Б.В. Соколов Измерительные реле тока

10

реле обеспечивает высокий уровень изоляции полупроводниковой части реле по отношению к земле и к вторичным цепям трансформаторов тока и напряжения.

Реле максимального тока (статические реле на ОУ) серий РСТ11…РСТ14 реализованы по структурной схеме, показанной на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема статического реле защиты:

УП – узел питания; УИ – узел измерения; УФ – узел формирования; УС

– узел сравнения (ПЧ – преобразующая часть, СС – схема сравнения, ИЧ – исполнительная часть); УВ – узел выхода

Структурная схема состоит из пяти основных узлов.

Узел измерения (УИ) содержит измерительные преобразователи или датчики тока и напряжения, предназначенные для преобразования сигналов, поступающих от трансформаторов тока и напряжения защищаемого объекта.

Узел формирования (УФ) предназначен для преобразования поступающих входных сигналов в сигналы специальной формы: переменного напряжения или выпрямленного тока, требуемые для реализации характеристики реле.

Узел сравнения (УС) служит для дальнейшего преобразования сравниваемых напряжений в форму, удобную для сравнения, и получения на выходе узла управляющего сигнала в тех случаях, когда результат сравнения свидетельствует о соответствии поданных на реле токов и напряжений условиям его срабатывания.

11

Узел выхода (УВ) обеспечивает действие содержащегося в нем электромеханического реле при поступлении управляющего сигнала из узла сравнения.

Узел питания (УП) предназначен для получения от источника оперативного тока защищаемого объекта стабилизированных напряжений постоянного тока, требующихся для работы интегральных микросхем и исполнительного выходного реле.

Содержащиеся в узле измерения измерительные преобразователи (датчики) представляют собой промежуточные трансформаторы или трансреакторы, предназначенные для развязки полупроводниковой части реле от вторичных цепей защищаемого объекта. Эти преобразователи служат также для трансформации токов и напряжений. Уровень трансформированных сигналов выбирается из условий управления операционными усилителями.

Число датчиков определяется назначением и схемой реле. В токовых реле применяют один или несколько датчиков тока, в реле напряжения – соответствующее число датчиков напряжения.

Вреле сопротивления и в реле направления мощности устанавливают как датчики тока, так и датчики напряжения.

ВУФ производится обработка сигналов, поступающих от датчиков тока и напряжения. Объем и вид обработки сигналов зависят от типа реле. В одних реле обработка сигналов включает в себя только выпрямление сигналов; в других – усиление и сдвиг их по фазе; в третьих

–дифференцирование поступающих сигналов; в четвертых (наиболее сложных) – создание нескольких сравниваемых напряжений, которые получаются путем суммирования и сдвига по фазе трансформированных сигналов, пропорциональных поданным на вход реле токам и напряжениям. В узле формирования, кроме того, производится (при необходимости) подавление или выделение отдельных гармоник в сформированных сигналах. Для этой цели используют преимущественно различные фильтры низших и высших частот.

2.Характеристики измерительных реле тока

На практике применяют, как правило, максимальные измерительные реле тока, которые срабатывают именно при возрастании тока, а не при уменьшении его.

12

2.1. Первичные электромагнитные измерительные реле тока прямого действия

Обмотки этих реле подключают непосредственно к контролируемой электрической цепи (в разрыв фазного провода), а их подвижный якорь непосредственно воздействует на механическое исполнительное устройство выключателя. Поэтому для работы этих реле не требуется ни первичных измерительных преобразователей, ни источников оперативного тока. В системах электроснабжения первичные реле прямого действия применяют сравнительно редко. Обычно они используются в электроустановках постоянного тока.

В системах переменного тока такие реле используют в качестве расцепителей. Они являются основной частью автоматического выключателя АВМ-10, который используется в электроустановках напряжением до 1 кВ. Для выполнения защиты, селективно действующей при КЗ и перегрузках, максимальные расцепители имеют элементы выдержки времени (часовые механизмы).

