Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы

В.И.ГУРЕВИЧ

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ
РЕЛЕЗАЩИТЫ
Устройство,проблемы,
перспетивы

Учебно-пратичесоепособие

Инфра-Инженерия
Мосва
2011

Справочниеолоанефтеазоразведи:нефтеазопромысловаяеолоияиидроеолоия
УДК621.316.925(075.8)
ББК31.27-05
Г95

ГревичВ.И.
Г95
Миропроцессорныерелезащиты.Устройство,проблемы,
перспетивы.-М.:Инфра-Инженерия,2011.-336с.

ISBN978-5-9729-0043-5

Вниерассмотреныстройствоипринципдействиямиропроцессорныхстройстврелейнойзащиты(МУРЗ)напримерахонретныхтиповсовременныхМУРЗведщихмировыхпроизводителей.Дляоблеченияпониманиятестаэнеретиами,работающимисМУРЗ,нонеявляющимисяспециалистамивобластиэлетронии,приведеноподробноеописаниеэлементнойбазыМУРЗ,стройстваипринциповдействия
транзисторов,тиристоров,оптронов,реле.
РассматриваютсяонретныепроблемынадежностиотдельныхфнциональныхзловМУРЗ,атажевопросы,асающиесяметодииоценинадежностииэффетивностиМУРЗ.Подробнорассмотренывопросы
элетроманитныхвоздействийнаМУРЗаестественных,таипреднамеренных,ибербезопасности.
Книарассчитананаинженеровитехниов,занимающихсяэсплатациейрелейнойзащиты,атажеможетбытьполезнаонстрторам,занимающимсяразработойМУРЗ,преподавателямистдентамсоответствющихспециальностейсреднихивысшихчебныхзаведений.

©ГревичВ.И.,2011
©Издательство«Инфра-Инженерия»,2011

ISBN978-5-9729-0043-5

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

 
3

 
 
 
Владимир  Игоревич Гуревич родился в г. Харькове 
(Украина) в 1956 г.  
 
В 1978 г. окончил факультет электрификации Харьковского национального технического университета им. П. Василенко 
по 
специальности 
«Электроснабжение 
с.х.». 
С 
1980 по 1983 г. учился в аспирантуре.  
 
В 1986 г. защитил кандидатскую диссертацию в Национальном техническом университете «Харьковский политехнический институт» по специальности «Электрические аппараты».  
 
Работал преподавателем, и.о. доцента Харьковского национального 
технического университета им. П. Василенко, главным инженером и 
директором Научно-технического предприятия «Инвентор» (г. Харьков). Руководил несколькими проектами по разработке новых видов 
аппаратуры, выполняемых по заказам Министерств оборонных отраслей промышленности СССР, после распада СССР занимался разработкой 
и 
организацией 
производства 
устройств 
автоматики 
для электроэнергетики. В настоящее время работает в Электрической 
компании Израиля в должности инженера-специалиста, начальника 
сектора Центральной электрической лаборатории. 
       
С 2006 г. Почетный профессор Харьковского национального технического университета  им. П. Василенко. С 2007 г. эксперт комитета 
ТС-94 Международной электротехнической комиссии (МЭК). 
        
В. Гуревич автор 6 книг, свыше 120 изобретений и 140 научнотехнических статей. 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
4

