Электромагнитные реле тока и напряжения - Устройство и конструкция реле РНТ

Основными элементами реле РНТ являются промежуточный трансформатор (НТТ) и исполнительный орган - реле РТ-40 или ЭТ-521 (рис.9).
Промежуточный НТТ имеет два назначения:
обеспечивает отстройку реле от токов небаланса при переходных процессах;
служит одновременно для выравнивания магнитодвижущих сил (МДС), возникающих под действием различных по величине вторичных токов в плечах дифференциальной защиты.
Промежуточный НТТ имеет трехстержневой сердечник. На левом стержне расположена вторичная обмотка к>вт, к которой подключено исполнительное реле. На среднем стержне магнитопровода расположены три или две первичные обмотки wn, включаемые в токовые цепи дифференциальной защиты. Кроме того, на среднем и правом стержнях размещены две секции w'K и w^ короткозамкнутой обмотки, используемой для улучшения отстройки зашиты от "бросков" намагничивающих токов силовых трансформаторов и токов небаланса в переходном режиме при внешних КЗ.
При повреждении в зоне действия дифференциальной защиты, когда ток в первичной обмотке /п быстро делается синусоидальным, происходит непосредственная трансформация из первичной обмотки к>п во вторичную wBT и в часть короткозамкнутой обмотки w^., откуда он поступает в другую часть короткозамкнутой обмотки м/^. Магнитные потоки среднего и правого стержней Фсред и Фк суммируются и образуют поток в левом стержне, обусловливающий ток /2 во вторичной обмотке к>вт и обмотке реле/01. Таким образом, переменный ток из первичных обмоток трансформируется двумя путями: при помощи прямой трансформации из к>„ во вторичную обмотку и двойной трансформацией из wn в и>к, а затем из в wBT. При токе /2, превышающем ток срабатывания реле, защита действует.
При внешних КЗ апериодическая составляющая практически не трансформируется в короткозамкнутый контур. Апериодическая слагающая первичного тока /п создает в среднем стержне апериодический поток, разветвляющийся в левый и правый стержни.

Рис.9. Принцип выполнения репе РНТ
Апериодические потоки в среднем и правом стержнях ухудшают трансформацию из обмотки и>п в обмотку и>к, а затем и в обмотку wBT (за счет насыщения стержней). Апериодический поток среднего и левого стержней уменьшает прямую трансформацию переменного тока из первичной обмотки во вторичную wBT и дополнительно ухудшает вторичную трансформацию из короткозамкнутой обмотки в обмотку wBT. Таким образом, апериодический ток особенно сильно ослабляет двойную трансформацию, этим и достигается значительное увеличение тока срабатывания (загрубление) реле при наличии апериодической слагающей. При увеличении числа витков короткозамкнутой обмотки иЛи уменьшении сопротивления RK двойная трансформация проявляется сильнее, и, следовательно, сильнее действует апериодический ток на загрубление реле.
Но, изменяя число витков короткозамкнутой обмотки, важно сохранить неизменной уставку реле по переменному току, т.е. МДС срабатывания Fcp при подаче в первичную обмотку тока, не содержащего апериодической составляющей, не должна зависеть от изменения условий двойной трансформации.
На реле РНТ старого исполнения (РНТ-562 - РНТ-564) число витков короткозамкнутой обмотки регулируют обычно таким образом, чтобы отношение w'^/w'^ оставалось постоянным. В этом случае магнитные потоки в среднем Фсред и правом Фк стержнях насыщающегося трансформатора обеспечивают неизменный результирующий поток в левом стержне Фр, что обусловливает неизменность уставки реле по переменному току.
Если в цепь короткозамкнутой обмотки ввести активное сопротивление RK при неизменном числе витков w^. и w^, то им можно влиять на двойную трансформацию тдк же, как и изменением числа витков короткозамкнутой обмотки. При этом поток двойной трансформации Фк проявляется сильнее при уменьшении Фк. У реле новых образцов (РНТ-565 - РНТ-567) уставка на короткозамкнутой обмотке регулируется активным сопротивлением RK, включенным последова-
Рис.10. Кривые, характеризующие коэффициент смещения Ксм при:
а - синусоидальном токе; б - несинусоидальном токе
тельно в цепь короткозамкнутой обмотки. Число витков короткозамкнутой обмотки не регулируется.
Таким образом, при наличии в токе /п, проходящем в первичной обмотке НТТ, апериодической составляющей автоматическое загрубление реле происходит по двум причинам: из-за насыщения сердечника НТТ и за счет влияния короткозамкнутой обмотки, которая особенно сильно ослабляет трансформацию части периодической составляющей тока небаланса, претерпевающей двойную трансформацию.
Поведение реле РНТ в схемах дифференциальных защит при внешних КЗ и включениях силовых трансформаторов под напряжение, т.е. в переходных режимах с апериодической составляющей, оценивают косвенно по характеристикам зависимости относительного тока срабатывания реле от коэффициента смещения.
Относительный ток срабатывания