Эти реле обеспечивают необходимую выдержку времени срабатывания при малых токах (в пределах tср=0,1…10 с в зависимой части характеристики) и мгновенное отключение автоматического выключателя (tср = 0,25…0,6 с в независимой части) при больших токах Iр > 500 А. Эти расцепители имеют обычно две уставки тока срабатывания: замедленного действия и мгновенного срабатывания. Они позволяют реализовать в установках до 1 кВ двухступенчатую токовую защиту: максимальную токовую защиту и токовую отсечку без выдержки времени (или с выдержкой времени).

2.2. Первичные электромагнитные измерительные реле тока косвенного действия

В системах электроснабжения такие реле применяются очень редко. Их используют, в частности, в защите тяговой сети постоянного тока совместно с неполяризованными быстродействующими выключателями. На практике широко применяют электромагнитное реле РДШ (реле – дифференциальный шунт), в котором используется электромеханическая система с поворотным якорем.

13

2.3. Вторичные электромагнитные измерительные реле тока прямого действия

Обмотки этих реле включают в защищаемые цепи через первичные измерительные преобразователи тока (ТА). Они имеют магнитную систему с втягивающимся якорем и применяются для выполнения защит в установках с напряжением до 35 кВ. Основными представителями реле этой группы являются реле тока типа РТМ и РТВ, которые устанавливаются непосредственно в пружинные и грузовые приводы выключателей типа ППМ-10, ПП-67, ПРБА.

РТВ – вторичное электромагнитное измерительное реле тока прямого действия (максимального типа) с ограниченно зависимой выдержкой времени.

Подвижная часть контактной системы состоит из сердечника и ударника. Ударник жестко связан с часовым механизмом, а связь сердечника с ударником осуществляется с помощью пружины. В зависимости от величины тока в обмотке реле эта связь может быть жесткой или гибкой. При токе в обмотке реле Iр<3 Iср пружина не сжимается. Скорости перемещения пружины и ударника одинаковы и определяются ЭМС и часовым механизмом. В этом случае реле работает в пределах зависимой части характеристики, т.е. с увеличением тока выдержка времени уменьшается.

При токе Iр > 3 Iср сердечник реле мгновенно притягивается к неподвижному полюсу и сжимает пружину. При этом скорость ударника не зависит от величины ЭМС и определяется только часовым механизмом. В этом случае реле работает в независимой части характеристики, т.е. выдержка времени реле не зависит от величины тока в обмотке и определяется только часовым механизмом.

Обмотка реле имеет ответвления, выведенные на переключатель, который путем изменения числа витков обеспечивает регулировку тока срабатывания реле в пределах от 5 до 10 А.

Выдержка времени создается часовым механизмом и устанавливается (регулируется) в независимой части характеристики специальным витком в пределах до 4 с. Выдержка времени в пределах зависимой части характеристики определяется уставкой реле в независимой части

tср =1…12 с при Iр = Iср.

Недостатками этого типа реле являются:

- большая погрешность в выдержке времени;

14

-большая потребляемая мощность (50 В·А);

-низкий коэффициент возврата (0,5…0,8), зависящий от величины тока и положения сердечника;

-сложность системы регулировки тока срабатывания.

РТМ – вторичное электромагнитное измерительное максимальное реле тока прямого мгновенного действия (максимального типа). Конструктивно оно отличается от реле РТВ отсутствием часового механизма. Система регулировки тока срабатывания достаточно сложна по конструкции и малонадежна в эксплуатации: Iср =5…15 А. Имеются модификации этого типа реле с обмотками без ответвлений, с установкой требуемой величины тока срабатывания путем перемещения сердечника специальным винтом. Реле имеет зависимую от кратности тока характеристику выдержки времени: tср =0,02 с при Iр =(2…3)Iср.

2.4. Вторичные электромагнитные измерительные реле тока косвенного действия

Эти реле широко используют в устройствах релейной защиты и автоматики в качестве органа, реагирующего на увеличение тока в защищаемой (контролируемой) цепи. Обмотки этих реле включают через первичные измерительные преобразователи тока (ТА). Большое практическое применение они находят благодаря следующим достоинствам:

-независимость параметров реле от параметров защищаемого элемента;

-большая чувствительность и незначительные погрешности;

-относительно малое потребление мощности при срабатывании;

-возможность настройки (регулировки) без отключения элемента электроснабжения и установки для работы в любом удобном месте;

-возможность создания на их базе логических схем защит и автоматики любой сложности.

