Микропроцессорные релейные защиты блока генератор-трансформатор

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 

В.Е. ГЛАЗЫРИН, А.А. ОСИНЦЕВ, 

О.В. ТАНФИЛЬЕВ 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ 

РЕЛЕЙНЫЕ ЗАЩИТЫ БЛОКА 

ГЕНЕРАТОР–ТРАНСФОРМАТОР 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2014 

УДК 621.316.925(075.8) 
         Г 525 

Рецензенты: 

канд. техн. наук, доцент В.В. Медведков  

канд. техн. наук, доцент А.И. Щеглов  

Работа подготовлена кафедрой электрических станций  

для магистрантов энергетического факультета  

по направлению «Электроэнергетика и электротехника» 

 
Глазырин В.Е. 
Г 525     Микропроцессорные релейные защиты блока генератор–
трансформатор: учеб. пособие / В.Е. Глазырин, А.А. Осинцев, 
О.В. Танфильев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. – 140 с. 

ISBN 978-5-7782-2575-6 

Содержится информация по современным решениям в области ре
лейной защиты блоков генератор–трансформатор, устанавливаемых 
на электрических станциях. Рассматривается выполнение релейной 
защиты, используемое в шкафах, разработанных научно-производственным объединением «ЭКРА» (г. Чебоксары). 

УДК 621.316.925(075.8) 

 
ISBN 978-5-7782-2575-6  
 
 
 
 
 
 Глазырин В.Е., Осинцев А.А., 
    Танфильев О.В., 2014  
 Новосибирский государственный 
    технический университет, 2014    

ВВЕДЕНИЕ 

 

В учебном пособии рассмотрены принципы выполнения, выбор 

уставок и оценка чувствительности релейной защиты блоков генератор–трансформатор, выполненной на базе современных микропроцессорных шкафов релейной защиты. Применительно к современным 
техническим средствам термин «релейная защита» выглядит устаревшим, поскольку в них становится невозможным выделить измерительные органы, выполняемые с помощью отдельных реле. С помощью 
традиционных электромеханических реле в микропроцессорных шкафах реализуются только выходные коммутирующие элементы.  

Кроме функций релейной защиты, микропроцессорные шкафы 

способны выполнять функции системной автоматики, определять места повреждений ЛЭП, «отслеживать ресурс» работы силовых элементов и т. д. Разработка и внедрение новых более совершенных алгоритмов защиты и автоматики не требует изменения аппаратной части 
микропроцессорного шкафа. 

Одним из наиболее ответственных объектов на электрических 

станциях является блок генератор–трансформатор. В настоящее время 
повсеместно внедряются микропроцессорные шкафы, в которых реализованы новые принципы защиты таких блоков, но литературы, в которой описывались бы принципы действия и методы расчета таких защит, не имеется. Практически полностью отсутствует литература, посвященная релейной защите гидрогенераторов. 

В большинстве источников нет методики расчета уставок защит 

энергоблоков на микропроцессорной базе. Найти такого рода информацию для современных защит трудно даже специалисту.  

Настоящее учебное пособие содержит информацию по совре
менным решениям в области релейной защиты блоков генератор–
трансформатор электрических станций. Рассматриваемая техника 

разработана научно-производственным объединением «ЭКРА» (г. Чебоксары) и поставляется в виде шкафов защиты ШЭ1110, ШЭ1111, 
ШЭ1112 и ШЭ1113.  

Пособие предназначено для студентов вузов и средних учебных за
ведений, изучающих релейную защиту элементов электрических станций, а также может представлять интерес для специалистов, связанных 
с проектированием и эксплуатацией релейной защиты. Описанные в 
пособии методики расчета предназначены для учебного проектирования, носят рекомендательный характер и не претендуют на конкуренцию с официальными методиками расчета, разработанными уполномоченными на это организациями. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ 
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ТЕРМИНАЛОВ ЗАЩИТЫ 

Структурные схемы микропроцессорных устройств РЗА различно
го назначения имеют много общего (рис. 1). Центральным узлом 
устройства является микроЭВМ, которая через системную шину обменивается информацией с периферийными устройствами. С помощью 
периферийных устройств осуществляется связь микроЭВМ с внешней 
средой: датчиками исходной информации, средствами управления 
контролируемым объектом, элементами сигнализации, оператором. 

