Устройства электропитания релейной защиты: проблемы и решения

В.И.ГУРЕВИЧ
УСТРОЙСТВА
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
Проблемы и решения
Учебно-пра±тичес±оепособие
Инфра-Инженерия
Мос³ва
2013

Справочни³’еоло’анефте’азоразвед³и:нефте’азопромысловая’еоло’ияи’идро’еоло’ия
УДК621.316.925(075.8)
ББК31.27-05
Г95
ГÀревичВ.И.
Г95
Устройстваэле³тропитаниярелейнойзащиты:проблемы
ирешения.-М.:Инфра-Инженерия,2013.-288с.
ISBN978-5-9729-0057-2
В³ни’ерассмотреныÀстройство,принципдействияипроблемывторичных источни³ов эле³тропитания ми³ропроцессорных Àстройств релейнойзащиты(МУРЗ),а³³ÀмÀляторныхбатарей,зарядно-подзарядных
а’ре’атов,источни³овбесперебойно’опитания,Àстройстврезервированиясистемпостоянно’ото³а.Рассматриваютсята³жепроблемы³онтроляизоляциивсистемахпостоянно’ото³а,проблемымониторин’ацелостностицепиподстанционнойбатареи,проблемыпроваловнапряженияиметодыборьбыснимиимно’иедрÀ’иевопросы,возни³ающиев
пра³ти³е э³сплÀатации систем оперативно’о то³а и собственных нÀжд
подстанцийиэле³тростанций.
Дляобле’ченияпониманияте³стаэнер’ети³ами,работающимисописываемымэле³троннымоборÀдованием,нонеявляющимисяспециалистамивобластиэле³трони³и,приведеноподробноеописаниеÀстройстваипринциповдействиятранзисторов,тиристоров,оптронов,реле.
Кни’арассчитананаинженеровитехни³ов,занимающихсяэ³сплÀатациейсистемоперативно’опостоянно’ото³аирелейнойзащиты,ата³жеможетбытьполезнапреподавателямистÀдентамсоответствÀющих
дисциплинсреднихивысшихÀчебныхзаведений.
©ГÀревичВ.И.,2013
©Издательство«Инфра-Инженерия»,2013
2
ISBN978-5-9729-0057-2

АВТОР 
 
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 сельского хозяйства». С 1980 по 
1983 г. учился в аспирантуре.  
 
В 1986 г. защитил кандидатскую 
диссертацию в Харьковском национальном техническом университете 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, выполняемыми 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 инженераспециалиста, 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 8 книг (4 из которых изданы в США), свыше 
120 изобретений и 150 научно-технических статей. 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Развитие современной техники, переход на микропроцессорную 
элементную базу сопровождается постоянным ее усложнением. Современные микропроцессорные устройства релейной защиты 
(МУРЗ), в отличие от старых электромеханических реле, требуют 
наличия электропитания. От качества и надежности устройств и 
систем электропитания релейной защиты (РЗ) зависит во многом ее 
способность выполнять свои функции. Система электропитания РЗ 
начинается от трансформатора собственных нужд подстанции и заканчивается встроенным источником питания МУРЗ, включая систему оперативного тока, зарядно-подзарядные агрегаты, аккумуляторные батареи, источники бесперебойного питания, вспомогательные системы мониторинга изоляции и целостности цепей системы 
оперативного тока. Все эти устройства и системы соединены между 
собой множеством связей и представляют собой целостный организм, в котором сбой в работе одного органа может повлечь за собой серьезное «заболевание» всего организма. Так, например, рутинная работа по отысканию места поврежденной изоляции в сети 
постоянного тока 230 В с помощью стандартного прибора, которая 
проводилась уже не раз и была хорошо знакома электрику, вдруг 
оборачивается отключением трансформатора 220 кВ и целого ряда 
ВЛ-220 кВ, приводит к перераспределению нагрузок на другие линии, их перегрузке и, в конечном итоге, к развалу энергосистемы. 
Почему? Или вот другая проблема: при работах на одной из подстанций в системе постоянного тока, которая должна быть полностью изолирована от земли, электрик случайно заземляет один из 
полюсов. В результате выходят из строя внутренние источники питания десятков МУРЗ. Опять вопрос: почему? Более простая ситуация: нужно выбрать аккумуляторную батарею для подстанции. 
Один поставщик предлагает аккумуляторы класса GroE, а другой – 
OGi, и оба расхваливают свою продукцию, а по рекламным проспектам получается, что оба типа равноценны. Как правильно сориентироваться в этой ситуации? Как правильно выбрать зарядноподзарядный агрегат, если не знаешь, какие они бывают и чем отличаются друг от друга? Нужен ли на данном объекте активный 
фильтр гармоник, настоятельно рекомендуемый продавцом оборудования как панацея от всех бед? Настолько плох источник бесперебойного питания, искажающий потребляемый от общей сети ток 
4 
 

