Электроснабжение металлургических предприятий : релейная защита силового электрооборудования

Москва 2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ  
И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
 
Кафедра электротехники  
и информационно-измерительных систем

А.Б. Ваттана 
Л.А. Шапошникова

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ  
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА СИЛОВОГО  
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3260

УДК 658.26(075.8) 
 
В21

Р е ц е н з е н т 
д-р физ.-мат. наук, проф. Ф.И. Маняхин

Ваттана А.Б.
В21  
Электроснабжение металлургических предприятий : релейная защита силового электрооборудования : учеб. пособие / А.Б. Ваттана, Л.А. Шапошникова. – М. : Изд. Дом НИТУ  
«МИСиС», 2019. – 64 с.
ISBN 978-5-906953-87-2

В учебном пособии приведены основные теоретические положения по 
устройствам релейной защиты силового электрооборудования, рассмотрены 
принципы действия наиболее распространенных реле и токовых защит на их 
основе. Даны методические рекомендации к практическим заданиям с использованием лабораторных стендов «Релейная защита» и программного обеспечения LabDrive, вопросы для самопроверки. 
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлению подготовки 09.03.03 «Прикладная информатика», изучающих дисциплину «Электроснабжение металлургических предприятий».

УДК 658.26(075.8)

 А.Б. Ваттана, 
Л.А. Шапошникова, 2019
ISBN 978-5-906953-87-2
 НИТУ «МИСиС», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................4
1. Реле тока. Токовая отсечка линии электропередач ............................5
1.1. Общие сведения об устройстве и принцип действия реле тока ...5
1.2. Токовые отсечки в сетях электроснабжения .................................. 9
1.3. Испытание реле тока....................................................................... 14
1.4. Исследование токовой отсечки линии электропередач  ............. 17
Контрольные вопросы ........................................................................... 20
2. Испытание реле напряжения. Максимальная токовая защита  
линии электропередачи с пуском по напряжению ...............................21
2.1. Общие сведения и принцип действия реле напряжения ............ 21
2.2. Максимальная токовая защита  
с пуском по напряжению ....................................................................... 23
2.3. Испытание реле напряжения ......................................................... 27
2.4. Максимальная токовая защита линии электропередачи  
с пуском по напряжению ....................................................................... 30
Контрольные вопросы ........................................................................... 34
3. Испытание реле времени. Максимальная токовая защита  
линии электропередачи с независимой выдержкой времени .............36
3.1. Общие сведения о конструкции и принцип действия реле тока ..36
3.2. Максимальная токовая защита ...................................................... 39
3.3. Испытание реле времени ............................................................... 42
3.4. Изучение максимальной токовой защиты с независимой 
выдержкой времени  .............................................................................. 44
Контрольные вопросы ........................................................................... 49
4. Испытание реле тока с ограниченно-зависимой выдержкой 
времени. Максимальная токовая защита линии электропередачи 
с ограниченно-зависимой выдержкой времени ...................................50
4.1. Общие сведения и принцип работы индукционного реле 
максимального тока с зависимой и независимой выдержкой  
времени .................................................................................................... 50
4.2. Максимальная токовая защита с ограниченно-зависимой 
выдержкой времени ............................................................................... 52
4.3. Изучение работы реле тока типа РТ-80 ........................................ 54
4.4. Максимальная токовая защита с ограниченно-зависимой 
выдержкой времени ............................................................................... 58
Контрольные вопросы ........................................................................... 62
Библиографический список ...................................................................63

ВВЕДЕНИЕ

В трехфазных электрических сетях электроснабжения возможны 
повреждения электрооборудования, которые могут быть связаны с нарушением изоляции, разрывом проводов и кабелей линий электропередачи, ошибками персонала при переключениях. Такие повреждения 
приводят к короткому замыканию фаз между собой или на «землю». 
При коротком замыкании в замкнутом контуре появляется большой 
ток, увеличивается падение напряжения на элементах оборудования, 
что приводит к общему понижению напряжения во всех точках сети и 
нарушению работы потребителей. В результате аварий или после аварийных отключений оборудования, при последующих перегрузках и 
отклонениях напряжения от номинальных значений в сетях возникают сложные режимы работы создающие предпосылки для различного 
рода повреждений и расстройств в работе электросетей.
Для обеспечения нормальных условий работы электрических сетей и предупреждения развития аварий необходимо отделить поврежденное оборудование от источника электроэнергии. Для выполнения 
таких функций предназначены устройства релейной защиты и автоматики.

