Современная релейная защита и автоматика электроэнергетических систем

 
 
 
А. И. Агафонов, Т. Ю. Бростилова, Н. Б. Джазовский 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СОВРЕМЕННАЯ РЕЛЕЙНАЯ  
ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА 
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
 
 
 
Учебное пособие  
 
2-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
 
1 

УДК 621.316.925 
ББК 31.27-05 
А23 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
доктор технических наук, профессор кафедры приборостроения  
Пензенского государственного университета Т. И. Мурашкина; 
кандидат технических наук, доцент, генеральный директор  
ООО «НИИВТ-Русичи-Фарма» (г. Пенза) А. Г. Пивкин 
 
 
 
 
 
 
 
Агафонов, А. И. 
А23  
 Современная релейная защита и автоматика электроэнергетических систем : учебное пособие / А. И. Агафонов, Т. Ю. Бростилова, 
Н. Б. Джазовский. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва ; Вологда :  
Инфра-Инженерия, 2020. – 300 с. : ил., табл. 
 
ISBN 978-5-9729-0505-8 
 
Рассмотрены основные принципы построения релейной защиты и 
автоматики электроэнергетических систем; типовые схемы соединений 
трансформаторов тока; работа, оценка и область применения базовых 
схем релейной защиты и автоматики. 
Для студентов электроэнергетических направлений подготовки, а 
также специалистов в области энергетики и электротехники. 
 
УДК 621.316.925 
 
ББК 31.27-05  
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0505-8 ” Агафонов А. И., Бростилова Т. Ю., Джазовский Н. Б., 2020 
 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
2 

ǜǝǒǑǕǞǘǛǏǕǒ 
 
Настоящая книга является учебным пособием по специальному 
курсу современной релейной защиты электроэнергетических систем 
для магистров направления подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика 
и электротехника», профиль «Электроэнергетические системы и сети, 
их режимы, устойчивость, надежность и качество электроэнергии». 
Авторы учебного пособия ставили перед собой задачу дать теоретические основы техники современной релейной защиты. В процессе изложения рассматриваются требования, предъявляемые к устройствам релейной защиты, принципы построения схем релейной защиты 
и автоматики (РЗА), особенности работы, сравнительные оценки, область применения и выбор параметров базовых схем РЗА. 
Дальнейшее совершенствование релейной защиты пойдет в 
направлении более широкого использования микропроцессорной и 
цифровой техники, преимуществом которых являются: 
– повышение надежности; 
– уменьшение массогабаритных показателей и потребляемой 
мощности; 
– повышение точности измерений в режиме реального времени; 
– возможности фиксации параметров, определяющих поведение 
релейной защиты доаварийного и аварийного режимов, а также возможности передачи их на расстояние с целью оперативного дистанционного управления и защиты. 
Для более широкого представления о современной релейной защите и автоматике во второе издание включены: 
– элементная база современных РЗА как на базе электромеханических реле, так и на базовых модулях микропроцессорных устройств 
РЗА и дистанционного управления (глава 2); 
– микропроцессорные интегрированные релейные защиты таких 
базовых электроустановок электроэнергетических систем, как генераторы и блоки генератора-трансформатора, линии электропередачи 
(ЛЭП) (глава 12). 
Значительное внимание уделено вопросам надежности микропроцессорной техники и повышения ее помехозащищенности. 
Авторы благодарят коллектив кафедры «Электроэнергетика и 
электротехника» ПГУ, рецензентов Т. И. Мурашкину, А. Г. Пивкина, 
коллектив издательства ПГУ за ценные замечания и большую помощь в 
работе по подготовке к изданию учебного пособия. 
 
