Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА 
И АВТОМАТИЗАЦИЯ 
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ 
СИСТЕМ

С.А. ГОРЕМыКИН

Москва 
ИНФРА-М 
2021

УЧЕбНОЕ пОСОбИЕ

УДК 621.316(075.8)
ББК 32.965.6я73
 
Г68

Горемыкин С.А.
Г68 
 
Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем : 
учебное пособие / С.А. Горемыкин. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 
191 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1048841.

ISBN 978-5-16-015743-6 (print)
ISBN 978-5-16-108143-3 (online)
В учебном пособии изложены основные вопросы теории релейной защиты 
и автоматики электроэнергетических систем. Рассмотрены структура и функциональное назначение устройств защиты и автоматика линий электропередачи 
различных конфигураций, синхронных генераторов, силовых трансформаторов, 
электродвигателей и отдельных электроустановок. Для каждого из типов защит вышеперечисленных объектов приводятся структура, принцип действия, 
порядок выбора уставок, оцениваются достоинства и недостатки с указанием 
области применения. Пособие включает материал о комплектных устройствах 
на полупроводниковых и микропроцессорных элементных базах. Прогрессивное использование таких устройств (защиты третьего и четвертого поколений) 
является целесообразным и эффективным ввиду их значительных преимуществ.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных 
стандартов  высшего образования последнего поколения.
Предназначено для обучающихся по направлениям подготовки 13.03.02 
«Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электроснабжение», дисциплина «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем») 
и 35.03.06 «Агроинженерия» (профиль «Электроснабжение и электрооборудование сельскохозяйственных предприятий», дисциплина «Релейная защита 
электрооборудования сельскохозяйственных объектов»), а также для аспирантов и специалистов, занятых в сфере электрификации и автоматизации 
объектов промышленного и агротехнического профиля.

УДК 621.316(075.8)
ББК 32.965.6я73

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р:
В.П. Шелякин, кандидат технических наук, доцент 

Р е ц е н з е н т ы :
В.Д. Волков, доктор технических наук, профессор;
В.В. Картавцев, кандидат технических наук, доцент

ISBN 978-5-16-015743-6 (print)
ISBN 978-5-16-108143-3 (online)
© Горемыкин С.А., 2021

предисловие

Учебное пособие  предназначено для бакалавров, изучающих 
дисциплину «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» в соответствии с учебным планом в рамках направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 
профиль «Электроснабжение», и дисциплину «Релейная защита 
электрооборудования сельскохозяйственных объектов» в соответствии с учебным планом в рамках направления подготовки 35.03.06 
«Агроинженерия», профиль «Электроснабжение и электрооборудование сельскохозяйственных предприятий». 
Учебное пособие включает введение, пять основных глав, заключение и библиографический список.
Во введении приводятся структура и основные положения программного материала дисциплины, содержание самостоятельной работы студентов, а также список основных учебно-методических 
материалов по дисциплине.
В первой главе показаны роль, назначения и требования, предъявляемые к устройствам защиты и автоматики, функционирующим 
в современных электроэнергетических системах с учетом специфики аварийных режимов.
Во второй главе изложены состав, принцип действия, порядок 
выбора уставок основных типов устройств защиты линий электропередач.
Третья глава связана с рассмотрением современных устройств 
защиты, реализованных на полупроводниковой и микропроцессорной элементных базах.
Четвертая глава содержит сведения об особенностях построения 
защит синхронных генераторов, силовых трансформаторов, потребителей и отдельных электроустановок с учетом специфики их 
конструктивного исполнения.
В пятой главе рассмотрены вопросы защитной автоматики, телемеханики и автоматизированных систем управления энергетическими объектами.
Кроме основного содержания, каждая глава содержит аннотацию, цель и задачи изучения.
В заключении дан анализ материала, рассмотренного в учебном 
пособии.
Предусматривается следующий порядок работы с учебным пособием:
 
• знакомство с программным материалом;
 
• изучение содержания основных глав;

• выполнение заданий преподавателя в виде контрольных и кур
совых работ по мере изучения основных глав;

• подготовка к лабораторным работам и экзамену.

