Электромагнитные реле постоянного и переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электромагнитные реле постоянного и переменного тока

Реле - это автоматические устройства, реагирующие на изменение контролируемой ими величины (или направления) какого - либо параметра и срабатывающие, когда значение этого параметра отклоняется от наперёд заданного значения (уставки) этого параметра.

Релейная защита состоит из ряда самостоятельных элементов (реле), связанных определенным образом. На вход реле может быть подан непрерывный или дискретный сигнал (ток, напряжение, давление газов, температура и т. п.). На выходе же сигнал появится только в том случае, когда входной сигнал удовлетворяет определенным, наперед заданным условиям (достигает уставки срабатывания).

Для построения электромагнитных реле используется следующие электромеханические системы:

с втягивающим якорем;

с поворотным якорем;

с поперечным движением якоря.

Действие таких реле основано основано на притяжении стального подвижного якоря к электромагниту, по обмотке которого протекает ток Ip. При этом возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через магнитопровод 1, якорь, воздушный зазор b. Он создаёт электромагнитную силу Fэ, стремящуюся притянуть якорь реле к электромагниту, чему препятствует пружина (тормозное усилие Fт) и сила трения в осях:

2 =k' I2 р

где к и к' - коэффициенты пропорциональности.

Реле можно разделить на следующие функциональные элементы:

Воспринимающий орган (вход) электромеханических реле выполнен в виде катушки электромагнитного, индукционного, лектродинамического, индукционно-динамического или магнитоэлектрического механизма.

Исполнительный орган (выход) выполняется в виде электрических контактов. У электронных реле входной сигнал подается на первичные катушки (обмотки) магнитных сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса, на полупроводниковые схемы сравнения электрических величин или на управляющие электроды активных полупроводниковых элементов (транзисторов, тиристоров, интегральных микросхем).

Исполнительный орган может быть выполнен в виде контактов электромагнитных, магнитоэлектрических, поляризованных реле или магнитоуправляемых контактов - герконов, либо с помощью бесконтактных элементов -- транзисторов и тиристоров. При срабатывании реле с контактами последние замыкаются или размыкаются. В случае срабатывания бесконтактных реле меняется скачком выходной сигнал, например, ток в цепи или напряжение.

По назначению реле подразделяют на измерительные (основные) и логические (вспомогательные). Измерительные реле контролируют режим работы защищаемого объекта.

По роду контролируемой величины их подразделяют на реле тока, напряжения, направления мощности, сопротивления и т. п. Реле могут контролировать и неэлектрические величины, например, температуру масла трансформаторов (температурные реле), давление газов (газовые реле) и т.п. К измерительным реле предъявляют повышенные требования по чувствительности, точности работы, коэффициенту возврата, собственному потреблению.

Логические (указательные) реле действуют по команде измерительных и используются в логической части схемы. К ним относятся реле времени (служат для замедления действия защиты), промежуточные реле (служат для передачи действия основных реле к отключающему механизму выключателя, для размножения сигнала на несколько цепей, для усиления мощности сигнала основных реле) и указательные реле (служат для сигнализации и фиксации действия защиты). В электронных, микроэлектронных и микропроцессорных (цифровых) реле (защитах) измерительные и логические органы объединены конструктивно или программно.

По способу включения воспринимающего органа измерительные реле делят на первичные и вторичные. Катушки первичных реле включают непосредственно в защищаемую цепь, катушки вторичных реле включают во вторичные обмотки измерительных трансформаторов.

По способу воздействия на объект управления различают реле прямого и косвенного действия.

Реле прямого действия имеют подвижную систему, механически связанную с отключающим механизмом выключателя.

Реле косвенного действия имеют контакты (или бесконтактный ключ), включенные в цепь катушки механизма отключения выключателя. Для питания этой катушки необходим источник оперативного постоянного или переменного тока.

Первичные реле прямого действия не нуждаются в измерительных трансформаторах и источнике оперативного тока. Однако в установках высокого напряжения они требуют усиленной изоляции, оказываются громоздкими и имеют низкую чувствительность. Такие реле находят применение, главным образом, в установках с напряжением менее 1000 В. В системах электроснабжения тяги на железных дорогах, метро, на городском электрическом транспорте постоянного тока в качестве коммутационных аппаратов на тяговых подстанциях и постах секционирования используются поляризованные быстродействующие выключатели (АБ 2/4, ВАБ 43 и др.). В их конструкции объединены реле максимального тока прямого действия и коммутационный аппарат.