Рис. 1. Обобщенная структурная схема микропроцессорной защиты 

На рис. 1 условно показаны периферийные устройства.  
Для контроля состояния защищаемого объекта микропроцессорное 

устройство РЗА имеет средства ввода аналоговой и дискретной информации.  

Для ввода логических сигналов используются входные преобразо
ватели дискретных сигналов (U1 – U2). В качестве источников логических сигналов используются контакты различных коммутирующих 
элементов (реле, блок-контакты и др.), а также кнопки и ключи управления (SB1 – SB2). 

Для ввода аналоговых сигналов используются входные преобразо
ватели, которые позволяют, обеспечивая гальваническую развязку от 
цепей тока и напряжения, получить соответствующие цифровые коды. 
Эту функцию совместно выполняют входные преобразователи аналоговых сигналов (U3 – U4), мультиплексор (MUX) и аналого-цифровой 
преобразователь (АЦП).  

Для выдачи команд управления и сигналов о работе защиты 

предусматриваются выходные преобразователи логических сигналов (KL1 – KLj). Кроме того, в микропроцессорных устройствах РЗА 
дополнительно предусматриваются средства отображения информации 
(в данном случае показан жидкокристаллический индикатор). 

Необходимым элементом микропроцессорного устройства является 

также блок питания. 

Входные преобразователи обеспечивают гальваническую развяз
ку внешних схем от внутренних цепей микропроцессорного устройства и приводят контролируемые сигналы к единому виду (обычно 
напряжению) и нормированному уровню. Различают преобразователи 
дискретных (U1 – U2) и аналоговых (U3 – U4) входных сигналов. Преобразователи аналоговых сигналов выполняют предварительную частотную фильтрацию входных сигналов перед их аналого-цифровым 
преобразованием, а также защищают внутренние элементы схемы от 
воздействия помех и перенапряжений и обеспечивают линейную (или 
нелинейную с известным законом) передачу контролируемого сигнала 
во всем диапазоне его изменения. Преобразователи входных логических сигналов воспринимают их в заданной области диапазона возможных значений. 

Выходные релейные преобразователи служат средством воздей
ствия устройства защиты на защищаемый объект в виде дискретных 
команд и сигналов. При этом выходные цепи защиты выполняют так, 
чтобы обеспечить гальваническую развязку коммутируемых цепей как 
между собой, так и относительно внутренних схем микропроцессорного устройства защиты. 

Тракт аналого-цифрового преобразования содержит мульти
плексор (MUX) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Мульти

плексор – это электронный коммутатор, поочередно подающий контролируемые сигналы на вход АЦП. Применение мультиплексора позволяет использовать один АЦП на несколько каналов. В АЦП мгновенное значение входного сигнала преобразуется в пропорциональную 
ему цифровую величину. Преобразования выполняются с заданной 
периодичностью во времени, обычно под управлением микроЭВМ. 
По полученным выборкам входных сигналов микроЭВМ рассчитывает 
интегральные параметры входных сигналов: их амплитудные, действующие, средние значения, гармонический состав, а также фазовые 
соотношения между различными сигналами. 

Средства отображения и клавиатура – обязательные элементы 

микропроцессорного устройства. Они позволяют оператору получать 
информацию от устройства о состоянии как самого устройства защиты, так и защищаемого объекта, изменять режим его работы и вводить новую информацию устройства защиты, его программную конфигурацию и уставки. Средства отображения (ЖКИ) и клавиатура 
(SB1 – SB2) (рис. 1) в микропроцессорных устройствах чаще всего реализуются в упрощенном виде: информация отображается на цифробуквенном дисплее; клавиатура содержит всего несколько кнопок. Для выполнения сложных операций по обслуживанию, корректировке программного обеспечения, изменению конфигурации и уставок предусматриваются специальные каналы информационного обмена, к которым при обслуживании подключается внешний компьютер. 

