§ 19. АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ И ИХ ЗАЩИТЫ
Аппаратура управления электродвигателями и защиты их предназначена для обеспечения пуска, реверсирования (изменения направления вращения), торможения и регулировки числа оборотов. Эта аппаратура разделяется на две основные группы: ручного (неавтоматического) и автоматического управления. Защита электродвигателей осуществляется при помощи реле.
Рис. 70. Выключатель-рубильник типа А150
Современные аппараты управления пуском электродвигателей имеют главные контакты рубящего или нажимного действия, изготовленные из твердотянутой меди. В некоторых конструкциях медные контакты покрыты серебром для уменьшения переходного сопротивления между контактами, что снижает нагрев контактов и повышает их стойкость.
Аппаратуру управления классифицируют:
по напряжению — на аппараты до 1000 В и выше 1000 В;
по устройству защиты от воздействия окружающей среды — на аппараты открытые, защищенные, закрытые, герметические, взрывобезопасные и специальные.
Аппаратура ручного управления.
Основными аппаратами ручного управления являются рубильники и переключатели, пакетные выключатели и переключатели ПК, универсальные переключатели УП, контроллеры.
Рубильники и переключатели применяют для включения и отключения цепей постоянного и переменного тока до 1000 А. Рубильники и переключатели выпускают в одно-, двух- и трехполюсном исполнении для переднего и заднего присоединения проводов.
Для установки на лицевой стороне панелей щитов при напряжении до 250 В используют рубильники РО-3, Р-3 и Р-5 с центральной рукояткой.
Рис. 71. Трехфазный блочный рубильник- предохранитель
При напряжении 380 и 500 В для установки с задней стороны щитов применяют рубильники. РП-3 и РП-5 с рычажным приводом. Для установки в закрытых ящиках выпускаются рубильники с боковой рукояткой и защитным кожухом (рис. 70).
В последнее время получил распространение совмещенный рубильник-предохранитель в закрытом стальном ящике с откидной крышкой (на рис. 71 показан в отключенном положении). В этом аппарате три предохранителя посажены на общую траверсу, имеющую горизонтальное перемещение от рукоятки. При подъеме рукоятки вверх ножи предохранителей входят в губки контактных стоек и замыкают цепь. Достоинством этой конструкции является компактность и безопасность обслуживания; в отключенном состоянии предохранители свободны от напряжения и могут быть сняты. Откидная крышка имеет механическую блокировку с рукояткой: открыть крышку можно только при отключенном положении рукоятки; включить рукоятку можно только при закрытой крышке.
Рис. 72. Пакетный выключатель: а — общий вид, б — контактная система, в — переключающий механизм, г — элемент пакета
Рис. 73. Универсальный переключатель УП
Пакетные выключатели и переключатели ПК служат для включения и отключения цепей постоянного и переменного тока от 10 до 100 А при напряжении 220 В и от 6 до 60 А при напряжении 380 В. Пакетные выключатели (рис. 72) применяют в качестве ручных пускателей для электродвигателей небольшой мощности, переключателей со звезды на треугольник и в некоторых случаях в цепях управления и сигнализации. Их выпускают на один, два и три полюса в виде пакетов из изолирующего материала, внутри которых монтируют подвижные и неподвижные плоские скользящие контакты с механизмом мгновенного разрыва контактов. Для гашения электрической дуги имеется фибровая искрогасительная шайба.
Универсальные переключатели УП широко применяют в современных электроустановках для включения и отключения различных приводов, катушек контакторов и реле, пуска электродвигателей небольшой мощности и др. Универсальный переключатель УП (рис. 73) состоит из набора секций, содержащих переключающий кулачковый и контактный элементы. Эти переключатели могут иметь от 2 до 32 контактов, что позволяет выполнять переключения в сложных схемах.
Контроллеры служат для переключения цепей постоянного и переменного тока и создания в них различных электрических схем торможения, а также реверсирования.
Контроллеры бывают барабанные, кулачковые и плоские.
