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 (завка-
федрой доц., канд. техн. наук С. В. Федорова),;
заместитель генерального директора по инжинирингу в элек-
троэнергетике 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 транс-
форматоры на подстанции

 
Федотов, В. П.
Ф34    Проектирование микропроцессорных защит элементов электри-
ческих сетей напряжением 110–220 кВ : учебно-методическое посо-
бие / 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 микро-
процессорных защит следующих элементов электрических сетей напряже-
нием 110–220 кВ: линий электропередач, автотрансформаторов и сборных 
шин подстанций. Приводится методика расчета параметров дифференци-
ально-фазной высокочастотной защиты ЛЭП, ступенчатых дистанционных 
защит и токовых направленных защит нулевой последовательности ЛЭП 
и автотрансформаторов, дифференциальных токовых защит автотрансфор-
маторов и сборных шин, максимальных токовых защит автотрансформато-
ров. Рассматриваются примеры их расчета для указанных элементов элек-
трических 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 конеч-
ными 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 параме-
тров их срабатывания. Выбор устройств релейной защиты про-

Введение

изводится на основании правил устройств электроустановок 
и норм технологического проектирования, а конкретное ис-
полнение и расчет параметров защит выполняются в соответ-
ствии с руководящими указаниями по релейной защите и доку-
ментацией фирм, занимающихся разработкой и изготовлением 
этих устройств.
В настоящем пособии рассматриваются вопросы проекти-
рования микропроцессорных защит для различных элемен-
тов электрических сетей напряжением 110–220 кВ с исполь-
зованием 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 воз-
можны от грозовых ударов, гололеда, сильного ветра, загрязне-
ния изоляторов и т. п.
Указанные выше, а также другие причины повреждений мо-
гут вызывать короткие замыкания фаз между собой и на зем-
лю. Поэтому для быстрого отключения поврежденных линий 
они должны быть оборудованы релейной защитой, действую-
щей 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: основ-
ная быстродействующая защита с абсолютной селективностью 
и резервная защита.
В качестве основной защиты линий 110–220 кВ необходи-
мо применять один из следующих вариантов:

1. Защиты линий электропередачи напряжением 110–220 кВ

■ дифференциально-фазную защиту, работающую с ис-
пользованием 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 за-
щиты 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 ли-
нии.
Пусковые (ПО) и измерительные (ИО) органы при всех ви-
дах повреждений осуществляют пуск ВЧ-передатчика и подго-
товку действия защиты на отключение. Они реагируют:
■ на ток обратной последовательности;
■ ток нулевой последовательности;
■ приращения векторов тока обратной и прямой последо-
вательности;
■ разность фазных токов;
■ уменьшение сопротивления.
Орган манипуляции (ОМ) ВЧ-передатчиком обеспечива-
ет работу последнего с интервалами, приблизительно равны-
ми 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 ин-
тервалу между ними.
Приемопередатчик ВЧ-защиты выполняет следующие функции:
■ передачу и прием высокочастотных сигналов;
■ измерение длительности пауз в выходных токах приемни-
ка и передатчика при пуске передатчиков с обоих концов 
линии, причем приемник ВЧ-поста принимает сигналы 
как передатчика противоположного конца ВЛ, так и сво-
его ВЧ-передатчика;
■ периодический контроль исправности канала связи и на-
личия запаса по затуханию ВЧ-канала.
Предусмотрена возможность действия устройства автома-
тической 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 находит-
ся повреждение: на защищаемой линии или вне ее. Определе-
ние осуществляется по сдвигу ВЧ-пакетов импульсов, посыла-
емых 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 век-
торами 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, опреде-
ляемой углом блокировки, происходит действие защиты на от-
ключение выключателя.
В нормальном режиме работы линии электропередачи все 
ПО и ИО обоих полукомплектов защит, установленных по кон-
цам линии, находятся в несработанном состоянии, т. к. их устав-
ки 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;