Общие сведения о реле защиты. Принципы действия и устройство реле разных типов

Любая схема релейной защиты включает в себя несколько реле различного назначения, действующих совместно по заданной программе.

В устройствах релейной защиты применяют электрические, механические и тепловые реле. Электрические реле реагируют на воздействие электрических величин, в качестве которых могут быть токи, напряжения, их симметричные составляющие, мощность, сопротивление, частота. Механические и тепловые реле реагируют на неэлектрические величины: давление, скорость истечения жидкости или газа, уровень жидкости, количество выделенной теплоты или изменение температуры и т.п.

В любом реле можно выделить пять основных функциональных органов: воспринимающий, преобразующий, сравнивающий, исполнительный и замедляющий. Например, в электромагнитном реле обмотка электромагнита служит воспринимающим органом, к которому подводится контролируемая воздействующая электрическая величина. Электромагнит реле (преобразующий орган) преобразует электрическую энергию в энергию магнитного поля, а затем в механическое усилие на якоре, которое сравнивают с усилием противодействующей пружины (сравнивающий орган). Исполнительным органом реле служат контакты. Реле может иметь замедляющий (замедляет начало перемещения якоря) и регулировочный (изменяет параметры срабатывания) органы.

Наибольшее применение в релейной защите получили электрические реле. В соответствии с перечисленными выше видами воздействующих величин электрические измерительные реле подразделяют на реле тока, напряжения, мощности, сопротивления, частоты.

Все реле характеризуются следующими основными параметрами.

Параметр срабатывания реле – пороговое (граничное) значение воздействующей величины, при котором реле срабатывает (замыкает свои разомкнутые контакты, действует непосредственно на привод). Например, для максимального реле тока за ток срабатывания принимают его наименьшее значение, при котором реле срабатывает, а для минимального реле – наибольшее значение.

Заданное пороговое значение воздействующей величины, при котором реле должно сработать, называют уставкой, а положение указателя на шкале реле, соответствующее этому значению, - уставкой по шкале.

Параметр возврата реле – граничное значение воздействующей величины, при котором происходит возврат реле в начальное состояние. Для максимальных реле параметр возврата соответствует максимальному значению воздействующей величины, при котором реле возвращается в начальное состояние. А для минимальных реле – минимальному значению.

Коэффициент возврата реле К_в – отношение параметра возврата к параметру срабатывания. Для максимальных реле К_в < 1, для минимальных – К_в > 1.

Погрешность срабатывания реле – отклонение параметров срабатывания от уставки.

Время срабатывания реле – промежуток времени с момента появления воздействующей величины определенной кратности по отношению к параметру срабатывания до момента воздействия реле на управляемую систему. Реле могут иметь независимые, зависимые и ограниченно зависимые характеристики времени срабатывания от указанной кратности воздействующей величины.

По принципу действия реле защиты подразделяют на электромагнитные, индукционные, тепловые, полупроводниковые, магнитоэлектрические, поляризованные, герконовые и др. В схемах защиты сельских электрических сетей наибольшее применение получили вторичные реле прямого и косвенного действия, выполненные на электромагнитном и индукционном принципах. Внедряют устройства РЗ с использованием полупроводниковой элементной базы, элементов аналоговой вычислительной техники в интегральном исполнении, микропроцессорной техники.

Электромеханические реле.

Отечественная промышленность изготовляет электромеханические реле в основном на электромагнитном и индукционном принципах.

Устройство и принцип действия электромагнитных реле.

Электромагнитные реле срабатывают при притяжении ферромагнитного подвижного якоря к электромагниту, по обмотке которого протекает ток. Ферромагнитный сердечник электромагнита и якорь образуют магнитопровод реле. Якорь перемещается за счет воздушного зазора между ним и сердечником. В реле используют следующие электромеханические системы: с поворотным якорем, поперечным движением якоря и втягивающимся якорем.