1. РЕЛЕ ТОКА. ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА ЛИНИИ 
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

1.1. Общие сведения об устройстве и принцип 
действия реле тока

Реле тока используется в качестве пусковых органов защит электрооборудования, таких как токовая отсечка, максимальная токовая 
защита с независимой выдержкой времени, токовая направленная защита, защиты от перегрузки оборудования, защиты от однофазных 
коротких замыканий и др.
Основными характеристиками реле тока являются:
 – ток срабатывания реле Icр (уставка по току), задается с помощью набора дискретных переключателей на лицевой панели реле 
и определяет ток в обмотке реле, при которой происходит замыкание 
выходных контактом реле;
 – ток возврата реле Iвоз, зависит от заданной на лицевой панели 
реле уставки по току и отличается от него приблизительно на 5 % для 
полупроводниковых или 15 % для электромагнитных реле в большую 
или меньшую сторону, Различают реле тока максимального и минимального типа. Для реле тока максимального типа ток срабатывания 
всегда больше тока возврата (для реле минимального типа наоборот). 
Это обеспечивает устойчивую работу реле при срабатывании реле 
тока в случае, когда по обмотке реле протекает ток, равный току срабатывания;
 – коэффициент возврата Kвоз, вычисляется как отношение тока 
возврата реле к току срабатывания реле, и определяет зону нечувствительности реле, обеспечивающую гарантированное отсутствие 
дребезга выходных контактом реле.
Рассмотрим более подробно механизм реле на примере распространенной серии реле РСТ. Реле серий РСТ 11, РСТ 12, РСТ 13, 
РСТ 14 (рис. 1.1) предназначены для применения в схемах релейной защиты и автоматики энергетических систем в качестве органа, 
реагирующего на повышение тока, и используются в комплектных 
устройствах, от которых требуется повышенная устойчивость к механическим воздействиям. Реле не механическое, собрано на микроэлектронных компонентах. Все элементы схемы реле, за исключением 
балластных резисторов, смонтированы в общем корпусе, состоящем 
из основания и съемного прозрачного корпуса. Балластные резисторы 

установлены на основании реле с наружной стороны. Переключатели 
уставок, выходящие регулируемой частью на наружную сторону лицевой таблички, установлены на плате с печатным монтажом.

Рис. 1.1. Внешний вид статического реле тока РСТ 11

Принципиальная схема реле приведена нa рис. 1.2. Буквой «Е» 
обозначен контур, ограничивающий элементы схемы, расположенные 
на печатной плате.
Реле состоит из следующих частей: воспринимающей (промежуточный трансформатор ТА1), преобразующей (выпрямительный мост 
VD10–VD13, выход которого подключен к резистору R1), сравнивающей (пороговый элемент на операционном усилителе, интегрирующая RC-цепь и триггер Шмидта) и исполнительной (промежуточное 
реле К1, включенное в цепь коллектора транзистора VT1).
Положение переключателей уставок SB1–SB5 на схемах соответствует минимальной уставке по току срабатывания реле. Числа над 
переключателями соответствуют числам на шкале уставок реле.
Пороговый элемент реле выполнен на компараторе DA1. Порог 
компаратора определяется напряжением на цепи резисторов R6, R9–
R13, которое практически пропорционально сопротивлению этой 
цепи, так как ток и ней задается резисторами R3–R5, имеющими 
большое сопротивление. Переменный резистор R3 служит для точной 
подстройки уставки. Диод VDI предназначен для защиты компаратора DA1 при больших токах на входе реле.

