Проектирование микропроцессорных защит элементов электрических сетей напряжением 110-220 кВ

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. П. Федотов
С. С. Старосельников
Л. А. Федотова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ЗАЩИТ
ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
НАПРЯЖЕНИЕМ 110–220 кВ

Учебно-методическое пособие

2-е издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки
13.03.02 — Электроэнергетика 
и электротехника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

УДК 621.311:621.316.71(075.8)
ББК 31.27я73+32.965-044я73
          Ф34
Первое издание вышло в 2013 году

Рецензенты:
кафедра «Энергетика» Технического университета УГМК (завкафедрой доц., канд. техн. наук С. В. Федорова),;
заместитель генерального директора по инжинирингу в электроэнергетике ООО «Прософт-Системы», доц., канд. техн. наук 
В. А. Смирнов

В оформлении обложки использована фотография с сайта 
https;//www.yandex.ru/images/search?p=20&text=силовые трансформаторы на подстанции

 
Федотов, В. П.
Ф34    Проектирование микропроцессорных защит элементов электрических сетей напряжением 110–220 кВ : учебно-методическое пособие / В. П. Федотов, С. С. Старосельников, Л. А. Федотова. — 2-е изд., 
перераб. и доп. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 268 с.

ISBN 978-5-7996-2263-3

В пособии описываются типы, назначение, устройство и работа микропроцессорных защит следующих элементов электрических сетей напряжением 110–220 кВ: линий электропередач, автотрансформаторов и сборных 
шин подстанций. Приводится методика расчета параметров дифференциально-фазной высокочастотной защиты ЛЭП, ступенчатых дистанционных 
защит и токовых направленных защит нулевой последовательности ЛЭП 
и автотрансформаторов, дифференциальных токовых защит автотрансформаторов и сборных шин, максимальных токовых защит автотрансформаторов. Рассматриваются примеры их расчета для указанных элементов электрических сетей напряжением 110–220 кВ.
Предназначено для студентов вуза и слушателей курсов повышения 
квалификации.

Библиогр.: 7 назв. Табл. 48. Рис. 37.

УДК 621.311:621.316.71(075.8)
ББК 31.27я73+32.965-044я73

ISBN 978-5-7996-2263-3 
© Уральский федеральный 
 
     университет, 2018

Введение

У

стройства релейной защиты являются одним из основных видов противоаварийной автоматики современных электроэнергетических систем (ЭЭС). Они обеспечивают ликвидацию аварийных ситуаций путем быстрого 
выявления и отключения поврежденных элементов ЭЭС, а также сигнализируют о ненормальных режимах работы различного оборудования.
Создание линий электропередач высокого и сверхвысокого 
напряжения, электростанций с агрегатами большой мощности, 
развитие магистральных и распределительных сетей усложняют процесс управления ЭЭС в аварийных режимах, что, в свою 
очередь, требует постоянного совершенствования устройств релейной защиты на базе новых технических средств.
Современные микропроцессорные устройства объединяют в рамках единого информационного комплекса функции 
релейной защиты, автоматики, измерения, регулирования 
и управления электроустановкой. Такие устройства в структуре автоматизированной системы управления технологическим 
процессом (АСУ ТП) энергетического объекта являются конечными устройствами сбора и обработки информации, поэтому 
получили название терминалов.
Проектирование релейной защиты включает выбор устройств 
защиты и подключение их к измерительным трансформаторам 
тока и напряжения данного элемента, а также расчет параметров их срабатывания. Выбор устройств релейной защиты про

Введение

изводится на основании правил устройств электроустановок 
и норм технологического проектирования, а конкретное исполнение и расчет параметров защит выполняются в соответствии с руководящими указаниями по релейной защите и документацией фирм, занимающихся разработкой и изготовлением 
этих устройств.
В настоящем пособии рассматриваются вопросы проектирования микропроцессорных защит для различных элементов электрических сетей напряжением 110–220 кВ с использованием аппаратуры научно-производственного предприятия 
(НПП) «ЭКРА» (Россия, г. Чебоксары).

