Общие сведения.

Согласно принятой терминологии наименование реле присвоено большой группе автоматических приборов управления, обладающих релейным действием, под которым понимается скачкообразное изменение управляемой цепи (замыкание или размыкание) при заданных значениях величин, характеризующих определённое отклонение режима контролируемого объекта.

Релейная защита и автоматика (РЗиА) включают в себя комплекс реле различного действия, которые действуют совместно в заданной последовательности и зависимости друг от друга или – по заданной программе. В устройствах РЗиА реле замыкают или размыкают различные электрические цепи или иным способом скачкообразно изменяют их состояние, или механически воздействуют на силовые аппараты (выключатели).

В устройствах РЗ применяются электрические, механические и тепловые реле.

Электрические реле реагируют на электрические величины: ток, напряжение, мощность, частоту, сопротивление, угол между током и напряжением или двумя токами, или двумя напряжениями.

Механические реле реагируют на не электрические величины: давление, скорость течения жидкости или газа, частоту вращения, уровень жидкости и т.д.

Тепловые реле реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры.

Наибольшее распространение в РЗ получили электрические реле, которые выполняются на электромагнитном и индукционном принципах. В последнее время всё большее распространение получают поляризованные и магнитоэлектрические реле, включаемые в цепи переменного тока через выпрямители, а так же полупроводниковые реле на электронной элементной базе.

Принцип действия электромагнитных реле.

Основные типы: реле с втягивающимся якорем; с поворотным якорем; с поперечным движением якоря.

Реле с втягивающимся якорем. При отсутствии тока в реле якорь под влиянием пружины и собственной массы находится в нижнем положении, на упоре. При подаче тока в катушку реле возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник и якорь. В результате этого якорь притягивается к сердечнику и укреплённый в нём подвижный контакт замыкает неподвижные контакты. С помощью электромагнитной системы такого типа выполняются реле прямого действия, отключающие и включающие электромагниты приводов выключателей и др. аппараты.

Реле с поворотным якорем и реле с поперечным движением якоря. Принцип действия этих реле аналогичен реле с втягивающимся якорем. Сила притяжения, воздействующая на якорь электромагнитных реле:

F_Э = К

К – коэффициент пропорциональности, учитывающий магнитные свойства стали и особенности конструктивного выполнения реле.

Ток срабатывания и ток возврата реле. Момент притяжения якоря реле к неподвижному сердечнику называется моментом срабатывания реле, а наименьший ток, при котором оно срабатывает, называется током срабатывания реле I_с.р… Пограничное условие срабатывания реле наступает, когда электромагнитная сила F_Э, с которой якорь притягивается к неподвижному сердечнику, становится равной противодействующей механической силе F_М, складывающейся из силы пружины и массы якоря, т.е. F_Э = F_M.

I_с,р =

Если после срабатывания реле постепенно снижать ток в его обмотке, то электромагнитная сила будет уменьшаться и, когда она станет меньше противодействующей механической силы, якорь реле вернётся в исходное положение. Момент возвращения якоря в исходное положение называется моментом возврата реле, а наибольший ток, при котором происходит возврат реле, называется током возврата реле I_В,р.

Отношение тока возврата к току срабатывания называется коэффициентом возврата.

К_В =

Рассмотренные реле, которые срабатывают при увеличении тока, проходящего в обмотке реле, называются реле увеличения тока (напряжения) или максимальные реле тока (напряжения). У максимальных реле ток (напряжение) срабатывания больше тока (напряжения) возврата, поэтому К_В у них всегда меньше единицы.

Электромагнитные реле этих же конструкций могут работать с нормально притянутым якорем. В этих случаях обмотка реле постоянно обтекается током такой величины, при которой F_Э превышает F_М и исходным положением реле является положение, когда якорь реле притянут к сердечнику и связанный с ним подвижный контакт замыкает неподвижные контакты. Реле срабатывает, когда ток в обмотке уменьшается до значения, при котором F_Э становится меньше F_М. Наибольшее значение этого тока – ток срабатывания. Реле возвращается в исходное положение, когда ток в обмотке опять возрастёт. Наименьшее значение этого тока – ток возврата.

Таким образом, реле, срабатывающие при уменьшении тока (напряжения), называются реле уменьшения или минимальные реле тока (напряжения). У минимальных реле ток срабатывания меньше тока возврата, поэтому К_В у этих реле больше единицы.