На рис. 74 показана схема барабанного контроллера. Барабан 2, опрессованный изолирующим материалом, вращают вокруг оси штурвалом 1. На поверхности барабана укреплены медные или бронзовые контакты-сегменты 3. На неподвижной рейке 5 установлены контактные пружинящие пальцы 4, к которым подключают провода электрической цепи. Для гашения дуги при разрыве контактов барабанные контроллеры имеют дугогасительные сопротивления и изолирующие перегородки. Барабанные контроллеры применяют для электродвигателей мощностью до 75 кВт при числе включений до 240 в час.
Недостатком барабанных контроллеров является трущийся контакт между пальцем и сегментом, который сравнительно быстро изнашивается. Кроме того, при размыкании контактов происходит затяжка в разрыве дуги и контакты обгорают. Эти недостатки вызвали значительное сокращение выпуска барабанных контроллеров и переход на более широкое использование кулачковых контроллеров.
Рис. 75. Схема кулачкового контроллера
Кулачковые контроллеры (рис. 75) имеют контакты, которые управляются фасонными кулачковыми шайбами. При повороте вала 1 вращается кулачковая шайба 2, по которой скользит ролик 3, удерживая контакты 4 (подвижный) и 5 (неподвижный) в разомкнутом состоянии. Когда ролик 3 попадает в вырез на шайбе 2, он опускается и под действием пружин 6 и 7 контакты 4 и 5 замыкаются. Когда ролик 3 выйдет из выреза шайбы 2, он поднимается и контакты 4 и 5 вновь размыкаются.
Кулачковые контроллеры применяют в цепях электродвигателей больших мощностей с числом включений до 600 в час. Каждый контактный элемент имеет дугогасительное сопротивление.
В плоском контроллере контакты расположены на панели по прямой линии. Между контактными рядами находится шпиндель, который приводится во вращение сервомотором (вспомогательным электродвигателем) постоянного или переменного тока через редуктор. По шпинделю перемещается гайка, с которой связаны щетки, передвигающиеся по неподвижным контактам, соединенным с переключаемыми сопротивлениями. Возможен и ручной привод плоского контроллера от рукоятки или штурвала.
Рис. 76. Схемы реверсивного управления асинхронным двигателем при помощи контроллеров:
а — барабанного, б — кулачкового
Плоские контроллеры используют в тех случаях, когда требуется дистанционное управление контроллером; при помощи кнопок управления сервомотором контроллера с пульта или щита выполняют переключения плоского контроллера.
Схемы, поясняющие управление асинхронными двигателями с фазным ротором при помощи барабанного и кулачкового контроллеров, показаны на рис. 76. В обоих случаях контроллеры допускают перемену направления вращения электродвигателя.
На рис. 76, а барабан контроллера показан развернутым на плоскость. Контакты, расположенные в схеме на средней нулевой линии, соответствуют контактным пальцам контроллера. Читая схему, надо контактные сегменты развертки (на рисунке они зачернены) мысленно совмещать с контактными пальцами (показаны в виде кружков на нулевой линии). Например, в положении штурвала контроллера «Вперед» на четвертом положении будут замкнуты следующие контакты: С1—Л1, С3—Л3 (С2 и Л2 соединены постоянно на прямую), Р3—Р4—Р5—Р6.
На рис. 76, б показана схема управления электродвигателем при помощи кулачкового контроллера. Она принципиально такая же, что и схема, показанная на рис. 76, а (с барабанным контроллером). По средней (нулевой) линии показаны контакты кулачкового контроллера: в положениях «Назад» и «Вперед» зачерненные точки показывают замыкание соответствующих подвижных контактов с неподвижными.
Аппаратура автоматизированного управления.
Основными аппаратами автоматизированного управления являются кнопки управления, командоконтроллеры, путевые выключатели, контакторы, магнитные пускатели, автоматические выключатели (автоматы). Эта аппаратура предназначена для дистанционного и автоматического управления не только отдельными механизмами, но и целыми технологическими комплексами.
Кнопки управления служат для замыкания и размыкания цепей дистанционного управления аппаратами. Кнопки могут быть с самовозвратом в исходное положение под действием пружины или без самовозврата. Схема кнопочного элемента с самовозвратом показана на рис. 77, а.
