Релейная защита электроэнергетических систем

А. В. Куксин 

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА  
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

Учебное пособие

УДК 621.316.925.1 
ББК 31.27-05 
К89 

Р е ц е н з е н т ы: 
руководитель научно-образовательного центра  
проблем энергетики и электротехники НИИ  
Липецкого государственного технического университета 
кандидат технических наук Е. П. Зацепин; 

начальник службы релейной защиты, автоматики, измерения, 

метрологии филиала ПАО «МРСК Центр» 

«Воронежэнерго» А. Ю. Агапов 

Куксин, А. В. 

К89 
Релейная защита электроэнергетических систем : 

учебное пособие / А. В. Куксин. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2021. – 200 с. : ил., табл. 

ISBN 978-5-9729-0525-6 

Рассмотрены назначение релейной защиты, её основные 
элементы и источники оперативного тока. Дана классификация 
токовых защит ЛЭП и специальных типов релейных защит. 
Особое внимание уделено релейной защите элементов станций, подстанций и отдельных потребителей, а также автоматике и телемеханике в релейной защите. 
Для студентов электроэнергетических направлений подготовки, а также специалистов в области электроэнергетики и 
электротехники. 

УДК 621.316.925.1 
            ББК 31.27-05 

ISBN 978-5-9729-0525-6  Куксин А. В., 2021 
 Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 

Содержание 
 
Введение ................................................................................. 
4 

1. Общие вопросы  
релейной защиты и автоматизации .................................  
5 

     1.1. Назначение релейной защиты ................................... 
5 

     1.2. Основные элементы релейной защиты  
            и источники оперативного тока ................................ 
12 

2. Токовые защиты ЛЭП .................................................... 
29 

     2.1. Максимальная токовая защита ................................. 
29 

     2.2. Токовая отсечка .......................................................... 
39 

     2.3. Токовые направленные защиты ................................ 
44 

     2.4. Защиты от замыкания на землю ............................... 
51 

     2.5. Дифференциальные токовые защиты ...................... 
64 

     2.6. Микропроцессорное устройство  
защиты Сириус-2-МЛ ............................................................ 
77 

3. Специальные типы релейных защит ........................... 
84 

    3.1. Дистанционная защита ............................................... 
84 

    3.2. Высокочастотные защиты .......................................... 
93 

    3.3. Защита блоков генератор-трансформатор ................ 
99 

    3.4. Микропроцессорное устройство дистанционной 
           защиты для линий 35 кВ ............................................. 103 
4. Релейная защита элементов станций, подстанций  
    и отдельных потребителей ............................................. 
111 

    4.1. Защита синхронных генераторов .............................. 
111 

    4.2. Защита трансформаторов ........................................... 123 
    4.3. Защита потребителей  
и отдельных электроустановок ............................................. 137 
5. Автоматика и телемеханика в релейной защите ....... 154 
    5.1. Автоматика ЛЭП ......................................................... 154 
    5.2. Автоматика генераторов, трансформаторов,   
           электродвигателей ...................................................... 
173 

    5.3. Телемеханизация и автоматизированная система  
            управления (АСУ) электроснабжением ................... 184 
Заключение ........................................................................... 
193 

Библиографический список ............................................... 194 

Введение 
 
Релейная защита является основным видом электрической автоматики, обеспечивающей надежную и экономичную 
работу потребителей электрической энергии.  
В настоящее время промышленностью освоен выпуск 
различных типов быстродействующих защит: направленные и 
ненаправленные токовые отсечки, отсечки по напряжению с 
токовой блокировкой, дистанционные защиты, продольные 
дифференциальные защиты, дифференциально-фазные высокочастотные защиты, дистанционные и направленные защиты 
с высокочастотной блокировкой. Объем и типы релейных защит отдельных элементов системы электроснабжения и потребителей электрической энергии должны соответствовать требованиям «Правил устройства электроустановок». 
Глобальной целью изучения дисциплины «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» является привить способность принимать участие в проектировании 
объектов релейной защиты и автоматизации в соответствии с 
техническим заданием и нормативно-технической документацией. Но изучение сложных типов защит и автоматизированных систем, выполненных на основе цифровой техники невозможно, не зная при этом принципы построения и функционирования элементарных устройств. 

Материалы, изложенные в пособии, позволят твердо и 

четко ориентироваться в существующих видах и типах релейных защит, а также станут хорошей базой для изучения модернизируемых и новых типов устройств релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем. 
 
 
 
 

1. Общие вопросы релейной защиты  
и автоматизации 
 
Работа электроэнергетических систем сопровождается 
повреждениями и аварийными режимами. Для защиты элементов электроэнергетических систем от опасных последствий 
повреждений и аварийных режимов необходимы автоматические устройства – реле. Совокупная работа этих устройств в 
энергосистеме называется релейной защитой. Для обеспечения 
адекватной реакции устройств релейной защиты на все повреждения и аварийные режимы, возникающие в сложной энергосистеме, к релейной защите предъявляется ряд специальных 
требований. Исходя из этих требований, следует состав и порядок функционирования основных элементов релейной защиты. 
 