Средства коммуникации с внешними цифровыми устройствами 

(Х1) дают возможность обмена информацией с другими микропроцессорными системами: АСУ ТП, персональный компьютер, что позволяет связывать микропроцессорные устройства РЗА с информационновычислительными системами. 

Блок питания обеспечивает необходимые для работы микропро
цессорного устройства стабилизированные напряжения во всех узлах 
при всех возможных изменениях напряжения в питающей сети. Большинство блоков питания современных микропроцессорных устройств 
могут работать от сети как постоянного, так и переменного тока. Как 
правило, в блоке питания формируется ряд дополнительных сигналов, 
позволяющих исключить некорректную работу микроЭВМ и других 
узлов устройства в момент появления и исчезновения напряжения питания.  

МикроЭВМ. Информация в микропроцессорных устройствах об
рабатывается микроЭВМ по алгоритмам, реализованным программно. 

Основным элементом микроЭВМ является центральное процес
сорное устройство, для работы которого она должна также содержать 
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и устройства запоминания программ: ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, обычно 
содержащее неизменяемую часть программного обеспечения) и ППЗУ 
(перепрограммируемое запоминающее устройство, в котором записываются программы и данные, необходимые для реализации алгоритма 
защиты или управления, изменение которых может потребоваться в 
процессе эксплуатации). Для обмена информацией с внешней средой 
микроЭВМ содержит порты ввода-вывода. В настоящее время все перечисленные части микроЭВМ реализуют в одной микросхеме, которая при этом обладает достаточно большой вычислительной мощ- 
ностью. Интеграция всех частей микроЭВМ в одну микросхему приводит к повышению технологичности и надежности микропроцессорных 
систем. При этом не исключается возможность подключения дополнительных внешних узлов для расширения возможностей микропроцессорной системы.  

Информация в микроЭВМ представляется в виде чисел (числовых 

кодов). Обмен информацией между узлами микроЭВМ происходит с 
помощью шин, т. е. системы электрических линий. По функциональному назначению выделяют три шины: шина адреса (ША), шина данных (ШД) и шина передачи команд управления (ШУ). При обмене информацией с устройством ввода-вывода процессор выставляет на ША 
адрес устройства ввода-вывода, с которым должен происходить обмен. 
По шине управления процессор передает информацию о выполняемой 
операции устройству ввода-вывода, получив которую устройство ввода-вывода соответствующим образом работает с ШД (получает от нее 
информацию при вводе или передает на нее информацию при выводе). 
При выполнении этих операций на ШД появляется число, которым 
осуществляется обмен, а источник его определяется выполняемой командой процессора. При передаче информации используется двоичная 
система счисления, требующая для отображения чисел использования 
только двух состояний «0» и «1», что делает наиболее простой реализацию узлов микроЭВМ на основе электрических схем.  

Быстродействие микроЭВМ, кроме тактовой частоты процессора, 

существенно зависит от разрядности чисел, обрабатываемых процессором и передаваемых между различными узлами микроЭВМ и портами ввода-вывода. Первые микроЭВМ работали с четырехразрядными 
числами, современные – с 16- и 32-разрядными машинными словами. 

Время выполнения команды зависит от быстродействия применяемых 
интегральных схем. В настоящее время электронной промышленностью выпускаются десятки разновидностей микропроцессоров, и они 
постоянно совершенствуются. Выполнение микропроцессоров с интегрированными на одном кристалле ОЗУ и ПЗУ дополнительно 
уменьшает возможность влияния помех и наводок и сокращает размеры и стоимость микропроцессорных устройств РЗА. Это обусловливает периодическое обновление аппаратной базы микропроцессорных устройств РЗА. Для обеспечения высокого быстродействия в микропроцессорном устройстве может использоваться несколько микропроцессоров, каждый из которых выполняет возложенные на него 
функции, работая параллельно с другими.  