Рис. 77. Схема кнопочного элемента (а) и кнопочная станция (б):
1 — неподвижные контакты, 2 — подвижные контакты, 3 — пружина
Кнопка управления может иметь нормально открытые, нормально закрытые или и те и другие контакты. Комплект из нескольких кнопок, смонтированных в общем корпусе, называют кнопочной станцией (рис. 77, б).
Выпускаются кнопки управления для установки на панелях, на стене, на полу (педальные), подвесные и ладонные.
Командоконтроллеры представляют собой небольшие кулачковые контроллеры, предназначенные для переключения в не основных силовых цепях, а в цепях управления с небольшими токами. Командоконтроллеры заменяют кнопки включения контакторов или пускателей, непосредственно включающих силовые цепи электродвигателей.
Они позволяют одной рукояткой производить операции, которые надо было бы осуществлять тремя кнопками («Пуск — вперед», «Пуск—назад» и «Стоп»). По положению рукоятки командоконтроллера судят о состоянии электродвигателя (вращается или стоит) и направлении его вращения (вперед или назад).
Командоконтроллеры выпускают с разным числом контактов и положений. К схемам управления с командоконтроллерами обычно прилагают таблицу включения его контактов при различных положениях рукоятки.
Рис. 78. Путевой выключатель КУ-131
Путевые выключатели представляют собой кнопки управления, на которые воздействует не рука человека или нажимное действие стационарного -механизма, а непосредственно сам механизм во время его передвижения. Путевые выключатели могут быть рычажные, кнопочные, шпиндельные, вращающиеся, индукционные.
Рис. 79. Путевые выключатели: а — ВК-211, б — ВК-411
Рычажные путевые выключатели имеют обычно валик с закрепленными на нем одной или двумя кулачковыми шайбами; при повороте валика от воздействия на него передвигающегося механизма кулачковые шайбы действуют на рычаги контактов, замыкая их или размыкая. На рис. 78 показан путевой выключатель КУ-131, на рис. 79, а — путевой конечный выключатель ВК-211, а на рис. 79, б — шпиндельный путевой конечный выключатель ВК-411.
К группе кнопочных и шпиндельных выключателей относят также малогабаритные микропереключатели в пластмассовом корпусе. Их особенностью является высокая чувствительность к нажимному воздействию незначительной силы. Для срабатывания микропереключателя ход стержня должен быть всего 0,3—0,7 мм.
Рис. 80. Принцип действия индукционного путевого выключателя
Микропереключатель дает мгновенное переключение контактов (прыгающий контакт). Габаритные размеры микропереключателя 51 Х37,5Х 19,3 мм; масса 38 г.
Во вращающемся путевом выключателе с переставными кулачками на шесть цепей валик выключателя соединен с валом механизма непосредственно или через редуктор. При вращении механизма валик вращается с укрепленными на нем кулачковыми шайбами, которые и переключают контакты.
Принцип действия индукционного путевого выключателя показан на рис. 80. Магнитопровод 1 с катушкой 2 замыкает свою магнитную цепь посредством стальной пластины 3, которая перемещается вместе с механизмом. Когда стальная пластина не замыкает магнитопровод, индуктивное сопротивление катушки мало и ток имеет большую величину, удерживающую катушку реле Р во включенном состоянии. При этом контакты К цепи управления замкнуты. Когда пластина надвигается на магнитопровод, индуктивное сопротивление катушки резко повышается, ток в ней падает и реле размыкает контакты.
Обычно в индукционных выключателях применяют реле постоянного тока с питанием через сухие выпрямители, что обеспечивает более четкое срабатывание реле.
Контактором является выключатель, приводимый в действие электромагнитом, включение и отключение которого могут быть выполнены на расстоянии по проводам от кнопки или другого аппарата в цепях управления или защиты. Кроме электромагнита,
контактор имеет главные контакты силовой цепи (неподвижный и подвижный), блок-контакты, включаемые в цепь автоматики или сигнализации, и дугогасительное устройство — камеры с магнитным дутьем или дугогасительные решетки.
На рис. 81 показан общий вид контактора переменного тока. Катушка 1, неподвижный сердечник 11 и якорь 3, укрепленный на валу, образуют магнитную систему контактора.