 
Наш мир становится все более «электронным». Без электроники уже 
не может функционировать ни энергетика, ни промышленное производство, ни транспорт, ни связь, ни медицина, ни банковская система…  
Вся наша жизнь буквально пронизана электронными системами автоматического управления, защиты, сигнализации и связи, как живой организм пронизан кровеносными сосудами. Что бывает с живым организмом, 
когда повреждаются важные кровеносные сосуды, мы хорошо знаем. Увы, 
в наш «электронный» век нам довелось узнать также, что происходит и 
при повреждении важных электронных систем. Техногенные катастрофы, 
крупнейшие аварии в энергосистемах, связанные с колоссальными убытками, а часто и с человеческими жертвами (США: 1965, 1977, 2003 г.; 
Франция: 1978 г.; Канада: 1982, 2003 г.; Италия: 2003 г.; Швеция: 1983, 
2003 г.), падения огромных воздушных лайнеров (последним из них был 
Airbus A330-200, вылетевший 1 июня 2009 г. рейсом AF-447 из Рио-деЖанейро в Париж), свидетелями которых мы стали за последние 20 – 30 
лет – все это расплата человечества за его безмятежность. Сегодня люди 
вынуждены доверять свои жизни электронным системам, компьютерам и 
программам, подверженным атакам хакеров и вирусов. Какой же ненадежной стала наша жизнь, порой зависящая от маленькой ошибки, допущенной каким-то неизвестным нам программистом из далекой страны!  
Релейная защита энергетических объектов занимает важное место в 
иерархии этого нового «электронного» мира. Вот уже более сотни лет 
электрические сети и системы защищают от аварийных режимов электромеханические реле защиты, отлично справляясь с возложенными на них 
обязанностями. За многие десятилетия конструкции электромеханических 
реле достигли совершенства и среди них появились настоящие шедевры, 
вроде реле дистанционной защиты типа LZ31 компании АВВ. Однако прогресс в развитии электромеханических реле был полностью остановлен 3035 лет тому назад в связи с тем, что все усилия разработчиков были направлены на создание электронных, а затем и микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ). Совершенно очевидно, что при наличии 
высокопроизводительного полностью автоматического оборудования, 
производство печатных плат, из которых и состоит  МУРЗ, приносит производителям баснословные прибыли по сравнению с производством механических реле с их ручной сборкой и регулировкой. Сегодня на мировом 
рынке уже просто не существует электромеханических реле защиты, разработанных с использованием современных материалов и технологий, поскольку все ведущие мировые производители реле защиты полностью перешли на производство исключительно МУРЗ. Однако не следует забывать, 
что МУРЗ – это очень сложные электронные устройства, основанные на 
использовании специальных программ и сложных алгоритмов, и этим уст

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

 
5

ройствам, как и любым другим сложным электронным устройствам, присущи и недостатки. Совершенно очевидно, что такие сложные устройства 
даже чисто теоретически не могут не иметь технических проблем. Тем не 
менее, сегодня почти невозможно найти в технической литературе материалы, в которых рассматривались бы проблемы и недостатки микропроцессорных устройств релейной защиты. В многочисленных статьях и книгах обсуждаются лишь их преимущества  и те новые возможности, которые открываются с их применением. Действительно, МУРЗ открыли новые, ранее не известные перспективы в области релейной защиты и сегодня им уже нет альтернативы. Однако появление МУРЗ с их новыми возможностями сопровождается, как это обычно бывает в технике, и появлением новых проблем, не известных ранее в релейной защите. Замалчивание этих проблем, имеющее место сегодня, отнюдь не способствует их 
успешному преодолению и наоборот, знание и понимание проблем современных МУРЗ позволит быстрее преодолеть существующие недостатки и 
повысить их надежность. Именно это побудило автора к написанию данной книги.  
Не менее важным является и знание путей решения проблем. Поэтому 
описание технических проблем сопровождается и предложениями по их 
решению.  
Попутно автор попытался решить еще одну проблему: преодоление 
информационной пропасти между разработчиками микропроцессорной 
техники и специалистами в области релейной защиты, которые, в большинстве своем, не являются специалистами в области микропроцессорной 
техники. Незнание специалистами в области релейной защиты элементной 
базы современной электроники и особенностей конструкции и принципов 
работы МУРЗ существенно затрудняет их повседневную работу и приводит к серьезным проблемам, как на стадии выбора и закупки нового оборудования, так и во время его эксплуатации. Эту задачу автор попытался 
решить путем описания в первых двух главах книги основ электроники, 
элементной базы,  а также устройства и принципа действия МУРЗ. 
 
Насколько автору удалось решить поставленные задачи – судить читателю. 
 
Отзывы 
на 
книгу 
просьба 
направлять 
автору 
по 
адресу: 
vladimir.gurevich@gmail.com. 
 
 
 

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

6 
 

Глава I. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА 

 
1.1. Полупроводниковые материалы и приборы 
 

 
Как известно, все вещества в природе по электропроводности 

делятся на три большие группы: проводники (обычно металлы) с 
сопротивлением 10-6 – 10-3 Ом ⋅ см; диэлектрики с сопротивлением 
109 – 1020 Ом ⋅ см и полупроводники (многие природные и искусственные кристаллы), занимающие огромный промежуточный диапазон значений удельного сопротивления. 
 
Главной особенностью кристаллических веществ является ха
рактерная упорядоченная упаковка их атомов в своеобразные кубики — кристаллы. Каждый кристалл имеет несколько плоских симметричных поверхностей, а его внутреннее строение определяется 
закономерным взаимным расположением атомов, которое носит 
название кристаллической решетки. Как по своему внешнему виду, 
так и по внутреннему строению любой кристалл подобен всем другим кристаллам этого вещества. Кристаллы разных веществ различны. Например, кристалл поваренной соли имеет форму куба. Одиночный кристалл может быть как весьма большим по своим размерам, так и настолько малым, что его можно увидеть только в микроскоп. Вещества, не имеющие кристаллической структуры, называются аморфными. Например, стекло является аморфным, в отличие 
от кварца, который имеет кристаллическую структуру. 
 