Изучение материалов данного пособия с решением контрольных 

задач достаточно для подготовки к экзамену, однако при желании 
более углубленного изучения некоторых вопросов можно рекомендовать дополнительную справочную литературу и нормативные 
документы.

Введение

Известно, что экономичность и надежность функционирования 
систем электроснабжения во многом обеспечивается совокупной 
и согласованной работой устройств релейной защиты, автоматики 
и телемеханики. Для обеспечения эффективной работы всех объектов энергосистемы необходим учет особенностей технологии производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии 
при нормальных режимах, перегрузках и коротких замыканиях. 
Рост нагрузок, изменение структуры и увеличение протяженности 
линий электропередачи, ужесточение требований к устойчивости 
энергосистем усложняют условия работы релейной защиты и повышают требования к ее быстродействию, селективности, чувствительности и надежности. До настоящего времени в электроэнергетических системах эксплуатируются устройства защиты на электромеханической элементной базе, такие как: максимальная токовая 
защита (МТЗ), токовая отсечка, направленные защиты, защиты 
от однофазных замыканий на землю, дифференциальные, дистанционные, высокочастотные защиты. В то же время промышленностью освоен выпуск защит на полупроводниковой и микропроцессорной элементных базах (защиты третьего и четвертого поколений). 
Защиты четвертого поколения представляют собой комплексные 
устройства, в которых реализован целый ряд устройств защиты и автоматики, что обусловливает актив ное их внедрение в реконструируемые и вновь строящиеся объекты электроэнергетики. Важно 
отметить, что независимо от элементной базы все устройства защиты и автоматики должны соответствовать требованиям «Правил 
устройства электроустановок».
Цели и задачи изучения дисциплины — формирование у будущих специалистов теоретических и практических знаний о системах релейной защиты и автоматики различных объектов электроэнергетики с учетом современного состояния техники.

пОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ дИСЦИпЛИНы НЕОбХОдИМО ЗНАТь

 
• Классификация повреждений и ненормальных режимов, их 
влияние на работу электроустановок.
 
• Общая структура устройств защиты и автоматики и требования, 
предъявляемые к ним.
 
• Состав, принцип действия, порядок выбора уставок защит ЛЭП.

• Структура и принцип реализации защит третьего и четвертого 
поколений.
 
• Особенности построения защит элементов станций, подстанций 
и отдельных потребителей.
 
• Устройства системной автоматики и телемеханики.

пОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ дИСЦИпЛИНы НЕОбХОдИМО УМЕТь

 
• Выбирать тип защиты и автоматики применительно к конкретному объекту электроэнергетики.
 
• Составлять схему релейной защиты отдельных элементов 
системы электроснабжения.
 
• Производить расчет уставок устройств защиты и автоматики.
 
• Оценивать эффективность действия устройств защиты с точки 
зрения надежности, селективности и чувствительности.

СОдЕРжАНИЕ дИСЦИпЛИНы

Учебными планами направлений подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 35.03.06 «Агроинженерия» предусмотрено изучение дисциплин «Релейная защита и автоматизация 
электроэнергетических систем» и «Релейная защита электрооборудования сельскохозяйственных объектов» бакалаврами 4 и 5 курсов 
очной и заочной форм обучения. Изложение основного материала 
дисциплин ведется с учетом усвоения следующих дисциплин: 
«Теоретические основы электротехники», «Метрология», «Коммутационные аппараты систем электроснабжения», «Электрические 
станции и подстанции», «Электроэнергетические системы и сети», 
«Электроснабжение».
Программный материал предусматривает изучение нижеследующих тем.
 
• Классификация повреждений и ненормальных режимов и последствия их воздействия на работу энергосистем.
 
• Функциональное назначение релейной защиты, требования, 
предъявляемые к ней. Классификация устройств защиты в зависимости от их элементной базы.
 
• Источники оперативного тока. Условия работы измерительных 
трансформаторов тока и напряжения.
 
• Схемы соединения трансформаторов напряжения, трансформаторов тока и обмоток реле. Погрешности трансформаторов тока 
и напряжения.

