В.И.ГУРЕВИЧ

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ
РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
Устройство,проблемы,
перспетивы

Учебно-пратичесоепособие

Инфра-Инженерия
Мосва
2011

Справочниеолоанефтеазоразведи:нефтеазопромысловаяеолоияиидроеолоия
УДК621.316.925(075.8)
ББК31.27-05
Г95

ГревичВ.И.
Г95
Миропроцессорныерелезащиты.Устройство,проблемы,
перспетивы.-М.:Инфра-Инженерия,2011.-336с.

ISBN978-5-9729-0043-5

Вниерассмотреныстройствоипринципдействиямиропроцес-
сорныхстройстврелейнойзащиты(МУРЗ)напримерахонретныхти-
повсовременныхМУРЗведщихмировыхпроизводителей.Дляобле-
ченияпониманиятестаэнеретиами,работающимисМУРЗ,нонеяв-
ляющимисяспециалистамивобластиэлетронии,приведеноподроб-
ноеописаниеэлементнойбазыМУРЗ,стройстваипринциповдействия
транзисторов,тиристоров,оптронов,реле.
Рассматриваютсяонретныепроблемынадежностиотдельныхфн-
циональныхзловМУРЗ,атажевопросы,асающиесяметодииоцен-
инадежностииэффетивностиМУРЗ.Подробнорассмотренывопросы
элетроманитныхвоздействийнаМУРЗаестественных,таипредна-
меренных,ибербезопасности.
Книарассчитананаинженеровитехниов,занимающихсяэсплата-
циейрелейнойзащиты,атажеможетбытьполезнаонстрторам,за-
нимающимсяразработойМУРЗ,преподавателямистдентамсоответ-
ствющихспециальностейсреднихивысшихчебныхзаведений.

©ГревичВ.И.,2011
©Издательство«Инфра-Инженерия»,2011

ISBN978-5-9729-0043-5

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

 
3

 
 
 
Владимир  Игоревич Гу-
ревич родился в г. Харькове 
(Украина) в 1956 г.  
 
В 1978 г. окончил факуль-
тет электрификации Харьков-
ского национального техниче-
ского университета им. П. Ва-
силенко 
по 
специальности 
«Электроснабжение 
с.х.». 
С 
1980 по 1983 г. учился в аспи-
рантуре.  
 
В 1986 г. защитил кандидатскую диссертацию в Националь-
ном техническом университете «Харьковский политехнический ин-
ститут» 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. Харь-
ков). Руководил несколькими проектами по разработке новых видов 
аппаратуры, выполняемых по заказам Министерств оборонных отрас-
лей промышленности СССР, после распада СССР занимался разработ-
кой 
и 
организацией 
производства 
устройств 
автоматики 
для электроэнергетики. В настоящее время работает в Электрической 
компании Израиля в должности инженера-специалиста, начальника 
сектора Центральной электрической лаборатории. 
       
С 2006 г. Почетный профессор Харьковского национального тех-
нического университета  им. П. Василенко. С 2007 г. эксперт комитета 
ТС-94 Международной электротехнической комиссии (МЭК). 
        
В. Гуревич автор 6 книг, свыше 120 изобретений и 140 научно-
технических статей. 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
4