Способы регулирования тока срабатывания:

1. Изменение противодействующей механической силы, что достигается изменением натяжения пружины. Следовательно, при увеличении натяжения пружины ток срабатывания реле увеличится и наоборот;

2. Изменение расстояния между якорем и неподвижным сердечником. Чем больше расстояние, тем больший ток необходим для создания электромагнитной силы, достаточной для преодоления увеличенной противодействующей силы пружины. Следовательно, при увеличении натяжения пружины ток срабатывания реле увеличивается, и наоборот;

3. Изменение числа витков обмотки реле. Чем больше витков будет иметь обмотка реле, тем меньший ток необходим для срабатывания реле.

Работа электромагнитных реле на переменном токе.

При периодическом изменении направления переменного тока, проходящего по обмотке электромагнитного реле, также периодически изменяется полярность намагничивания сердечника и якоря реле. Поэтому сердечник и якорь всегда обращены друг к другу разноимёнными полюсами и притягиваются. Следовательно, направление силы притяжения якоря не зависит от направления тока в обмотке реле, и поэтому электромагнитные реле могут применяться в цепях как постоянного, так и переменного тока. Однако при включении обмотки электромагнитного реле в цепь переменного тока сила притяжения якоря также будет переменной по величине и будет изменяться с двойной частотой от нуля до наибольшего значения. При частоте переменного тока 50Гц сила притяжения якоря будет 100 раз в течение 1 сек. достигать наибольшего значения, а также и 100 раз становиться равной нулю. Вследствие этого, когда электромагнитная сила притяжения уменьшаясь, становится меньше противодействующей силы, создаваемой пружиной и массой якоря, якорь будет отходить, а затем вновь притягиваться при нарастании силы притяжения. Эти колебания (вибрация) ухудшают работу контактов реле, вызывают их подгорание. Для устранения вибрации на часть полюса сердечника насаживается медный короткозамкнутый виток, называемый экраном. Благодаря этому магнитный поток, создаваемый током, проходящим по обмотке реле, расщепляется на два магнитных потока, сдвинутые между собой на некоторый угол. Каждый магнитный поток будет создавать силу притяжения якоря. В результате суммарная сила притяжения будет иметь незначительные колебания и всегда будет превышать противодействующую силу пружины и массы якоря.

Принцип действия индукционных реле.

На индукционном принципе выполняются реле двух основных типов: с вращающимся диском и с вращающимся цилиндрическим ротором. Первый тип используется для изготовления максимального реле тока с зависимой от тока характеристикой выдержки времени, а второй широко применяется для изготовления реле направления мощности и реле сопротивления.

Индукционное реле состоит из неподвижного магнитопровода с обмотками, подключенными к контролируемой цепи, и подвижной части, выполняемой в виде металлических, хорошо проводящих ток диска или цилиндра, расположенных на оси, к которой присоединены подвижные контакты реле. При подаче в обмотки реле переменных токов в магнитопроводе возникают переменные магнитные потоки, которые индуктируют токи в подвижном цилиндре или диске. В результате взаимодействия этих индуктированных токов и магнитных потоков возникает вращающий момент на оси реле, под влиянием которого подвижная часть может вращаться или поворачиваться на определённый угол. Индукционные реле могут работать только на переменном токе. Для получения вращающего момента на оси подвижной части индукционного реле необходимо создать не менее двух магнитных потоков, сдвинутых относительно друг друга в пространстве и по фазе. Большинство индукционных реле выполняются с двумя магнитными потоками. В этих реле вращающий момент на оси подвижной части возникает в результате взаимодействия каждого магнитного потока с током, индуктированном в диске или цилиндре вторым магнитным потоком.

Индукционное реле с вращающимся диском, реагирующим на одну электрическую величину, например ток, состоит из алюминиевого диска, с укреплённой на его оси контактной системой и магнитопровода с обмоткой. На часть сечения полюсов магнитопровода насажены массивные медные короткозамкнутые витки (экраны). При прохождении по обмотке реле переменного тока возникает магнитный поток, который замыкается по экранированной и неэкранированной частям полюсов. Вследствие этого в экранах индуктируется ЭДС и проходит ток, который создаёт вокруг себя магнитное поле. В результате сложения магнитного потока от этого индуктированного в экране тока с магнитным потоком магнитопровода, суммарный магнитный поток в экранированной части полюсов отличается от магнитного потока по фазе от магнитного потока в неэкранированной части полюсов на некоторый угол. Таким образом, образуются условия, необходимые для работы индукционного реле, а именно: наличие двух, пересекающих подвижный диск, магнитных потоков, сдвинутых один относительно другого в пространстве и по фазе.

