Электромагнитные измерительные реле

Электромагнитные, как и другие (см. § В.З), измерительные ре­ле в зависимости от их включения в защищаемую цепь делятся на первичные и вторичные. По способу воздействия на выключатель защищаемого объекта различаются измерительные реле прямого и косвенного действия.

Первичные реле прямого действия. Эти реле подключаются не­посредственно к главной электрической цепи и непосредственно воздействуют на механическое исполнительное устройство выклю­чателя. В связи с этим они не требуют ни первичных измеритель­ных преобразователей, ни источников оперативного тока.

В отечественной практике защита с первичным реле прямого действия находит применение в установках напряжением до 1000 В. Такие реле называются расцепителями. Они встраиваются в авто­матические выключатели (автоматы).

Для выполнения защиты, надежно и селективно действующей при коротком замыкании и перегрузках, максимальные расцепители снабжают элементами выдержки времени в виде часовых ме­ханизмов. При этом обеспечиваются необходимая выдержка вре­мени срабатывания расцепителя при малых токах и мгновенное отключение автомата при больших токах. Такой максимальный расцепитель имеет две уставки тока срабатывания: замедленного срабатывания и мгновенного срабатывания. В ряде случаев такой расцепитель не обеспечивает селективного действия при коротких замыканиях. Для получения селективного действия не только при перегрузках, но и при всех допустимых для данных автоматов то­ках к. з. возникает необходимость ввести некоторое небольшое за­медление в действие максимального расцепителя при коротком за­мыкании. Автоматы с такими расцепителями называют селектив­ными.

На рис. 2.5, а показана конструкция максимального расцепителя селективного автомата АВМ-10.

Когда ток в защищаемой цепи и соответственно в обмотке максимального расцепителя достигает тока уставки замедленного срабатывания, якорь 1 начи­нает притягиваться к сердечнику 2. Вместе с якорем движется скоба 8 благодаря наличию пружины 14, которая при токах перегрузки является как бы жесткой связью между якорем 1 и скобой 8. Скоба, в свою очередь, связана тягой 6 с часовым механизмом 5, который препятствует якорю 1 вместе со скобой 8 мгновенно притянуться к сердечнику 2. По мере притяжения якоря перемещает­ся боек 12; по истечении заданной выдержки времени он поворачивает отклю­чающий валик 10 и автомат отключается. В неселективных автоматах валик 10 отсутствует, отключение производит боек 13, поворачивая отключающий ва­лик 11. Чем больше ток перегрузки, тем с большей скоростью перемещается якорь, притягиваясь к сердечнику.

Таким образом, автомат при перегрузках отключается с выдержкой времени, обратно зависящей от тока в обмотке максимального расцепителя. Если ток пе­регрузки прекращается за время, меньшее выдержки времени, якорь возвраща­ется в исходное положение под действием пружины 3. Ток уставки замедлен­ного срабатывания устанавливается натяжением пружины 3. При этом на шка­ле 4 передвигается указатель тока уставки. Часовой механизм имеет шкалу выдержки времени. При установке указателя часового механизма на нулевую метку автомат отключается при токах перегрузки и токах к. з. мгновенно, а при установке на максимальную метку — с наибольшей выдержкой времени при то­ках перегрузки. В диапазоне указанных меток можно получить устойчивую из­меняемую выдержку времени.

Когда ток в обмотке расцепителя, например при коротком замыкании в за­щищаемой цепи, достигает тока уставки мгновенного срабатывания, якорь 1 мгновенно притягивается к сердечнику 2, преодолевая натяжение пружины 14;

при этом боек 13 поворачивает валик 11; автомат отключается. Ток уставки мгновенного срабатывания устанавливается натяжением пружины 14. При этом на шкале 9 передвигается указатель тока уставки. Пружина 7 служит для амор­тизации ударов, передаваемых на часовой механизм при токах короткого замы­кания.

На рис. 2.5, б дана характеристика выдержки времени макси­мального расцепителя АВМ. При наличии замедлителя расцепле­ния выдержка времени в независимой части может устанавливать­ся в пределах t_c.р = 0,25÷0,4 или t_c.p = 0,4÷0,6 с.

Таким образом, с помощью максимальных расцепителей в уста­новках напряжением до 1000 В можно выполнить двухступенчатую токовую защиту: максимальную токовую защиту и токовую отсечку без выдержки или с выдержкой времени.

Вторичные реле тока и напряжения прямого действия. Отечест­венная промышленность выпускает различные модификации вто­ричных реле тока К.А (типов РТМ, РТВ) и реле напряжения KV (типа РН, РНВ) прямого действия с втягивающимся якорем. Они различаются некоторыми конструктивными деталями и параметра­ми. Реле устанавливаются непосредственно в приводы выключате­лей (типов ППМ-10; ПП-67; ППК-63; ПРБА). Их обмотки вклю­чаются в цепь через первичные измерительные преобразователи. Это дает возможность расширить область использования реле и частично исключить недостатки, присущие первичным реле.