1. Защиты линий электропередачи 
напряжением 110–220 кВ

1.1. Типы и назначение защит,  
применяемых на линиях 110–220 кВ

Л

инии электропередачи, имея большую протяженность, 
подвержены повреждениям в большей степени, чем 
другое электротехническое оборудование. Особенно 
это относится к воздушным линиям, повреждения которых возможны от грозовых ударов, гололеда, сильного ветра, загрязнения изоляторов и т. п.
Указанные выше, а также другие причины повреждений могут вызывать короткие замыкания фаз между собой и на землю. Поэтому для быстрого отключения поврежденных линий 
они должны быть оборудованы релейной защитой, действующей на отключение.
Согласно «Нормам технологического проектирования 
подстанций переменного тока с высшим напряжением 35–
750 кВ» [1] на линиях электропередачи напряжением 110–
220 кВ с двухсторонним питанием должны устанавливаться 
две независимые защиты от всех видов повреждений: основная быстродействующая защита с абсолютной селективностью 
и резервная защита.
В качестве основной защиты линий 110–220 кВ необходимо применять один из следующих вариантов:

1. Защиты линий электропередачи напряжением 110–220 кВ

■ дифференциально-фазную защиту, работающую с использованием высокочастотного канала связи;
■ защиту с высокочастотной блокировкой (направленную 
высокочастотную фильтровую защиту);
■ продольную дифференциальную защиту, работающую 
с использованием цифрового канала связи.
В качестве резервной защиты используется комплект ступенчатых дистанционных и токовых направленных защит нулевой последовательности.
На линиях напряжением 110–220 кВ с односторонним питанием используются ступенчатые защиты, включающие токовую или дистанционную защиту от многофазных коротких замыканий (КЗ) и токовую защиту от КЗ на землю.

1.2. Дифференциально-фазная высокочастотная защита 
на базе шкафа ШЭ2607 081

1.2.1. Общая характеристика шкафа ШЭ2607 081

Шкаф ШЭ2607 081 содержит полукомплект дифференциально-фазной высокочастотной защиты (ДФЗ) линии и устройство 
резервирования отказа выключателя (УРОВ).
ДФЗ используется в качестве основной быстродействующей 
защиты при всех видах КЗ на воздушных линиях (ВЛ) напряжением 110–220 кВ.
УРОВ предназначено для действия на отключение отказавшего резервируемого выключателя без выдержки времени (действие УРОВ «На себя»), а затем с выдержкой времени на отключение выключателей смежных элементов.
Функции релейной части ДФЗ линии и УРОВ реализованы на базе микропроцессорного терминала типа БЭ2704V081.

1.2. Дифференциально-фазная высокочастотная защита на базе шкафа ШЭ2607 081

Программное обеспечение терминала позволяет, кроме всего, измерять и осциллографировать текущие значения электрических параметров ВЛ, определять расстояние до места 
повреждения, осуществлять непрерывную проверку функционирования и самодиагностику устройства.
В терминале предусмотрена местная сигнализация о действии защит и устройств, выполненная на светодиодных индикаторах.
Основные технические характеристики шкафов серии ШЭ2607:
■ номинальный переменный ток (IНОМ) 1 или 5 А;
■ номинальное междуфазное напряжение переменного тока 
(UНОМ) 100 В;
■ напряжение оперативного постоянного тока (UПИТ) 220 
или 100 В;
■ время действия на отключение (tСЗ) 0,04 с.

1.2.2. Устройство и работа ДФЗ шкафа ШЭ2607 081

Принцип действия и особенности выполнения защиты

Принцип действия ДФЗ основан на сравнении фаз токов 
по обоим концам защищаемой линии, получаемых от комбинированных фильтров токов I1 + kI2. Фаза тока передается по защищаемой линии с одного ее конца на другой посредством токов 
высокой частоты по каналу, в качестве которого используется 
защищаемая линия.
Защита одного участка линии электропередачи включает 
два полукомплекта, расположенных по концам защищаемого 
участка. Каждый из них содержит шкаф с релейной частью защиты и высокочастотное оборудование.
В состав релейной части входят пусковые и измерительные 
органы, цепи логики, входные и выходные цепи, а также цепи 
сигнализации.