1.1. Назначение релейной защиты 
 
В энергетических системах могут возникать повреждения 
и аварийные режимы работы электрооборудования электростанций и подстанций, распределительных устройств, ЛЭП и 
электроустановок потребителей электрической энергии.  
Повреждения в большинстве случаев сопровождаются 
значительным увеличением тока и глубоким понижением 
напряжения в элементах энергосистемы. Повышенный ток выделяет большое количество тепла, вызывающее разрушения в 
месте повреждения и опасный нагрев неповрежденных ЛЭП и 
оборудования. Понижение напряжения нарушает нормальную 
работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы генераторов и энергосистемы в целом.  
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). При КЗ в сетях с глухо заземлённой нейтралью возрастает ток и происходит снижение напряжения в сети это приводит 
к ряду опасных последствий:  
• ток КЗ в месте повреждения производит большие разрушения (вследствие теплового воздействия), а, проходя по 
неповрежденным участкам ЛЭП и оборудования, вызывает их 
нагрев выше допустимого значения;  
• понижение напряжения, приводит к уменьшению момента вращения электродвигателей (а в ряде случаев и их 
остановку), также нарушается нормальная работа осветительных установок; 
• снижение напряжения сопровождается нарушением 
устойчивости параллельной работы генераторов. 

 
Замыкания на землю одной фазы в сети с изолированной 
нейтралью не приводит 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 возможно нарушение изоляции относительно земли 
двух неповрежденных фаз и перехода однофазного замыкания 
на землю в междуфазное КЗ. 
Аварийные режимы обычно приводят к отклонению величин напряжения, тока и частоты от допустимых значений. 
При понижении частоты и напряжения, создается опасность 
нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости 
энергосистемы, а повышение напряжения и тока угрожает повреждению оборудования и ЛЭП. 
Аварийные режимы сопровождаются следующими процессами. 
• Протеканием сверхтоков, вызванных перегрузкой оборудования или внешнем КЗ, при этом по неповрежденному 
оборудованию протекают токи превышающие номинальное 
значение, допустимое время прохождения повышенных токов, 
зависит от их величины, в том случае если время прохождения 

сверхтоков превышает допустимое это приводит к старению 
изоляции и выходу оборудования из строя. 
• Повышением напряжения сверх допустимого значения, 
что связано с внезапной разгрузкой синхронных генераторов, 
вследствие аварийного отключения части потребителей. Это 
приводит к увеличению числа оборотов синхронных генераторов и как следствие повышению напряжения на выводах генератора, такие перенапряжения особенно опасны для изоляции 
обмотки статора синхронного генератора. Защита в таких случаях должна снизит ток возбуждения генератора или отключить его. 
• Качанием в системах, которые возникают при выходе из 
синхронизма параллельно работающих синхронных генераторов, при этом происходит периодическое изменение тока и 
напряжения; ток во всех элементах сети колеблется от нуля до 
максимального значения (в несколько раз превышающих номинальный); напряжение изменяется от номинального до некоторого минимального значения. При этом защита должна 
действовать не на отключение, а на деление системы в определенных точках. 

 
В результате повреждения нарушают работу энергосистемы и потребителей электроэнергии, а аварийные режимы создают возможность возникновения повреждений 
или расстройства работы энергосистемы. 
Для обеспечения нормальной работы энергетической системы и потребителей электроэнергии необходимо как можно 
быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной сети, восстанавливая, таким образом, нормальные 
условия их работы и прекращая разрушения в месте повреждения. 
Для предотвращения опасных последствий аварийных 
режимов, необходимо своевременно обнаружить отклонение 
от нормального режима и принять меры к его устранению 
(например, понизить напряжения при его возрастании или 
снизить ток при его увеличении и т. д.). В связи с этим возни

кает необходимость в создании и применении автоматических 
устройств, выполняющих указанные операции и защищающие 
систему и ее элементы от опасных последствий повреждений и 
аварийных режимов. В качестве таких автоматических 
устройств используют защитные устройства, выполняемые 
при помощи специальных автоматов-реле. Совокупность таких 
автоматических устройств, работающих в энергосистеме, называется релейной защитой. Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа современных энергетических систем. 
Основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения короткого замыкания и быстрое 
автоматическое отключение поврежденного элемента сети – это 
защита, действующая на отключение. 
При возникновении нарушения нормальных режимов работы (перегрузка, замыкание на землю одной фазы в сети с 
изолированной нейтралью, понижение уровня масла в трансформаторе и др.), когда эти явления не представляют непосредственной опасности для электрооборудования, достаточно 
дать предупредительный сигнал оперативному персоналу – это 
защита, действующая на сигнал. 
Таким образом, исходя из назначения и функций, выполняемых релейной защитой, следует, что аппараты релейной 
защиты монтируются в «цепях вторичной коммутации», т.е. в 
слаботочных электрических цепях, предназначенных для 
управления и контроля режимов работы силовых цепей и систем электроснабжения. 
Все релейные защиты классифицируются следующим 
образом: 
• В зависимости от вида повреждения. Защиты, реагирующие на симметричные трехфазные КЗ; реагирующие на 
симметричные двухфазные КЗ (т. е. на токи КЗ обратной последовательности); реагирующие на токи однофазного КЗ (т. е. 

