Классификация и основные показатели реле
Реле состоят обычно из двух основных частей: органа, воспринимающего изменение подводимого к нему параметра (ток, напряжение и др.), и исполнительного органа. Исполнительным действием реле обычно является замыкание или размыкание контактов в цепях, управляющих состоянием выключателей («включено», «выключено), воздействие средствами сигнализации (световой, звуковой) или механическая операция.
Классификация реле. По своему назначению реле различаются в зависимости от физической сущности параметра, образуя весьма многообразный ряд аппаратов, различных по конструкции и принципу действия. Не перечисляя всех существующих видов реле, остановимся на рассмотрении некоторых из них.
Электрические реле, реагирующие на изменение электрических величин (ток, напряжение, сопротивление и др.); реле времени, действие которых обусловлено заданным временем, отсчитываемым согласно некоторым, заранее определенным условиям (например, с момента увеличения тока сверх определенного значения); тепловые реле, реагирующие на температуру; газовые реле, чувствительные к выделению газа в трансформаторах, заполненных маслом; различного рода механические реле и многие другие.
Наибольшее распространение имеют электрические реле защиты.
По способу включения электрических реле в контролируемые цепи различают первичные и вторичные реле. Катушки первичных реле обтекаются непосредственно рабочим током электроустановки, вторичные подключаются через измерительные трансформаторы, осуществляющие электромагнитную связь между главными цепями и цепями защиты.
В устройствах электроснабжения применяются почти исключительно вторичные реле. Первичные реле распространены в устройствах защиты токоприемников, работающих при напряжении 380/220 В.
По характеру выполняемой функции в устройствах защиты реле делятся иа следующие группы.
Оснoвные реле, непосредственно воспринимающие изменение контролируемой величины (ток, напряжение, частота, мощность и т. д.).
Вспомогательные реле, осуществляющие функции контроля за временем, размножения контактов и передачей команды от одних реле другим, — промежуточные реле и др.
Указательные реле, предназначенные для регистрации действия основной защиты.
Реле, предназначенные для разрыва главных цепей, по способу воздействия на выключатели подразделяются на:
реле прямого действия, непосредственно воздействующие на главный аппарат, например на расцепление привода выключателя;
реле косвенного действия, воздействующие на главный аппарат посредством промежуточных аппаратов цепи управления, связанных с элементами главного аппарата оперативным током.
Рис. 13-2. Схемы действия устройств отключения выключателя с применением реле максимального тока.
а —реле прямого действия; б— реле косвенного действия; 1 — выключатель; 2 — пружина; 3 — защелка; 4 — отключающая катушка с подвижным якорем; 5 — трансформатор тока; 6— реле косвенного действия; 7 — шины оперативного тока.
На рис. 13-2 схематически показано отключение выключателя при помощи реле прямого и косвенного действия. Как видно из рис. 13-2,а, реле является непосредственным отключающим органом. Схема защиты, показанная на рис. 13-2, б, содержит особую отключающую катушку, питаемую оперативным током, цепь которого замыкается контактами косвенного действия.
По роду изменений контролируемого параметра реле делятся на максимальные и минимальные. Первые реагируют на увеличение параметра сверх определенного установленного значения (например, реле максимального тока), вторые — на его уменьшение (например, реле минимального напряжения).
Реле различаются, кроме того, по признаку времени их срабатывания— на реле мгновенного действия и с выдержкой времени.
По своему устройству, или по принципу действия органа, воспринимающего контролируемый параметр, реле делятся на электромагнитные, индукционные, тепловые, механические. Кроме того, существуют реле, сочетающие в себе несколько принципов действия, например электромагнитные с механическим элементом, обеспечивающим выдержку времени срабатывания.
Показатели действия реле. Действие реле зашиты, аналогично реле управления, характеризуется; уставкой реле, величинами срабатывания и возврата, коэффициентом возврата и др. Определение указанных параметров приведено в § 2-6.
Важным показателем действия реле, содержащих элемент времени, кроме того, является характеристика времени реле.
Характеристикой времени реле называется зависимость времени срабатывания от параметра Хр, контролируемого данным реле:
Как будет показано ниже (см. § 13-7), характеристики времени реле максимального тока имеют первостепенное значение при расчете селективности защиты сетей электроснабжения. Эти характеристики зависят от конструкции реле; они задаются графически в виде зависимостей времени срабатывания реле от тока, проходящего через реле, отнесенного к уставке тока срабатывания (кратности тока реле к току срабатывания),
Из многочисленных релейных аппаратов ниже рассматриваются некоторые виды реле, наиболее распространенные в устройствах электроснабжения гидромеханизации.