3 

ǏǏǒǑǒǚǕǒ 
 
Современные энергетические системы относятся к наиболее 
сложным, большим автоматизированным системам. Производство, 
распределение и потребление электроэнергии отличаются такими 
специфическими особенностями, как неразрывность производства и 
потребления во времени при передаче больших потоков энергии на 
значительные расстояния, с одной стороны, так и колоссальная скорость распространения электромагнитных и электромеханических 
возмущений, с другой. В этих условиях обеспечение надлежащего качества и надежности электроснабжения при ограниченных затратах 
может быть достигнуто только при широком применении совершенных средств автоматики и защиты. 
Поэтому при проектировании и эксплуатации электроэнергетических систем необходимо учитывать не только установившиеся режимы, но и возможные в них повреждения и ненормальные режимы. 
Релейная защита осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и ненормальных режимов в электрической энергосистеме 
и является важнейшей составной частью, обеспечивающей ее нормальную и надежную работу. 
В современных условиях значение релейной защиты и автоматики особенно возрастает в связи с продолжающимся ростом мощностей электростанций, ростом напряжений электрических сетей, объединением энергетических систем, внедрением систем распределенного электроснабжения и переводом РЗА на новые интегральные 
микроэлектронные схемы (ИМС) и компьютерную технику. Однако 
ряд электромеханических устройств с учетом их совершенствования, 
будет находить применение в энергетических системах и в будущем.  
Таким образом, быстрое развитие автоматики и защиты энергосистем привело к тому, что в настоящее время в энергосистемах одновременно эксплуатируются элементы и устройства РЗА разных поколений, и, по-видимому, сложившееся положение сохранится в течение длительного времени. 
 
4 

1. ǛǮȆǵDz ǼǻǺȌǿǵȌ ǻ ǽDzǸDzǶǺǻǶ Ǵǭ1ȆǵǿDz ǵ ǭǯǿǻǹǭǿǵǷDz 
ǛǎǦǕǒ ǜǛǚǬǟǕǬ  
Ǜ ǝǒǘǒǖǚǛǖ ǔǍǦǕǟǒ 
Ǖ ǍǏǟǛǙǍǟǕǗǒ 
1 
1.1. Назначение релейной 
защиты и автоматики 
1.2. Виды повреждений 
в электроустановках  
и основные причины их 
появления 
1.3. Краткая характеристика 
влияния коротких замыканий 
на работу генераторов, 
трансформаторов  
и линий электропередач 
1.4. Ненормальные режимы  
в электроустановках 
1.5. Основные требования, 
предъявляемые  
к релейной защите 
и автоматике 
 
 
 
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ РЕЛЕЙНОЙ 
ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ 
 
В электроэнергетических системах, 
на электрооборудовании электростанций, 
в распределительных сетях и на электроустановках потребителей электрической 
энергии могут возникать повреждения и 
ненормальные режимы [1–9]. 
Повреждения в большинстве случаев 
сопровождаются значительным увеличением 
тока 
и 
глубоким 
понижением 
напряжения в элементах энергосистемы. 
При повышенном токе в проводниках 
выделяется большое количество тепла, 
вызывающее нарушения в месте повреждения и опасный нагрев неповрежденных линий и оборудования, по которым 
протекает ток.  
Глубокое 
понижение 
напряжения 
нарушает нормальную работу потребителей электрической энергии и устойчивость работы генераторов и энергосистемы в целом. 
Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению напряжения, тока и 
частоты от допустимых значений. При понижении напряжения и  частоты  создается 
5 

опасность повреждения оборудования или нарушения устойчивости 
энергосистемы. 
Таким образом, повреждения нарушают нормальную работу 
энергосистемы и потребителей электроэнергии, а ненормальные режимы создают условия возникновения повреждений или расстройства 
работы энергосистемы. 
Для обеспечения нормальной работы энергосистемы и потребителей электроэнергии при возникновении повреждения необходимо 
быстрое выявление и отключение места повреждения от неповреж- 
денной части электрической сети, что восстанавливает нормальные 
условия работы энергосистемы и потребителей электроэнергии. 
Опасные последствия ненормальных режимов также можно 
предотвратить, если своевременно обнаружить отклонения от нормального режима [1–9] и принять меры к их устранению, например, 
снизить ток при его возрастании, повысить напряжение при его снижении. 
В связи с этим возникает необходимость в создании и применении автоматических устройств, выполняющих указанные операции и 
защищающих энергосистему и ее элементы от опасных последствий 
повреждений и ненормальных режимов. 
Первоначально в качестве защитных устройств применялись 
плавкие предохранители. Однако по мере роста мощности и класса 
напряжения электрических установок и усложнения их схем соединений и распределения такой способ защиты сети стал неприемлемым, в 
силу чего были созданы защитные устройства, выполняемые с помощью специальных автоматов – реле, получивших название релейной 
защиты. 
Релейная защита (РЗ) является основным видом электрической 
автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа 
современных электроэнергетических систем. 
При возникновении повреждений РЗ выявляет и отключает от системы поврежденный участок, воздействуя на специальные силовые 
выключатели, предназначенные для размыкания силовых цепей, 
находящихся под током повреждения. 
Аналогично при возникновении ненормальных режимов РЗ выявляет их и в зависимости от характера нарушения режима произво6 