Электромагнитное реле с поворотным якорем состоит из электромагнита в виде ферромагнитного сердечника 1 (рис. 3.1,б), на котором размещена обмотка, и шарнирно соединенного с ним подвижного якоря 2. Контактная система реле включает в себя подвижную часть 3, связанную с якорем, и неподвижную часть 4. При отсутствии тока в обмотке электромагнита якорь удерживается в начальном положении усилием F_п противодействующей пружины 5. При протекании по обмотке тока I_р возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник, воздушный зазор и якорь. Создается электромагнитная сила F_э, притягивающая якорь к сердечнику электромагнита. Тогда

, (3.1) (3.1)

где Ф – магнитный поток; - магнитная постоянная; S и δ – площадь и длина сечения зазора; к – коэффициент; w_p – число витков обмотки реле.

Выражение (3.1) считают общим для конструктивных исполнений электромагнитных реле всех видов. Из него следует, что электромагнитный принцип можно использовать для выполнения реле как постоянного, так и переменного токов, поскольку мгновенное значение силы F_э пропорционально квадрату тока и, следовательно, не зависит от его знака.

Для срабатывания реле необходимо, чтобы на всем пути перемещения якоря электромагнитная сила F_э превышала силу F_п пружины и силу трения F_т, т.е.

F_э > F_п + F_т. (3.2)

Как следует из выражений (3.1) и (3.2), изменение тока срабатывания реле I_с.р возможно за счет изменения числа витков w_p обмотки, длины зазора δ и силы натяжения F_п пружины.

Возврат реле в начальное положение произойдет, если

F_п > F_э + F_т. (3.3)

У реле переменного тока электромагнитная сила F_э имеет постоянную составляющую и переменную, изменяющуюся с двойной частотой, так как при синусоидальном потоке , а . Поэтому

F_э = .

Если в некоторые моменты времени F_п > F_э + F_т , то якорь реле будет вибрировать. Для устранения вибрации магнитный поток в зазоре расщепляют на два потока, сдвинутых по фазе, что достигается разделением полюса электромагнита на две части, на одну из которых помещают медный короткозамкнутый виток-экран. Этот способ используют и для других целей. Результирующая электромагнитная сила от двух потоков незначительно изменяется во времени и всегда больше противодействующих сил.

Реле с поворотным якорем в конце хода якоря имеет большой избыточный момент, что обеспечивает надежное замыкание контактов, и низкий коэффициент возврата. Поэтому их широко используют в качестве промежуточных и указательных реле. Относительно большое потребление мощности этими реле не имеет существенного значения для этих целей.

У измерительных реле тока и напряжения, наоборот, должны быть малое потребление мощности, высокие коэффициент возврата и точность работы. Этим требованиям удовлетворяют электромагнитные реле с поперечным движением якоря (рис. 3.1,в).

Магнитная система реле состоит из П – образного сердечника 1 и Г – образного якоря 2. Он удерживается в начальном положении противодействующей спиральной пружиной 5 и ограничивающим упором 6. Обмотка реле включает в себя две секции, которые можно соединить последовательно или параллельно. При этом уставка тока срабатывания изменяется в 2 раза. Она плавно регулируется натяжением (закручиванием) пружины с помощью указателя уставки. Магнитный поток, возбуждаемый током в обмотке, намагничивает якорь, и он притягивается к сердечнику. При перемещении якорь поворачивает подвижную часть контакта 3, которая соединяется с неподвижной частью контакта 4. Для уменьшения вибрации контактов используют гаситель вибрации, представляющий собой полый барабанчик с радиальными перегородками, заполненный кварцевым песком.

Малое потребление (0,2 В А на минимальной уставке), высокие коэффициент возврата (0,8 … 0,85) и точность (погрешность 5%) достигается у реле за счет специального профиля якоря и уменьшения его массы, ограничением хода якоря с помощью упоров, относительно небольшим контактным давлением.

Электромеханическую систему с втягивающимся якорем (рис. 3.1,а) (система соленоидного типа) благодаря большому ходу якоря и значительным передаваемым усилиям используют в электромагнитных реле времени с часовым механизмом и во вторичных измерительных реле прямого действия. Последние одновременно служат и исполнительным органом устройства защиты, непосредственно воздействуя на запирающий механизм привода выключателей, короткозамыкателей и отделителей. Выпускают различные модификации вторичных реле прямого действия: максимальные реле тока типа РТМ мгновенного действия и РТВ с регулируемой выдержкой времени, минимальные реле напряжения типов РН и РНВ.