешнего осмотра замечаний не было, однако настораживало наличие вентиляционных отверстий как источников проникновения пыли и помех. А уже в процессе эксплуатации была выявлена необходимость в нанесении надписей под кнопки управления выключателем с лицевой панели БМРЗ, вместо мнемонических изображений.

Измерение сопротивления изоляции произвели мегаомметром. Сопротивление изоляции измерялось между всеми гальванически не связанными цепями и между этими цепями и корпусом, а также между нормально разомкнутыми контактами выходных реле, кроме выводов последовательных интерфейсов связи с ПЭВМ и АСУ. Сопротивление находилось в пределах от 100 МОм до бесконечности. Впоследствии так были проверены все блоки, которые на сегодняшний день находятся в работе.

Заявленные в руководстве по эксплуатации БМРЗ технические характеристики были подвергнуты тщательной проверке. Отклонений не было замечено. Более того, измерительная часть работает с погрешностями не более 2% против заявленных 4% по току, 5% по напряжению. Погрешности срабатывания функций также ниже паспортных.

Проверка работоспособности блока в широких диапазонах питающих напряжений (постоянного и переменного токов) и отсутствия ложных срабатываний проводилась по следующей схеме: БМРЗ подключен к стенду комплексной проверки (стенд

комплексной проверки содержит имитатор выклю- чателя, тумблеры для подачи необходимых дискретных сигналов, светодиоды индикации состояния выходных реле), к БП (блок питания) подклю- чен регулируемый источник напряжения, на аналоговые входы фазных токов подан ток, составляющий 90% уставки МТЗ I ступени без выдержки времени (отсечка). Изменяя питающее напряжение от 0 до 350 В, наблюдали включение блока при 80 В, отсутствие ложных срабатываний и результаты фоновой самодиагностики. При подаче на аналоговые входы блока тока 1,3Ióñò МТЗ и изменении питающего напряжения плавно от 0 до 80 В и ступенчато от 80 до 350 В регистрировали четкое срабатывание выходных реле “откл. 1”, “откл. 2” за время не более 40 мс. Снятая аварийная информация и диаграмма первого аварийного процесса соответствовали действительности.

Тепловые испытания проводились по той же исходной схеме при температуре на поверхности корпуса 60°С и поданных в три фазы токах 20 А (по паспорту верхняя граница температуры +55°С, термическая стойкость цепей тока не более 15 А длительно). На БП поочередно подавались предельные напряжения 80 и 350 В. Таким образом мы попытались разогреть блок как снаружи, так и изнутри.

В таком состоянии продержали его неделю. Сбоев в работе и ложных срабатываний не зарегистрировано. В ходе повторного внутреннего осмотра не выявлено подтеков лака и вообще ка- ких-либо изменений, однако лежащие в одном жгуте токовые проводники малого сечения навели на мысль проверить термическую стойкость фазных ПИТ и помехозащищенность цепей 3I0, работающих с “миллиамперами”. Термическую стойкость проверили подачей тока 100 А и удержанием его в течение 15 с, а также подачей 400 А в тече- ние 1 с. Еще один внутренний осмотр модуля аналоговых сигналов подгоревших проводов не выявил. Система самодиагностики неисправности не обнаружила.

Для проверки отсутствия наводок со стороны фазных проводов на канал цепей 3I0 в кадрах меню “Конфигурации и уставки” была введена защита от замыканий на землю с минимально возможной уставкой по 3I0 и времени. Поочередно подавая в разные фазы токи 400 А, пытались вызвать ложное срабатывание, но безрезультатно. Аварийная и накопительная информация, снятая с блока, подтвердила безосновательность наших опасений.

Наши измерения электромагнитных полей в релейных отсеках ячеек различных двигателей и других присоединений подтвердили правдоподобность высказывания представителей некоторых специализированных фирм о несоответствии требований, предъявляемых к МП РЗА в отношении электромагнитной совместимости этих устройств с первичным оборудованием электростанций (в

64	2003, ¹ 11

релейном отсеке яч. 230 масляного выключателя МВ-Б при токе потребления секцией 1РНБ от трансформатора с.н., равном 1750 А, напряженность магнитного поля составила 30 А/м). По приближенным расчетам напряженность импульсного магнитного поля в релейном отсеке любого из ГЦН в момент КЗ превысит 300 А/м. БМРЗ в соответствии с ТУ должен нормально функционировать при воздействии магнитного поля промышленной частоты напряженностью 30 А/м (ГОСТ Р 50648-94, степень жесткости 4) и при воздействии импульсного магнитного поля напряженностью 300 А/м (ГОСТ Р 50649-94, степень жесткости 4). Как будет работать блок при более жесткой электромагнитной обстановке, не произойдет ли сбой работы центрального процессора, не увеличится ли время срабатывания “отсечек” на время неоднократных рестартов?

