Лекция 11. Контролирующие электрические аппараты

План лекции:

1. Реле.

2. Преобразователи (датчики).

11.1. Реле

Реле - электрический аппарат, в котором при плавном изменении управляющей (входной) величины происходит скачкообразное изменение управляемой (выходной) величины. Из двух величин хотя бы одна должна быть электрической.

По области применения реле можно разделить на реле для схем автоматики, для управления и защиты электропривода и для защиты энергосистем.

По принципу действия реле делятся на электромагнитные, поляризованные, индукционные, магнитоэлектрические, полупроводниковые и другие.

В зависимости от входного параметра реле можно разделить на реле тока, напряжения, мощности, частоты и других величин. В зависимости от электрической величины, на которую реагирует воспринимающий орган, электрические реле бывают: токовые, напряжения, мощности, сопротивления и частоты, а по характеру изменения воздействующей величины делятся на реле увеличения величины, или максимальные, и реле уменьшения величины, или минимальные.

Следует отметить, что реле может реагировать не только на значение величины, но и на разность значений (дифференциальные), на изменение знака или на скорость изменения входной величины. Иногда реле, имеющие только одну входную величину, должно воздействовать на несколько независимых цепей. В этом случае реле воздействует на другое промежуточ­ное реле, которое имеет необходимое число управляемых цепей. Промежуточное реле используется и тогда, когда мощность, которой может управлять основное реле, недостаточна.

По принципу воздействия на управляемую цепь реле делятся на контактные и бесконтактные.

Помимо указанных признаков, реле различаются спо­собом включения. Первичные реле включаются в контролируемую цепь непосредственно, а вторичные — через измерительные трансформаторы.

Электромагнитные реле для электроэнергетических систем. В электроэнергетике практическое применение получили следующие три группы реле:

1. Первичные реле прямого действия. В эту группу входят реле максимального тока, действующие мгновенно и с замедлением, реле минимального напряжения мгновенного действия и электротепловые реле, встраиваются непосредственно в выключатели, автоматы и магнитные пускатели.

П ервичные реле прямого действия рассмотрим на примере реле максимального тока (рис.11.а).

Рис. 11.1. Реле

Обмотка реле 1 включена в рассечку силовой цепи. При увеличении тока в реле (например при К.З. ) до тока срабатывания якорь 2 преодолевает усилие возвратной пружины 3, втягивается в обмотку и боёк 4 входит в соприкосновение с защелкой 5. Преодолевая усилие возвратной пружины 6 защелка, поворачиваясь, освобождает защелку 7. Контакт 8 отключается под действием возвратной пружины 9.

После отключения выключателя прохождение тока в обмотке реле прекращается, и сердечник с бойком и защелка 5 возвращаются в исходное положение. Таким образом, электромагнит совмещает функции реле и электромагнита отключения контакта 8 выключателя. Для таких реле не требуется наличия источника оперативного тока, но их существенный недостаток заключается в том, что для освобождения защелки 7 выключателя необходимо значительное механическое усилие, вследствие чего они не обладают необходимой точностью и чувствительностью.

Первичные реле прямого действия применяют в сетях напряжением до 1000 В. Их не используют в установках напряжением свыше 1000 В, так как при этом изоляцию обмотки реле следовало бы рассчитывать на напряжение свыше 1000 В.

2. Вторичные реле прямого действия. В эту группу также входят реле максимального тока и минимального напряжения, действующие мгновенно и с выдержкой времени. Реле выполняются на электромагнитном принципе, а обмотка реле включаются в цепь через измерительный трансформатор тока ТА (рис. 11.1б). 

Такие реле имеются, например, в автоматических приводах масляных выключателей.

3. Вторичные реле косвенного действия. В эту основную и наиболее многочисленную группу входят практически все типы реле тока, напряжения, мощности, сопротивления и частоты, а также реле времени промежуточные и сигнальные реле.

Эти реле 1 (рис. 11.1.в) не оказывают непосредственного механического воздействия на отключающий механизм выключателя, а подают через контакт 2 цепи оперативного тока электрический импульс в отключающую катушку 3. Для облегчения конструкции реле его контакты не рассчитываются па размыкание цепи обмотки отключающего электромагнита, в которой проходит большой ток, до 10 А. Размыкание этой цепи производит специальный блокировочный контакт (блок-контакт) привода 4, который размыкается при отключении выключателя. Поэтому при возврате реле в исходное положение его контакты размыкаются при отсутствии тока.

Вторичные реле косвенного действия имеют небольшие размеры и высокую чувствительностью, поскольку по их катушкам обычно протекает малый ток срабатывания, а работа, выполняемая исполнительным органом, невелика. Наладка вторичных реле не требует отключения защитного элемента.