Из числа полупроводников, имеющих практическое примене
ние в современной электронике, следует назвать германий, кремний, селен, окись меди, сульфид меди, сульфид кадмия, арсенид 
галлия, карборунд. Для изготовления полупроводниковых приборов, применяющихся в электронных реле, используются главным 
образом два первых элемента: германий и кремний. 
 
Для того чтобы понять процессы, происходящие в полупро
водниковых приборах, необходимо рассмотреть явления, происходящие в кристаллической структуре полупроводниковых материалов, которая обусловлена тем, что их атомы удерживаются в строго 
определенном взаимном положении друг относительно друга благодаря слабо связанным электронам, находящимся на их внешних 
оболочках. Эти электроны вместе с такими же электронами сосед

Глава I. Элементная база 

7 
 

них атомов образуют валентные связи между атомами. Электроны, 
участвующие в этих связях, называются валентными. В абсолютно 
чистом германии или кремнии при очень низких температурах нет 
свободных электронов, способных создать электрический ток, так 
как в этих условиях все четыре валентных электрона внешних оболочек каждого атома, которые могут участвовать в процессе переноса зарядов, прочно удерживаются валентными связями. Поэтому 
такое вещество является изолятором (диэлектриком) в полном 
смысле этого слова — оно совершенно не пропускает электрического тока. 
 
При повышении температуры благодаря тепловому движению 

некоторые валентные электроны отрываются от своих связей и могут перемещаться по кристаллической решетке. Такие электроны 
называются свободными. Валентная связь, от которой оторван 
электрон, называется дыркой. Она обладает свойствами положительного электрического заряда, в противоположность электрону, 
имеющему отрицательный электрический заряд. Чем выше температура, тем больше количество освобожденных электронов, способных перемещаться по кристаллической решетке, тем больше 
проводимость вещества. 
 
Перемещаясь по кристаллической решетке, свободные элек
троны могут встретить дырки — валентные связи, в которых не 
хватает электронов,— и заполнить эти связи. Это явление носит название рекомбинации. При нормальной температуре в массе полупроводникового материала непрерывно появляются свободные 
электроны и происходят рекомбинации электронов и дырок. 
 
Если кусок полупроводникового материала поместить в элек
трическое поле, например, приложив положительный и отрицательный потенциалы к его концам, то электроны будут двигаться через 
кристаллическую решетку к положительному электроду, а дырки — 
к отрицательному. Проводимость полупроводника можно значительно улучшить путем введения в него специально подобранных 
примесей, металлических или неметаллических. В кристаллической 
решетке атомы этих примесей будут замещать некоторое количество атомов полупроводников. Напомним, что внешние оболочки 
атомов германия и кремния содержат по четыре валентных электрона, а электроны могут быть вырваны только из внешней оболочки атома. В свою очередь, добавление электронов может происхо

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

8 
 

дить тоже только на внешнюю оболочку, причем максимально возможное число электронов на внешней оболочке равно восьми. 
 
Если атом примеси имеет большее число валентных электро
нов, чем это требуется для образования валентных связей с соседними атомами полупроводника, то в кристаллической решетке появляются дополнительные свободные электроны, которые могут по 
ней перемещаться. В результате электропроводность полупроводника улучшается. Такие примеси называются донорными, поскольку они «отдают» электроны полупроводнику. Так как германий и 
кремний являются элементами четвертой группы периодической 
таблицы химических элементов, то для них донорными примесями 
могут быть элементы пятой  группы, у которых на внешней оболочке атомов находится по пять электронов. К таким донорным примесям относятся фосфор, мышьяк, сурьма. 
 
Если же атомы примеси имеют меньшее число электронов, чем 

это необходимо для образования валентных связей с окружающими 
его атомами полупроводника, то некоторые из этих связей окажутся 
незаполненными, в них образуются дырки. Примеси такого рода 
называются акцепторными, поскольку они поглощают свободные 
электроны. Для германия и кремния акцепторными примесями являются элементы третьей группы периодической таблицы химических элементов, у которых внешние оболочки атомов содержат по 
три валентных электрона. К акцепторным примесям относятся бор, 
алюминий, галлий и индий.  
 
В кристаллической структуре чистого полупроводника все ва
лентные связи соседних атомов оказываются полностью заполненными, и появление свободных электронов и дырок возможно только 
благодаря деформации кристаллической решетки, возникающей под 
действием теплового или иного излучения. Вследствие этого при 
нормальных условиях проводимость чистого полупроводника весьма мала.  
 