Электромагнитные реле прямого действия
Рис. 13-3. Встроенное реле тока мгновенного действия.
Наиболее широкое распространение в устройствах электроснабжения реле прямого действия получили в качестве приборов защиты максимального тока и минимального напряжения, встраиваемых в привод масляных выключателей (см. §3-5).
Рассмотрим принцип действия и устройство реле максимального тока (рис. 13-3).
Реле имеет вертикально расположенную катушку 3; внутри которой свободно перемещается якорь 5 с короткозамкнутым витком 4, предотвращающим вибрацию якоря и его прилипание к полюсу 1. При превышении током катушки определенного заданного значения якорь притягивается к неподвижному полюсу 1 и, ударом бойка 2 воздействуя на расцепитель привода, отключает выключатель. Реле крепится к корпусу привода 6.
Для плавного изменения тока срабатывания (уставка реле) служит регулировочный винт 7, помещающийся в стакане 9. Изменяя высоту первоначального положения якоря, можно влиять на величину тока срабатывания реле. Для фиксации положения регулировочного винта служит гайка 8.
В иной модификации реле (тип РТМ) уставка тока срабатывания регулируется ступенями, путем переключения числа витков обмотки. Реле РТМ выпускаются в четырех исполнениях, со следующими ступенями тока срабатывания: PTM-I — 5; 7,5; 10; 15 А; РТМ-II — 10; 15; 20; 25 А; РТМ-III — 30; 40; 50; 60 A; PTM-IV — 75; 100; 125; 150 А.
Рис. 13-4. Встроенное реле тока с выдержкой времени срабатывания.
Встроенные реле тока прямого действия могут содержать элемент, обеспечивающий определенную выдержку времени от момента срабатывания реле до его отключающего воздействия на выключатель.
На рис. 13-4 показано реле максимального тока типа РТВ с элементом времени. Отличие такого реле от рассмотренного заключается в том, что связь якоря с бойком осуществляется пружиной 1 и движение якоря не происходит свободно, как в предыдущем случае, а заторможено часовым механизмом 2, с которым якорь связан тягой 3.
При превышении заданного значения тока якорь втягивается в катушку и движется в соответствии с действием часового механизма (см. рис. 2-16). В некотором положении якоря, по отработке заданного времени, часовой механизм освобождает тягу и боек с силой толкает рычаг отключающего валика 4 выключателя. Скорость отработки времени часовым механизмом зависит от втягивающего усилия катушки. В связи с этим время срабатывания реле зависит от тока в катушке.
Пружина I рассчитана таким образом, что при кратности тока реле по отношению к току срабатывания, она не сжимается, образуя жесткую связь якоря с бойком. При кратности k>3 якорь мгновенно поднимается до упора, полностью сжимая пружину; при этом реле срабатывает с неизменной выдержкой времени, которую можно регулировать изменением зацепления зубчатых передач часового механизма реле.
Характеристика времени рассмотренного реле имеет ту особенность, что в некоторой части ее время срабатывания зависит от величины тока. В другой же ее части, при значениях тока, превышающих определенную величину, время срабатывания от тока не зависит. Такая характеристика носит название ограниченно зависимой характеристики. Катушка имеет несколько отпаек для ступенчатого изменения тока срабатывания. Реле РТВ выпускаются в пяти вариантах с нижеследующими значениями тока срабатывания:
Выдержка времени реле РТВ всех модификаций в независимой части может плавно регулироваться от 0 до 4 с1.
На рис. 13-5 показаны характеристики реле для различных установок времени (1, 2, 3 и 4 с) в независимой части.
Рис. 13-5. Кривые зависимости времени срабатывания реле типа РТВ от кратности тока реле к току уставки.
Аналогично рассмотренному устроены реле минимального напряжения прямого действия, с той разницей, что здесь нормальным положением якоря является его втянутое в катушку состояние. При исчезновении или уменьшении напряжения ниже заданного напряжения якорь падает, воздействуя на отключающую защелку привода выключателя.
Реле минимального напряжения также выполняются о мгновенным действием (РИМ) и с выдержкой времени (РНВ), обусловленной действием часового механизма.
Реле тока питаются от вторичных обмоток трансформаторов тока, а реле напряжения — от измерительных трансформаторов напряжения или силовых трансформаторов собственных нужд электрической установки.
Электромагнитные реле описанной конструкции отличаются простотой и надежностью, но имеют значительный разброс по параметрам срабатывания и низкий коэффициент возврата.
Электромагнитные реле косвенного действия
На рис. 13-6,а и б показана конструкция реле максимального тока косвенного действия типа РТ-40. Катушки 2 на полюсах электромагнита 1 подключены к выводам вторичной обмотки трансформаторов тока, установленных в главной цепи. Поэтому м. д. с. электромагнита зависит от контролируемого тока главных цепей.