С помощью вторичных реле прямого действия можно выполнять защиты в установках напряжением до 35 кВ.

Максимальное реле тока с ограниченно зависимой выдержкой времени типа РТВ показано на рис. 2.6, а. Выдержка времени созда­ется с помощью часового механизма 1 и может устанавливаться в независимой части в пределах до t_с.р = 4 с рычагом 2, который с помощью пластины 3 связан с установочным винтом 4. Выдержка времени в зависимой части характеристики (рис. 2.6 б) определя­ется уставкой реле в независимой части. Для установки тока сра­батывания обмотка реле 11 имеет ответвления, выведенные на переключатель 6.

Подвижная система реле состоит из сердечника 12 и ударника 10. Ударник жестко связан с часовым механизмом тягой 5. Связь сердечника с ударником, а следовательно, и с часовым механизмом осуществляется пружиной 7, которая одним концом соединена с сердечником, а другим упирается в стопорное коль­цо 8 ударника. В зависимости от тока в обмотке реле эта связь может быть жесткой или гибкой.

При прохождении по обмотке реле тока, равного или превышающего ток срабатывания, сердечник 12 стремится притянуться к неподвижному полюсу 5, увлекая за собой ударник. При токах, меньших трехкратного тока срабатыва­ния, электромагнитная сила, действующая на сердечник, оказывается меньше противодействующей силы пружины; пружина не сжимается и действует как жесткая связь. При этом скорости перемещения сердечника и ударника одина­ковы и определяются электромагнитной силой и часовым механизмом. Поэтому с увеличением тока выдержка времени реле уменьшается, образуя зависимую часть характеристики.

При токах, больших трехкратного тока срабатывания, сердечник мгновенно притягивается к неподвижному полюсу и сжимает пружину. При этом скорость движения ударника вверх не зависит от электромагнитной силы и определяется только часовым механизмом. Реле работает в независимой части характеристики.

По заводским данным, реле РТВ имеет погрешность в выдерж­ке времени ∆t_с.р = ±0,3 с при работе в независимой части харак­теристики, которая возрастает в 2—3 раза при работе реле в за­висимой части характеристики и при токе срабатывания достигает нескольких секунд. Реле РТВ имеет сравнительно низкий коэффициент возврата, изменяющийся в зависимости от положения сер­дечника в пределах 0,4 < k < 0,8. В расчетах рекомендуется при­нимать k_B = 0,65.

Максимальное реле тока мгновенного действия типа РТМ кон­структивно отличается от реле РТВ тем, что не имеет часового ме­ханизма. Реле изготовляют на различные токи срабатывания. На­пример, реле, встроенное в привод выключателя типа ПРБА, позво­ляет установить ток срабатывания t_с.р = 5÷15 А. Время срабаты­вания реле РТМ зависит от кратности тока. При кратностях около 2—3 время срабатывания не превышает t_c.p < 0,02 с.

Следует отметить, что как реле РТВ, так и реле РТМ имеют сложную систему установки тока срабатывания. Переключатель витков сложен по своей конструкции и мало надежен в эксплуата­ции. В связи с этим созданы ре­ле РТМ с обмотками без ответ­влений. При этом установка тока срабатывания осуществляется пу­тем аксиального перемещения сердечника специальным винтом. Конструкция реле РТМ Рижско­го опытного завода Латвэнерго использует оба способа установ­ки тока срабатывания. За счет этого, несмотря на расширенные пределы установки тока сраба­тывания до I_с.р < 260 А, макси­мальная потребляемая мощность не превышает Р_с.р == 600 ВА. Тем не менее и данная конструк­ция не может считаться удовлет­ворительной, так как большинст­во трансформаторов тока не обе­спечивают такой большой мощно­сти.

Таким образом, конструкция реле РТВ и РТМ нуждается в улучшении. Желательным явля­ется снижение погрешностей ре­ле, уменьшение их потребления и расширение шкалы тока и времени.

Минимальное реле напряжения с ограниченно зависимой вы­держкой времени типа РНВ имеет часовой механизм 8 (рис. 2.7), связанный с сердечником 4 тягой 6.

В нормальном режиме, когда к катушке 3 подводится номинальное напря­жение, реле находится в заведенном положении. При этом сердечник 4 притянут к стопу 2, часовой механизм 8 не заведен, отключающая пружина 9, связанная с ударником 1, сжата и удерживается в этом положении системой рычагов 7. При снижении напряжения до U_Р < 0,65 U_ном сердечник 4 под действием собст­венной массы опускается с некоторой выдержкой времени. Его быстрому падению препятствует часовой механизм. В конце движения сердечник ударяет по плечу рычага 5, при этом рычаги 7 освобождают пружину 9, под действием ко­торой ударник движется вверх и отключает выключатель.

