Б.В. Соколов Измерительные реле тока

1

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ ТОКА

Цель работы:

1.Изучение принципа работы, параметров и конструкции электромагнитных измерительных реле тока серии РТ-40.

2.Изучение принципа работы, параметров и особенностей реализации статических реле тока серий РСТ11…РСТ14.

3.Получение практических навыков по проверке и регулировке параметров электромагнитных и статических измерительных реле тока.

1.Основные теоретические положения

В схемах релейной защиты и автоматики применяются реле, в основе действия которых лежат различные физические принципы.

Измерительные реле тока обычно выполняются в виде:

-традиционных электромеханических реле серий РТ-40;

-микроэлектронных (полупроводниковых, аналоговых, статических) реле серий РСТ11…РСТ14;

-цифровых (микропроцессорных) реле (защит) серий SPAC 802, SPAM 150C).

Электрическим реле называют аппарат, предназначенный для выполнения скачкообразных изменений в выходных цепях при заданных значениях электрических воздействующих величин.

Электромеханические измерительные реле обычно выполняют на основе двух принципов: электромагнитного и индукционного.

Измерительные реле тока по способу подключения к защищаемой цепи делят на первичные и вторичные, а по способу воздействия их на коммутационный аппарат (выключатель защищаемого объекта – отключающее устройство) - на реле прямого и косвенного действия.

Основными параметрами рассматриваемых в работе реле являют-

ся: ток срабатывания Iср, ток возврата Iвр, коэффициент возврата кв, выдержка времени (время срабатывания) tср.

На практике применяют, как правило, максимальные реле тока, которые срабатывают при возрастании тока.

Контакты реле являются очень ответственными элементами защит. Они должны обеспечивать надежное замыкание и размыкание тока (соответствующей силы) в управляемых ими цепях и быть рассчита-

2

ны на многократное действие в различной (агрессивной) среде. Коммутационную способность контактов реле условно характери-

зуют мощностью Sк, при которой они обеспечивают замыкание и размыкание управляемых ими цепей. Значение этой мощности выражают в виде произведения напряжения источника оперативного тока на наибольший ток, прохождение которого допускается через контакт

Sк =Uпит Iк.

Обмотки реле должны обладать термической стойкостью, характеризуемой (в зависимости от назначения и типа реле) значениями тока или напряжения (допускаемыми длительно или кратковременно), а также потребляемой мощностью Sр. Потребляемая при этом реле мощность равна произведению тока, проходящего по его обмотке, на напряжение на ее зажимах Sр =Iр Uр.

1.1. Принцип работы электромагнитных измерительных реле и особенности их построения

Электромагнитные реле, т.е. реле, выполненные на электромагнитном принципе, относятся к электромеханическим системам, работа которых основана на использовании относительного перемещения их механических элементов под воздействием электрического тока, протекающего по их обмотке.

Для построения электромагнитных реле обычно используют следующие три системы (разновидности конструкций): с втягивающимся якорем (рис.1,а), с поворотным якорем (рис.1,б), с поперечным движением якоря (рис.1,в). Каждая из этих конструкций содержит: электромагнит 1, состоящий из стального сердечника и обмотки; стальной подвижный якорь 2; несущий подвижный контакт 3; неподвижные контакты 4 и противодействующую пружину 5.

Действие таких реле основано на притяжении стального подвижного якоря 2 к электромагниту 1, по обмотке которого проходит ток Iр. Реле косвенного действия имеет контактную систему, которая состоит из подвижной 3 и неподвижной 4 частей. Подвижная часть связана с якорем реле.

При отсутствии тока в обмотке 6 якорь реле удерживается в исходном положении противодействующей пружиной 5, создающей силу противодействия Fп. При этом контакт реле разомкнут (замкнут).

3

Рис.1. Реле электромагнитной системы: а) с втягивающимся якорем; б) с поворотным якорем; в) с поперечным движением якоря

При прохождении тока по обмотке реле создается магнитный поток Ф, замыкающийся через магнитопровод электромагнита, воздушный зазор и якорь. При этом создается электромагнитная сила (ЭМС) Fэ, стремящаяся придвинуть якорь реле (вместе с подвижной частью контактной системы) к электромагниту. Эта сила равна:

где Iр – ток в обмотке реле, w – число витков обмотки реле, λ – магнитная проводимость, l – длина силовой магнитной линии.

Выражение (1) является общим для всех конструкций электромагнитных реле (ЭМР). Для реле с поворотным якорем (рис.1,б) магнитное поле в воздушном зазоре практически можно считают равномерным, а электромагнитную силу (ЭМС) принимают равной

где к – коэффициент пропорциональности; δ – длина воздушного зазора.

На якорь реле при его перемещении кроме ЭМС воздействует механическая сила противодействия Fмд, равная сумме двух сил:

где Fп – сила противодействия; Fт – сила трения.

