§6.2. РЕЛЕ ЗАЩИТЫ
Классификация реле защиты
Реле могут быть электрическими, газовыми, механическими и др. Электрические реле можно подразделить:
по принципу действия — на электромагнитные, индукционные, электронные, тепловые и др.;
по роду воспринимаемой величины, вызывающей срабатывание, — на токовые, напряжения, мощности, температуры и т. д.;
по способу коммутации цепи — на контактные и бесконтактные;
по способу включения — на первичные и вторичные;
по способу воздействия на выключатель — прямого и косвенного действия.
Рис. 6.1. Принципиальные схемы включения реле максимального тока: а — первичное реле прямого действия; б — вторичное реле косвенного действия
На рис. 6.1, а приведена принципиальная однолинейная схема первичного реле прямого действия. Такое реле нашло применение, например, в автоматических воздушных выключателях, широко распространенных в судовых установках. Когда ток в обмотке реле 1 достигнет установленной величины, сердечник 2 втянется в катушку и сбросит защелку 3 выключателя. Под действием пружины выключатель отключится.
Достоинство первичного реле прямого действия в том, что для срабатывания оно не требует специального источника оперативного тока. Ценно и то, что реле не имеет подвижных контактных систем.
Недостаток этого типа реле — затруднен доступ к реле, так как его обмотка находится постоянно под рабочим напряжением. Кроме того, при к. з. ток через реле велик и его термические и динамические действия значительны; механическая работа, выполняемая реле, также значительна, и поэтому реле приходится выполнить массивным. Точность и чувствительность такого реле невысоки.
Большое распространение получило вторичное реле косвенного действия, схема включения которого изображена на рис. 6.1,б. Достоинство таких реле в том, что их можно проверять и регулировать в безопасных условиях работы установки, так как они удалены от выключателя и цепи. Реле выполняет небольшую механическую работу, и это позволяет сделать реле точными и чувствительными. Кроме того, термические и динамические воздействия на обмотку, включаемую во вторичную цепь трансформаторов тока, не будут значительными,
Недостаток реле косвенного действия в том, что оно нуждается в источнике оперативного тока, а схема включения несколько сложнее схем для реле прямого действия.
В качестве оперативного тока в схемах защит применяют постоянный или переменный ток.
При применении постоянного оперативного тока чаще всего используют аккумуляторные батареи, удобные тем, что они являются независимыми источниками тока, обеспечивающими надежное питание релейной защиты при любом состоянии защищаемой установки. Однако они дороги и обслуживание их хлопотливо. Поэтому применение аккумуляторных батарей считают оправданным только в схемах сложных защит и там, где батареи одновременно используются и для других целей, как это имеет место на судах (питание сети аварийного освещения и т. д.).
В качестве источника переменного оперативного тока можно использовать защищаемую цепь. Однако нужно иметь в виду, что при коротком замыкании напряжение в защищаемой цепи резко понижается, поэтому строить защиты от токов к. з. следует, используя не напряжение, а ток цепи (например, путем включения специального трансформатора тока). Напряжение защищаемой цепи для релейных защит используют лишь тогда, когда защита должна срабатывать при аварии, не связанной с понижением междуфазного напряжения цепи (при замыкании на землю одной из фаз сети с незаземляемой нейтралью).
Заметим, что применение в схемах защит оперативного переменного тока, удешевляющего и упрощающего электрические установки, находит все большее распространение на судах морского флота (ледокол «Ленинград» и др.).
Устройство электромагнитных и индукционных реле защиты
Из распространенных электромагнитных и индукционных реле следует рассмотреть прежде всего следующие.
Электромагнитное токовое реле универсальных автоматических выключателей серии АВ принадлежит к числу первичных реле прямого действия. Оно состоит (рис. 6.2) из неподвижного магнитопровода 2, якоря 16, вращающегося на оси 15, укрепленной в магнитопроводе, обмотки реле 18, присоединенной к шинкам 1, 17. Скоба 9 связана с пружинами 14 и 3 и тягами 8 и 6 соединена с часовым механизмом, заключенным в корпус 7.
При токах перегрузки якорь 16 преодолевает усилие пружины 3 и усилие со стороны анкерного устройства часового механизма и притягивается к магнитопроводу 2 это вызывает удар бойка 13 по валу 12 и отключение АВВ.
Минимальное значение тока в обмотке реле, при котором оно срабатывает, называется током срабатывания реле Iср.
Величину тока срабатывания реле при перегрузках изменяют натяжением пружины 3, которое контролируют при помощи указателя 4, скользящего по шкале 5, градуированной на ток срабатывания.