В индукционных реле с цилиндрическим ротором магнитные потоки сдвинуты в пространстве на угол 90за счёт специальной конструкции магнитной системы реле, а фазовый сдвиг между ними достигается соответствующим включением обмоток. Магнитные потоки индуктируют в стенках цилиндрического ротора ЭДС и токи, которые, взаимодействуя с этими магнитными потоками, создают на роторе вращающий момент так же, как на дисковом индукционном реле.

Классификация электрических реле.

Все реле делятся по назначению на три группы:

Основные реле, непосредственно реагирующие на изменение контролируемых величин: тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления и т.д.;

Вспомогательные реле, управляемые другими реле и выполняющие функции введения выдержки времени, размножения контактов, передачи команд от одних реле к другим, воздействия на выключатели, сигналы и т.п.;

Сигнальные (указательные) реле, фиксирующие действие защиты и управляющие звуковыми и световыми сигналами.

Все реле имеют воспринимающий орган, который непосредственно воспринимает изменения электрических величин, подведённых к реле, и производит соответствующие им изменения в других органах или частях реле, и исполнительный орган, который, воздействуя на внешние цепи, производит отключение выключателей, подачу предупредительных сигналов или запуск других реле. Исполнительным органом являются контакты реле. Кроме того, некоторые реле имеют орган замедления или выдержки времени.

В зависимости от электрической величины, на которую реагирует воспринимающий орган, электрические реле бывают: тока, напряжения, мощности, сопротивления и частоты, а по характеру изменения воздействующей величины делятся на: максимальные и минимальные.

По способу включения воспринимающего органа различаются реле первичные, у которых воспринимающий орган включается непосредственно в цепь защищаемого элемента, и вторичные, у которых воспринимающий орган включается через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

По способу воздействия исполнительного органа различаются реле прямого действия, у которых исполнительный орган отключает выключатель путём механического воздействия, и реле косвенного действия, исполнительный орган которых воздействует на привод выключателя с помощью оперативного тока.

Практическое применение получили реле:

1. Первичные реле прямого действия. В эту группу входят максимальные реле тока, действующие мгновенно и с выдержкой времени, реле минимального напряжения мгновенного действия и электротепловые реле. Первичные реле прямого действия встраиваются непосредственно в выключатели, АВ и магнитные пускатели;
2. Вторичные реле прямого действия. В эту группу так же входят максимальные реле тока и напряжения, действующие мгновенно и с выдержкой времени. Реле выполняются на электромагнитном принципе и встраиваются в приводы выключателей;
3. Вторичные реле косвенного действия. В эту группу входят реле всех типов – тока, напряжения, мощности, сопротивления и частоты, а так же промежуточные реле времени и сигнальные реле.

Реле времени предназначены для замедления действия РЗ – выдержки времени. Различают два типа реле времени: одно – с часовым механизмом для работы на постоянном и переменном оперативном токе, другое – полупроводниковое.

Принцип действия реле времени с часовым механизмом основан на работе ведущей пружины, которая заводится или отпускается пусковым устройством. Промышленностью выпускается несколько типов реле времени, принцип действия которых одинаковый для всех, а устройства и технические характеристики каждого конкретного реле указаны в паспорте изделия.

В полупроводниковых реле времени выдержка времени образуется за счёт времени заряда конденсатора через резистор до определённого значения напряжения.

Рис.№1. Функциональная схема полупроводникового реле времени.

Выдержка времени начинается при подаче через выпрямитель VS напряжения питания на схему (рис.%1). При этом срабатывает входное реле KL1и размыкает свой контакт KL1.1, начинает работать генератор импульсов GI, подключенный через стабилизатор TS, импульсами с выхода GI через резистор R1 заряжается конденсатор С1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня опорного напряжения, определяемого делителем напряжения на резисторах R2,R3, открывая диод VD1, импульсы генератора GI проходят через С2 на вход триггера DS и устанавливают его в положение, при котором подаётся напряжение на выходное реле KL2. Реле KL2 срабатывает и переключает выходные контакты. Напряжение от выпрямителя на схему заряда подаётся через стабилизатор TS.