Рис. 81. Контактор переменного тока
Подвижные контакты 4 и неподвижные 10 являются главными контактами. Вспомогательные блок-контакты 7 нормально открыты, а блок-контакты 6 нормально закрыты. Гибкие проводники 5 из медной фольги соединяют подвижные контакты 4 с контактными болтами для присоединения внешних проводов. Дугогасительная камера 8 надевается на главный контакт (на рисунке она надета только на один полюс) и имеет внутри набор металлических пластин 9, которые способствуют гашению дуги, образующейся при разрыве контактами цепи.
Контакторы переменного тока выпускают для работы в цепях напряжением 220, 380 и 500 В для токов от 75 до 600 А.
В контакторах переменного тока при питании катушек электромагнита однофазным переменным током и переходе тока через нулевое значение возможна усиленная вибрация и даже отрыв якоря от сердечника катушки. Чтобы устранить этот недостаток применяют короткозамкнутый виток 2 из меди или латуни, надеваемый с торца якоря. В этом витке индуктируются э. д. с. и ток, который, в свою очередь, создает магнитный поток, удерживающий якорь в момент прохождения тока катушки через нулевое значение.
В контакторах постоянного тока дугогасительная система обычно состоит из камеры и катушки, которая создает магнитное дутье, растягивающее дугу. Контакторы постоянного тока КП выпускают на токи главной цепи 100, 150, 300 и 600 А с одним или двумя главными контактами.
Магнитные пускатели представляют собой трехфазные контакторы переменного тока с нормально открытыми главными контактами, помещенные в стальной защитный кожух со съемной крышкой. Кроме того, выпускаются также магнитные пускатели без кожуха. Магнитные пускатели могут быть с двухполюсным тепловым реле и без него.
Рис. 82. Магнитный пускатель ПМЕ: а — общий вид, б — схема.
Нереверсивный магнитный пускатель показан на рис. 82, а. Включают и отключают магнитный пускатель дистанционно с помощью кнопок «Стоп» и «Пуск». Для включения магнитного пускателя нажимают кнопку П (рис. 82, б). При этом катушка магнитной системы пускателя Л обтекается током и происходит включение главных контактов Л. Одновременно с главными контактами в цепи управления включается блок-контакт Л, что позволяет отпустить кнопку. 77, оставляя пускатель во включенном положении. Два тепловых элемента реле РТ имеют в цепи управления нормально замкнутые контакты. При, опасной перегрузке электродвигателя размыкается один или оба контакта теплового реле РТ, цепь тока в катушке прерывается и происходит отключение главных контактов. Отключение также может быть выполнено от руки нажатием кнопки С, разрывающей цепь питания катушки.
Реверсивные магнитные пускатели служат для перемены направления вращения электродвигателя и представляют собой два спаренных нереверсивных магнитных пускателя, механически сблокированных между собой так, чтобы мог включаться только один из пускателей (рис. 83). При нажатии кнопки «Вперед» замыкается цепь катушки пускателя В и размыкается цепь катушки пускателя Н. Кнопка «Назад» включает цепь катушки пускателя Н. Одновременность включения пускателей В и Н исключается, так как они механически сблокированы.
Рис. 83. Схема управления реверсивным короткозамкнутым двигателем посредством магнитных пускателей
Магнитный пускатель осуществляет защиту электродвигателя от перегрузки, исчезновения напряжения в сети и понижения напряжения более чем на 30—40% от номинального. При дальнейшем понижении напряжения в сети катушка не может удержать якорь электромагнита во включенном положении, и он отпадает.
Технические данные магнитных пускателей серии ПА приведены в приложении 2.
Для защиты электродвигателя и ответвления к нему от магистральной сети от коротких замыканий перед магнитным пускателем устанавливают автоматы с максимальной защитой или предохранители с плавкими вставками.
Автоматические воздушные выключатели применяют для включения и отключения цепей переменного и постоянного тока напряжением до 500 В с номинальным током до 2500 А. Они предназначены для защиты электрических установок при перегрузках, от коротких замыканий и для нечастых оперативных переключений силовых цепей.
Автоматические воздушные выключатели выпускают в нескольких исполнениях серий АВ, АС, АМ и АГ. На рис. 84 показан общий вид автомата АС—15—03 на 800 А.