Входные преобразователи аналоговых сигналов. Сигналы, кон
тролируемые устройствами РЗА, имеют в общем случае разную физическую природу – ток, напряжение, температура и т. д. Чаще всего 
устройства защиты принимают информацию от источников переменного тока и напряжения с традиционными номинальными уровнями: 
1 А, 5 А, 100 В. 

Наиболее часто входные преобразователи микропроцессорных 

устройств РЗА выполняют на базе обычных трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Несмотря на то что такие трансформаторы 
имеют нелинейные передаточные характеристики, определенный разброс параметров, некоторую нестабильность во времени и при изменении температуры, они все же приемлемы для построения микропроцессорных устройств РЗА, допускающих работу с погрешностью 
2…5 %. 

Для многих защит, которые в качестве входных параметров ис
пользуют токи и напряжения, значения токов, напряжений и уставок 
отображаются в относительных номинальных (иногда называемых базисными) единицах. 

Тракт аналого-цифрового преобразования. Любые физические 

явления и процессы описываются аналоговыми сигналами. Аналоговый сигнал непрерывно изменяется во времени и может принимать 
любые значения в некотором диапазоне, определяемом природой физической величины.  

Дискретный (цифровой) сигнал в отличие от аналогового может 

принимать лишь конечное множество значений и определяется только 
для конкретных моментов времени. 

Операция перехода от аналогового сигнала к дискретному называ
ется дискретизацией или квантованием сигнала и осуществляется в 

АЦП. Переход от непрерывного сигнала к дискретному всегда происходит с потерей некоторого количества информации. Конечное число 
градаций дискретного сигнала обусловливает погрешность квантования по уровню. Кроме того, имеет место и квантование по времени, 
которое обусловлено тем, что процесс аналого-цифрового преобразования и последующий цикл вычислений в микроЭВМ требуют определенного времени, по истечении которого можно делать очередную выборку входного сигнала.  

В микропроцессорных устройствах РЗА аналого-цифровое преоб
разование осуществляется с частотой выборок от 400 до 2000 Гц. Более высокая частота используется при необходимости выделения высших гармоник (и/или) для получения качественных осциллограмм аварийных процессов.  

Входные преобразователи дискретных сигналов. Практически 

во всей современной электронной аппаратуре ввод дискретных сигналов осуществляется через преобразователи на основе оптронов. Собственное время переключения у оптронов составляет единицы или даже доли микросекунды. Для оптопары (светодиод–фотоприемник) характерна маленькая проходная емкость, что препятствует проникновению помех по этому пути. Допустимое напряжение между цепью 
управления и элементами управляемой цепи достигает нескольких киловольт. 

Выходные релейные преобразователи, как правило, выполняют
ся на электромагнитных промежуточных реле. В микропроцессорных 
устройствах РЗА применяется несколько типов малогабаритных реле с 
большой коммутационной способностью для переключений в цепях 
управления выключателей и с меньшей – для работы в цепях сигнализации. Мощные реле способны включать токи силой до 5…30 А, но их 
отключающая способность для оперативных цепей постоянного 
напряжения 220 В обычно менее 1 А. Поэтому схемы управления выключателями должны предусматривать прерывание тока в цепях электромагнитов приводов выключателей их блок-контактами. Для сигнальных реле достаточно иметь отключающую способность 0,15 А для 
цепей постоянного тока напряжением 220 В. Кроме того, для современных средств сигнализации, имеющих маломощные входные цепи, в 
микропроцессорных защитах выполняются цепи гальванической развязки с использованием оптореле. 

Средства отображения информации в микропроцессорных 

устройствах РЗА выполняются в виде светодиодных индикаторов,