Содержание материала

Принцип действия воспринимающего органа основных реле такой же, как и у электроизмерительных приборов. По принципу действия реле могут быть электромагнитные, индукционные, тепловые и др. В ряде случаев используют реле неэлектрического принципа действия, например поплавковые; их воспринимающим органом является поплавок, положение которого зависит от уровня жидкости в сосуде.
Основные реле по роду величины, на которую они реагируют, бывают максимального тока, подключаемые к вторичной обмотке трансформатора тока и реагирующие на увеличение тока в защищаемой цепи; максимального и минимального напряжений, подключаемые к вторичным обмоткам трансформаторов напряжения и реагирующие на увеличение или уменьшение напряжения в сети; направления мощности, реагирующие на величину и направление мощности в защищаемом участке; частоты и сопротивления (последние применяются в специальных видах защиты, поэтому в данной книге не рассматриваются).
К основным реле неэлектрического принципа действия относят газовые реле, применяемые для защиты трансформаторов от внутренних повреждений. Газовое реле реагирует на уменьшение объема масла при его вытеснении из резервуара реле скапливающимися там газами.
Основные реле подразделяют также на реле косвенного действия, воздействующие на отключающий механизм привода выключателя через другие вспомогательные реле и устройства, и реле прямого действия, непосредственно воздействующие на отключающий механизм привода выключателя.
Ниже рассматривается устройство основных реле, имеющих наиболее широкое применение.

Реле максимального тока

В токовых реле наименьшую величину тока, при которой реле надежно срабатывает, называют током срабатывания. Настройку реле на заданный ток срабатывания называют уставкой тока. Каждое токовое реле имеет определенные пределы уставок тока (например, от 5 до 10 а).
Характеристикой токового реле называют зависимость времени срабатывания реле от величины тока, протекающего через его воспринимающий орган (обмотку).
Некоторые токовые реле имеют механическое устройство для создания независимой от тока выдержки времени с момента достижения током величины уставки до момента срабатывания реле.
Уставкой времени называют настройку механизма выдержки времени реле на определенную величину времени в секундах. Механизм независимой выдержки времени реле имеет определенные пределы настройки (например, от 0 до 4 сек).

Реле косвенного действия.

В современных защитах большое распространение имеют реле косвенного действия серий ЭТ (электромагнитное токовое) и РТ (индукционное токовое).
Электромагнитное токовое реле ЭТ-500 (рис. 212) состоит из магнитопровода 1, на выступающих полюсах которого расположены обмотки 2. На оси реле закреплены стальной якорь 8, один конец спиральной противодействующей пружины 5 и подвижный контактный мостик 6. Второй конец пружины 3 закреплен в поводке указателя 5. Кроме того, реле имеет неподвижные оперативные (включаемые в цепь оперативного тока) контакты 7, шкалу уставок токов срабатывания 4 и зажимы 9 для соединения обмоток реле и подключения реле к питающей сети. Реле заключено в пластмассовый корпус со стеклянным окном у шкалы.
Когда ток протекает через обмотки реле, якорь 8 стремится притянуться к полюсам магнитопровода, чему препятствует пружина 5. При достижении током величины тока уставки момент вращения якоря становится больше противодействующего момента пружины, якорь поворачивается в сторону полюсов и контактный мостик 6 замыкает контакты 7, т. е. реле срабатывает. После отключения выключателя прекращается протекание тока через обмотки реле, и якорь 8 под действием пружины 3 возвращается в исходное положение. Контактный мостик 6 и контакты 7 размыкаются. Изменяя натяжение пружины 3 посредством передвижения указателя 5 по шкале 4, устанавливают заданную уставку тока срабатывания реле. Обмотки реле могут быть соединены между собой последовательно и параллельно. При изменении соединения обмоток с последовательного на параллельное ток срабатывания увеличивается вдвое.
Время срабатывания реле составляет сотые доли секунды.
В последние годы освоено производство электромагнитных реле максимального тока РТ-40. Конструкция этих реле более совершенна, чем реле ЭТ-500, поэтому выпуск последних прекращается.