Время срабатывания реле при токах перегрузки может регулироваться в пределах от 1 до 10 сек установкой указателя на шкале реле между отметками «мин» и «макс».
При очень больших токах сила притяжения якоря 16 к сердечнику столь значительна, что практически сразу растягивается пружина 14, при этом якорь 16 отрывается от скобы 9 и АВВ срабатывает без выдержки времени.
Рис. 6.2. Реле максимального тока выключателей типа АВ
Величину тока мгновенного срабатывания реле (ток отсечки) изменяют натяжением пружины 14, которое контролируют при помощи указателя 11 и шкалы уставок тока срабатывания отсечки 10.
При уменьшении тока через обмотку якорь реле вернется в исходное положение. Максимальное значение тока, при котором якорь реле возвращается в исходное положение, называется током возврата реле Iвр.
Отношение тока возврата к току срабатывания называется коэффициентом возврата реле и обозначается kв.
Напомним, что характеристика универсального АВВ с рассматриваемым электромагнитным реле ограниченно-зависимая (§ 5.5).
Индукционное реле мощности ИМ-149 (рис. 6.3) принадлежит к числу вторичных реле косвенного действия. Оно получило распространение в схемах направленной защиты судовых генераторов. Индукционная система реле состоит из двух электромагнитов (рис. 6.3, а): трехстержневого верхнего 1 и подковообразного нижнего 2 и расположенного между ними алюминиевого диска 3, закрепленного на оси. На нижнем электромагните расположена обмотка напряжения, включаемая в цепь трансформатора напряжения, на верхнем — токовая обмотка, включаемая в цепь трансформатора тока. Подвижный контакт связан через шестеренчатую пару с осью диска. Реле срабатывает — замыкает неподвижный контакт, когда диск поворачивается в сторону замыкания контактов.
Рис. 6.3. Принципиальная схема устройства индукционного реле мощности с диском (а) и векторная диаграмма токов и напряжений реле мощности (б)
Реле снабжено пружиной, удерживающей контакты в разомкнутом состоянии, и постоянным магнитом, обеспечивающим зависимую характеристику реле и уменьшающим время инерционного выбега диска.
Как известно, для создания вращающего момента индукционная система должна иметь не менее двух переменных во времени магнитных потоков, сдвинутых друг относительно друга в пространстве и по фазе. В рассматриваемом индукционном реле магнитные потоки ФU Ф1, создаваемые токами IU и Iр, сдвинуты в пространстве. Вместе с тем потоки сдвинуты друг относительно друга и по фазе, что видно из векторной диаграммы, приведенной на рис. 6.3,б.
На диаграмме за исходный принят вектор напряжения Up. Ток Iр отстает от напряжения Uρ на угол φρ, который, если пренебречь угловыми погрешностями трансформатора тока и трансформатора напряжения, равен углу сдвига между током и напряжением в сети. Ток в обмотке напряжения IU сдвинут по отношению к Up на угол γ, определяемый параметрами обмотки напряжения реле.
Соответствующие токам Iр и U н. с. поддерживают магнитные потоки ФI и ФU, каждый из которых сдвинут соответственно по отношению к токам Iр и U на угол δр, определяемый потерями на перемагничивание сердечника и размагничивающим действием токов, наводимых в диске и сердечнике. Таким образом, угол сдвига между магнитными
Таким образом, с изменением направления мощности на контролируемом участке знак вращающего момента реле меняется на обратный.
Реле мощности допускает регулировку мощности срабатывания путем изменения при помощи штепсельного устройства числа витков токовой обмотки и времени срабатывания путем изменения пути, проходимого подвижным контактом до его замыкания с неподвижным.
Рис. 6.5. Принципиальная схема устройства реле времени серий ЭВ-120 и ЭВ-130
Параметры контуров подбирают так, чтобы при частоте
Индукционное реле частоты ИВЧ-01 (рис. 6.4) также принадлежит к числу вторичных реле косвенного действия. Реле имеет четырехполюсную магнитную систему (ярмо) 1 и ротор 2 в виде барабанчика, на котором укреплен подвижный контакт 3. Магнитные потоки и Ф2 сдвинуты в пространстве. При отклонении частоты сети от номинальной потоки смещаются также и по фазе. В самом деле: индуктивность обмотки, расположенной на ярме 1, вместе с емкостью конденсатора С образуют индуктивно-емкостный контур реле с током I1; индуктивность второй обмотки, расположенной на полюсах, вместе с активным сопротивлением R образуют индуктивно-активный контур реле с током I2.