на токи КЗ нулевой последовательности); реагирующие на емкостные токи замыкания одной фазы на землю. 
• В зависимости от вида ненормального режима. Защиты от перегрузок; от понижения напряжения; от повышения 
напряжения. 
• В зависимости от вида защищаемого оборудования. 
Защиты воздушных ЛЭП; кабельных ЛЭП; шин; силовых 
трансформаторов; синхронных компенсаторов; электродвигателей. 
• В зависимости от принципа действия. Токовые защиты 
(токовые отсечки, максимальные токовые защиты); защиты 
напряжения; направленные токовые защиты (МТЗ или отсечки); дифференциальные (продольные и поперечные); высокочастотные защиты; дистанционные защиты. 

 
Рассмотрим основные требования, предъявляемые к релейной защите. 
Селективность защиты. Под селективностью понимается свойство релейной защиты, действующее на отключение, 
избирать поврежденный участок и отключать только его. Для 
релейной защиты, действующей на сигнал, под селективностью, понимается способность однозначно указывать место 
возникновения ненормального режима и конкретно элемент 
энергосистемы. Если по принципу своего действия защита 
срабатывает только при КЗ на защищаемом элементе, то ее относят к защитам, обладающим абсолютной селективностью.  
 
 

 
 
 
Рис. 1.1. Зона действия защиты 

Наряду с действием при повреждении защищаемого 
элемента, необходимо чтобы защита данного элемента действовала как резервная при повреждении на смежном элементе, если это повреждение не отключается. Так при КЗ в точке 
К, должна действовать защита поврежденной линии, однако, 
если повреждение не будет отключено (неисправность защиты или выключателя), то должна действовать защита ввода. 
То есть, защита обладает относительной селективностью 
(рис. 1.1). 
Чувствительность защиты. Под чувствительностью 
защиты, понимается ее способность реагировать на возможные повреждения в минимальных режимах системы электроснабжения, т. е. когда изменение величины, на которую реагирует защита, будет минимальным. Обычно стремятся сделать защиту возможно более чувствительной, сохраняя, однако, ее селективность, что является ограничением предела 
чувствительности защиты. С ростом нагрузок и длины ЛЭП, 
значения токов и напряжений при КЗ, приближаются к их 
значениям в нормальных режимах, поэтому чувствительность 
защиты должна быть такой, чтобы она действовала при КЗ в 
конце установленной для нее зоны в минимальном режиме 
системы и при замыканиях через электрическую дугу.  
Чувствительность защиты характеризуют коэффициентом чувствительности (Кч), который определяется следующим выражением 
 
ч
к.з.мин
с.з
К
I
/ I
,
=
 
(1.1) 

где   
мин
.з.кI
 – минимальный ток КЗ; 

з.сI
 – номинальный ток, при котором защита начинает  
работать (ток срабатывания защиты). 
 
Быстродействие защиты. Быстродействие необходимо 
по следующим соображениям:  
а) при КЗ генераторы станции могут выйти из синхронизма;  

б) КЗ приводит к понижению напряжения, что в свою 
очередь повлечет торможение, а в ряде случаев и остановку 
электродвигателей потребителей;  
в) быстрое отключение КЗ уменьшает размеры разрушения изоляции и токоведущих частей; 
г) ускоренное отключение повреждений повышает эффективность АПВ и АВР, так как чем меньше разрушение в 
месте КЗ, тем выше вероятность успешного действия автоматики. Время отключения складывается из времени действия 
защиты и времени срабатывания выключателя. Защиты с временами срабатывания не более 0,1–0,2 с – считается быстродействующими. Время отключения распространенных выключателей 0,06–0,15 с. 
 
Надежность защиты. Под надежностью понимается 
свойство устройств релейной защиты выполнять заданные 
функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени, 
т. е. защита должна безотказно работать при КЗ в пределах 
установленной для нее зоны и не должна работать неправильно в режимах, при которых ее работа не предусматривается. 
Надежность релейной защиты и автоматики тем выше, чем 
меньше число элементов они содержат, особенно важно 
уменьшение числа ненадежных элементов, которыми являются 
элементы реле. Таким образом, повышение надежности может 
быть достигнуто применением бесконтактных элементов. 
К защитам от ненормальных режимов работы предъявляются аналогичные требования, как и к защитам от КЗ (повреждений), за исключением быстродействия, т. к. ненормальные режимы часто носят кратковременный характер и ликвидируются сами (например, перегрузка при пуске асинхронных 
двигателей). Поэтому такие типы защит выполняются с выдержкой времени или с действием только на сигнал. 
В современных электрических системах релейная защита 
тесно связана с электрической автоматикой, предназначенной 
для быстрого автоматического восстановления нормального