 
Наш мир становится все более «электронным». Без электроники уже 
не может функционировать ни энергетика, ни промышленное производст-
во, ни транспорт, ни связь, ни медицина, ни банковская система…  
Вся наша жизнь буквально пронизана электронными системами авто-
матического управления, защиты, сигнализации и связи, как живой орга-
низм пронизан кровеносными сосудами. Что бывает с живым организмом, 
когда повреждаются важные кровеносные сосуды, мы хорошо знаем. Увы, 
в наш «электронный» век нам довелось узнать также, что происходит и 
при повреждении важных электронных систем. Техногенные катастрофы, 
крупнейшие аварии в энергосистемах, связанные с колоссальными убыт-
ками, а часто и с человеческими жертвами (США: 1965, 1977, 2003 г.; 
Франция: 1978 г.; Канада: 1982, 2003 г.; Италия: 2003 г.; Швеция: 1983, 
2003 г.), падения огромных воздушных лайнеров (последним из них был 
Airbus A330-200, вылетевший 1 июня 2009 г. рейсом AF-447 из Рио-де-
Жанейро в Париж), свидетелями которых мы стали за последние 20 – 30 
лет – все это расплата человечества за его безмятежность. Сегодня люди 
вынуждены доверять свои жизни электронным системам, компьютерам и 
программам, подверженным атакам хакеров и вирусов. Какой же ненадеж-
ной стала наша жизнь, порой зависящая от маленькой ошибки, допущен-
ной каким-то неизвестным нам программистом из далекой страны!  
Релейная защита энергетических объектов занимает важное место в 
иерархии этого нового «электронного» мира. Вот уже более сотни лет 
электрические сети и системы защищают от аварийных режимов электро-
механические реле защиты, отлично справляясь с возложенными на них 
обязанностями. За многие десятилетия конструкции электромеханических 
реле достигли совершенства и среди них появились настоящие шедевры, 
вроде реле дистанционной защиты типа LZ31 компании АВВ. Однако про-
гресс в развитии электромеханических реле был полностью остановлен 30-
35 лет тому назад в связи с тем, что все усилия разработчиков были на-
правлены на создание электронных, а затем и микропроцессорных уст-
ройств релейной защиты (МУРЗ). Совершенно очевидно, что при наличии 
высокопроизводительного полностью автоматического оборудования, 
производство печатных плат, из которых и состоит  МУРЗ, приносит про-
изводителям баснословные прибыли по сравнению с производством меха-
нических реле с их ручной сборкой и регулировкой. Сегодня на мировом 
рынке уже просто не существует электромеханических реле защиты, разра-
ботанных с использованием современных материалов и технологий, по-
скольку все ведущие мировые производители реле защиты полностью пере-
шли на производство исключительно МУРЗ. Однако не следует забывать, 
что МУРЗ – это очень сложные электронные устройства, основанные на 
использовании специальных программ и сложных алгоритмов, и этим уст-

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

 
5

ройствам, как и любым другим сложным электронным устройствам, при-
сущи и недостатки. Совершенно очевидно, что такие сложные устройства 
даже чисто теоретически не могут не иметь технических проблем. Тем не 
менее, сегодня почти невозможно найти в технической литературе мате-
риалы, в которых рассматривались бы проблемы и недостатки микропро-
цессорных устройств релейной защиты. В многочисленных статьях и кни-
гах обсуждаются лишь их преимущества  и те новые возможности, кото-
рые открываются с их применением. Действительно, МУРЗ открыли но-
вые, ранее не известные перспективы в области релейной защиты и сего-
дня им уже нет альтернативы. Однако появление МУРЗ с их новыми воз-
можностями сопровождается, как это обычно бывает в технике, и появле-
нием новых проблем, не известных ранее в релейной защите. Замалчива-
ние этих проблем, имеющее место сегодня, отнюдь не способствует их 
успешному преодолению и наоборот, знание и понимание проблем совре-
менных МУРЗ позволит быстрее преодолеть существующие недостатки и 
повысить их надежность. Именно это побудило автора к написанию дан-
ной книги.  
Не менее важным является и знание путей решения проблем. Поэтому 
описание технических проблем сопровождается и предложениями по их 
решению.  
Попутно автор попытался решить еще одну проблему: преодоление 
информационной пропасти между разработчиками микропроцессорной 
техники и специалистами в области релейной защиты, которые, в боль-
шинстве своем, не являются специалистами в области микропроцессорной 
техники. Незнание специалистами в области релейной защиты элементной 
базы современной электроники и особенностей конструкции и принципов 
работы МУРЗ существенно затрудняет их повседневную работу и приво-
дит к серьезным проблемам, как на стадии выбора и закупки нового обо-
рудования, так и во время его эксплуатации. Эту задачу автор попытался 
решить путем описания в первых двух главах книги основ электроники, 
элементной базы,  а также устройства и принципа действия МУРЗ. 
 
Насколько автору удалось решить поставленные задачи – судить чита-
телю. 
 
Отзывы 
на 
книгу 
просьба 
направлять 
автору 
по 
адресу: 
vladimir.gurevich@gmail.com. 
 
 
 

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

6 
 

Глава I. 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 
109 – 1020 Ом ⋅ см и полупроводники (многие природные и искусст-
венные кристаллы), занимающие огромный промежуточный диапа-
зон значений удельного сопротивления. 
 
Главной особенностью кристаллических веществ является ха-

рактерная упорядоченная упаковка их атомов в своеобразные куби-
ки — кристаллы. Каждый кристалл имеет несколько плоских сим-
метричных 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 дру-
гим кристаллам этого вещества. Кристаллы разных веществ различ-
ны. Например, кристалл поваренной соли имеет форму куба. Оди-
ночный кристалл может быть как весьма большим по своим разме-
рам, так и настолько малым, что его можно увидеть только в микро-
скоп. Вещества, не имеющие кристаллической структуры, называ-
ются аморфными. Например, стекло является аморфным, в отличие 
от кварца, который имеет кристаллическую структуру. 
 
