2.12. Магнитоэлектрические реле

Магнитоэлектрическое реле (рис. 2.37) состоит из постоянного магнита 1, подвижной рамки 2, на которую намотана обмотка 3, питающаяся током I_Р, и контактов 4. Принцип работы магнитоэлектрических реле основан на взаимодействии тока I_Р в обмотке рамки с магнитным потоком постоянного магнита.

Сила, действующая на обмотку рамки:

(2.19)

где В_М — индукция магнитного поля постоянного магнита; I_Р – ток в обмотке рамки; l – активная длина витка обмотки; w_P – число витков обмотки рамки.

Вращающий момент, образованный силами F_Э,

(2.19а)

где d – плечо пары сил F_Э; k’=kB_MI_P.

Угол поворота рамки принимается небольшим (5-10°), а форма полюсов магнита подбирается таким образом, чтобы магнитное поле было равномерным. При этом магнитная индукция В_M постоянна и момент М_Э пропорционален току I_P:

M_Э=k" I_P.

З нак М_Э и F_Э зависит от направления I_P в подвижной рамке реле. При показанном на рис.2.37 направлении I_P направление F_Э определено по правилу "левой руки".

Таким образом, магнитоэлектрические реле реагируют на направление тока и поэтому, так же как и поляризованные реле, не могут работать на переменном токе. Магнитоэлектрические реле имеют высокую чувствительность и малое потребление. Мощность срабатывания достигает 10^–8 – 10^–10 Вт и превосходит чувствительность поляризованных реле, что объясняется наличием сильного поля постоянного магнита 1 и малым противодействующим моментом подвижной системы.

М агнитоэлектрические реле имеют контактную систему с малой отключающей способностью. Зазор между контактами мал – около 0,3 – 0,5 мм. Магнитоэлектрические реле отличаются плохим возвратом. Надежный возврат этих реле обеспечивается подачей в обмотку реле тормозного тока, действующего на размыкание контактов. Время действия реле равно 0,01 – 0,02 с. Магнитоэлектрические реле применялись в качестве высокочувствительных нуль-индикаторов в схемах на выпрямленном токе и еще находятся в эксплуатации. В настоящее время вместо них применяют электронные реле, рассматриваемые ниже.

2.13. Измерительные органы на полупроводниковой элементной базе

О бобщенная функциональная схема. На рис.2.38 изображена функциональная схема, характерная для различных видов полупроводниковых ИО, применяемых в отечественных устройствах РЗ. Эта схема состоит из таких же структурных частей, как и общая структурная схема на рис.2.1, но, с учетом особенностей элементной базы, она дополнена блоком – источником питания, необходимым для обеспечения действия полупроводниковых элементов. Поэтому ниже рассматриваются особенности функции каждой структурной части при выполнении ИО на ИМС и реализующие их элементы [37].

Воспринимающая часть (ВЧ), на вход которой поступают сигналы в виде тока I_P и напряжения U_P от измерительных ТТ и ТН защищаемого объекта, должна выполнять следующие функции:

обеспечивать гальваническое отделение полупроводниковой схемы реле от вторичных цепей измерительных ТТ и ТН, в которых могут возникать перенапряжения, не допустимые для полупроводниковых элементов, и помехи, искажающие входные сигналы;

преобразовывать переменный ток I_P, получаемый от ТТ, в переменное напряжение требуемого уровня, поскольку в качестве сигналов в полупроводниковых устройствах используются напряжения (потенциальные сигналы);

понижать уровни входных величин (U_P и I_P) до значений, допустимых для полупроводниковых элементов;

обеспечивать возможность выполнения и регулирования уставок срабатывания ИО.

В результате указанных преобразований на выходе воспринимающей части появляются напряжения, пропорциональные входным сигналам, совпадающие с ними по фазе, но уменьшенные по значению до допустимого для полупроводниковых элементов уровня k_П.HU_Р и k_П.ТI_P (здесь k_П.H и k_П.Т – коэффициенты преобразования входных сигналов).

Преобразующая (формирующая) часть (ФЧ), приняв сигналы воспринимающей части, формирует из них n подлежащих сравнению электрических величин в виде напряжений U₁ ... U_n, позволяющих получить соответствующие ИО с заданной характеристикой срабатывания. Эти напряжения образуются в результате дополнительных преобразований входных величин, контролируемых U_P и I_P, и их суммирования по уравнениям следующего вида:

(2.20)

В уравнениях k_1H….k_nH и k_1T.....k_nT – коэффициенты, определяющие дополнительные преобразования входных величин.

Коэффициенты k_1U...k_nU и k_1I...k_nI являются комплексными постоянными величинами, не зависящими от I_P и U_P. Подбирая значения этих коэффициентов, можно получить различного вида ИО (РНМ и PC) с нужными характеристиками. Число формируемых напряжений n зависит от количества сравниваемых величин.

Сформированные по (2.20) переменные или выпрямленные напряжения U₁ ... U_n поступают на вход сравнивающей части.

Сравнивающая часть (СЧ) выполняется в виде специальной схемы, в которой по заданным условиям (алгоритмам), зависящим от вида ИО, осуществляется сравнение напряжений U₁ ... U_n, полученных по (2.20).

По принципу сравнения схемы подразделяются на схемы, осуществляющие сравнение абсолютных значений электрических величин, и схемы, сравнивающие их фазы.

В отечественной практике схемы первого типа выполняются на выпрямленном токе, в них сравниваются два напряжения U₁ и U₂, [сформированные по (2.20)] после их выпрямления. Схемы на сравнении фаз выполняются с помощью фазосравнивающих схем, позволяющих определять углы сдвига фаз между двумя или четырьмя величинами, разрешая действие реле в заданном диапазоне этих углов.

В зависимости от результатов сравнения реагирующий элемент схемы сравнения посылает дискретный сигнал на вход исполнительной части о срабатывании ИО (U_CP).

Исполнительная часть (ИЧ), называемая также выходной частью, получив сигнал о срабатывании, усиливает его и выдает команду на отключение выключателя непосредственно или по каналам логической части (ЛЧ) в сложных защитах.

Источник постоянного тока (ИПТ) является важным элементом полупроводниковых РЗ, необходимым для питания полупроводниковых элементов. Для транзисторных схем требуются напряжения с уровнями 6–24 В. В устройствах, выполненных на ИМС, применяются источники питания ± 15 В, отличающиеся высокой стабильностью выходного напряжения. Источник питания подключается к сети переменного тока (100–380 В) либо к аккумуляторной батарее 220–110 В и преобразует входное напряжение в напряжение постоянного тока требуемого уровня.

Конструктивно полупроводниковые реле выполняются в виде электронных схем, собранных на печатных платах, где располагаются ИМС, выносные транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, соединяемые по заданным схемам. Отдельные полупроводниковые реле, как и электромеханические, выпускаются в отдельных кожухах.

Сложные РЗ, состоящие из нескольких реле, выполняются в виде единой схемы, состоящей из блоков, смонтированных на печатных платах. Печатные платы объединяются в блоки, которые собираются в кассетах, монтируемых на металлических панелях или в шкафах. Электрические связи между блоками осуществляются с помощью специальных разъемов (в виде втычных контактных соединений).

Устройства РЗ и сложных реле на полупроводниковой базе принято выполнять с автоматическим непрерывным функциональным контролем исправности отдельных узлов схемы и с возможностью проведения периодического тестового контроля исправности реле и узлов и действия устройства обслуживающим персоналом.