Недостатки, присущие всем электромеханическим системам:

-значительные потребляемые мощности;

-большие размеры;

-недостаточная надежность (вследствие наличия подвижной системы и механических контактов);

-необходимость наличия дополнительных источников оперативного тока.

Реле серии РТ-40 – это вторичные электромагнитные измеритель-

15

ные реле тока косвенного и мгновенного действия. Реле этого типа выпускаются в различных модификациях, отличающихся друг от друга величинами тока срабатывания и потребляемой мощностью. Полное расчетное сопротивление реле Zр определяют по потребляемой им мощности Sр по следующей формуле:

где Sр – потребляемая мощность, В·А; Iр – ток, при котором задана потребляемая мощность, А.

Реле серии РТ-40 имеют П-образную систему с поперечным движением якоря. На полюсах магнитопровода этих реле имеются две обмотки. Концы обмоток выведены на зажимы цоколя реле. Перестановкой перемычек на концах обмоток можно включать их цепь последовательно или параллельно. Подвижная система реле состоит из стального якоря, подвижного контакта и механического гасителя вибрации якоря.

Якорь реле удерживается в первоначальном положении противодействующей спиральной пружиной, которая одним концом связана с осью подвижной системы (якоря), а другим – с указателем величины уставки. Изменение положения указателя уставки приводит к изменению степени натяжения пружины и, следовательно, к изменению противодействующей механической силы и изменению требуемой величины тока срабатывания (для выполнения условия (4)).

При перемещении указателя уставки из начального положения в конечное ток срабатывания реле увеличивается в два раза. При токе Iр ≥ Iср выполняется условие (4), якорь и связанный с ним подвижный контакт замыкает управляющую электрическую цепь. При Iр < Iвр подвижная система реле возвращается в исходное положение, контакты реле размыкаются.

Технические характеристики и основные модификации реле серии РТ-40 указаны в табл. 1.

Паспортное значение коэффициента возврата реле равно 0,8. Шкала уставки проградуирована в амперах в предположении, что обмотки реле соединены последовательно. При параллельном их соединении величина тока срабатывания, указанная на шкале, увеличивается в два раза.

Для снижения вибрации контактов кроме механического гасителя в реле используется магнитопровод с насыщающимися участками, которые выполнены с уменьшенной площадью сечения.

16

Коммутационная способность контактов реле серии РТ-40: Таблица 1

Технические данные реле тока и напряжения

-в цепи постоянного тока: Р=60 Вт, U=250 В или I=2А;

-в цепи переменного тока: Р=300 Вт, U=250 В или I=2А.

Реле серии РТ-40 имеют один замыкающий и один размыкающий контакты и могут использоваться в качестве составной части (совместно с насыщающимися трансформаторами тока) в дифференциальных реле тока РНТ-565 и в дифференциальных реле тока с торможением ДЗТ-11.

2.5. Статические реле серий РСТ11…РСТ14

Статические реле максимального тока серий РСТ11…РСТ14 предназначены для использования в качестве измерительных органов токовых защит мгновенного действия или работающих с выдержкой времени (для любых присоединений электроустановок). Они пригодны для всех случаев, когда не требуются специальные меры по отстройке защиты от апериодических составляющих и высших гармоник тока, которые могут содержаться в первичных токах защищаемого объекта.

Эти реле выполнены на времяимпульсном принципе, гарантирующем хорошую помехоустойчивость. Принятое аппаратное исполнение обеспечивает четкую работу реле при больших кратностях тока повре-

17

ждения по отношению к номинальному току трансформаторов тока, когда их погрешность может достигать 80…90 %. Реле обладают повышенной сейсмостойкостью и рассчитаны для применения на объектах атомной энергетики. Для питания реле этих серий оперативным током должны использоваться надежные источники постоянного или переменного тока напряжением 220 В.