где /срл1 —переменная составляющая тока срабатывания при наличии постоянной (апериодической) составляющей; /ср я-„ — синусоидальный ток срабатывания реле при отсутствии постоянной (апериодической) составляющей.
Коэффициент смещения к = /см.а//срл1,где/см.а — постоянная (апериодическая) составляющая тока в реле; /ср п —та же, что и в предыдущей формуле, переменная составляющая тока срабатывания при наличии постоянной (апериодической) составляющей.
Коэффициент смещения, равный отношению постоянного тока под- магничивания реле к действующему значению переменного тока при срабатывании реле, характеризует смещение кривой тока относительно оси времени при заданной форме кривой тока. Так, при синусоидальной форме тока полное смещение кривой относительно оси времени получается при /а, равном амплитудному значению переменной составляющей 1тах, т.е. /а = 1тах = у/21 ср ,п. В этом случае ксм- у/2 = 1,41 (рис.10,а).

Токи небаланса в реле дифференциальных защит имеют несийусои- дальную форму, поэтому полное смещение кривой тока относительно оси времени получается при меньших коэффициентах смещения. Например, при форме кривой тока, изображенной на рис.10, б, коэффициент смещения примерно равен 0,9. 24

Рис.11. Характеристики загрубления дифференциальных реле с НТТ:
а - для реле РНТ-562, РНТ-563; А-А, Б-Б, В-В, Г-Г - при разных отпайках короткозамкнутой обмотки; 0—0 - при разомкнутой короткозамкнутой обмотке; б - для реле РНТ-565, РНТ-566, РНТ-566/2, РНТ-567, РНТ-567/2
При заводских и лабораторных испытаниях реле РНТ зависимости относительного тока срабатывания /ср-отн от коэффициента смещения ксм снимаются путем одновременной подачи в первичную обмотку реле переменного и постоянного тока, которым заменяют апериодическую составляющую.
При заданном числе витков короткозамкнутой обмотки и неизменном постоянном токе постепенно увеличивают переменный синусоидальный ток до срабатывания реле. Затем изменяют постоянный ток, опыт повторяют и т.д. Полученные точки наносят на график и по ним строят кривую загрубления реле при определенном числе витков wK. При большем числе витков wK у реле старых модификаций или меньших RK у реле новых модификаций кривая располагается выше, что указывает на более высокую степень загрубления реле. Кривые строятся в относительных единицах (рис.11).
По горизонтальной оси графика отложены коэффициенты смещения ксм = /а//Ср.п, по вертикальной оси — относительные токи срабатывания /ср.отн = /ср п//ср Sjn. При отсутствии апериодической составляющей отношение /ср п//ср = 1, что соответствует начальной точке всех кривых.
Характеристики загрубления реле, снятые указанным выше способом, достаточно точно характеризуют поведение, реле в первые моменты КЗ в зоне дифференциальной защиты, когда в реле одновременно с синусоидальными токами повреждения проходит апериодическая составляющая тока.
Однако для условий внешних КЗ и включений силовых трансформаторов под напряжение приведенная выше методика дает только приближенную картину поведения реле, так как в этих случаях в токовых цепях защиты циркулируют несинусоидальные токи.

