Релейная защита и автоматика (РЗА) является главным элементом безопасности любой энергосистемы. Сбои в работе питания, возникновение коротких замыканий, неселективная работа защит могут остановить не только работу предприятия, но и целых городов и даже стран, как было в истории с блэкаутом в Испании в 2025 году [1]. Поэтому, чтобы избежать таких случаев, от РЗА требуются максимального быстродействия, точности и надежности.

Модели REPEAT VISION позволяют подробно изучить структурные схемы и принципы действия защит, а также проводить эксперименты, моделирование аварийных случаев и подключение к терминалам защит. Ранее мы писали о моделировании электроприводов в REPEAT VISION [2]. Давайте разберем, как моделирование систем РЗА применяют для тестирования и предупреждения аварийных ситуаций на примере высокочастотной дифференциально-фазной защиты (ДФЗ) линий электропередач.

Общими словами, РЗА - это комплекс автоматических устройств, который следит за параметрами сети. При возникновении аварии он быстро обнаруживает место возникновения и локализует его для сохранения стабильной работы остальной системы. Рассмотрим подробнее, что такое высокочастотная дифференциально-фазная защита, а конкретно ДФЗ-201.

Описание принципа работы высокочастотной дифференциально-фазной защиты.

Высокочастотные защиты линий являются основными быстродействующими защитами и они предназначены для линий средней и большой протяженности напряжением 110 кВт и выше в тех случаях, когда по условиям сохранения устойчивости требуется быстрое двустороннее отключение короткого замыкания, возникшего в любой точке линии. Этим условиям удовлетворяют также и продольные дифференциальные защиты линий, но они непригодны для применения на протяженных длинных линиях из-за высокой стоимости ВОЛС, то есть оптоволокна. А вот высокочастотные защиты по сравнению с ДЗЛ они более просты и экономичны [3].

Защита состоит из двух одинаковых панелей, расположенных по концам защищаемой ВЛ. Особенность ДФЗ состоит в том, что связь между полукомплектами осуществляется токами высокой частоты по высокочастотному каналу, организованному непосредственно по проводам защищаемой линии. Высокочастотная дифференциально-фазная защита не реагирует на внешние короткие замыкания, не имеет выдержки времени, то есть это быстродействующая защита с абсолютной селективностью [3].

Принцип действия ДФЗ основан на сравнении фаз токов промышленной частоты по концам защищаемой линии при помощи высокочастотного канала. Для трёхфазной защиты используется только один высокочастотный канал, организованный только по одному из трех проводов линии [3].

ДФЗ выполнена из двух одинаковых полукомплектов, состоящих из релейной и ВЧ части, расположенных на одной панели. В ДФЗ предусматриваются комбинированные фильтры, которые преобразуют трехфазную систему токов в однофазную. И применение этих фильтров позволяет не сравнивать между собой фазы всех трех линейных токов, то есть значительно упрощает выполнение защиты. В защите используются два фильтра. Это фильтр обратной последовательности в пусковом органе и комбинированный фильтр прямой и обратной последовательности в органе манипуляции [3].

Релейная часть полукомплекта ДФЗ состоит из:

1. Пускового органа, предназначенного для запуска ВЧ приемопередатчика;

2. Органа манипуляции, предназначенного для управления приемопередатчиком;

3. Отключающего органа, предназначенного для подготовки цепей отключения;

4. Органа сравнения фаз, предназначенного для сравнения сдвига по фазе между высокочастотными импульсами передатчиков по концам линии. Т.е. от противоположного приемопередатчика и от своего в приемник поступают ВЧ импульсы и далее направляются в орган сравнения фаз;

5. Выходного реле, предназначенного для отключения выключателя и пуска УРОВ.