Ответы на эти вопросы дал эксперимент, проведенный по следующей схеме: БМРЗ был подключен к стенду комплексной проверки, на блок были поданы дискретные сигналы, соответствующие нормальному режиму работы электроустановки. Фазные токи, поданные на БМРЗ, соответствовали 90% уставки МТЗ без выдержки времени, поданный ток и напряжение нулевой последовательности соответствовали 90% уставок “земляной защиты” c пуском по 3I0 è 3U0. Незаземленный корпус блока был обвит двумя витками провода большого сечения. Подав в витки диаметром 60 см ток 1 кА, создали электромагнитное поле в геометрическом центре образованной катушки “с сердечником из БМРЗ” напряженностью 500 А/м. Неоднократно подавая ток в витки, фиксировали состояние собранной схемы и самого блока. Сбоев в работе БМРЗ, а также ложных срабатываний не обнаружено. Система самодиагностики неисправности не зафиксировала. Настройки (уставки и состояние программных ключей) не изменились. Снятая с блока аварийная и накопительная информация соответствовала ходу проведенного опыта.

Измерение времени срабатывания МТЗ I ступени производилось при одновременной подаче испытательного воздействия и токов 1,3Ióñò. Время работы блока от момента подачи тока до замыкания контактов выходных реле “откл. 1”, “откл. 2” составило 40 мс. Информация, записанная в регистраторе аварийных процессов, соответствовала действительности.

Специальная проверка на стойкость к электростатическим разрядам не проводилась. Но неоднократная “разрядка” работников МСРЗА на различ- ные элементы заземленного и незаземленного корпуса БМРЗ, а также непосредственно на выводы физических интерфейсов и кнопки лицевой панели не вывела из строя проверяемый блок.

В условиях ЛАЭС (полиэтиленовые полы, обувь с резиновой подошвой) потенциал, накапливаемый работником, достигает 12 кВ относительно земли. Блок согласно ТУ выдерживает испыта-

тельный контактный электростатический разряд 6 кВ, ГОСТ 29191-91, степень жесткости 3. Впоследствии при наладке схем вторичной коммутации присоединений, оборудованных БМРЗ, и в процессе эксплуатации специальных мер по защите от электростатики не предпринималось.

Проверку работоспособности БМРЗ при появлении потенциала на элементах заземляющих устройств провели по исходной схеме, которая применялась при испытании стойкости блока к жестким магнитным полям. Проверялась правильность функционирования блока при поданных токах, составляющих 90% уставки МТЗ I ступени и 1,3Ióñò. В качестве источника помех использовался процесс сварки (40 – 80 А переменного тока). Замечаний по работе блока не было.

Âпроцессе изучения и проверок устройства появился вопрос о недопустимо малом токе потребления дискретных входов (4 мА). В связи с этим у наиболее опытных релейщиков МСРЗА появились сомнения в возможности согласования коммутационной способности контактов “традиционных реле” с оптронами БМРЗ и правильной работе входов с “длиномерами”, имеющими большие распределенные емкости. Теоретические рас- четы специалистов нашей службы подтвердили обоснованность сомнений по этому вопросу. В результате, в карту заказа были дополнительно внесены БШР (блоки шунтирующих резисторов). БШР представляют собой отдельную металличе- скую конструкцию с набором сопротивлений по количеству, равному количеству дискретных входов.

Проведя еще несколько непринципиальных опытов с блоком, специалисты МСРЗА вынесли вердикт: аппаратная часть БМРЗ по качеству и надежности выше той, что используется на сегодняшний день в УРЗА участков главной схемы, надежного питания, с.н. ЛАЭС и не уступает зарубежным аналогам.

Система самодиагностики подверглась не менее серьезным испытаниям. Помимо удаления отдельных плат, подачи токов и напряжений вне рабочего диапазона дело доходило до перерезания отдельных печатных проводников и изменения сопротивления обмоток выходных реле путем подпайки шунтирующих сопротивлений. Своими проверками системы самодиагностики мы надежно охватили 50% аппаратной части БМРЗ.

Âпроцессе этого исследования выявлены элементы и узлы устройства, которые либо не охваче- ны совсем самодиагностикой, либо охвачены не в том объеме, в котором бы нам хотелось. Благодаря техническому директору НТЦ “Механотроника”

Â.Г. Езерскому и специалистам лаборатории программного обеспечения, осознающим всю меру ответственности за устройство, изготовленное и поставляемое на ЛАЭС, разработаны “Правила ТО БМРЗ”, регламент и объемы проверок. На основе этих документов выпущен “Протокол-ин-

2003, ¹ 11

65

стукция проверки БМРЗ-ДА24” для использования в МСРЗА.