Вторичные реле прямого действия более компактны и имеют более высокую чувствительность. Для них не требуется источник оперативного тока. Катушка 1 такого реле (рис. 5.1) подключена к вторичной обмотке трансформатора тока ТА. При увеличении тока в реле до уставки срабатывания, якорь 2 электромагнита отключения УАТ преодолевает натяжение пружины 5 и бойком 3 ударяет по защелке 4. Защелка освобождает механизм привода выключателя Q и пружина G его отключает, Исполнительный орган реле прямого действия, непосредственно связанный с механизмом отключения выключателя Q, должен совершать при отключении существенную механическую работу. Поэтому такие реле потребляют при срабатывании большую мощность и имеют значительные погрешности. Вторичные реле прямого действия применяют в защитах мало ответственных линий 6-35 кВ, выключатели которых оборудованы приводами ВМП-10П, ПП-61-К, ПП-67, УПГП, ППМ-10 и др.

Рис.1 Схема подключения реле прямого действия

Наибольшее распространение в релейной защите получили вторичные реле косвенного действия (рис.5.2). При достижении током в катушке реле КА значения уставки срабатывания, его контакты замыкаются и включают в цепь оперативного тока катушку 1 электромагнита отключения YAТ. Сердечник последнего преодолевает натяжение пружины 2 и ударяет по защелке 4. Выключатель Q отключается. Ток во вторичной обмотке трансформатора тока ТА исчезает и реле КА возвращается в исходное состояние его контакты размыкаются.

Рис.2 Схема подключения вторичного реле косвенного действия

электромагнитное реле якорь полупроводниковый

Чтобы эти маломощные контакты не повреждались электрической дугой при отключении активно-индуктивной цепи электромагнита YAТ, в цепь катушки 1 включены вспомогательные контакты 4 выключателя. Эти контакты механически связаны с основными контактами выключателя Q и повторяют его положение, они достаточно мощные и отключаются раньше контактов реле КА.

Параметры вторичных реле косвенного действия не зависят от параметров защищаемого элемента и конструкции привода выключателя. Их исполнительные органы (контакты или бесконтактные ключи) не требуют такой большой мощности для срабатывания, как у реле прямого действия. Они более компактны и просты по конструкции, имеют высокую чувствительность, незначительные погрешности и легко регулируются.

По конструкции и принципу действия реле делят на электромеханические, электронные (полупроводниковые) и реле с использованием насыщающихся магнитных элементов. Наибольшее распространение получили электромеханические реле, выполняемые на основе электро-магнитных, индукционных, поляризованных и магнитоэлектрических систем. Однако Они обладают рядом недостатков, например, значитель-ным собственным потреблением, недостаточной надежностью контактов, невысоким быстродействием и т.д.

В последние годы все большее применение находят полупроводниковые реле с использованием диодов, транзисторов, тиристоров, оптронов, а также интегральных микросхем.

По числу подведенных электрических величин различают реле, реагирующие:

- на одну электрическую величину - ток или напряжение (реле тока, реле напряжения);

- на две электрические величины - ток и напряжение, или два напряжения, сформированных из тока и напряжения сети (реле направления мощности, реле сопротивления);

- на три и более электрические величины, сформированные из тока и напряжения сети (трехфазные реле мощности, реле сопротивления со сложными характеристиками и т. п.).

У каждого реле воспринимающий орган характеризуется номинальными током, напряжением, частотой и пределами регулирования уставки срабатывания. Пусть к реле подводится некоторая электрическая величина А (ток, напряжение). Максимальное реле срабатывает, если эта величина станет больше определенного значения Аср (т.е. А > Aср), которое называется уставкой срабатывания. Возврат максимального реле в исходное состояние происходит, если величина А станет ниже определенного значения Авр (т.е. А < Авр), называемого параметром возврата. Минимальное реле срабатывает, если А < Аср, и возвращается в исходное состояние при А > Авр.