Автоматы имеют механизм свободного расцепления, который под действием небольшого усилия (обычно от реле защиты) отключает устройство, запирающее связь контактной системы с приводом, вследствие чего их нельзя удержать во включенном положении и повторно включить при продолжающемся непрерывно импульсе на включение. Автоматы имеют пристройки, которые позволяют отключать поврежденный участок цепи с заданной выдержкой времени. Включают и отключают автоматы серий АВ, АС, АМ и АГ в зависимости от конструктивного исполнения при помощи рукоятки, рычажного привода, электродвигателя и электромагнита.
Рис. 84. Общий вид автомата АС-15—03 со снятой крышкой:
1 — избирательная пристройка, 2 — дугогасительная камера, 3 — главный неподвижный контакт, 4 — штурвал ручного привода
Реле.
Реле представляет собой аппарат автоматического действия, включающий или отключающий электрические цепи управления и защиты под воздействием различного вида импульсов (электрических, тепловых, световых, механических) в зависимости от заданных параметров времени и др. По своему назначению их разделяют на реле управления и реле защиты.
Реле управления обычно включают непосредственно в электрические цепи, они часто срабатывают по ходу технологического процесса и работы механизмов. Реле защиты включают в электрические цепи иногда непосредственно, но чаще через измерительные трансформаторы (тока и напряжения); они срабатывают редко — при образовании в установке ненормальных или аварийных режимов.
Реле имеют следующие основные характеристики:
уставка — сила тока, напряжение или время, на которые отрегулировано данное реле для его срабатывания:
напряжение (или ток) срабатывания — наименьшее или наибольшее значение, при котором реле полностью срабатывает;
напряжение (или ток) отпускания — наибольшее значение, при котором реле отключается (возвращается в исходное положение);
коэффициент возврата — отношение напряжения (или тока) отпускания к напряжению (или току) срабатывания.
По времени срабатывания различают реле мгновенного действия и с выдержкой времени.
Рис. 85. Схемы электромагнитных реле максимального тока: а — ЭТ, б — РТ-40
Схемы ранее распространенного в системах защиты электромагнитного реле максимального тока ЭТ и более нового реле РТ-40 показаны на рис. 85. На магнитопроводе 1 расположены обмотки 2, которые могут быть соединены последовательно, или параллельно. Между полюсами магнитопровода расположен якорь 8, на оси которого укреплены подвижные контакты 6. При определенной силе тока, протекающего по обмоткам 2 (токе срабатывания), якорь 8 поворачивается и подвижные контакты 6 замыкают неподвижные 7. Силу тока срабатывания можно регулировать натяжением пружины 3 при помощи рычага 5, передвигаемого по шкале 4.
Схема электромагнитного реле времени показана на рис. 86. На плите 2 закреплены магнитопровод 3 с круглым стальным сердечником и катушкой 1. Якорь 7 прижимается пружиной 5 верхним ребром к пластине 4. С якорем 7 жестко связан мостик контактной системы 9. Силу действия пружины 5 можно регулировать винтом 6, а упорный винт 8 ограничивает ход якоря при отпадании его от сердечника.
При определенном токе срабатывания якорь притягивается к сердечнику мгновенно. Если же катушку 1 замкнуть накоротко, то ток в замкнутом контуре катушки исчезнет не мгновенно, а с некоторым замедлением. По закону Ленца магнитный поток, исчезая, наводит в цепи катушки ток того же направления, в результате чего якорь в течение некоторого времени после замыкания катушки удерживается притянутым к сердечнику.
Промышленность выпускает реле РЭ-100 с выдержкой времени от 0,1 до 1 с, РЭ-180 и РЭ-510 с выдержкой до 5 с и РЭ-580 с выдержкой до 16 с. Катушки этих реле предназначены для работы на постоянном токе. Реле допускают большую частоту включений.