Поле электромагнита обусловливает поворот якоря 3, изготовленного из мягкой стали, таким образом, чтобы он располагался вдоль силовых линий магнитного поля. Повороту якоря препятствует спиральная пружина 4. При определенном токе катушек м. д. с. электромагнита становится достаточной для преодоления натяжения пружины, якорь поворачивается и закрепленный на его оси контактный мостик 5 замыкает неподвижные контакты, укрепленные на колодке 10. Для гашения вибрации служит устройство 6. Натяжение пружины регулируется поворотом рычажка 7, являющегося одновременно указателем по шкале уставок 8. Винтовые упоры 9 служат для фиксации крайних положений якоря.
1 Для реле РТВ-I, РТВ-II и PTB-III кратность тока IрIIс.р, при которой характеристика переходит в независимую часть, составляет (1,2:1,7)Iе.р; для остальных — (2,5+3,5)Iс.р.
При большем или меньшем натяжении пружины требуется соответственно большее или меньшее значение тока в катушках для создания поля, способного обусловить поворот якоря и замыкание контактов реле. Следовательно, поворотом регулировочного рычага можно плавно менять уставку реле.
Рис. 13-6. Реле максимального тока типа РТ-40.
Рис. 13-7. Схемы включения отключающих катушек выключателей посредством реле косвенного действия.
а — включение реле с шунтированием катушки; б — включение реле типа РТ-80.
Поворот регулировочного рычага из одного крайнего положения в другое меняет уставку тока примерно вдвое. Кроме того, катушки полюсов можно соединить последовательно или параллельно, что также позволяет увеличивать или уменьшать уставку тока в два раза. Таким образом, при использовании обоих способов возможно регулирование уставок реле в пределах 4:1. Реле обладает высокой точностью работы. Коэффициент возврата максимальных реле составляет 0,85 и минимальных—1,2.
Рассмотренный принцип действия использован для реле тока серии ЭТ-500, в настоящее время снятых с производства, но имеющихся на действующих установках.
Схема включения реле максимального тока показана на рис. 13-7. При токе срабатывания реле его контакты, размыкаясь, дешунтируют катушку КО выключателя; якорь катушки КО, воздействуя на расцепитель, производит отключение выключателя.
На примере данной схемы показан только принцип действия реле; вследствие недостаточной мощности контактов электромагнитного реле тока в реальную схему вводится промежуточное реле с более мощными контактами.
Тот же принцип действия используется в реле напряжения типа PH, отличающихся только катушками электромагнита, имеющими большее число витков из обмоточного провода меньшего течения.
Реле напряжения выполняются как минимальными, так и максимальными.
Индукционные реле максимального тока
На рис. 13-8 представлено устройство индукционного реле серии РТ-80 и РТ-901. Реле этого типа является комбинированным, состоящим из индукционного и электромагнитного элементов. Кроме того, конструкция реле предусматривает выдержку времени при замыкании или размыкании его контактов.
Рис. 13-8. Реле максимального тока типа РТ-80.
Индукционный элемент реле состоит из электромагнита 1 с катушкой 19 и диска 3, вращающегося в зазоре между полюсами электромагнита. Благодаря особой конструкции полюсов, диск пронизывается двумя переменными магнитными потоками, сдвинутыми один по отношению к другому как в пространстве, так и по фазе.
Переменные магнитные поля полюсов наводят в диске вихревые токи, взаимодействие которых с потоком электромагнита создает на диске усилие, направленное по касательной к окружности диска.
1 Прежнее наименование серии реле, еще сохранившихся не действующих установках, ИТ.
Ось диска вращается в подпятниках поворотной рамки 4, поэтому усилие, возникающее на диске по мере возрастания тока в катушке электромагнита, первоначально заставляет диск вращаться вокруг своей оси и при дальнейшем увеличении тока обусловливает поворот рамки вместе с диском, втягивая его в зазор между полюсами. Этому повороту рамки препятствует пружина 5, которая своим натяжением удерживает рамку с диском в крайнем положении. Поворот рамки осуществляется, когда сила, создаваемая магнитным полем, превышает натяжение пружины.
Диск начинает вращаться при токе, равном 20—25% тока срабатывания реле. При токе, равном току срабатывания, рамка 4 с диском поворачивается и червяк 7, расположенный на оси диска, входит в зацепление с зубчатым сектором 8 и, вращаясь, поднимает его кверху. В своем движении кверху рычаг зубчатого сектора поднимает коромысло 9, связанное с поворотным якорем 10 электромагнитного элемента реле, постепенно уменьшая зазор между якорем и магнитопроводом. В некотором положения якоря зазор становится настолько малым, что якорь притягивается, а его коромысло рывком замыкает (или размыкает) контакты 12.