В случае введения даже небольшого количества донорной 

примеси четыре электрона атома примеси совместно с таким же 
количеством электронов соседних атомов полупроводника образуют с последними заполненные валентные связи. Пятый электрон 
каждого атома примеси оказывается «избыточным», «лишним», 
вследствие чего может свободно перемещаться по кристаллической 
решетке. 

Глава I. Элементная база 

9 
 

 
При введении акцепторной примеси между каждым атомом 

примеси и соседними атомами полупроводника получаются только 
три заполненные валентные связи. Для заполнения четвертой связи 
не хватает одного электрона. Эта валентная связь оказывается свободной. В результате образуется дырка. Дырки могут перемещаться 
по кристаллической решетке как положительные заряды. Правда, 
при этом происходит перемещение не самого атома примеси, который имеет фиксированное и неизменное положение в кристаллической структуре полупроводника, а незаполненной валентной связи. 
Происходит это следующим образом. Как известно, элементарным 
носителем электрического заряда является электрон. Под действием 
различных причин электрон может вырваться из заполненной валентной связи, оставив дырку, которая представляет собой незаполненную валентную связь и проявляет себя как положительный заряд, численно равный отрицательному заряду электрона. Электрон 
другого атома вблизи этой дырки под действием силы притяжения 
ее положительного заряда может «впрыгнуть» в дырку. При этом 
происходит рекомбинация дырки и электрона, когда их заряды взаимно нейтрализуются и валентная связь заполняется. Дырка в данном месте кристаллической решетки полупроводника перестает существовать. В свою очередь, новая дырка, возникшая в той валентной связи, откуда вырвался электрон, может быть заполнена какимлибо другим электроном, также оставившим после себя дырку. Таким образом, перемещение электронов в кристаллической решетке 
полупроводника с акцепторной примесью и рекомбинацию их с 
дырками можно рассматривать как перемещение дырок. Для наглядности можно представить себе концертный зал, в котором по 
какой-то причине оказалось незаполненными несколько мест в первом ряду. И вот, зрители со второго ряда перемещаются на свободные места в первом ряду. Соответственно, их места занимают зрители третьего ряда и т.д. При этом можно сказать, что свободные 
места как бы перемещаются к концу зрительного зала, хотя физически все кресла остаются привинченными к полу. Движение дырок в 
кристалле очень похоже на движение этих свободных мест. 
 
Полупроводники, электропроводность которых улучшилась 

благодаря образованию избытка свободных электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью, или сокращенно полупроводниками n типа.  
 

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

10 
 

 
Полупроводники, электропроводность которых обусловливает
ся в основном движением дырок, называются полупроводниками с 
дырочной проводимостью, или сокращенно полупроводниками р 
типа. 
 
Практически не существует полупроводников с чисто элек
тронной или чисто дырочной проводимостью. В полупроводнике п 
типа электрический ток частично обусловливается движением дырок, возникающих в его кристаллической решетке вследствие выхода электронов из некоторых валентных связей, а в полупроводниках р типа ток частично создается движением электронов. Вследствие этого полупроводники п типа более правильно характеризовать 
как полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны, а полупроводники р типа — как полупроводники, 
в которых основными носителями тока являются дырки. Следовательно, полупроводник относится к тому или другому типу в зависимости от того, какой вид носителя тока является в нем основным. 
Исходя из этого, противоположный носитель заряда для полупроводника данного вида является неосновным носителем. 
 
Следует иметь в виду, что любой полупроводник можно сде
лать полупроводником п или р типа путем добавления в него соответствующих примесей. Причем для получения необходимой проводимости достаточно ввести чрезвычайно малое количество примеси, примерно один атом примеси на 10 млн. атомов полупроводника. Все это налагает особые требования на чистоту очистки исходного полупроводникового материала и точность дозировки введения примеси. Следует учесть, что скорость движения носителей 
тока в полупроводнике меньше, чем в проводнике. Движение электронов замедляется встречающимися на их пути препятствиями в 
виде неоднородностей в кристалле. Движение дырок примерно 
вдвое медленнее, поскольку их перемещение связано с перескоком 
электронов в незаполненные валентные связи. Подвижность электронов и дырок в полупроводнике повышается с ростом температуры, что приводит к улучшению проводимости полупроводника. 
 
В основе принципа действия подавляющего большинства по
лупроводниковых приборов лежат процессы, происходящие в переходном слое, образованном в полупроводнике на границе двух зон с 
проводимостями различного типа, р и п типа. Для простоты эту границу принято называть р-п переходом, или электронно-дырочным