Рис. 87. Схема маятникового реле времени
Во многих конструкциях реле времени выдержка времени осуществляется посредством часового механизма. К этой группе относят и маятниковое реле (рис. 87), в котором при включении катушки 1 втягивается якорь 2, вследствие чего рычаг 3 поворачивается на оси 4 и сжимается пружина 5. Это вызывает поворот рычага 6 и связанной с ним посредством шарнира 7 зубчатой дуги 8 по направлению стрелки. Колеса 9 и 10 начинают вращаться, а маятник 11 начинает колебаться. При каждом колебании маятника колесо 10 поворачивается на один зуб. Таким образом перемещение рычага 6 замедляется, чем определяется выдержка времени замыкания контактов 12.
Время выдержки регулируют путем изменения положения грузика на маятнике 11 и упорным винтом 13, который изменяет длину пути зубчатой дуги 8. Контакты 14 срабатывают сразу после включения катушки реле. Маятниковые реле могут быть встроены в контакторы и иметь выдержку времени в пределах 1—10 с.
Рис. 88. Схема теплового реле: а — биметаллическая пластинка, б — устройство реле
На рис. 88 показана схема теплового реле РТ, обычно вставляемого в магнитные пускатели. Основной его деталью является биметаллическая пластинка (рис. 88, а), которая при нагревании изгибается вниз. Биметаллическая пластинка состоит из двух сваренных пластинок металлов, имеющих разные температурные коэффициенты линейного расширения; верхняя пластинка расширяется больше, а нижняя меньше, что приводит к изгибу вниз всей пластинки при ее нагреве.
Ток главной цепи проходит по нихромовому нагревателю 1 (рис. 88, б) и нагревает биметаллическую пластинку 2. При определенной силе тока пластинка 2 изгибается вниз, нажимает на винт 3 защелки 4, которая выводит из зацепления с ней рычаг 5. Под действием пружины 6 рычаг поворачивается и отжимает подвижный контакт 7. После остывания пластинки 2 нажатием кнопки возврата 8 рычаг 5 устанавливают в исходное положение. Тепловые реле применяют главным образом для защиты электродвигателей от опасных перегрузок.
Поплавковые реле (рис. 89) применяют для автоматизации работы насосов. Если в баке уровень воды (или другой жидкости) опускается ниже определенного предела, поплавковое реле замыкает контакты и включает электродвигатель насоса. Как только уровень воды поднимется до предельного уровня, реле размыкает цепь управления электродвигателем насоса и останавливает его. Поплавок 2 имеет противовес 3 и перемещается вверх и вниз по уровню жидкости; вместе с ним перемещается цепь с шайбами 4. Переключатель 1 имеет коромысло с ушками. Шайбы 4 заранее устанавливают на определенные уровни перемещения поплавка 2 и, подходя с одной или, с другой стороны, к коромыслу переключателя, поворачивают его, тем самым контакты переключателя замыкаются или размыкаются.
Реле скорости (рис. 90) действует по тому же принципу, что и центробежный регулятор. Реле связано с валом электродвигателя и, когда он не работает, грузы 1 удерживаются в определенном положении под действием пружины 8; контакты 4 и 5 замкнуты. По мере увеличения скорости вращения электродвигателя грузы 1 от центробежного усилия расходятся и муфта 3 поднимается, освобождая рычаг с контактом 4 и при определенной скорости контакты 4 и 5 размыкаются.
Промежуточное реле широко применяют в схемах управления для размножения одного импульса по нескольким вспомогательным цепям. Они также служат для выполнения различных электрических блокировок. Иногда промежуточные реле используют для включения небольших однофазных двигателей мощностью 0,1—0,25 кВт.
Рис. 90. Реле скорости:
1 — груз, 2 — рычаг центробежного регулятора, 3 — муфта, 4 и 5 — контакты, 6 — втулка, 7 — ось, 8 — пружина
В цепях управления переменного тока используют промежуточные реле ЭП-41 электромагнитного действия на шесть контактов для напряжения 12, 36, 127, 220, 380 и 500 В. В качестве промежуточных получили также распространение в цепях автоматики малогабаритные реле МКУ-48 и РПТ-100.
Сигнальные реле (блинкеры) служат для подачи сигнала о срабатывании защиты и указания, в какой части установки возник ненормальный или аварийный режим (рис. 91).
Замыкание цепи тока в катушке 2 вызывает притяжение к сердечнику 1 якоря 8. При этом освобождается флажок 7 и падает против стекла 6 в крышке реле, указывая, что сработало реле или другой аппарат, в цепь которого включено сигнальное реле.