дит операции, необходимые для восстановления нормального режима 
с выдачей сигнала дежурному персоналу. 
В современных электрических системах РЗ тесно связана с электрической автоматикой, предназначенной для быстрого автоматического восстановления нормального режима питания потребителей. 
К основным устройствам такой автоматики относятся: автоматы 
повторного включения (АПВ), автоматы включения резервных источников питания и оборудования (АВР) и автоматы частотной разгрузки 
(АЧР). 
 
 
1.2. ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ  
В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ 
И ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ  
ИХ ПОЯВЛЕНИЯ 
 
Большинство повреждений в электрических системах приводит 
к коротким замыканиям (КЗ) фаз между собой или на землю. На 
рис. 1.1, а–в приведены КЗ фаз для систем с изолированной нейтралью, а на рис. 1.1, г–е – для систем с глухозаземленной нейтралью. 
В обмотках электрических машин и трансформаторов, кроме того, могут появляться межвитковые замыкания в обмотке одной фазы. 
Основными причинами повреждений являются: 
 нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные ее старением, перенапряжениями, механическими повреждениями; 
 повреждения проводов и опор ЛЭП, вызванные их неудовлетворительным состоянием, гололедом, ураганным ветром, вибрацией 
проводов; 
 ошибки персонала при оперативных переключениях коммутационных аппаратов (разрыв тока разъединителем, подача напряжения на «закоротку» и т. д.). 
Многие повреждения являются следствием конструктивных недостатков и несовершенства оборудования, некачественного его изготовления, дефектов монтажа и пусконаладочных работ, а также нарушения нормативных требований эксплуатации и сроков технического 
обслуживания. 
7 

 
 
  
 
 
 а) 
        г) 
 
 
  
 
 
 б) 
       д) 
 
 
 
 
        
 
 в) 
 
        е) 
ы поврежд
ектрическ
ких систем
. 1.1. Виды
мах  
(г, д, е) 
Рис
с изолир
рованной (
(а, б, в) и г
дений в эле
глухозазем
мленной не
ейтралью 
КРАТК
КАЯ ХА
АРАКТЕ
ЕРИСТ
ТИКА  
ЯНИЯ
ОТКИХ
Х ЗАМЫ
ЫКАНИ
ИЙ  
 
РАБОТ
 КОРО
У ГЕН
НЕРАТО
ОРОВ, 
 
НСФОР
ОРОВ 
Ч 
ИНИЙ 
РМАТО
ЭЛЕКТ
ТРОПЕ
ЕРЕДА
замыкан
ния являю
ются наи
иболее т
тяжелыми
сными 
 
 
1.3. К
ВЛИЯ
НА Р
ТРАН
И ЛИ
 
Ко
ороткие 
и повреж
ждений. П
ЭДС (E )
и и опас
ния (гене
ератовается на
При КЗ Э
акоротко
о к мини
) источни
имальном
ика питан
му сопро
отивлени
ию 
к
R  
рикладыв
аторов и 
линий (с
см. рис. 1
 Поэтому
у в конту
уре замк
кнутой 
видами
ра) пр
генера
накоро
отко ЭДС
С фаз во
озникает 
ваемый т
током 
1.1, а–е).
большой
й ток ( к
I
кз), назыв
коротк
кого замы
ыкания. 
8 