Выдержка времени замыкания (или размыкания) контактов регулируется винтом 13. Вращая винт в ту или другую сторону, поднимают или опускают подвижную опору 20, определяя таким образом первоначальное положение зубчатого сектора, рычаг которого свободно лежит на опоре. Высота первоначального положения сектора обусловливает длительность его подъема при вращении диска и, следовательно, выдержку времени при замыкании (или размыкании) контактов. Уставка времени, осуществляемая поворотом винта 13, определяется положением указателя на шкале.
Остальные детали имеют следующее назначение.
Короткозамкнутые витки 2 на полюсах служат для создания сдвинутых по фазе магнитных потоков в воздушном зазоре магнитопровода. Постоянный электромагнит 6 осуществляет торможение диска, обеспечивая его равномерное, без ускорения, вращение. Стальная скоба 11, притягизаясь к электромагниту, усиливает сцепление червяка с зубчатым сектором. Упорный винт с контргайкой 17 и 14 служит для фиксации крайних положений поворотной рамки 4. Положением втычного контакта 21 в одном из гнезд колодки 15 определяется количество рабочих витков обмотки электромагнита, т. е. уставка тока срабатывания реле. Винтом 16 регулируются первоначальный зазор электромагнитного элемента и положение замыкающего коромысла 9. Замыкающий стержень 18 образует вместе с якорем 10 магнитопровод электромагнитного элемента реле. Винг 22 служит для регулирования натяжения пружины 15.
Время срабатывания реле зависит от м. д. с. электромагнита, которая определяется значением тока и количеством витков обмотки.
На рис. 13-9 даны кривые зависимости времени срабатывания от относительного значения тока реле. Кривые различны для разных уставок по шкале времени. Как следует из рассмотрения характеристик, при 8—10-кратном токе реле и выше (относительно тока срабатывания) кривые переходят в независимую часть. Уставкой тока срабатывания на контактной колодке определяется именно независимый от тока участок характеристики реле.
Это означает, что если уставка по току принята равной 5 А, то при токе 40—50 А наступает режим, когда дальнейшее увеличение тока реле уже не влияет на время срабатывания. Это время соответствует уставке элемента времени.
Рис. 13-9. Характеристики времени реле РТ-81 и РТ-85 для различных уставок времени срабатывания.
Если, например, уставка по току принята равной 10 А, то такой режим наступает при токе реле 80—100 А.
Характеристики времени индукционного реле рассмотренного типа являются ограниченно зависимыми.
Электромагнитный элемент срабатывает мгновенно и носит название отсечки. Отсечка регулируется на определенное значение тока. Совместное действие индукционного и электромагнитного элементов заключается в том, что при токе реле, меньшем, чем ток отсечки, действует элемент времени соответственно характеристике срабатывания. При токе, равном или превышающем ток отсечки, реле срабатывает мгновенно, как бы отсекая часть характеристики времени срабатывания реле.
Током срабатывания индукционного элемента реле называется наименьшее значение тока, при котором червяк на оси диска при повороте рамки входит в зацепление с зубчатым сектором реле.
Током возврата называется наибольший ток, при котором происходит расцепление сектора с червяком диска.
Током срабатывания отсечки является ток, при котором притягивается якорь электромагнитного элемента и замыкаются контакты реле.
Коэффициент возврата индукционных реле тока равен 0,85.
Индукционные реле серии РТ-80 и РТ-90 допускают плавное регулирование времени и ступенчатое регулирование тока срабатывания индукционного элемента и плавное регулирование тока срабатывания конструкцией реле. Различные модификации реле характеризуются следующими данными.
Реле типа РТ-85 и РТ-86 имеют переключающие контакты, рассчитанные на большой ток.
Поэтому эти реле могут быть использованы в схемах дешунтирования отключающей катушки без применения промежуточных реле (см. рис. 13-7,б). Контактная система устроена таким образом, что при срабатывании реле сначала замыкаются контакты 2, после чего контакты 1, разрываясь, замыкают цепь трансформаторов тока на отключающую катушку выключателя.
Такие схемы с применением индукционных реле типа РТ-80 имеют очень широкое распространение в качестве защиты максимального тока на установках гидромеханизации для защиты крупных электродвигателей и линий передачи электроэнергии.