4

Для действия (срабатывания) реле необходимо, чтобы на всем пути перемещения якоря (от его начального положения в конечное положение) ЭМС была больше механической силы противодействия Fмд, т.е. должно выполняться неравенство

Минимальное значение тока в обмотке реле, при котором выполняется условие (4) и оно срабатывает (действует), называют током срабатывания (действия) реле Iср. Соответствующий ток срабатывания (действия) релейной защиты Iсз можно определить по формуле

где ксх – коэффициент схемы; кi – коэффициент трансформации измерительного трансформатора тока.

Если условие (4) нарушается, то происходит возврат (отпускание) якоря реле в первоначальное положение. При этом выполняется условие

Максимальный ток в обмотке реле, при котором оно возвращается в исходное состояние (отпускает), называют током возврата (отпуска-

ния) реле Iвр.

На рис. 2 изображены механические и электромагнитные характеристики реле с поворотным якорем. Они построены с учетом сил трения и противодействия:

Fмд – механическая сила при действии реле;

Fмо – механическая сила при отпускании реле;

Fэд – электромагнитная сила при действии реле;

Fэо – электромагнитная сила при отпускании реле. Электромагнитные характеристики, приведенные на рис. 2, по-

строены в предположении, что при перемещении якоря и уменьшении зазора ток в обмотке реле остается неизменным (хотя, строго говоря, при этом возрастает индуктивное сопротивление обмотки реле, и величина тока изменяется).

Отношение тока возврата реле Iвр к току срабатывания реле Iср называют коэффициентом возврата (отпускания) реле:

Коэффициент возврата у максимально токовых реле всегда меньше единицы, так как на подвижную систему реле в сработанном состоянии действует избыточная сила Fизб, появляющаяся вследствие раз-

5

личного характера изменения электромагнитной и механической характеристик реле. Чем больше избыточная сила, тем меньше кв. Величина этой силы должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить надежное замыкание контактов реле, но не слишком большой, чтобы чрезмерно не уменьшать коэффициент возврата.

Для повышения чувствительности измерительных органов желательно иметь коэффициент возврата близким к единице. Эти противоречивые требования с достаточной для практики точностью удовлетворяются при использовании П-образной магнитной системы с поперечным движением якоря, на основе которой выполняется значительная часть измерительных реле тока и напряжения. В такой магнитной системе коэффициент возврата примерно равен 0,85.

Рис. 2. Тяговые характеристики электромагнитного реле

Из выражения (2) следует, что ЭМС, действующая на якорь, а, следовательно, и магнитный поток прямо пропорциональны квадрату величины тока в обмотке реле и не зависят от знака (направления) тока.

Следовательно, на электромагнитном принципе могут выполняться реле как постоянного, так и переменного тока. В отличие от реле постоянного тока в работе реле переменного тока имеются некоторые особенности, связанные с изменением во времени направления тока. Так, при линейной зависимости между потоком Ф и током в обмотке реле Iр мгновенное значение ЭМС Fэ(t) пропорционально квадрату

6

мгновенного значения магнитного потока Ф(t). То есть Fэ( t ) = к Ф2( t ),где к – коэффициент пропорциональности.

При этом Ф = I р2 w / Rм, где Rм – магнитное сопротивление; w –

количество витков обмотки реле. Для синусоидального тока имеем

Таким образом, мгновенное значение ЭМС можно представить в виде суммы двух составляющих: постоянной и переменной (рис. 3). Причем изменение во времени переменной составляющей происходит с удвоенной частотой. Следовательно, и ЭМС изменяется (от нуля до величины 0,5кФm) также с удвоенной частотой. При этом в отдельные интервалы времени Fэ( t ) < Fmд( t ), то есть условие (4) не выполняется. В

эти интервалы времени якорь реле будет пытаться вернуться в начальное (исходное) положение, так как он стремится следовать за изменением ЭМС. Но вследствие быстрого изменения ЭМС он не успевает возвращаться в исходное положение и вновь притягивается. В результате происходит вибрация якоря, которая крайне нежелательна, так как способствует подгоранию контактов и их преждевременному износу, а также вызывает неприятное гудение.

Для устранения вибрации якоря необходимо, чтобы при изменении тока во времени ЭМС оставалась бы все время больше противодействующей силы Fп. Практически этого можно достичь путем образования в одном реле двух ЭМС Fэ1(t) и Fэ2(t). Они должны быть смещены друг относительно друга по фазе на некоторый угол так, чтобы результирующая ЭМС Fэ(t), равная их сумме, изменялась бы во времени незначительно и оставалась бы при этом все время больше противодействующей силы Fп (рис. 3).