Коэффициентом возврата Кв называется отношение параметра возврата к параметру срабатывания:

Кв=Авр/Аср

Для максимальных реле Кв < 1, для минимальных реле Кв > 1. У измерительных реле стремятся иметь коэффициент возврата близким к единице - это повышает чувствительность защиты. Для электромеханических реле тока и напряжения он равен 0,8 - 0,85, для электронных--0,9 - 0,98.

Логические реле управляются измерительными. Напряжение на их воспринимающем органе появляется и исчезает скачком. Поэтому они не обладают высокой чувствительностью, а их коэффициент возврата равен 0,3-0,5.

Время срабатывания электромеханических реле тем меньше, чем больше контролируемая величина А отличается от А. Для максимальных реле тока, например, время срабатывания при 1,2Iср равно 0,1 с, а при 3Iср равно 0,03 с. У электронных реле время срабатывания меньше и слабо зависит от превышения уставки срабатывания.

Воспринимающий орган реле характеризуется нагревостойкостью, т.е. значениями тока или напряжения, которые допускаются длительно или кратковременно. Важно и значение мощности, которую реле потребляет во входных цепях переменного тока и напряжения и в цепи оперативного (постоянного или переменного) напряжения питания (собственное потребление). Эта мощность определяется как произведение тока на напряжение на соответствующих зажимах реле. Электромеханические реле в зависимости от конструкции потребляют в цепях тока 0,5 - 5 ВА и в цепях напряжения 1 - 40 ВА. Электронные реле в цепях тока и напряжения имеют собственное потребление на порядок ниже. В цепи оперативного питания они потребляют 3 -10 ВА.

Контактная система электромеханических реле и выходной орган электронных реле характеризуются числом контактов (выходов), их нормальным положением и коммутационной способностью.

Промежуточные реле имеют до десятка мощных контактов. У измерительных реле число контактов, их масса, а следовательно, и коммутационная способность невелики. Это обусловлено необходимостью обеспечить высокую чувствительность реле и близкий к единице коэффициент возврата. Обычно они имеют 1 - 2 контакта, рассчитанных на коммутацию токов не более 2 А. Нормальным является положение контактов при обесточенной катушке электромеханического реле или, в общем случае, при отсутствии сигнала на входе реле.

Различают контакты, работающие на замыкание (замыкающие контакты) и на размыкание цепи (размыкающие контакты). При подаче в катушку реле тока большего, чем ток срабатывания, замыкающие контакты замыкаются, а размыкающие--размыкаются. Для бесконтактных реле выходной сигнал характеризуется уровнями 0 и 1, соответствующими замкнутому и разомкнутому положениям контактов.

Коммутационная способность контактов характеризуется мощностью, при которой обеспечивается замыкание и размыкание контактов. Эта мощность определяется как произведение напряжения питания коммутируемой цепи на ток, проходящий по контактам при условии, что напряжение и ток не превышают допустимых значений.

а) Электромеханические реле, реагирующие на одну электрическую величину.

На вход большого числа реле подается только одна электрическая величина--напряжение или ток. Эта величина сравнивается, как правило, с некоторым эталоном, например, механическим моментом пружины или стабилизированным напряжением. Для этого подводимая электрическая величина должна быть предварительно преобразована в величину, однородную эталону, в данном случае--в механический момент или напряжение постоянного тока.

Электромагнитные реле. Среди реле, к которым подводится одна электрическая величина, наибольшее распространение получили электромагнитные (реле тока, напряжения, промежуточные реле, реле времени). Они имеют разомкнутый магнитопровод 1 (рис. 5.3), на котором размещена обмотка 2 с числом витков wp и подвижной стальной якорь 3, удерживаемый в крайнем положении противодействующей пружиной 4.

Рис.3 Принцип работы электромагнитного реле

На якоре имеется изоляционная колодка 5. На ней установлены подвижные контакты 6, которые при перемещении якоря замыкаются с неподвижными контактами 7. Ток Iр в обмотке реле создает намагничивающую силу Ipwp, под действием которой в магнитопроводе возникает магнитный поток Ф. Этот магнитный поток создает в зазоре между якорем и магнитопроводом электромагнитную силу F3, которая стремится притянуть якорь к магнитопроводу.