рехфазны
ые, двухф
фазные 
К
Короткие
ния подр
разделяю
ются на тр
шихся фа
аз, замык
кания в 
нофазные
имости о
замкнувш
и одн
одной
й и более
е замыкан
е в зависи
е точках н
на землю
от числа з
ю [1–9]. 
ения в 
падение 
напряж
П
При КЗ и
льших то
оков воз
ию напря
во всех 
ентах сис
из-за бол
стемы, ч
что приво
одит к п
зрастает 
онижени
КЗ, так
яжения в
к как со
огласно 
ах сети о
от источ
чника пи
итания д
до места 
1.2. 
элеме
точка
рис. 1
 
 
m
U
к
m
E
I
 

кз
.
m
Z
 
 
Zm 
E 
M
M
K 
Г
Г 
Iкз 
Нагру
узка 
 
Рис. 1.2. В
Влияние по
онижения
я напряже
ения при К
КЗ 
адение 
исходит р
резкое п
 
В
В результ
тате КЗ у
увеличив
вается то
ок и прои
к ряду оп
пасных п
последяжения у
у потреби
ителя, кот
торые пр
риводят к
напря
ствий
–
ца выделя
яет в акт
тивном 
й: 
– ток КЗ
З согласн
но закону
у Джоул
ля – Ленц
ло Q: 
сопро
отивлени
ии R цепи
и в течен
ние време
ени t тепл
Q
;
Rt  
 
 
2
кз
Q
kI R
 
–
о и плам
мя элект
трической
й дуги 
– в месте
е повреж
ждения э
это тепло
меры кот
торого те
ем больш
ше, чем 
зводят бо
ольшие р
ния, разм
). Проход
дя по не
поврежд
разрушен
ительнос
сть КЗ (t)
денным 
значеает их вы
ыше допу
устимых 
ше Iкз и п
удования
продолжи
ям и ЛЭП
П, ток КЗ
З нагрева
изоляции
и оборуд
дования и
и токочто може
ет вызват
ть повре
еждение и
произ
больш
обору
ний, ч
ведущ
ей; 
–
КЗ наруш
шает рабо
оту потр
ребитещих част
– пониж
жение на
апряжени
ия при К
ектрическ
кой энер
ргии явл
ляются 
Основны
ыми пот
требителя
ями эле
ское обо
орудовани
У, комхронные 
двигател
ли, техн
нологичес
ие, АСУ
; 
рудовани
ие и т. д.
лей. 
асинх
пьюте
ерная тех
хника, ос
ьное обо
–
тродиов КЗ ус
силивают
тся элект
– при п
протекани
светитель
ии больш
ших токо
оводник
ами, соп
провожда
ающиеческие вз
заимодей
между пр
ряжениям
ми; 
намич
ся зна
ачительн
ными мех
йствия м
ханически
ими напр
9 

– наиболее тяжелым последствием снижения напряжения  
при КЗ является нарушение устойчивости параллельной работы генераторов, что приводит к распаду энергосистемы и прекращению электроснабжения части или всех потребителей. В нормальном режиме 
механический момент вращения генератора уравновешивается противодействующим моментом, создаваемым электрической нагрузкой 
генераторов, в результате чего скорость вращения всех турбогенераторов постоянна и равна синхронной. 
 
А 
Б 
E 
Е 
Г 
Г 
Е 
Е 
Г 
Г 
К 
 
Рис. 1.3. Влияние снижения напряжения на работу генераторов 
 
При КЗ в точке K  у шин электростанции А (рис. 1.3) напряжение 
на шинах станет равным нулю, в результате чего электрическая 
нагрузка, а следовательно, и противодействующий момент генераторов также станет равным нулю. В то же время в турбину продолжает 
поступать прежнее количество пара (воды) и ее вращающийся момент остается неизменным, вследствие чего скорость вращения турбогенератора начинает быстро нарастать по причине значительной 
инерционности регулятора скорости турбины и по этой причине 
ускорение вращения турбогенераторов на станции А не предотвращается.  
В иных условиях находятся генераторы станции Б. Они удалены 
от точки К, поэтому напряжения на их шинах могут быть близки к 
нормальному. Поэтому, если генераторы станции А разгружаются, то 
вся нагрузка системы переходит на генераторы станции Б, которая, 
перегружаясь, уменьшает их скорость вращения. 
В результате КЗ скорость вращения генераторов станций А и Б 
становится резко различной, что и приводит к нарушению их син10