Реле допускает регулировку частоты срабатывания путем изменения величины сопротивления R. Собственное время срабатывания реле составляет 0,25—0,3 сек, если скорость снижения частоты 0,7—1 %.
Электромагнитное реле времени серии ЭВ применяется для замедления действия схем некоторых защит, т. е. для получения выдержки времени, которая чаще всего создается путем искусственного увеличения времени от начала движения якоря реле до момента замыкания контактов его вторичной цепи. Наиболее часто для этого используют часовые механизмы, иногда же применяют торможение вихревыми токами или гидравлические устройства.
На рис. 6.5 показана распространенная принципиальная схема выполнения электромагнитного реле времени с часовым механизмом. При работе реле якорь 2 втягивается в обмотку 3. При этом сектор теряет упор и под действием предварительно натянутой пружины 10 начинает поворачиваться около своей оси в направлении движения часовой стрелки. Сектор 11 связан с часовым механизмом через промежуточные зубчатые передачи 4 часового механизма. Основным элементом часового механизма является анкерное колесо 5 со скобой 6. При движении сектора 11 анкерное колесо поворачивается до тех пор, пока нижний зуб скобы 6 не упрется в соответствующий зуб колеса 5. На некоторое время колесо 5 остановится. Однако под действием силы давления зуба колеса 5 на зуб скобы 6 последняя повернется, колесо расцепится со скобой и повернется на один зуб, пока не будет остановлено опустившимся верхним зубом скобы 6. Верхний зуб скобы силой давления зуба колеса также будет отброшен, и колесо 5 повернется еще на один зуб и снова остановится. Анкерное колесо 5 движется прерывисто и ограничивает скорость движения сектора.
Выдержка времени реле определяется скоростью движения сектора 11 и начальным расстоянием от контактов 8 до неподвижных контактов 9. Соответственно выдержка времени может регулироваться изменением расстояния между контактами (перемещением контакта 9), а также перемещением инерционного груза 7, благодаря чему изменяется момент инерции анкера и, значит, скорость движения сектора 11.
При прекращении протекания тока по обмотке электромагнита пружина 1 подтягивает якорь реле, поворачивает в исходное положение сектор 11 и растягивает пружину 10, подготавливая реле к новому циклу работы.
Полупроводниковые релейные бесконтактные элементы и реле в схемах защиты
Наряду с широким распространением в схемах защит электрических судовых систем контактных реле (электромеханических и др.) в последнее время получают распространение бесконтактные полупроводниковые реле и элементы.
Рис. 6.6. Схема усилителя с эмиттерной (последовательной) обратной связью
Контактные реле принадлежат к аппаратам дискретного действия, они по существу являются логическими элементами, в которых используется двоичная система счисления, т. е. различаются только два положения контактов: замкнутое — положение «да» или «1» (выход есть) и разомкнутое — положение «нет» или «0» (выхода нет).
Схемы защит следует отнести к логическим схемам, поэтому в них наряду с контактными реле можно применять другие пассивные элементы дискретного действия, способные выполнять основные логические операции: полупроводниковые диоды, транзисторы, работающие в режимах насыщения и отсечки, логические элементы и др.
Из полупроводниковых релейных элементов и реле, получивших распространение в схемах защит на судах, кратко рассмотрим следующие.
Релейный усилитель с эмиттерной (последовательной) обратной связью (рис. 6.6) широко используется в схеме защиты генераторов от перегрузки (см. рис. 6.17). Он представляет собой двухкаскадный усилитель с общим эмиттером, выполненный на триодах (транзисторах) Т1 и Т2. Оба каскада включены на общее напряжение питания U0. Работа двухкаскадного усилителя подробно рассматривается в курсе «Элементы судовой автоматики». Особенность рассматриваемого усилителя — в эмиттерной обратной связи, которая обеспечивается с помощью общего сопротивления R0, включенного в цепь эмиттеров. Эмиттерный ток триодов Т1 и Т2 создает на сопротивления R0 падение напряжения Uo (напряжение обратной связи), которое включено последовательно с напряжением сигнала управления.
Если потенциал базы триода Т1 получит по отношению к эмиттеру положительное приращение, то триод Т1 будет закрываться, а триод Т2 открываться, при этом ток обратной связи через R0, равный сумме эмиттерных токов триодов, возрастет, следовательно, возрастет и U0, а вместе с ним потенциал точки 1 на входе триода Т1.
Если потенциал точки 1 понизится, то Т1 будет открываться, а Т2 закрываться; при этом Uo уменьшится, следовательно, потенциал точки 1 дополнительно уменьшится.