Рис.12. Принципиальные схемы включения реле РНТ в дифференциальную защиту трансформаторов:
а - включение РНТ-562; б то же РНТ-563
Поэтому при новом включении в программу проверки дифференциальных защит трансформаторов и автотрансформаторов вносится пункт по опытному определению надежности отстройки реле РНТ от бросков намагничивающего тока.
Компенсация неравенства МДС, возникающих под действием вторичных токов в плечах дифференциальной защиты, достигается специальным включением первичных обмоток реле РНТ.
На рис.12, а показана упрощенная схема включения реле РНТ-562 (РНТ-565) в одну фазу токовых цепей дифференциальной защиты
двухобмоточного трансформатора. Одна из трех первичных обмоток wp (рабочая) включается в дифференциальную цепь защиты, по которой проходит разность токов /j и /2. Первичные обмотки wjyp и W[iyp (уравнительные) используются специально для компенсации неравенства МДС, обусловленных токами, поступающими от каждого плеча защиты.
В схеме защиты двухобмоточного трансформатора достаточно использовать одну уравнительную обмотку wjyp. Как правило, непосредственно к рабочей обмотке подключают цепи трансформаторов тока той стороны, где вторичный ток больше, а к уравнительной обмотке — от трансформаторов тока с меньшим вторичным током. Число витков и взаимная полярность уравнительной и рабочей обмоток выбираются из следующих соображений.
Чтобы при внешнем КЗ или под нагрузкой ток в исполнительном реле отсутствовал, ЭДС на wBT должна быть равна нулю. Данное условие выполняется только в том случае, если сумма всех потоков в магнитопроводе равна нулю. Магнитные потоки создаются током/2, который проходит по обмоткам и>1ур и vvp, а также током/1, который проходит по обмотке wp.
Чтобы результирующий магнитный поток равнялся нулю, необходимо потоки, создаваемые токами _/J и /2, сделать одинаковыми по значению и противоположными по направлению. Поскольку величина магнитного потока пропорциональна МДС, равенство Фх = Ф2 можно выразить через токи и витки

Число витков рабочей обмотки определяется по выражению

где Fcр - МДС срабатывания реле (величина для данного типа реле постоянная, известная из его паспорта); 1'ср - вторичный ток срабатывания защиты (ток в первичных обмотках НТТ, при котором реле срабатывает), отнесенный к расчетной стороне защищаемого трансформатора.
При известном числе витков рабочей обмотки легко найти необходимое число витков уравнительной обмотки:

Взаимная полярность уравнительной и рабочей обмоток должна быть такой, чтобы направление результирующего потока от тока £х в рабочей обмотке было противоположно направлению потока от тока /а в рабочей и уравнительной обмотках (на рис.12 полярности обмоток
отмечены точками). В рабочей обмотке РНТ-562 и РНТ-565 проходит алгебраическая сумма токов, поступающих от всех плеч дифференциальной защиты. Магнитный поток, возникающий при внешнем коротком замыкании или в нормальном режиме от тока/р, уравновешивается магнитными потоками уравнительных обмоток.
При КЗ в защищаемой зоне магнитные потоки рабочей и уравнительных обмоток суммируются, обеспечивая надежное действие реле. Рабочая обмотка реле РНТ-562, РНТ-565, включаемая в дифференциальную цепь защиты, мало влияет на загрузку трансформаторов тока, так как при внешнем КЗ и в нормальном режиме по ней проходит разность токов, проходящих в плечах защиты, _/р ~1\ -^-Уравнительные обмотки, которые включаются в плечи защиты, обтекаемые полным током внешнего короткого замыкания (или нормального режима), являются дополнительной нагрузкой на трансформаторы тока. Поэтому при расчете необходимо учитывать полные сопротивления уравнительных обмоток.
Реле РНТ-563, РНТ-564, РНТ-566, РНТ-567 не имеют специальной обмотки, включаемой в дифференциальную цепь защиты:
На рис.12, б показан пример принципиальной схемы включения первичных обмоток таких реле в токовые цепи защиты. Полярности и числа витков обмоток выбираются из такого расчета, чтобы при внешнем коротком замыкании и в нормальном режиме сумма магнитных потоков, создаваемых токами обмоток wjp, wj]p, и>щр, равнялась нулю.
При повреждении в защищаемой зоне магнитные потоки, обусловленные МДС первичных обмоток, суммируются и обеспечивают срабатывание реле. Реле с несколькими рабочими обмотками применяются, в частности, в следующих случаях: 1) при использовании трансформаторов тока с различными номинальными вторичными токами 5 и 1 А, 2) при использовании в защите установки одного напряжения (дифференциальная защита шин) трансформаторов тока с разными коэффициентами трансформации, например 1500/1 и 750/1.
В зтих случаях значения токов, поступающих от разных плеч защиты, сильно отличаются друг от друга. Реле с независимыми рабочими обмотками оказываются конструктивно более целесообразными по сравнению с реле, в котором токи суммируются в дифференциальной обмотке, а небаланс компенсируется за счет магнитных потоков уравнительных обмоток.
Реле РНТМ, представляющее собой модернизированный вариант реле РНТ, обеспечивает повышенную чувствительность дифференциальных токовых защит к внутренним КЗ. Если в большинстве случаев ток срабатывания дифференциальных защит, выполненных с помощью реле РНТ, составляет 1,3—1,7 номинального тока защищаемого присоединения (см. § 6), то реле РНТМ позволяют иметь уставку порядка (0,3-0,5) /ном.