При повороте флажка контакты 4, которые укреплены на подвижном барабане, замыкают сигнальные цепи, присоединенные к контактам 3. Рукоятка 5 служит для возврата вручную в исходное положение флажка и сигнальных контактов.
Схемы релейной защиты.
Релейной защитой называют защиту электроустановок при помощи реле. Назначение релейной защиты — своевременно отключить ту часть электроустановки, в которой возник ненормальный режим, или подать сигнал обслуживающему персоналу о наличии ненормальностей в работе для принятия необходимых мер.
Рис. 91. Схема устройства сигнального реле
К релейной защите предъявляют следующие требования: селективность (избирательность) — защита должна отключать только ту минимальную часть или элемент установки, которые непосредственно связаны с возникновением ненормального и опасного режима; чувствительность — защита должна реагировать на определенные, заранее заданные отклонения от нормальных режимов, иногда самые незначительные;
надежность — защита должна работать безотказно во всех случаях заданных условий отклонения от нормального режима; надежность защиты обеспечивается как правильным выбором схемы и аппаратов, так и правильной эксплуатацией, предусматривающей периодические профилактические проверки и испытания;
скорость срабатывания — определяется проектом в зависимости от характера технологического процесса; иногда в целях сведения до минимума ущерба от возникших повреждений защита должна обеспечивать полное отключение в течение сотых долей секунды.
Схемы релейной защиты очень разнообразны и составляют самостоятельный крупный раздел автоматики электрических систем. Рассмотрим схемы, поясняющие принципы действия основных видов релейной защиты.
Максимальная токовая защита предназначена для отключения установки при превышении определенной, заранее заданной силы тока. На рис. 92 показана схема максимальной токовой защиты при помощи трех токовых реле РТ мгновенного действия и оперативного (т. е. питающего цепи катушек реле и коммутационных аппаратов) постоянного тока.
Для установки определенной выдержки времени отключения служит реле времени РВ, действующее через промежуточное реле РП на катушку отключения КО выключателя В. В цепь катушки выключателя включены блок-контакты БК.
Рис. 92. Схема максимальной токовой защиты при помощи трех токовых реле мгновенного действия
Рис. 93. Схема токовой отсечки с включением реле и трансформаторов тока в неполную звезду
Когда ток в какой-либо фазе достигает определенного максимального значения (ток уставки), реле РТ этой фазы, включенное через трансформатор тока ТТ, мгновенно срабатывает и его контакты замыкают цепь постоянного тока с катушкой реле времени РВ. Спустя некоторое время (выдержка времени реле РВ задается) контакты реле РВ замыкают цепь постоянного тока с катушкой промежуточного реле РП, и оно мгновенно срабатывает. Замыкается цепь отключающей катушки КО через блок- контакты БК, которые замкнуты при включенном положении выключателя В. Одновременно с отключением выключателя В размыкаются его блок-контакты БК и прерывается цепь питания отключающей катушки КО постоянным током. Эта защита имеет независимую от величины тока срабатывания реле РТ выдержку времени, определяемую уставкой реле РВ.
Максимальную токовую защиту с тремя реле и тремя трансформаторами тока используют обычно в сетях с заземленной нейтралью. В сетях с изолированной нейтралью можно применять максимальную токовую защиту с двумя реле и двумя трансформаторами тока. Такая защита действует при коротких замыканиях между любой парой фаз.
Кроме того, используют схемы максимальной токовой защиты с одним токовым реле и двумя трансформаторами тока. В этом случае токовое реле включено на разность токов от двух трансформаторов тока и нормально срабатывает при коротких замыканиях между любой парой фаз.
В описанной максимальной токовой защите с независимой выдержкой времени селективность действия защиты по пути прохождения тока достигается ступенчатым подбором выдержки времени защиты на каждом участке цепи.