Электромагнитная сила для равномерного поля в зазоре определяется формулой Максвелла, Н:

Fэ= B2S/(2м0),

где В--магнитная индукция в зазоре, Тл; S--сечение полюсов, м2; м0 -- магнитная проницаемость воздушного зазора, Гн/м.

Учитывая, что магнитный поток Ф=BS, получим

где к--постоянная. Магнитный поток и ток Iр связаны соотношением Ф = Iрwр/Rм, где Rм -- магнитное сопротивление цепи, по которой замыкается магнитный поток. При изменении положения якоря изменяется зазор b, а, следовательно, и магнитное сопротивление Rм. Поэтому в процессе притяжения якоря электромагнитная сила FЭ увеличивается.

Регулирование тока срабатывания осуществляют, изменяя тормозной момент Мт путем регулировки натяжения пружины и изменения числа витков wp с помощью отпаек. В электромагнитных реле направление силы FЭ не зависит от полярности тока. Поэтому электромагнитные реле возможно выполнять для цепей как постоянного, так и переменного тока.

Если по обмотке реле проходит переменный ток, то мгновенное значение вращающего момента имеет постоянную составляющую и переменную составляющую, изменяющуюся с двойной частотой. Их сумма образует результирующий вращающий момент, который является пульсирующим. Тормозной момент Мт пружины имеет неизменное значение. В моменты, когда Мэ > Mт якорь стремится притянуться, а в моменты, когдаМэ < Мт-отпасть. Притянутый якорь непрерывно вибрирует, вызывая также вибрацию контактов при срабатывании. Вибрация контактов приводит к их подгоранию. Нечеткое замыкание контактов может привести к отказу срабатывания защиты.

Для уменьшения вибрации контактов увеличивают момент инерции якоря или осуществляют расщепление магнитного потока обмотки на две составляющих, сдвинутых по фазе. Однако эти меры увеличивают время срабатывания и потребление реле.

Реле тока. Наиболее распространенным видом электромагнитных реле тока являются реле серии РТ-40. Если такое реле выполняется в унифицированной оболочке, то ему присваивается шифр РТ-140.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Схема, поясняющая устройство реле тока РТ-40

На магнитопроводе 1 (рис. 5.4) серийных реле тока РТ-40 (и реле напряжения РН-50) размещены две полуобмотки 2. Стальной якорь 3 укреплен на осях 8 и 8' и может поворачиваться вокруг них. В крайнем положении он удерживается спиральной противодействующей пружиной 4. На якоре с помощью изоляционной колодки установлены подвижные контакты 6, которые при повороте якоря замыкаются с неподвижными контактами 7. Уставку срабатывания регулируют, соединяя полуобмотки 2 последовательно или параллельно и изменяя натяжение пружины 4 при помощи поводка 5. Коэффициент возврата 0,8-0,85, время срабатывания при токе 3I равно 0,03 с, потребляемая мощность реле тока 0,5 ВА. Разрывная мощность контактов в цепи постоянного тока 60 Вт, в цепи переменного тока--300 ВА. Обмотки реле тока рассчитаны на длительное протекание тока вторичных цепей трансформаторов тока.

Для разных типов максимальный ток уставки имеет величину от 0,2 А до 200 А. Погрешность тока срабатывания по отношению к уставке не превышает ± 5%. Время срабатывания реле не более 0,1 с при токе, равном 1,2 тока срабатывания и не более 0,03 с при токе в три раза большем тока срабатывания (уставки). Время возврата не более 0,035 с. Реле имеет один замыкающий и один размыкающий контакты, рассчитанные на ток до 2 А, способные коммутировать нагрузку переменного тока (250 В, cosц = 0,5) мощностью до 300 ВА и постоянного тока (250 В) до 60 Вт. Коммутационная износостойкость 2000 циклов.

Электромагнитный момент реле переменного тока в условиях срабатывания в течение одного периода переменного тока дважды превышает и в два раза становится меньше тормозного момента пружины. Для исключения вибрации контактов применяют механические демпферы (гасители колебаний) в виде пластмассового барабанчика, разделенного на секции, которые заполнены чистым просеянным песком. Для тех реле, конструкция которых содержит промежуточные насыщающиеся трансформаторы, ограничивающие величину тока в обмотках реле, применяют выпрямители переменного тока, что также способствует снижению вибраций.

Размещено на Allbest.ru