При отсутствии тока на входе напряжение на выходе компаратора DA1 имеет максимальное положительное значение и составляет +15 В. Этим напряжением заряжен конденсатор С2. При наличии 
входного тока в моменты времени, когда мгновенное значение переменного сигнала на инвертирующем входе 2 компаратора DA1 превышает напряжение порога, на выходе компаратора появляется максимальное отрицательное напряжение –15 В, конденсатор С2 быстро 
перезаряжается через параллельно включенные резисторы R7, R8 и 
диод VD2. В промежутки времени, когда мгновенное значение сигнала ниже порога, на выходе компаратора DA1 вновь появляется положительное напряжение, диод VD2 запирается, и конденсатор С2 медленно заряжается по цепи резистора R7, так как сопротивление R7 
выбрано в 3 раза большим сопротивления резистора R8.

Рис. 1.2. Принципиальная схема реле тока РСТ 11

При увеличении амплитуды входного тока время заряда конденсатора G2 отрицательным напряжением увеличивается, а время зарядки положительным напряжением уменьшается, поэтому амплитуда 
отрицательного напряжения на С2 увеличивается, а положительного – уменьшается. При токе срабатывания реле амплитуда сигнала 
на конденсаторе С2 достигает отрицательного порога срабатывания 
триггера Шмидта, выполненного на компараторе DA2, который переключается, напряжение на его выходе становится положительным. 

По цепи резистора R17 открывается до насыщения транзистор VT1 и 
срабатывает выходное реле К1.
Одновременно становится положительным напряжение порога 
триггера, определяемое напряжением на резисторе R15. Амплитуда положительного напряжения на С2 ниже вновь установившегося 
порога, поэтому триггер DA2 и выходное реле К1 остаются в устойчивом положении после срабатывания. Возврат реле происходит 
при уменьшении амплитуды входного сигнала, что приводит к повышению положительного напряжения на конденсаторе С2 выше 
вновь установившегося порога триггера DA2 и переключению этого  
триггера.
Для обеспечения высокого коэффициента возврата реле, а также 
для уменьшения времени его срабатывания и возврата, параллельно 
инвертирующему входу триггера включен стабилитрон VD3, уровень 
стабилизации которого несколько превышает порог триггера. Этот 
уровень выбран так, чтобы перезаряд конденсатора С2 интегрирующей RC-цепи по времени происходил на относительном изломе, практически линейном участке экспоненты, что стабилизирует временные 
характеристики реле.
Резистор R17 ограничивает ток, а резистор R18 – напряжение цепи 
база-эмиттер транзистора VT1. Диод VD6 защищает этот транзистор 
от перенапряжений в цепи эмиттер-коллектор при коммутации электромагнитного реле К1, а диод VD7 служит для обеспечения режима 
отсечки транзистора VT1 в режиме до срабатывания реле. Конденсаторы С1 и С4 предназначены для защиты реле от импульсных помех, 
а конденсатор СЗ – для предотвращения кратковременного срабатывания выходного реле при включении оперативного напряжения.
Оперативное напряжение переменного тока подается на схему 
реле РСТ 11, РСТ 12 через выпрямительный мост V2 и балластный 
резистор R21. Конденсатор С8 предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения.
Напряжение ±15 В для питания компараторов DA1 и DA2 снимается со стабилитронов VD4 и VD5 и дополнительно сглаживается 
конденсаторами С5, С6, которые одновременно служат для защиты 
схемы peлe от импульсных помех. Резисторы R19, R20 являются балластными при стабилизации и сглаживании напряжения. Реле серий 
РСТ 13, РСТ 14 работают на постоянном напряжении оперативного 
тока. Диод VD8 в схеме предназначен для защиты реле от ошибочного включения напряжения обратной полярности.

Регулирование уставок реле производится дискретно ступенями 
по 0,1 минимальной уставки. Значение тока срабатывания на соответствующей уставке определяется по выражению

Iср = Imin(1 + N),

где Imin – минимальная уставка по току диапазона уставок; N – сумма чисел на шкале уставок (0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6), около которых 
шлицы переключателей уставок SB1–SB3 установлены горизонтально. При этом контакты соответствующих переключателей разомкнуты, а резисторы R9–R13 введены в работу, что приводит к 
повышению порога срабатывания компаратора DA1. При необходимости ток срабатывания реле может быть подкорректирован с 
помощью переменного резистора R3, расположенного на лицевой 
стороне платы реле.