• Максимальная токовая защита ЛЭП. Порядок выбора тока 
и времени срабатывания защиты. Область применения максимальной токовой защиты.
 
• Токовая отсечка на ЛЭП с односторонним и с двухсторонним питанием. Расширение защищаемой зоны. Оценка токовых отсечек.
 
• Максимальная токовая направленная защита. Принципы выполнения реле направления мощности. Оценка токовых направленных защит.
 
• Максимальная токовая защита нулевой последовательности 
в сетях с большим током замыкания на землю. Защиты от замыканий на землю в сетях с малым током замыкания на землю.
 
• Продольная дифференциальная защита. Ток небаланса. Область 
применения быстронасыщающихся трансформаторов тока 
и дифференциальных реле с торможением.
 
• Поперечная дифференциальная токовая защита. Поперечная 
дифференциальная токовая направленная защита. Оценка поперечных дифференциальных защит.
 
• Дистанционная защита. Характеристики срабатывания реле сопротивления. Общая оценка дистанционной защиты.
 
• Направленная защита с высокочастотной блокировкой. Дифференциально-фазная высокочастотная защита. Оценка высокочастотных защит.
 
• Принципы построения реле защиты на полупроводниковой неинтегральной и интегральной элементных базах.
 
• Общие принципы реализации микропроцессорных защит.
 
• Структура и функциональное назначение микропроцессорных 
комплектных устройств защиты, управления и автоматики 
серии SPAC 800, БМРЗ-04.
 
• Защита низковольтных генераторов. Защита высоковольтных 
генераторов мощностью до 1 МВт.
 
• Защита трансформаторов от междуфазных коротких замыканий, 
от однофазных замыканий на землю, от перегрузок и ненормальных режимов.
 
• Защита асинхронных электродвигателей напряжением до 1000 В. 
Особенности защиты асинхронных двигателей высокого напряжения. Защита электродвигателей постоянного тока.
 
• Защита шин и токопроводов. Защита конденсаторных установок. Устройство защитного отключения.
 
• Устройства автоматического включения резерва. Схемы устройства АВР на переменном оперативном токе.
 
• Автоматическое повторное включение. Особенности устройства 
АПВ — линий с двухсторонним питанием.

• Устройства автоматической частотной разгрузки. Принцип действия реле частоты.
 
• Особенности автоматики генераторов, трансформаторов, электродвигателей и конденсаторных установок.
 
• Классификация систем телемеханики. Назначение автоматизированной системы управления электроснабжением.

САМОСТОЯТЕЛьНАЯ РАбОТА  
И КОНТРОЛь ЗНАНИЙ СТУдЕНТОВ

Для успешного изучения дисциплин «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем», «Релейная защита 
электрооборудования сельскохозяйственных объектов» обучающиеся должны регулярно самостоятельно работать над закреплением и углублением знаний, полученных на лекционных занятиях: 
изучать учебную литературу, учиться работать с техническими 
справочниками, нормативными документами, правилами устройства и эксплуатации электроустановок, а также осуществлять поиск 
новой научно-технической информации по устройствам защиты 
и автоматики электроэнергетических объектов.
Особое место в самостоятельной работе студентов занимает выполнение контрольных и курсовых работ, а также подготовка лабораторных работ.
При сдаче зачета или экзамена студенты должны продемонстрировать соответствующие теоретические знания и практические навыки, показать готовность к работе по выбранным направлениям.

Учебно-методические материалы по дисциплине

1. 
Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения [Текст] / В.А. Андреев. — М.: Высш. шк., 2006.
2. 
Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. 
 Релейная защита сетей [Текст] / А.М.Федосеев. — М.: Энергоатомиздат, 1984.
3. 
Чернобровов Н.В. Релейная защита [Текст] / Н.В. Чернобровов. — М.: 
Энергия, 1974.
4. 
Кривенков В.В. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения [Текст] / В.В. Кривенков, В.Н. Новелла. — М.: Энергоиздат, 
1981.
5. 
Будзко И.А. Электроснабжение сельского хозяйства [Текст] / 
И.А. Будзко, Т.Б. Лещинская, В.И. Сукманов. — М.: Колос, 2000.
6. 
Шабад М.А. Защита и автоматика электрических сетей агропромышленных комплексов [Текст] / М.А. Шабад. — Л.: Энергоатомиздат, 1987.