Взаводских обозначениях реле отражены условия их применения

ипараметры. Так, реле РСТ11 и РСТ12 рассчитаны на питание переменным оперативным током 220 В. Причем первое из них предназначено для сетей с рабочей частотой 50 Гц, а второе – с частотой 60 Гц. Для работы реле РСТ13 и РСТ14 необходим источник питания постоянного оперативного тока 220 В.

Вусловном обозначении реле указывается номер серии реле. Далее следует двухзначное число, отражающее максимальную уставку по току для реле данного типоисполнения.

Существует семь вариантов типовых исполнений: 04, 09, 14, 19, 24, 29, 32. Им соответствуют следующие диапазоны уставок по току: типоисполнение 04 – ток до 0,2 А; 09 – ток до 0,6 А; 14 – ток до 2 А; 19 – ток 6 А; 24 – ток до 20 А; 29 – ток до 60 А; 32 – ток до 120 А.

Третий знак условного обозначения представлен цифрой 1 или 5. Цифра 1 указывает на то, что реле предназначено для переднего подключения соединительных проводов, а цифра 5 – соответственно для заднего подключения проводов. В конце условного обозначения приводится вид климатического исполнения реле: УХЛ4 – для умеренного климата; 04 –для тропических условий.

Например, условное обозначение РСТ13-19-1-УХЛ4 означает: реле – статическое максимального тока; использование – в сетях с промышленной частотой 50 Гц на объектах с постоянным оперативным током 220 В; наибольшая уставка реле по току – 6 А; подсоединение внешних проводов – переднее; условия работы – умеренный климат.

Основные параметры реле представлены в табл. 2.

Мощность, потребляемая по цепям оперативного тока, не превы-

шает: 7 В А – в режиме до срабатывания; 8,5 В А – при срабатывании. Реле не срабатывает в момент снятия или при подаче и кратковременном исчезновении (до 50 мс) напряжения оперативного тока.

Отключающая способность контактов выходного реле (при напряжении от 24 до 250 В) в цепях постоянного тока составляет 30 Вт (не более 1А); в цепях переменного тока – до 250 В А (не более 2 А).

18

Таблица 2

Параметры статических реле

РСТ 13 - 04 УХЛ 4

Вид климатического исполнения Тип исполнения

Серия

Все элементы схемы (кроме балластных резисторов) смонтированы в общем корпусе. Переключатели уставок выведены на наружную сторону лицевой таблички.

Коэффициент возврата реле – не ниже 0,9.

На рис. 6 приведена схема функциональная реле РСТ11(13), на рис. 7 – схема принципиальная реле РСТ11 (РСТ12).

Измерительный узел реле представляет собой промежуточный трансформатор тока ТА, а узлом формирования служит выпрями-

19

тельный мост VI. Преобразующей частью узла сравнения является однопороговый компаратор А1, который используется одновременно и как первая ступень сравнения, определяющая ток срабатывания реле. В ней поступающий сигнал сравнивается с заданным опорным напряжением. Для установки опорного сигнала, с помощью которого задается уставка реле, предусмотрены переключатели уставок SB1…SB5. Они шунтируют часть резисторов, образующих делитель напряжения, питающийся от источника напряжения ± 15 В.

Рис. 6. Функциональная схема реле серии РСТ11(13)

При размыкании переключателей изменяется доля напряжения, подаваемая на вход компаратора.

Выходной сигнал однопорогового компаратора поступает на следующую ступень сравнения – времясравнивающую цепочку, содержащую конденсатор С2, резисторы R7 и R8, диод VD2 и стабилитроны VD3. Пороговым элементом этой цепочки (и одновременно исполнительной частью узла сравнения) служит триггер Шмитта А2.

Узел выхода реле состоит из транзистора VT1 и выходного электромагнитного реле типа РП13 на рабочее напряжение 110 В.

Узел питания (УП) представляет собой делитель напряжения на резисторах, в составе которого имеются стабилитроны, поддерживающие уровни напряжения ± 15 В. В компараторе А1 и триггере Шмитта А2 используются операционные усилители типа К140УД7. Для измере-