Рис. 212. Устройство электромагнитного реле ЭТ-500:
1 — магнитопровод; 2 — обмотки; 3 — пружина; 4 — шкала; 5 — указатель; 6 — контактный мостик; 7 — неподвижные контакты; 8 — якорь; 9 — зажимы
Индукционное токовое реле РТ-80 (рис. 213) с зависимой от величины тока характеристикой времени срабатывания состоит из двух элементов: индукционного и электромагнитного.
Воспринимающим органом реле является токовая секционированная катушка 22 с семью выводами. Через посредство контактной колодки 20 с двумя переставными контактными винтами 21 определенное число витков (секций) катушки соединяется с вторичными обмотками трансформаторов тока, провода от которых присоединены к зажимам 15.
В зазоре между полюсами магнитопровода 1 помещен алюминиевый диск 8 индукционного элемента реле. Диск установлен на оси с червяком 11. Ось закреплена в подшипниках поворотной рамки 12, которая оттягивается пружиной 6. Наверху магнитопровода расположен качающийся якорь-коромысло электромагнитного элемента реле. Якорь-коромысло 19 закреплен на оси таким образом, что весом левого плеча рычага 14 опрокинут вниз.
Когда ток в катушке реле составит 20—30% тока уставки реле, диск 8 придет во вращение, при этом на него будут действовать две силы: F1 и F2. Сила F1 создается магнитопроводом 1, а сила F2 — постоянным магнитом 9. Эти взаимодействующие силы] и центробежная сила диска стремятся повернуть рамку 12 на оси 0—0 к зубчатому сектору 10, чему препятствует пружина 6.

Рис. 213. Устройство индукционного реле РТ-80:
1 — магнитопровод; 2 — короткозамкнутые витки; 3 — гайка; 4 — фасонный винт; 5 — стальная скоба; 6 — пружина; 7 — винт; 5 — диск; 9 — постоянный магнит; 10 — зубчатый сектор; 11 — червяк; 12 — рамка; 13 — движок; 14 —  рычаг; 15 — зажимы; 16 — оперативные контакты реле; 17 и 18 — регулировочные винты; 19 — стальной якорь-коромысло; 20 — контактная колодка;
21 — переставные контактные винты; 22 — катушка реле (обмотка)
Как только величина тока в катушке достигнет величины тока уставки и скорость вращения диска увеличится, сила противодействия пружины 6 будет преодолена, рамка повернется, и червяк 11, посаженный на ось диска, придет в зацепление с зубцами сектора 10.  При этом сектор 10 будет подниматься вверх до тех пор, пока укрепленный на его конце рычажок, ударившись в рычаг 14, не опрокинет якорь-коромысло 19. Якорь, притянувшись правым плечом к выступу на магнитопроводе, надежно замкнет рычагом 14 контакты 16, Стальная скоба 5 при повороте рамки 12 притягивается к магнитопроводу, обеспечивая надежность сцепления сектора с червяком.
Время срабатывания реле зависит от величины тока и расстояния, которое должен преодолеть сектор 10 от своего нижнего положения до якоря-коромысла. С увеличением тока возрастает скорость вращения диска и время срабатывания реле сокращается.

Рис. 214. Временная характеристика индукционного реле РТ-80 с независимой уставкой времени 2,5 сек и отсечкой, отрегулированной на восьмикратный ток уставки:
а — ток срабатывания реле; б — зависимая часть характеристики; в—независимая часть характеристики; г — отсечка

Однако магнитная система имеет предел насыщения, с наступлением которого скорость вращения диска не возрастает и время срабатывания зависит только от расстояния, которое должен пройти сектор от исходного положения до якоря-коромысла, т. е. в этом случае реле работает с независимой от тока выдержкой времени. С увеличением расстояния время срабатывания реле возрастает.
Исходное положение сектора 10 регулируют винтом 17, по которому перемещается движок 13, фиксирующий исходное положение сектора. Это устройство (детали 10,13 и /7) регулирует независимую от тока выдержку времени срабатывания реле. Наибольшая независимая выдержка времени для различных типов реле РТ-80 составляет от 4 до 13 сек.
Очень большие токи, в несколько раз превосходящие ток уставки индукционного элемента реле, приводят к мгновенному срабатыванию электромагнитного элемента. Это объясняется тем,