Для передачи токов высокой частоты производится ВЧ обработка одной из фаз линии, по которой текут токи промышленной частоты 50 Гц. Для того, чтобы разделить токи промышленной частоты и ВЧ сигналы, генерируемые ВЧ передатчиками производится ВЧ обработка фазы линии. Высокочастотная часть полукомплекта состоит из:

1. Приемопередатчика, работающего на частоте от 16 до 1000 кГц;

2. ВЧ кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом( РК 75);

3. Фильтра присоединения служащего для согласования сопротивления ВЛ( для ВЛ 110 кВ 400 Ом и сопротивления ВЧ приема 75 Ом);

4. Конденсатора связи, запирающего токи промышленной частоты и свободно пропускающего токи высокой частоты;

5. Высокочастотного заградителя, который свободно пропускает токи промышленной частоты и запирает токи высокой частоты.

Разработка модели на REPEAT VISION

Вся модель реализована на алгоритме Доммеля, который позволяет свести элементы электрической цепи к обычным резистивным схемам замещения, тем самым обеспечивая быстродействие расчетов.
Для индуктивности:

где:

Для ёмкости:

где:

Для резистора:

Тогда уравнение для расчета токов на текущем шаге равно:

где:

• R - матрица эквивалентных сопротивлений;

• I(t) - вектор искомых токов;

• U(t) - вектор внешних напряжений;

• Ehist(t - ∆t) - вектор исторических ЭДС на предыдущем шаге.

В нашей платформе мы модифицировали алгоритм решения с использованием неявных методов численного интегрирования, тем самым обеспечив сходимость, точность и быстродействие.

В модели реализованы две ВЛ-110 кВ, с двумя источниками напряжения 110 кВ. На стороне подстанции А и подстанции В есть трансформаторы тока и напряжения, необходимые для работы защит. Задаются параметры линии, такие как: длина линии, погонное сопротивление (активное, индуктивное, емкостное).

Численные эксперименты и результаты моделирования

В рамках исследования работы ДФЗ проведено два эксперимента: с внешним коротким замыканием (то есть вне зоны защиты) и с внутренним коротким замыканием (в зоне защиты).

Внешнее короткое замыкание, вне зоны защиты

На рисунках ниже изображены осциллограммы токов при введенном коротком замыкании. Итак, если за положительное принять направление токов от шин в линию, то мы видим, что ток на п/ст А направлен от шин в линию и ток на п/ст В направлен от линии к шинам. Ну и благодаря соответствующему включению полярности трансформаторов тока по концам линии, вторичные токи при внешнем коротком замыкании будут иметь разные знаки знаки, то есть сдвинуты друг относительно друга на 180 градусов. Соответственно ВЧ сигналы, генерируемые передатчиками только в течении положительных полупериодов промышленной частоты будут сдвинуты на 180 градусов. На приемнике мы можем наблюдать сплошной ВЧ импульс, что говорит о том, что короткое замыкание внешнее.

Внутреннее короткое замыкание, в зоне защиты

Мы видим на рисунках ниже, что ток на п/ст А направлен от шин в линию и ток на п/ст В тоже направлен от шин в линию. Благодаря соответствующему включению полярности трансформаторов тока по концам линии, вторичные токи при внутреннем коротком замыкании будут иметь одинаковые знаки, то есть они совпадают по фазе. Соответственно, ВЧ сигналы, генерируемые передатчиками только в течении положительных полупериодов промышленной частоты совпадают по фазе. На приемнике мы можем наблюдать прерывистый ВЧ импульс, что говорит о том, что короткое замыкание внутреннее.

Полученные результаты точно соответствуют диаграмме токов высокочастотной дифференциально-фазной защиты.

Заключение

Таким образом в статье изучили структуру и принцип работы высокочастотной дифференциально-фазной защиты линий. Постарались кратко разобрать моделирование ДФЗ в REPEAT VISION на примере внешнего и внутреннего КЗ. Более подробно о ДФЗ вы можете прочитать в статье на сайте „Школы моделирования“.

Есть ли среди вас специалисты релейной защиты? Какими программами или платформами вы пользуетесь? Была ли тема интересна? Напишите свое мнение в комментариях.

Список использованных источников

1. Кромешная темнота: почему случился блэкаут 2025 года в Испании и Португалии // Хабр. 2025.

2. Всё о моделировании электроприводов в REPEAT VISION // Хабр. 2026.

3. Защитный барьер: Фазовый контраст // Школа моделирования. 2025.