Для получения двух ЭМС необходимо иметь два магнитных потока Ф1(t) и Ф2(t), смещенных во времени друг относительно друга. С этой целью на магнитной системе реле с одной обмоткой поток в рабочем воздушном зазоре разделяют на два потока с помощью, например, короткозамкнутого витка. При этом магнитный поток Ф1, образованный

7

Рис. 3. Магнитный поток и ЭМС для реле переменного тока с одним магнитным потоком

в результате взаимодействия потока Ф2 с короткозамкнутым витком (рис. 4), отстает от прямого потока Ф2 на угол ψ.

Рис. 4. Магнитные потоки и ЭМС для реле переменного тока с двумя магнитными потоками

Одним из важнейших параметров релейной защиты и реле является время срабатывания и время возврата реле. Под временем срабатывания (возврата) реле понимают время от момента, когда входная воздействующая величина (ток в обмотке реле) принимает в заданных ус-

8

ловиях определенное значение, до момента, когда реле завершает срабатывание (возврат).

У электромагнитных реле время срабатывания реле tср состоит из двух составляющих:

где tн – время нарастания тока в обмотке реле; tд – время движения якоря. Время нарастания тока в обмотке реле – это время от момента достижения воздействующей величиной (т.е. током) значения срабатывания до момента начала движения якоря. Оно зависит от скорости нарастания тока в обмотке реле. Время движения якоря – это время от момента начала движения якоря до момента завершения срабатывания реле. Оно зависит от хода якоря и скорости его перемещения.

У обычных токовых ЭМР без специальных дополнительных устройств tср составляет 0,02…0,1 с. Для получения ЭМР, срабатывающих с требуемым замедлением, т.е. с соответствующей выдержкой времени, в них вводят специальные (конструктивные) элементы, позволяющие увеличить время нарастания тока tн (например, в промежуточных реле) или время движения якоря tд (например, в реле времени).

1.2. Особенности построения и принцип работы микроэлектроннных измерительных реле

Основные узлы микроэлектронных (статических) реле выполнены на операционных усилителях (ОУ), полупроводниковых элементах или логических интегральных микросхемах. В число реле, созданных на базе ОУ, входят реле максимального тока серий РСТ11…РСТ14. На практике находят применение также статические реле: переменного напряжения РСН14…РСН17; постоянного напряжения РСН11, РСН12, РСН18; напряжения обратной последовательности РСН13-1; направления мощности РСМ13; дифференциальные реле РСТ15 (РСТ 16); реле времени РВ01, РВ03, РСВ13, РСВ14; реле контроля напряжения и угла сдвига фаз РСНФ-12. Основным изготовителем этих реле является Чебоксарский электроаппаратный завод (ЧЭАЗ).

В практике находят применение комплектные реле сопротивления. Одним из представителей таких реле является блок реле сопротивления типа БРЭ-2801, который содержит три однофазных дистанционных органа и предназначен для использования в качестве измерительного органа дистанционных защит линий итрансформаторов 110-500 кВ.

9

Большинство статических реле выпускаются в пластмассовом корпусе типа "Сура", который состоит из цоколя (пригодного как для переднего, так и для заднего присоединений соединительных проводов) и объемного кожуха. В практике находят применение два типоразмера корпусов этого типа: шириной 66 и 132 мм и одной высоты - 152 мм. На цоколе крепится металлическая скоба, на которой устанавливаются датчики тока и напряжения, выходные реле и печатная плата со смонтированными на ней микросхемами и радиодеталями. Ручки переключателей уставок реле выведены на лицевую табличку. Тепловыделяющие резисторы делителей напряжения узла питания смонтированы сзади на наружной стороне цоколя.

В схемах статических реле защиты предусмотрены специальные меры, исключающие опасность повреждения содержащихся в них микросхем от перенапряжений, возникающих в сети постоянного тока при размыкании цепи обмотки электромагнитов управления и реле. При коммутационных операциях в сети высокого напряжения могут возникать опасные перенапряжения. Они могут проникать в элементы схемы реле по цепям измерительных трансформаторов тока и напряжения и вызывать неправильное действие реле.

Причиной неправильной работы реле могут служить также наведенные напряжения помех, которые получаются из-за наличия в окружающей среде переменных электрических и магнитных полей, создаваемых посторонними источниками (промышленными высокочастотными установками, устройствами радиосвязи и др.).

Для сохранения исправного состояния микросхем и предотвращения неправильной работы реле на входе узла питания оперативного тока ставят шунтирующие конденсаторы, гасящие высокочастотные помехи, и нелинейные сопротивления – варисторы, ограничивающие верхние уровни приходящих волн перенапряжений. Защитные конденсаторы устанавливают также параллельно стабилизаторам питания

± 15 В и непосредственно на выходах операционных усилителей. Между первичными и вторичными обмотками датчиков тока и напряжения закладывают специальные экранирующие обмотки, соединенные с нулевой шиной.

Монтаж печатных плат в этих реле производят с учетом требований как в части защиты от наведенных напряжений, появляющихся при близком прохождении смежных цепей, так и в части выравнивания потенциалов узловых точек, связанных с нулевой шиной. Конструкция