Рис.13. Структурная схема реле РНТМ
Благодаря несинусоидальности токов небаланса в переходном и установившемся режимах внешнего КЗ и при бросках намагничивающего тока удалось сконструировать специальное полупроводниковое устройство, автоматически увеличивающее при несинусоидальной форме тока в реле ток срабатывания реле в требуемое число раз [7]. При внутренних КЗ, когда ток в реле близок к синусоидальному, устройство не срабатывает и реле не загрубляется.
Полупроводниковое устройство, которым комплектуется модернизированное реле РНТ, состоит из устройства детектирования формы дифференциального тока, канала загрубления по току плеча и полупроводникового ключа. Структурная схема реле РНТМ показана на рис.13.
Входным элементом по отношению к устройству детектирования формы дифференциального тока (позиция 8) является трансформатор TAV, первичная обмотка которого включена в короткозамкнутую цепь НТТ; при этом ток в короткозамкнутой цепи в требуемом для -эффективной работы устройства детектирования диапазоне пропорционален дифференциальному току.
Вторичная обмотка трансформатора TAV через схему расщепления 1, выпрямительный мост 2, корректирующий элемент 3, инерционный элемент 4, схему сравнения 5 и расширитель импульсов 6 подключена к полупроводниковому ключу 7.
При возникновении пауз в дифференциальном токе во вторичном напряжении трансформатора TAV появляются интервалы времени, в которые напряжение U2 на выходе инерционного элемента 4 превышает напряжение Ux на выходе корректирующего элемента 3. При этом на выходе схемы сравнения 5 появляется импульс напряжения
иэ, который сглаживается расширителем импульсов 6 и преобразуется в постоянное напряжение С/4, поступающее на вход полупроводникового ключа (симистора) 7. При этом ключ открывается и подключает параллельно исполнительному органу КА регулируемый резистор R'm, что приводит к загрублению реле.
При отсутствии пауз в дифференциальном токе, что соответствует протеканию синусоидального тока при КЗ в защищаемой зоне, устройство детектирования формы дифференциального тока не срабатывает. При синусоидальном токе напряжение Ui больше напряжения t/2 {U\ ~
1,2С/2). В этом случае напряжение U3 на выходе схемы сравнения равно нулю, полупроводниковый ключ не включается, и загрубления реле не происходит.
В дифференциальных защитах некоторых видов оборудования, таких, как, например, понижающие трансформаторы с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), возможно протекание значительных синусоидальных токов небаланса при внешних КЗ, когда устройство детектирования формы дифференциального тока не действует. Для предотвращения излишнего срабатывания дифференциальной защиты в устройство дополнительно введен гак называемый канал загрубления по току плеча, состоящий из промежуточного трансформатора тока ТА, переменного резистора R11, выпрямительного моста 9, сглаживающего фильтра 10, порогового устройства 11. При превышении током плеча максимального значения тока нагрузки защищаемого присоединения срабатывает пороговое устройство 11 и на вход полупроводникового ключа 7 поступает сигнал, что приводит к открытию ключа и, как следствие, загрублению реле.
Таким образом, реле РНТМ имеет два тока срабатывания: низший ток срабатывания /ср j — при КЗ в защищаемой зоне, когда полупроводниковое устройство не срабатывает, и высший ток срабатывания /ср2 — при прохождении токов небаланса в режиме внешнего КЗ и при бросках намагничивающего тока, когда полупроводниковое устройство срабатывает.
Кратность изменения тока срабатывания характеризуется коэффициентом изменения тока срабатывания:

Для дифференциальных защит с реле РНТ, уже находящихся в эксплуатации, разработано автономное устройство для детектирования искажения формы дифференциального тока, принцип действия которого аналогичен принципу действия устройства в реле РНТМ [7].
Конструктивно реле всех перечисленных выше типов выполнены одинаково. Насыщающийся трансформатор тока, исполнительное токовое реле, пластмассовые контактные колодки (рис.14), а у реле РНТМ и специальное полупроводниковое устройство установлены на металли-

Рис.14. Общий вид реле РНТ:
а - РНТ-565 - РНТ-567 (со снятой штепсельной колодкой), исполнение с задним присоединением; б - РНТ-562, исполнение с передним присоединением; в - насыщающийся трансформатор тока
ческом цоколе 1 и закрываются застекленным кожухом 2. На среднем стержне магнитопровода 12 расположена катушка 3, содержащая:
у реле РНТ-563, РНТ-566 - три независимые, а у реле РНТ-563/2, РНТ-564, РНТ-566/2, РНТ-567, РНТ-567/2 - две независимые рабочие обмотки, а также секцию w^ короткозамкнутой обмотки;
у реле РНТ-562, РНТ-565 - рабочую и две уравнительные обмотки, а также секцию w'K короткозамкнутой обмотки.

Рис.15. Основные размеры реле РНТ:
а — переднее присоединение; б - заднее присоединение

На правом стержне расположена катушка 4 с секцией w^ короткозамкнутой обмотки, на левом — катушка 5 со вторичной обмоткой. Первичные обмотки (рабочие и уравнительные) имеют отпайки для изменения числа включенных витков, что производится установкой штепсельных винтов в соответствующие гнезда на пластинках 6, цифры около которых указывают число включаемых витков рабочих или уравнительных обмоток.
Рис.16. Разметка отверстий для установки и крепления реле РНТ:
а - переднее присоединение; б - заднее присоединение
Короткозамкнутые обмотки реле РНТ- 562 - РНТ-564 также имеют отпайки для изменения числа включенных витков, выведенные на металлическую пластинку 7.
Гнезда короткозамкнутых обмоток обозначены буквами. Минимальное число короткозамкнутых витков получается при установке штепсельных винтов в гнезда Л—Л, максимальное — при установке в гнезда Г—Г (см. рис.17,18).
Степень отстройки от переходных токов посредством короткозамкнутой обмотки реле РНТ-565 — РНТ-567 регулируется изменением сопротивления RK, включенного последовательно в цепь короткозамкнутой обмотки. При полностью введенном сопротивлении RK получается наименьшее загрубление реле, с уменьшением RK отстройка от действия апериодической составляющей первичного тока улучшается.
В качестве исполнительного органа в реле типов РНТ-565 — РНТ-567 применено реле РТ-40, в реле типов РНТ-562 - РНТ-564 - реле ЭТ-521. Принцип действия, описание конструкции, а также рекомендации по регулировке и наладке реле РТ-40 изложены в [6,9].
На шкале реле РТ-40 (ЭТ-521) нанесена черта, соответствующая нормальному положению указателя уставки — такому его положению, при котором при правильной регулировке исполнительного органа ток срабатывания получается следующий, А:
Реле РТ-40   0,17-0,16
Реле ЭТ-521          0,222-0,225

Для замера тока в исполнительном органе во всех типах реле РНТ цепь его обмотки выведена на колки 11—12 (рис.15), между которыми установлена съемная перемычка. Параллельно обмотке исполнительного органа реле РНТ-564 - РНТ-567 включено сопротивление Rm, с помощью которого можно в небольших пределах регулировать МДС срабатывания.
Реле РНТ всех типов могут применяться в схемах как с передним, так и с задним присоединением внешних проводов. Детали для переднего или заднего присоединения проводов (по требованию заказчика) поставляются заводом-изготовителем комплектно с реле. Доступ к зажимам 10-12 в схемах с передним присоединением проводов возможен только с внутренней стороны реле. Основные размеры реле РНТ показаны на рис.15, разметка отверстий в панели для установки и крепления реле РНТ - на рис.16.