В максимальной защите с токовой отсечкой (рис. 93) реле времени не применяют, а селективность работы защиты на разных участках электрической цепи достигается установкой их на разные токи срабатывания. Работа такой защиты основана на том, что чем ближе место короткого замыкания в линии к источнику питания этой линии, тем больше величина тока короткого замыкания, на который и выбирается токовая отсечка, являющаяся быстродействующей защитой. Обычно ток срабатывания токовой отсечки одного участка линии для обеспечения селективности выбирают на 20—50% больше максимального значения тока короткого замыкания в начале следующего участка линии.
В этой схеме применяют сигнальное (указательное) реле-блинкер У, по флажку которого можно убедиться, что отключение произошло от срабатывания одного из двух реле, включенных через данный блинкер.
Для защиты трансформаторов обычно применяют максимальную токовую защиту от коротких замыканий; иногда в схему этой защиты включают дополнительное токовое реле, действующее на сигнал при перегрузке трансформатора. Перегрузки трансформатора в течение некоторого времени, зависящего от величины перегрузки и окружающей температуры, допустимы, но эксплуатационный персонал должен следить, чтобы они не достигали опасных размеров. При Получении сигнала от реле перегрузки эксплуатационный персонал должен своевременно отключить часть нагрузки на трансформатор по расписанию, установленному заранее руководителем электрохозяйства Предприятия.
На Внутрицеховых трансформаторах мощностью от 630 кВ-А и выше устанавливают дополнительно газовую защиту в виде специального газового реле, Действующего на сигнал и на отключение В общей схеме с основной токовой защитой трансформатора. Газовое реле (рис. 94) устанавливают на трубопроводе, соединяющем расширитель с баком трансформатора.
В резервуаре 1 этого реле имеются два поплавка (верхний 2 и нижний 3) с ртутными контактами 4. При нормальном режиме резервуар газового реле заполнен маслом, оба поплавка подняты, ртутные контакты разомкнуты. При выделении газов из Трансформатора в результате разложения масла и изоляционных материалов Масло вытесняется из резервуара газового реле и уровень его понижается, верхний поплавок опускается, ртутные контакты замыкаются. При этом подается предупредительный сигнал (сирена или звонок). Если повреждение в трансформаторе вызывает бурное выделение газов, то они полностью вытесняют масло из резервуара газового реле; при этом опускается нижний поплавок, замыкая цепь отключающей катушки выключателя, которым отключается трансформатор.
В эксплуатации ложная работа газового реле может произойти при попадании воздуха в трансформатор или при резком снижении уровня масла в нем (в зимнее время).
Автоматическое повторное включение (АПВ) представляет собой устройство, которое повторно автоматически включает линию, отключившуюся от действия защиты, и применяется обычно на выключателях воздушных линий электропередачи, где повреждения на линии, вызвавшие отключения, могут быть кратковременными (схлестывание проводов ветром, перекрытие во время грозы, шунтирование изолятора птицей и т. п.).
Рис. 94. Газовое реле
Рис. 95. Схема АПВ однократного действия
Возникающая в месте повреждения дуга после автоматического отключения гаснет и, таким образом, без повреждения изоляторов или проводов устраняется короткое замыкание, Вызвавшее автоматическое отключение. В этом случае АПВ предотвращает длительный перерыв в подаче электроэнергии.
Схемы АПВ бывают однократного и многократного действия. Однократное АПВ включает линию повторно только один раз. Если после этого вновь происходит автоматическое отключение, это указывает на устойчивое короткое замыкание. Далее АПВ не действует и линия остается отключенной до устранения повреждения. Многократное АПВ включает линию повторно два или три раза с определенными промежутками времени.
На рис. 95 показана схема действия однократного АПВ, которая представляет собой набор реле нормальной защиты РЗ, действующей на отключение катушки КО выключателя В через его блок- контакты БК так же, как в схемах, показанных на рис. 92 и 93.
В схеме АПВ на выключателе В имеется дополнительный блок- контакт БКВ, который в отличие от блок-контакта БК при отключении выключателя В не размыкается, а замыкается. При срабатывании реле АПВ через промежуточное реле РПВ замыкается цепь включающей катушки выключателя КВ. Операции включения и отключения можно выполнить от руки при помощи кнопок «Вкл.» и «Отк.».
Схемы автоматического включения резерва (АВР) по принципу своего действия аналогичны схемам АПВ, но действуют на выключатель резервной линии питания или резервного агрегата.