Рис. 215. Схема устройства и включения реле РТМ:
1 — трансформатор тока; 2 — сердечник; 3 — обмотка; 4 — ударник сердечника; 5 — рычажок привода; 6 — переключатель
что при больших токах в магнитопроводе реле возникает магнитный поток, силы которого достаточно для притяжения правого плеча якоря-коромысла к выступу магнитопровода без воздействия зубчатого сектора.

Такое действие электромагнитного элемента реле РТ-80 называют токовой отсечкой или просто отсечкой.
Ток срабатывания индукционного элемента регулируют в пределах от 4 до 10 а, изменяя число витков обмотки реле перестановкой контактных винтов 21 на контактной колодке 20. Ток отсечки регулируют, изменяя воздушный зазор между якорем-коромыслом 19 и магнитопроводом 1 посредством регулировочного винта 18.
Временная характеристика реле (зависимость выдержки времени от тока в обмотке реле) представлена на рис. 214.

Реле прямого действия.

Реле прямого действия РТМ и РТВ встраивают в привод выключателя, например в привод ПРБА или ППМ.
Схема устройства и включения реле РТМ (реле токового мгновенного действия) показана на рис. 215. Принцип действия реле основан на электромагнитных свойствах соленоида.
Обмотку (соленоид) 3 присоединяют к вторичной обмотке измерительного трансформатора тока 1. При протекании в обмотке реле тока, равного току уставки или большего, сердечник 2 втягивается внутрь соленоида. Ударник 4 сердечника с силой ударяет по рычажку 5 привода выключателя; привод отпирается и выключатель отключается. После отключения линии ток во вторичной обмотке трансформатора тока 1 протекать не будет и сердечник реле падает.
Реле имеет переключатель числа витков обмотки для уставок тока в 5, 7, 9, 11, 13 и 15 а.
Реле РТВ (реле токовое с выдержкой времени) устроено так же, но имеет не мгновенную, а ограниченно-зависимую характеристику времени действия. Его конструкция дополнена часовым механизмом, который препятствует мгновенному движению ударника вверх: он движется постепенно, по мере выбега часового механизма. Часовой механизм со шкалой уставок независимых выдержек времени расположен в нижней части реле.
Уставки выдержек времени лежат в пределах от 0 до 4 сек. Реле РТВ имеет уставки тока в 5, 6, 7, 8, 9 и 10 а.

Реле максимального и минимального напряжений

Реле напряжения косвенного действия ЭН (электромагнитное реле напряжения) изготовляют с поворотным якорем; их конструкция аналогична конструкции реле максимального тока ЭТ (см. рис. 212). В отличие от реле ЭТ реле ЭН имеют не токовые обмотки, а обмотки напряжения, которые подключают к измерительным трансформаторам напряжения.
Реле минимального напряжения реагирует на уменьшение напряжения и срабатывает, когда напряжение достигает значения уставки или падает ниже, поэтому якорь этого реле при нормальном напряжении притянут к полюсам магнитопровода, а его противодействующая пружина закручена.
Реле максимального напряжения реагирует на увеличение напряжения и его якорь притягивается к полюсам магнитопровода, когда напряжение повышается до уставки напряжения или превосходит ее.
В настоящее время начат выпуск новых электромагнитных реле минимального и максимального напряжений РН-50, конструкция которых более совершенна, чем конструкция реле ЭН.
Широкое применение получили реле минимального напряжения прямого действия, встраиваемые в привод выключателя так же, как рассмотренные выше реле РТМ и РТВ.