1. Защиты линий электропередачи напряжением 110–220 кВ

Все элементы релейной части защиты могут быть разделены 
на три основных органа:
■ пусковые и измерительные органы защиты;
■ орган манипуляции (управления) ВЧ-передатчиком;
■ орган сравнения фаз токов по концам защищаемой линии.
Пусковые (ПО) и измерительные (ИО) органы при всех видах повреждений осуществляют пуск ВЧ-передатчика и подготовку действия защиты на отключение. Они реагируют:
■ на ток обратной последовательности;
■ ток нулевой последовательности;
■ приращения векторов тока обратной и прямой последовательности;
■ разность фазных токов;
■ уменьшение сопротивления.
Орган манипуляции (ОМ) ВЧ-передатчиком обеспечивает работу последнего с интервалами, приблизительно равными половине периода промышленной частоты, т. к. передатчик 
управляется выходным сигналом комбинированного фильтра 
токов I1 + kI2. Поэтому передатчик генерирует токи высокой 
частоты пакетами, длительность которых примерно равна интервалу между ними.
Приемопередатчик ВЧ-защиты выполняет следующие функции:
■ передачу и прием высокочастотных сигналов;
■ измерение длительности пауз в выходных токах приемника и передатчика при пуске передатчиков с обоих концов 
линии, причем приемник ВЧ-поста принимает сигналы 
как передатчика противоположного конца ВЛ, так и своего ВЧ-передатчика;
■ периодический контроль исправности канала связи и наличия запаса по затуханию ВЧ-канала.
Предусмотрена возможность действия устройства автоматической проверки ВЧ-канала (АПК) на вывод ДФЗ из работы 
или на сигнализацию без вывода ДФЗ из работы.

1.2. Дифференциально-фазная высокочастотная защита на базе шкафа ШЭ2607 081

Орган сравнения фаз токов (ОСФ) определяет, где находится повреждение: на защищаемой линии или вне ее. Определение осуществляется по сдвигу ВЧ-пакетов импульсов, посылаемых передатчиками обоих концов линии, т. е. по углу сдвига 
фаз между векторами токов I1 + kI2 по концам линии.
При внешних КЗ этот угол имеет значение порядка 180°, 
вследствие чего действие защиты на отключение блокируется.
При КЗ на защищаемой линии угол сдвига фаз между векторами токов I1 + kI2 по концам линии равен или близок нулю. 
При повреждении в защищаемой зоне передатчики работают 
одновременно, и посылаемые ими пакеты примерно совпадают 
по фазе, в результате чего образуются паузы в ВЧ-сигнале. При 
превышении длительности паузы заданной величины, определяемой углом блокировки, происходит действие защиты на отключение выключателя.
В нормальном режиме работы линии электропередачи все 
ПО и ИО обоих полукомплектов защит, установленных по концам линии, находятся в несработанном состоянии, т. к. их уставки отстраиваются от нагрузочного режима с учетом допустимых 
небалансов. Выходные цепи защит находятся в несработанном 
состоянии, и ВЧ-передатчики полукомплектов не запущены.

Пусковые и измерительные органы защиты

Программное обеспечение ДФЗ содержит следующие пу-
сковые и измерительные органы:
■ ПО, реагирующий на ток обратной последовательности, 
с выходами I2.БЛ для пуска ВЧ-сигнала и I2.ОТ для пуска 
на отключение;
■ ПО, реагирующий на ток нулевой последовательности 3I0, 
с выходами 3I0.БЛ для пуска ВЧ-сигнала и 3I0.ОТ для пуска 
на отключение. Имеется возможность вывода из действия 
ПО с выходами 3I0.БЛ и 3I0.ОТ с помощью программной накладки;