Таким образом, включение сопротивления R0 в цепь эмиттеров приводит к таким дополнительным изменениям потенциала входа, которые увеличивают первоначальное изменение его потенциала. Такая связь называется, как известно, положительной обратной связью. Влияние обратной связи тем сильнее, чем больше сопротивление R0. С увеличением R0 увеличивается крутизна характеристики Iкз=f(Uвх), и при R0 ≥R0кp знак крутизны меняется — наступает релейный режим, т. е. режим, в котором при плавном изменении входного сигнала при достижении им значения напряжения срабатывания или напряжения отпускания выходной сигнал (ток нагрузки) изменяется скачком. Таким образом, по аналогии с контактным реле рассматриваемый усилитель может иметь нормально открытые или нормально закрытые «контакты».
Обратим внимание на то, что при активно-индуктивном характере нагрузки на выходной триод для защиты его от перенапряжений, возникающих при резком закрытии триода, нагрузку шунтируют диодом.
Релейный режим может обеспечить также усилитель с коллекторной (параллельной ) обратной связью и др.
Реле времени с интегрирующей RС-цепочной получило широкое распространение. Большинство схем защиты включает в себя реле времени, замедляющее срабатывание выходного реле управления последующими блоками на время, необходимое для заряда (разряда) емкости в RС-цепочке до установленного порогового значения.
На рис. 6.7, а представлена схема блока выдержки времени с характеристикой, независимой от величины входного сигнала. В рассматриваемой схеме, пока триод Т1 (например, выходной триод релейного усилителя) открыт, он шунтирует емкость С. Когда входной сигнал полностью закроет Т1, емкость С станет заряжаться от напряжения питания схемы Un. Выдержка времени определяется постоянной времени R1C и отношением Uвых/Uп. При постоянном напряжении стабилизации стабилитрона Д и постоянном Un время выдержки не зависит от Uвх, однако Uвх должно быть достаточно для закрытия Т1.
Если реле времени должно работать не после закрытия входного триода, а после его открытия, то схема блока несколько изменяется (рис. 6.7,б). Пока входной сигнал поддерживает триод Т1 в закрытом состоянии, конденсатор С заряжен, триод Т2 открыт. После того как входной сигнал откроет триод Т1, конденсатор начинает разряжаться, поддерживая некоторое время ток через переход эмиттер — база триода Т2. Через время (выдержку времени), определяемое постоянной когда конденсатор разрядится, триод Т2 запирается.
Рис. 6.7. Схемы реле (блоков) выдержки времени
Рис. 6.8. Схемы полупроводниковых реле:
а — схема реле защиты от тока короткого замыкания; б—схема реле защиты от тока перегрузки
На рис. 6.8, а представлена схема реле к. з. полупроводникового расцепителя АВВ типа А-3700. Она выполнена на базе импульсного реле на транзисторах Т1 и Т2 разной проводимости и выходного транзистора Т3. Пока амплитуда входных импульсов ниже напряжения пробоя Д1, все транзисторы находятся в состоянии отсечки, конденсатор С разряжен, напряжения на выходе реле нет.
Когда амплитуда входных импульсов превысит напряжение пробоя Д1, в реле формируется импульс, в течение которого все транзисторы находятся в насыщенном состоянии, С заряжается почти до напряжения питания. По окончании импульса Т1 и Т2 закрываются, Т3 остается открытым на время перезаряда С, Д2 закрыт падением напряжения на R2, которое выше напряжения питания. При напряжении на С, близком к нулю, Д2 откроется и Т3 запрется. Постоянная времени (R1+R2)C>>R3С и выбирается так, чтобы время от начала заряда С до закрывания Т3 было больше периода повторения входных импульсов, поэтому на выходе реле получается постоянный сигнал, пока входные импульсы превышают порог срабатывания реле.
Реле перегрузки полупроводникового расцепителя (рис. 6.8, б) выполнено на диодах. Пока перегрузки в сети нет, напряжение на С1 по абсолютной величине меньше опорного напряжения, снимаемого с делителя R5—R9, диод Д5 открыт — реле отключено. Через открытый диод Д5 и конденсатор С2 импульсы с выхода блокинг-генератора поступают на вход «сброс» магнитного накопительного счетчика [1].
При увеличении тока в сети до тока уставки напряжение на С1 увеличивается и диод Д5 закрывается — реле срабатывает, поступление импульсов на вход «сброс» прекращается, и начинается отсчет выдержки времени.
Диод Д3 применен для предотвращения разряда С1 через R1. Термистор R9 совместно с R7 и R8 обеспечивает термическую стабилизацию уставки тока перегрузки. Диод Д4 ограничивает напряжение на С при значительной величине входного сигнала.