Из числа полупроводников, имеющих практическое примене-

ние в современной электронике, следует назвать германий, крем-
ний, селен, окись меди, сульфид меди, сульфид кадмия, арсенид 
галлия, карборунд. Для изготовления полупроводниковых прибо-
ров, применяющихся в электронных реле, используются главным 
образом два первых элемента: германий и кремний. 
 
Для того чтобы понять процессы, происходящие в полупро-

водниковых приборах, необходимо рассмотреть явления, происхо-
дящие в кристаллической структуре полупроводниковых материа-
лов, которая обусловлена тем, что их атомы удерживаются в строго 
определенном взаимном положении друг относительно друга бла-
годаря слабо связанным электронам, находящимся на их внешних 
оболочках. Эти электроны вместе с такими же электронами сосед-

Глава I. Элементная база 

7 
 

них 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 обо-
лочек каждого атома, которые могут участвовать в процессе пере-
носа зарядов, прочно удерживаются валентными связями. Поэтому 
такое вещество является изолятором (диэлектриком) в полном 
смысле этого слова — оно совершенно не пропускает электрическо-
го тока. 
 
При повышении температуры благодаря тепловому движению 

некоторые валентные электроны отрываются от своих связей и мо-
гут перемещаться по кристаллической решетке. Такие электроны 
называются свободными. Валентная связь, от которой оторван 
электрон, называется дыркой. Она обладает свойствами положи-
тельного электрического заряда, в противоположность электрону, 
имеющему отрицательный электрический заряд. Чем выше темпе-
ратура, тем больше количество освобожденных электронов, спо-
собных перемещаться по кристаллической решетке, тем больше 
проводимость вещества. 
 
Перемещаясь по кристаллической решетке, свободные элек-

троны могут встретить дырки — валентные связи, в которых не 
хватает электронов,— и заполнить эти связи. Это явление носит на-
звание рекомбинации. При нормальной температуре в массе полу-
проводникового материала непрерывно появляются свободные 
электроны и происходят рекомбинации электронов и дырок. 
 
Если кусок полупроводникового материала поместить в элек-

трическое поле, например, приложив положительный и отрицатель-
ный потенциалы к его концам, то электроны будут двигаться через 
кристаллическую решетку к положительному электроду, а дырки — 
к отрицательному. Проводимость полупроводника можно значи-
тельно улучшить путем введения в него специально подобранных 
примесей, металлических или неметаллических. В кристаллической 
решетке атомы этих примесей будут замещать некоторое количест-
во атомов полупроводников. Напомним, что внешние оболочки 
атомов германия и кремния содержат по четыре валентных элек-
трона, а электроны могут быть вырваны только из внешней оболоч-
ки атома. В свою очередь, добавление электронов может происхо-

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

8 
 

дить тоже только на внешнюю оболочку, причем максимально воз-
можное число электронов на внешней оболочке равно восьми. 
 
Если атом примеси имеет большее число валентных электро-

нов, чем это требуется для образования валентных связей с сосед-
ними атомами полупроводника, то в кристаллической решетке по-
являются дополнительные свободные электроны, которые могут по 
ней перемещаться. В результате электропроводность полупровод-
ника улучшается. Такие примеси называются донорными, посколь-
ку 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 оболоч-
ке атомов находится по пять электронов. К таким донорным приме-
сям 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 яв-
ляются элементы третьей группы периодической таблицы химиче-
ских элементов, у которых внешние оболочки атомов содержат по 
три валентных электрона. К акцепторным примесям относятся бор, 
алюминий, галлий и индий.  
 
В кристаллической структуре чистого полупроводника все ва-

лентные связи соседних атомов оказываются полностью заполнен-
ными, 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 весь-
ма мала.  
 
В случае введения даже небольшого количества донорной 

примеси четыре электрона атома примеси совместно с таким же 
количеством электронов соседних атомов полупроводника образу-
ют с последними заполненные валентные связи. Пятый электрон 
каждого атома примеси оказывается «избыточным», «лишним», 
вследствие чего может свободно перемещаться по кристаллической 
решетке. 