так, что уровень коэффициента нелинейных искажений тока доходит до 40%?  
Ответы на все эти вопросы достаточно сложны и требуют определенного уровня знаний у персонала, занятого обслуживанием и 
эксплуатацией систем оперативного тока. Отсутствие таких знаний 
или их недостаток не только препятствуют поддержанию систем 
электропитания РЗ на должном уровне, но и порой служат источником тяжелых аварий в сетях.  
В данной книге автором детально описаны устройства и системы электропитания релейной защиты: от встроенных источников 
питания МУРЗ, зарядно-подзарядных агрегатов, аккумуляторных 
батарей, источников бесперебойного питания до особенностей систем резервирования оперативного постоянного тока подстанций и 
электростанций. Рассматриваются также и конкретные проблемы 
устройств и систем электропитания РЗ, встречающиеся на практике, 
но малоизвестные и не описанные в технической литературе вследствие своей «непонятности». Не менее важным является и знание 
путей решения проблем. Поэтому описание технических проблем 
сопровождается и предложениями по их решению и предлагаются 
пути решения этих проблем. Попутно автор попытался решить проблему отсутствия у персонала, обслуживающего системы электропитания РЗ, знаний в области электроники, что существенно затрудняет их повседневную работу с оборудованием. Эту задачу автор попытался решить путем описания в первой главе книги основ 
электроники и самой распространенной элементной базы: транзисторов, тиристоров, оптронов, логических элементов, реле.  
Отзывы на книгу просьба направлять автору по адресу: 
vladimir.gurevich@gmail.com 

Устройства электропитания релейной защиты 
Глава 1. 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 1091020 Ом⋅см; полупроводники (многие природные и искусственные 
кристаллы), занимающие огромный промежуточный диапазон значений удельного сопротивления. 
Главной особенностью кристаллических веществ является характерная 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 применение 
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 полупроводниковых приборах, необходимо рассмотреть явления, происходящие в кристаллической структуре полупроводниковых материалов, которые обусловлены тем, что их атомы удерживаются в 
строго определенном взаимном положении относительно друг друга благодаря слабосвязанным электронам, находящимся на их 
внешних оболочках. Эти электроны вместе с такими же электрона6 
 

1. Элементная база 
ми соседних 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 электрический ток. 
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 электроны 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 электрическое 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 происходить 
7 
 

Устройства электропитания релейной защиты 
тоже только на внешнюю оболочку, причем максимально возможное число электронов на внешней оболочке равно восьми. 
Если атом примеси имеет большее число валентных электронов, 
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 но 
три валентных электрона. К акцепторным примесям относятся бор, 
алюминий, галлий и индий.  
В кристаллической структуре чистого полупроводника все валентные 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. 
8 
 

1. Элементная база 
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 
каким-либо 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 п-типа. 
9 
 

Устройства электропитания релейной защиты 
Полупроводники, электропроводность которых обусловливается в основном движением дырок, называются полупроводниками с 
дырочной проводимостью, или сокращенно полупроводниками ртипа. 
Практически не существует полупроводников с чисто электронной 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 ртипа 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 сделать 
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 полупроводниковых 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 
10