Разработкой, доработкой и проверками алгоритмической части БМРЗ занимались релейщики участков надежного питания и с.н. Они создали “идейную” сторону алгоритмов модификаций ВВ-21, -22, ДА-24, -25, -48. Специалисты лаборатории внедрения НТЦ “Механотроника” перевели “электрическую идею” на язык булевой алгебры. Лаборатория программного обеспечения “зашила” логику работы электрических цепей вторичной коммутации в ПЗУ (постоянное запоминающееся устройство).

Выявленные в процессе наладки и последующей эксплуатации ошибки в проектах и схемах заставляли нас неоднократно вносить изменения в алгоритмы. Гибкая аппаратно-программная структура БМРЗ позволила доработать алгоритмы до такого состояния, что все модификации блоков точно вписались в схемы защит, автоматики и управления двигателей: НСУЗ (насос управления защитой), НПКС (насос промконтура), МПЭН (малый питательный электронасос), НР (насос расхолаживания), рабочих вводов секций: 1РНА, 2РНА и другого оборудования станции без изменения прилегающих цепей. Сигнализация и порядок управления с БЩУ (блочный щит управления) и МЩУ (местный щит управления) не изменились.

Для практических испытаний было выпущено техническое решение об установке БМРЗ-ДА24 параллельно действующей схеме защит и автоматики двигателя 6 кВ 7НПК12 (БРТ подстанция “Бойлерная”). Техническое решение реализовано. Много полезной информации по работе блока получено нашими релейщиками на БРТ.

В процессе наладки двух первых блоков на присоединениях 1МПЭН1 и 1НР1 было обнаружено “слабое место” БМРЗ – контакты выходного реле “включить” c коммутационной способностью на разрыв цепи 0,15 А, при постоянной времени 50 мс и ошибка в алгоритме “управление выклю- чателем – включение”. Чтобы не затягивать наладку, было принято решение об установке реле-по- вторителя (РП-232) в цепи включения. Впоследствии алгоритм “управление выключателем – вклю- чение” был оперативно изменен работниками НТЦ “Механотроника”.

Демонтаж старой схемы, монтаж новой с БМРЗ и последующая наладка произведены релейщиками участка с.н. за одну рабочую неделю. Сам блок в наладке оказался так прост, что не оставил никаких впечатлений.

Оперативному персоналу ЭЦ был дан инструктаж с тренировкой на стенде, объяснен порядок действий: по сборке, разборке схем присоединений, оборудованных БМРЗ, по снятию необходи-

мой информации с дисплея, по действиям при появлении cигнала на БЩУ “Вызов на секцию”.

Проектирование, процесс внедрения, монтаж, наладка, последующая эксплуатация произведены без привлечения посторонних организаций специалистами МСРЗА.

В процессе эксплуатации двадцати трех БМРЗДА2, двух БМРЗ-ВВ на оборудовании первого энергоблока ЛАЭС и одного БМРЗ-ДА24 на БРТ получена и проанализирована информация о работе первичного оборудования, сняты диаграммы пусковых режимов электродвигателей, откорректированы уставки защит, изменена чувствительность некоторых защит, введены новые защиты.

За непродолжительную работу замечаний по работе блоков нет. Но появились непринципиальные предложения, касающиеся регистратора аварийных процессов. Предложения учтены НТЦ “Механотроника”, алгоритмы регистратора дополняются.

Выводы, сделанные специалистами МСРЗА ЛАЭС в процессе внедрения и эксплуатации БМРЗ:

БМРЗ пригодно для эксплуатации на АЭС; отсутствие нормативно-технической докумен-

тации по применению МП РЗА на АЭС сделало довольно тяжелым процесс внедрения;

гибкая аппаратно-программная структура БМРЗ позволяет модернизировать и изменять устройство под любые схемы защит, автоматики и управления первичным оборудованием без значи- тельных затрат;

объемный регистратор аварийной и накопительной информации устройства предоставил возможность заглянуть в физические процессы, происходящие в первичном оборудовании и схемах вторичной коммутации (анализ получаемой информации может помочь заблаговременно предотвратить аварию);

отмечены высокие технические характеристики и эксплуатационные возможности БМРЗ;

устройство простое и надежное в эксплуатации;

эксплуатация БМРЗ не требует специальных знаний от релейщика.

Перспективы:

установка еще 20 блоков различных модификаций на присоединения первого энергоблока ЛАЭС;

установка 30 БМРЗ на втором энергоблоке; заказ 70 БМРЗ различных модификаций; проектирование и внедрение верхнего уровня

КИУ РЗА на первой очереди ЛАЭС с целью повышения надежности процессов управления ответственными присоединениями, а также возможности управления ими с РЩУ, выполнения противопожарных мероприятий.

66	2003, ¹ 11

2003, ¹ 11

67

68	2003, ¹ 11