1.2. Токовые отсечки в сетях электроснабжения

Токовая отсечка линии электропередачи – это одна из самых 
распространенных и простых защит. Принцип действия защиты 
(рис. 1.3) основан на сравнении токов фаз с током срабатывания защиты: при превышении тока в любой из фаз тока уставки, защита подает 
сигнал на отключение выключателя защищаемой линии мгновенно 
(токовая отсечка без выдержки времени) или с выдержкой времени 
(0,3...0,6 с). При этом селективность действия защиты достигается 
ограничением зоны ее работы на участке около 80 % от длины защищаемой линии. Регулировка зоны работы осуществляется отстройкой 
пусковых органов защиты от максимально возможного тока короткого замыкания на шинах противоположной подстанции, получающей 
питание по защищаемой линии. Токовые отсечки применяются в радиальных сетях с односторонним питанием, и в сети, имеющей двухстороннее питание. В сети с глухозаземленной нейтралью применяют 
трехфазные схемы, защищающие от коротких замыканий всех видов. 
Для защиты от междуфазных коротких замыканий используется двухфазная схема «неполная звезда». В сети с изолированной нейтралью 
или заземленной через большое сопротивление применяются двухфазные схемы. Основными достоинствами токовой отсечки являются 
ее простота и высокое быстродействие. Основной недостаток – зона 
действия отсечки охватывает лишь часть защищаемой линии, что требует применения совместно с токовой отсечкой (ТО) других видов за

щит, например максимальной токовой защиты (МТЗ) с независимой 
выдержкой времени.
В отличие от максимальных токовых защит ТО действуют строго 
в пределах защищаемого участка, тогда как МТЗ резервирует последующие участки. ТО не должна срабатывать при повреждениях на соседних участках, где действуют защиты с таким же или с большим на 
ступень селективности временем срабатывания.

Рис. 1.3. Принцип действия токовой отсечки

Для этого Iсз должен быть больше максимально возможного тока 
короткого замыкания (КЗ) Iк(M) в конце защищаемого участка, за пределами которого защита работать не должна. Такой способ обеспечения селективной работы ТО основан на определении величины тока 
КЗ, который прямо пропорционален ЭДС системы, и обратно пропорционален сопротивлению участка линии до точки КЗ:

IКЗ = Eс / (Xc + XL),

где Ес – эквивалентная электродвижущая сила генераторов системы; 
Хс и XL – сопротивление системы и индуктивное сопротивление 
участка линии до места повреждения (активное сопротивление 
проводов в расчетах не участвует ввиду пренебрежительно малого значения).

Таким образом, чем дальше находится точка повреждения от шин 
подстанции, где установлена ТО, тем сопротивление больше, а ток КЗ 
меньше. Зачастую ТО работает не на всей длине линии, а лишь на ее 

участке, как это показано на рис. 1.3. При повреждении в точке М защита не работает, так как не соблюдается условие Iсз > Iк(M).
Отсечки применяются для защиты тупиковых и транзитных линий. Трансформаторы тока, питающие цепи ТО, должны работать с 
погрешностью не более 10 % для обеспечения заданной зоны срабатывания защиты.
Как уже было сказано выше, ТО не должна срабатывать при повреждениях на шинах подстанции В. Для этого должно быть соблюдено условие

 
Iсз ˃ kнIк(M),

где kн – коэффициент надежности. Учитывает погрешность при расчетах аварийных режимов и погрешность срабатывания токового 
реле. Для реле типа РТ принимается равным 1,2–1,3, для РТ-80 и 
РТ-90 с повышенной погрешностью принимают с запасом 1,5.

Схемы ТО без промежуточных реле имеют время срабатывания 
порядка времени одного периода (0,02 с), это значит, что при расчетах 
следует учитывать значение тока апериодической составляющей. Для 
этого Ik(M) умножают на коэффициент ka, равный 1,6–1,8.
В схемах с промежуточным реле время срабатывания защиты увеличивается до 0,06…0,08 с, и апериодическую составляющую можно 
уже не учитывать.

1

2

Рис. 1.4. Графический метод определения зоны действия ТО