Глава 1 
ФУНКЦИОНАЛьНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ  
И ОбЩАЯ СТРУКТУРА УСТРОЙСТВ ЗАЩИТы 
И АВТОМАТИКИ

Работа любой системы электроснабжения сопровождается повреждениями и ненормальными режимами. Для защиты элементов 
электроснабжения от опасных последствий вышеперечисленных 
аварийных режимов возникает необходимость в совокупном использовании устройств релейной защиты и автоматики. Состав 
и принцип построения устройств защиты и автоматики четко дифференцированны в зависимости от их элементной базы. Сегодня 
можно выделить электромеханическую, полупроводниковую и микропроцессорную элементные базы. Однако независимо от структуры устройств защиты и автоматики к ним предъявляются единые требования, выполнение которых обеспечивает их гарантированную работу в соответствии с эксплуатационным назначением. 
Первичные измерительные преобразователи тока и напряжения, 
а также источники оперативного тока должны удовлетворять специальным требованиям в зависимости от специфики того или 
иного устройства защиты и автоматики, в совокупности с которым 
они используются.
Цель главы — ознакомиться с многообразием повреждений 
и ненормальных режимов в энергетических системах и их последствиями, изучить структуру устройств защиты и автоматики в зависимости от их элементной базы, оценить особенности использования трансформаторов тока и напряжения в схемах релейной защиты.

пОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВы НЕОбХОдИМО ЗНАТь

 
• Виды повреждений и ненормальных режимов, их влияние на работу энергетических систем.
 
• Назначение и требования, предъявляемые к релейной защите.
 
• Классификация устройств релейной защиты и автоматики в зависимости от их элементной базы.
 
• Состав устройств защиты и автоматики в зависимости от их 
функционального назначения.
 
• Требования, предъявляемые к измерительным трансформаторам тока и напряжения в измерительных цепях защиты.

• Факторы, влияющие на точность работы измерительных трансформаторов тока и напряжения.
 
• Схемы соединения измерительных трансформаторов тока, 
трансформаторов напряжения и обмоток реле.

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ФУНКЦИИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТы 
И АВТОМАТИКИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАбжЕНИЯ

Релейная защита и автоматика — это комплекс автоматических 
устройств, состоящих из устройств автоматического управления 
и устройств автоматического регулирования.

Устройства автоматического управления
В процессе эксплуатации электроэнергетических систем могут 
возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования, электростанций, подстанций, распределительных 
устройств, ЛЭП и электроустановок потребителей электрической 
энергии.
Повреждения в большинстве случаев сопровождаются значительным увеличением тока и глубоким понижением напряжения 
в элементах энергосистемы. Наиболее опасными и частыми видами 
повреждений являются короткие замыкания (КЗ) между фазами 
электрической установки и КЗ фаз на землю. В обмотках электрических машин и трансформаторов, кроме перечисленных КЗ, бывают замыкания между витками одной фазы (межвитковые замыкания).
Межфазные КЗ и КЗ фаз на землю в сетях с глухозаземленной 
нейтралью приводят к ряду опасных последствий:
 
• ток КЗ оказывает опасное термическое и динамическое действие 
как непосредственно вместе повреждения, так и при прохождении его по неповрежденному оборудованию;
 
• понижение напряжения приводит к уменьшению момента вращения электродвигателей (а в ряде случаев и их остановку), 
а также нарушается нормальная работа осветительных установок и снижается устойчивость параллельной работы генераторов.
Замыкания на землю одной фазы в сети с изолированной нейтралью не приводят к КЗ, так как возникающий при этом ток в месте повреждения замыкается через емкость проводов относительно 
земли и имеет, как правило, небольшую величину, при этом линейные напряжения остаются неизменными. Однако возможны нару