Индукционные реле направления мощности

Реле направления мощности применяют в схемах специальных защит направленного действия; при помощи этих реле обеспечивается селективность действия защиты в сетях с двусторонним питанием.
Широко применяемое реле мощности РБМ (рис. 216) имеет стальной магнитопровод 1; между его полюсами расположен цилиндрический стальной сердечник 3. Сверху на сердечник надет алюминиевый ротор (барабанчик) 2.  На оси ротора укреплен подвижный контакт 4, который вместе с ротором оттягивается противодействующей пружиной 5 от неподвижных контактов 5. На магнитопроводе и его полюсах расположены две обмотки: токовая 8. которую подключают к трансформатору тока, и напряжения 7, которую подключают к трансформатору напряжения.

Рис. 216. Схема устройства индукционного реле направления мощности РБМ:
1 — магнитопровод; 2 — ротор; 3 — сердечник; 4 — подвижный контакт; 5 — неподвижные контакты; 6 —пружина; 7 — обмотка напряжения; 8 — токовая обмотка
При протекании токов через обмотки реле возникают магнитные потоки Ф1 и Ф2, пересекающие ротор, в котором индуктируются вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с магнитным потоком обмоток создает вращающий момент, поворачивающий ротор и подвижный контакт в ту или другую сторону в зависимости от направления токов (мощности) в обмотках реле. При повороте ротора по часовой стрелке контакты реле замыкаются, а при повороте в другую сторону — остаются разомкнутыми. Угол поворота ротора ограничивается упорами (на рисунке не показаны). Таким образом, данное реле реагирует на величину и направление мощности. Величина мощности срабатывания реле РБМ незначительна и не регулируется.

Поплавковое газовое реле

Газовое реле ПГ (рис. 217) применяют для защиты мощных силовых трансформаторов при внутренних повреждениях.
Корпусом реле является резервуар 7, образованный чугунным тройником, верхний патрубок которого закрыт крышкой 3.
При помощи стальной скобы 7 к внутренней стороне крышки прикреплено поплавковое устройство, состоящее из двух запаянных латунных поплавков 5 и 6 (в форме цилиндров), подвешенных к скобе 7.
К торцовой части поплавков прикреплены ртутные контакты 9, представляющие собой запаянные стеклянные колбочки, в которые введены игольчатые электроды и налито немного ртути.
Наружные концы электродов гибкими проводниками соединены с зажимами 2 на наружной стороне крышки. На крышке установлен кран 4 для выпуска газов, а в нижней части резервуара — кран 8 для спуска масла. 

Рис. 217. Устройство поплавкового газового реле ПГ:
1 — резервуар; 2 — зажимы; 3 — крышка; 4 и 8 — краны; 5 и 6 — поплавки; 7 — скоба; 9 —  ртутные контакты

Оба крана используют также для испытаний реле воздухом, который нагнетают автомобильным насосом.
Реле при помощи двух боковых патрубков резервуара устанавливают в маслопроводной трубе между баком и расширителем трансформатора, вследствие чего резервуар заполняется маслом, его поплавки находятся в поднятом положении и ртуть в стеклянных колбочках не замыкает электродов (рис. 218, а).


Рис. 218. Положения газового реле:
а — в состоянии покоя (нормальное); б — в состоянии действия при медленном газообразовании
При внутренних повреждениях в трансформаторе (витковых замыканиях обмоток, пробое обмоток на корпус, нарушении между железной изоляции магнитопровода, коротких замыканиях между обмотками разноименных фаз и т. п.) выделяется газ из разлагающихся частиц изоляции и масла.
В случае медленного газообразования пузырьки газа, направляясь из бака в расширитель трансформатора, будут скапливаться под верхней крышкой реле, вытесняя из его резервуара масло в расширитель. С понижением уровня масла верхний поплавок опустится, вследствие чего произойдет замыкание его ртутного контакта (рис. 218, б).
Слабое газообразование происходит при незначительных повреждениях, не требующих немедленного отключения трансформатора. Поэтому контакты верхнего поплавка включают в цепь предупреждающей сигнализации.
При бурном газообразовании поток масла, устремляясь в расширитель, прижмет нижний поплавок к дну резервуара реле и ртутный контакт, включенный в оперативную цепь отключения выключателя данного трансформатора, замкнется.