Недостатком схемы защиты с вторичным реле косвенного действия является необходимость применения трансформаторов тока и источников оперативного тока 5. В качестве оперативного, используется как постоянный, так и переменный ток. Постоянный ток применяют в схемах релейной защиты, поскольку при этом обеспечивается высокая надежность их работы, независимо от состояния цепей переменного тока. Источником постоянного оперативного тока обычно является аккумуляторная батарея. Схемы релейной защиты на переменном оперативном токе отличаются простотой и малой стоимостью.

Электротепловое реле. Устройство электротепловое реле приведено на рис. 11.1. г.  Биметаллическая пластина 1 заключена вместе с нагревателем 2, через который протекает то нагрузки I_н, в теплоизоляционную камеру 3. Эта камера позволяет свести к минимуму передачу тепла от нагревателя к остальным деталям реле. Верхний конец пластины прикреплен к неподвижной Г-образной скобе 4 из изоляционного материала, нижний же конец упирается в горизонтальное плечо двухплечевой защелки 5. Снизу это плечо подпружинено пружиной 6.

На вертикальном плече защелки закреплен подвижный контакт 7, который при нормальном токе электрически соединен с неподвижным 8, и через эти два контакта протекает выходной ток реле I_в.

При перегрузке количество тепла нагревателе увеличивается, биметаллическая пластина изгибается, ее нижний конец переместится вправо и освободит защелку 3. Последняя, под действием пружины 4 повернется и разомкнет контакты реле.

На практике это приводит к отключению двигателя. Поскольку при неработающем двигателе ток через нагреватель не протекает, биметаллическая пластина остывает. Но войти в зацепление с защелкой пластина сама не сможет (реле без самовозврата). Для возврата защелки в исходное положение нужно нажать пальцем на кнопку толкателя 9.

Биметаллическая пластина состоит из двух слоев металлов с разными коэффициентами линейного расширения. Слои металла соединяются либо сваркой, либо прокаткой в горячем состоянии. При нагревании пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. Изгиб пластины используется для воздействия на контакты реле.

Основные параметры реле

На рис. 11.1. д по оси абсцисс отложено значение входного параметра х, а по оси ординат – выходного параметра y. Значение входного параметра, при котором происходит срабатывание реле, называется параметром (напряжением, током и т.д.) срабатывания. До тех пор пока х < хср, выходной параметр у равен нулю, либо своему минимальному значению уmin (для бесконтактных реле). При хср выходной параметр скачком меняется до уmax. Происходит срабатывание реле. Если после срабатывания реле уменьшать значение входного параметра, то при х < xотп происходит скачкообразное возвращение выходного параметра от значения уmax до 0 или уmin – отпускание реле.

Значение входного параметра, при котором происходит скачкообразное реле, называется параметром отпускания. Значения параметров срабатывания или отпускания, на которые отрегулировано реле, называются установкой по входному параметру. Время с момента подачи команды на срабатывание до момента начала возрастания выходного параметра называется временем срабатывания.

Это время зависит от конструкции реле, схемы его включения и входного параметра. Для ряда реле очень важно отношение хотп / хср, называемое коэффициентом возврата. Время с момента подачи команды на отключение до достижения минимального значения выходного параметра называется временем отключения. Важным параметром, характеризующем усилительные свойства реле, является отношение максимальной мощности в цепи управления Ру к минимальной мощности входного сигнала Рср при котором происходит срабатывание реле. Для контактных реле максимальная мощность Ру определяется не длительным током, допустимым для данного контакта, а током нагрузки, который может быть многократно отключен.

Требования, предъявляемые к реле, в значительной степени определяются их назначением:

1) селективность (способность реле отключать только поврежденный участок энергосистемы);

2) быстродействие (позволяет резко снизить последствия аварии, сохранить устойчивость системы при аварийных режимах, обеспечить высокое качество электроэнергии);

3) чувствительность – минимальное значение входного параметра, при котором реле срабатывает (позволяет сократить длину ЛЭП, которая не может быть защищена от аварийных режимов);

4) надежность.

Реле для защиты энергосистем эксплуатируются, как правило, в облегченных условиях. Они не подвержены воздействию ударов, вибрации, а также пыли и газов, вызывающих коррозию. Из-за того, что аварийные режимы в системе редки, к этим реле не предъявляются высокие требования в части износостойкости.

К реле для схем автоматики, а также для управления и защиты электропривода предъявляются самые разнообразные специфические требования. Эти реле работают в тяжелых условиях эксплуатации. Число включений в час достигает 1000 и более. Поэтому такие реле должны иметь высокую механическую и электрическую прочность.