Глава I. Элементная база 

9 
 

 
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 сво-
бодной. В результате образуется дырка. Дырки могут перемещаться 
по кристаллической решетке как положительные заряды. Правда, 
при этом происходит перемещение не самого атома примеси, кото-
рый имеет фиксированное и неизменное положение в кристалличе-
ской 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 ва-
лентной связи, оставив дырку, которая представляет собой незапол-
ненную валентную связь и проявляет себя как положительный за-
ряд, 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 вза-
имно нейтрализуются и валентная связь заполняется. Дырка в дан-
ном месте кристаллической решетки полупроводника перестает су-
ществовать. В свою очередь, новая дырка, возникшая в той валент-
ной связи, откуда вырвался электрон, может быть заполнена каким-
либо другим электроном, также оставившим после себя дырку. Та-
ким образом, перемещение электронов в кристаллической решетке 
полупроводника с акцепторной примесью и рекомбинацию их с 
дырками можно рассматривать как перемещение дырок. Для на-
глядности можно представить себе концертный зал, в котором по 
какой-то причине оказалось незаполненными несколько мест в пер-
вом ряду. И вот, зрители со второго ряда перемещаются на свобод-
ные места в первом ряду. Соответственно, их места занимают зри-
тели третьего ряда и т.д. При этом можно сказать, что свободные 
места как бы перемещаются к концу зрительного зала, хотя физиче-
ски 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 введе-
нии примеси, называются полупроводниками с электронной прово-
димостью, или сокращенно полупроводниками n типа.  
 

Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы 

10 
 

 
Полупроводники, электропроводность которых обусловливает-

ся в основном движением дырок, называются полупроводниками с 
дырочной проводимостью, или сокращенно полупроводниками р 
типа. 
 
Практически не существует полупроводников с чисто элек-

тронной или чисто дырочной проводимостью. В полупроводнике п 
типа электрический ток частично обусловливается движением ды-
рок, возникающих в его кристаллической решетке вследствие вы-
хода электронов из некоторых валентных связей, а в полупроводни-
ках р типа ток частично создается движением электронов. Вследст-
вие этого полупроводники п типа более правильно характеризовать 
как полупроводники, в которых основными носителями тока явля-
ются электроны, а полупроводники р типа — как полупроводники, 
в которых основными носителями тока являются дырки. Следова-
тельно, полупроводник относится к тому или другому типу в зави-
симости от того, какой вид носителя тока является в нем основным. 
Исходя из этого, противоположный носитель заряда для полупро-
водника данного вида является неосновным носителем. 
 
Следует иметь в виду, что любой полупроводник можно сде-

лать полупроводником п или р типа путем добавления в него соот-
ветствующих примесей. Причем для получения необходимой про-
водимости достаточно ввести чрезвычайно малое количество при-
меси, примерно один атом примеси на 10 млн. атомов полупровод-
ника. Все это налагает особые требования на чистоту очистки ис-
ходного полупроводникового материала и точность дозировки вве-
дения примеси. Следует учесть, что скорость движения носителей 
тока в полупроводнике меньше, чем в проводнике. Движение элек-
тронов 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 элек-
тронов и дырок в полупроводнике повышается с ростом температу-
ры, что приводит к улучшению проводимости полупроводника. 
 
В основе принципа действия подавляющего большинства по-

лупроводниковых приборов лежат процессы, происходящие в пере-
ходном слое, образованном в полупроводнике на границе двух зон с 
проводимостями различного типа, р и п типа. Для простоты эту гра-
ницу принято называть р-п переходом, или электронно-дырочным 

Глава I. Элементная база 

11 
 

переходом, что характеризует вид основных носителей зарядов в 
двух примыкающих друг к другу зонах полупроводника. 

                                 a)                                                           b) 
Рис. 1.1. Устройство точечного (a) и плоскостного (b) p-n переходов 
диода: 1 -  p-n-переход; 2 – проволочный вывод; 3 – p-область; 4 – 

кристалл n-типа; 5 – металлическая основа 

 
Различают два вида р-п переходов: плоскостной и точечный, 

схематическое условное изображение которых показано соответст-
венно на рис. 1.1. Плоскостный переход получается путем помеще-
ния кусочка примеси, например, индия на поверхность германия п 
типа и последующего нагревания до расплава примеси. При под-
держании определенной температуры в течение определенного 
времени происходит диффузия части атомов примеси в пластинку 
полупроводника на небольшую глубину. Создается зона с проводи-
мостью, противоположной проводимости исходного полупровод-
ника, в данном случае р типа для п германия. 
 
Точечный переход получается в результате установления 

плотного электрического контакта тонкого проводника, имеющего, 
как известно, электронную проводимость, с поверхностью полупро-
водника р типа. Именно на этом принципе действовали первые кри-
сталлические детекторы. Для уменьшения зависимости свойств 
диода от положения заостренного конца проволочки на поверхно-
сти полупроводника и чистоты его поверхности в настоящее время 
точечные переходы получаются путем вплавления конца тонкой 
металлической проволоки в поверхность полупроводника п типа. 
Вплавление осуществляется в момент подачи кратковременного 
мощного импульса электрического тока. Под действием тепла, ко-
торое образуется за этот короткий промежуток времени, часть элек-