Выдержка времени устанавливается, как и у реле типа РТВ, в пределах 0 < t_с.р < 4 с. Она позволяет отстраивать защиту от кратковременных снижений напряжения. Однако реле имеет устой­чивую выдержку времени лишь при напряжении U_Р < 0,35 U_ном. Недостатками реле являются также отсутствие устройства уста­новки напряжения срабатывания и сравнительно большая потреб­ляемая мощность (Р_с.р ≈ 30 ВА).

Минимальное реле напряжения мгновенного действия типа РН не имеет часового механизма. Поэтому при срабатывании реле его сердечник перемещается вниз без замедления. У реле РН напря­жения срабатывания и возврата не могут изменяться и находятся в пределах U_c.p = (0,35÷0,65) U_ном и U_{в. р} = (0,65÷0,85) U_ном .

Вторичные реле тока и напряжения косвенного действия. Вто­ричные реле косвенного действия получили в настоящее время большое распространение благодаря следующим достоинствам:

эти реле изготовляют для включения в цепь через первичные изме­рительные преобразователи, поэтому их параметры не зависят от параметров защищаемого элемента; при этом они могут быть вы­полнены достаточно чувствительными с незначительными погреш­ностями и относительно малым потреблением мощности при сраба­тывании; их настройка может производиться без отключения эле­мента системы электроснабжения; реле можно устанавливать в лю­бом удобном для работы и эксплуатации устройства месте; они позволяют создать логическую часть схемы и выполнить в случае необходимости релейную защиту и автоматику любой сложности.

Вместе с тем эти реле имеют недостатки, присущие электроме­ханическим системам: значительные потребляемые мощности, сравнительно большие размеры, не­достаточная надежность из-за на­личия подвижной системы и контак­тов. Кроме того, реле можно исполь­зовать только при наличии источни­ков оперативного тока.

Реле тока типа РТ-40 использу­ют П-образную магнитную систему с поперечным движением якоря (рис. 2.8). На полюсах магнитопровода 7 расположены две обмотки реле 9, которые можно соединить между собой последовательно или параллельно. Подвижная система реле состоит из Г-образного сталь­ного якоря 6, подвижного контак­та 2 и механического гасителя вибрации якоря 1. Положение якоря фиксируется упорами 8 (на рисунке виден только левый упор). В качестве противодействующей слу­жит спиральная пружина 5, которая одним концом связана с осью подвижной системы, а вторым — с указателем уставки 4. Изменяя положение указателя уставки, можно непрерывно изменять натя­жение пружины, ее противодействующую силу и ток срабатывания реле. При прохождении тока по обмотке реле электромагнитная си­ла F_э стремится притянуть якорь к полюсам электромагнита. Этому препятствует противодействующая сила F_м, обусловленная силой пружины F_П и силой трения F_Т. При токе, равном или большем тока срабатывания, сила F_э превышает силу F_м, якорь реле 6 поворачи­вается и связанный с ним подвижный контакт 2 замыкает (размы­кает) управляемую электрическую цепь. Подвижная система реле возвращается в начальное положение при токе возврата; коэффи­циент возврата k = 0,8.

При перемещении указателя уставки 4 из начального положения, отмечен­ного на шкале 3, в конечное ток срабатывания увеличивается в два раза. Шкала отградуирована в амперах для схемы последовательного соединения обмоток реле. Переключение обмоток реле с последовательного соединения на параллель­ное увеличивает токи срабатывания, указанные на шкале 3, в два раза. Потреб­ляемая мощность реле разной чувствительности при минимальной уставке на­ходится в пределах Р _с.р = 0,5÷8 ВА.

Прохождение по обмотке реле несинусоидальных токов, возникающих, на­пример, вследствие насыщения трансформаторов тока при коротком замыкании, приводит к усиленной вибрации подвижной системы реле и его отказу. Для снижения вибрации у реле тока наряду с механическим гасителем применяется магнитопровод с насыщающимися участками, которые делаются суженными (на рис. 2.1, в показаны штриховыми линиями).

Реле напряжения типа РН-50 по конструкции мало отличается от реле РТ-40. Обмотки реле напряжения включаются в схему че­рез двухполупериодный выпрямитель, в цепь которого вводится один или два добавочных резистора. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Однако индуктивность обмотки реле уменьшает пульсацию тока и электромагнитной силы, поэтому ви­брация якоря практически отсутствует. В отличие от реле тока ре­ле напряжения не имеет механического гасителя вибрации якоря. Шкала реле проградуирована при включении одного резистора. Чтобы получить шкалу уставок, вдвое большую, необходимо вклю­чить оба резистора. Потребляемая мощность для всех реле Р _с,р < 5ВА.