Электромагнитные реле времени
Реле времени в сочетании с реле тока, напряжения и другими реле мгновенного действия обеспечивают необходимую выдержку времени срабатывания устройства защиты при достижении контролируемым параметром заданной (соответствующей уставке) величины.
Время срабатывания в устройствах защиты подобного рода не зависит от тока (напряжения); таким образом, эти устройства имеют независимую характеристику времени.
Электромагнитное реле времени с часовым механизмом серии ЭВ (рис. 13-10) представляет собой сочетание двух элементов — электромагнитного и механического. При замыкании цепи катушки 1 магнитопровода 2 мгновенно притягивается якорь 3. Механизм времени 4, действующий по принципу часового устройства (см. рис. 2-16), связанный с подвижными контактами 5, пускается в ход и подвижные контакты начинают перемещаться по окружности. По истечении времени уставки реле контакты его замыкаются. Выдержка времени определяется положением неподвижных контактов 6 и 7, которое можно изменять, устанавливая их против соответствующих делений на шкале 8.
Реле описанной конструкции используются в различных схемах защиты, в том числе максимальной токовой.
Реле серии ЭВ в различных модификациях рассчитаны на уставку времени срабатывания от 0,1 до 20 с.
Реле времени типа ЭВ выпускаются для работы на постоянном токе (серия ЭВ-100) напряжением 24, 48, 110 и 220 В и на переменном токе (серия ЭВ-200) напряжением 127, 220, 380 В.
Промежуточные и сигнальные (указательные) реле
Промежуточные реле служат для разгрузки контактов основного реле и для размножения числа контактов, действующих в цепях защиты. В устройствах релейной защиты применяются промежуточные реле постоянного и переменного тока, работающие на электромагнитном принципе (см. § 2-6).
Сигнальные, или указательные, реле вводятся в схемы релейной защиты для подачи сигнала о неисправности элемента или участка электроустановки (однофазное замыкание на землю, газовыделение в заполненных маслом силовых трансформаторах и пр.), а также для фиксации срабатывания защиты. Так, например, отключение трансформатора при наличии нескольких защит может произойти в результате действия максимальной токовой, дифференциальной или газовой защиты. Катушки сигнального реле подключаются к оперативным цепям отключающих элементов защиты и по положению указателей устанавливают источник неисправности.
Указательное реле представляет собой электромагнитную систему с подвижным якорем клапанного типа. В непритянутом положении якорь удерживает сигнальный флажок, видимый сквозь стекло в крышке реле. Притягиваясь к электромагниту, якорь освобождает флажок, который под действием собственного веса падает, устанавливаясь против окна в крышке, указывая на срабатывание реле, а следовательно, и тех аппаратов, в цепи управления которыми оно действует.
Одновременно с выпадением флажка поворачивается контактный мостик, замыкающий контакты, используемые для звуковой или световой сигнализации.
В схемах защиты и автоматики применяются указательные реле серии РУ. Указательные реле изготовляются с катушками, включаемыми параллельно либо последовательно в контролируемые цепи.
Газовые реле
Внутренние повреждения трансформаторов с масляным охлаждением— нарушение контакта, междувитковые замыкания обмоток, вибрация листов пакета стали магнитопровода, а также другие причины внутреннего перегрева в трансформаторах вызывают разложение трансформаторного масла, сопровождающееся выделением газа. Для защиты при повреждениях подобного рода применяют газовые реле, реагирующие на газообразование в трансформаторах с масляным охлаждением, Действие газовой защиты осуществляется в два этапа: сигнализация неисправности и отключение трансформатора.
Газовые реле устанавливаются на трубке, соединяющей бак трансформатора с расширителем.
Принцип действия газового реле усматривается из рис. 13-11.
Рис. 13-11. Устройство газового реле.
В металлическом корпусе реле помещены два поплавка, на каждом из которых закреплен ртутный контакт с выводами на крышку реле, выполненными гибкими проводниками. Ртутные контакты в определенных пространственных положениях разомкнуты; при повороте из этих положений контакты замыкаются. В нормальном состоянии контакты верхнего и нижнего поплавков разомкнуты.
При слабом газообразовании под крышкой реле скапливается газ, вытесняющий масло, при этом уровень масла в корпусе реле понижается и поплавок опускается, вследствие чего ртутные контакты, замыкаясь, вызывают действие предупреждающего сигнала.
При интенсивном газообразовании в корпусе реле возникает сильный поток газа, опрокидывающий нижний поплавок, ртутные контакты которого, замыкаясь, действуют на отключение трансформатора.
Для надежного действия реле трансформатор должен быть установлен с наклоном, таким образом, чтобы расширительный бак был приподнят и крышка трансформатора образовывала угол с горизонтом, равный 1—1,5е.