При снятии напряжения питания обесточивается реле KL1 и разряжает конденсатор С1. Триггер DS возвращается в исходное положение. Реле KL2 отпадает, выходные контакты реле возвращаются в исходное положение.

Полупроводниковые реле времени выпускаются для работы на постоянном оперативном токе напряжением 24 и 110В, а так же на переменном оперативном токе напряжением 110 220В. Минимальное время подготовки реле к очередной работе – 0,3 с, максимальное время возврата реле – 0,2 с.. Мощность, потребляемая от сети не превышает 8ВА.. Выходные контакты реле длительно выдерживают ток 4А, коммутационная их способность: на постоянном токе – 25Вт индуктивной нагрузки с постоянной времени 0,01 с; на переменном токе – 250ВА при коэффициенте мощности 0,4.

Промежуточные реле.

Основным назначением промежуточных реле является:

• Размножение контактов основного реле в тех случаях, когда при срабатывании последнего требуется одновременно замкнуть или разомкнуть несколько цепей.;
• Разгрузка контактов основного реле при необходимости замыкания или размыкания цепей такой мощности, на которую контакты основного реле не рассчитаны.

Промежуточные реле выполняются на электромагнитном принципе для работы на оперативном постоянном и переменном токе. В зависимости от назначения РП выполняются с обмотками напряжения или тока или теми и другими одновременно. РП с обмотками напряжения включаются на полное напряжение источника оперативного тока. РП с обмотками тока включаются последовательно в цепь обмоток других аппаратов и работают от тока, проходящего по этой цепи. Реле постоянного тока изготовляются на напряжения 24, 48, 110 и 220 В, а переменного тока – на 127, 220 и 380 В. Для предотвращения вибрации подвижной системы реле, работающие на переменном оперативном токе, имеют короткозамкнутый виток на сердечнике электромагнита. Промежуточные реле типа РП имеют в основном по пять пар контактов, которые могут использоваться в различных комбинациях.

Промежуточные малогабаритные кодовые реле типа КДР отличаются от реле типа РП конструкцией магнитной системы электромагнита. Они делятся на три типа: реле, имеющие неразветвлённую магнитную систему Г-образной формы; реле, имеющие разветвлённую магнитную систему П-образной формы; реле, также имеющие разветвлённую магнитную систему, но увеличенного размера и снабжённые дополнительно короткозамкнутыми витками в виде медных шайб.

Наряду с описанными выше электромагнитными промежуточными реле в современных полупроводниковых устройствах РЗ широкое применение получили ГЕРКОНЫ – герметизированные магнитоуправляемые контакты, которые по принципу действия как бы объединяют в себе функции электрического контакта и подвижного якоря электромеханического реле. Это обеспечивается за счёт того, что контактные пружины герконов изготовлены из магнитных металлов и могут перемещаться при воздействии на них магнитного поля и переключать при этом электрическую цепь, которая проходит через них. Части контактных пружин герконов, осуществляющие непосредственный электрический контакт, имеют специальное покрытие из хорошо проводящего металла. Контактная система геркона заключена в герметичный корпус из стекла или керамики, заполненный инертными газовыми смесями или, наоборот, вакуумный, что обеспечивает хорошее искрогашение.

Существует много видов магнитоуправляемых герконов, отличающихся способами воздействия магнитного поля на их подвижную систему, конструкцией и количеством контактных систем в одном герметизированном корпусе. Большинство герконов допускает переключение цепей с мощностью от десятков до сотен ватт при напряжениях 200 – 500 В и токах до 0,5 А. Есть герконы, осуществляющие переключения цепей с напряжением до 5000В и током до 10А. Время срабатывания и возврата для большинства герконов находится в пределах 0,1 – 3мс; наиболее быстродействующие герконы срабатывают за 0,02мс; диапазон рабочих температур – 60 - +125С. Контакты герконов рассчитаны 10⁴ - 10⁶ срабатываний при токе до 1А.

Указательные реле (блинкерные).

Указательные реле (УР) используются в схемах РЗ иА в качестве указателей срабатывания этих устройств. УР бывают последовательного и параллельного включения. Обмотки реле последовательного подключения включаются в цепь обмоток других реле и аппаратов (в цепь отключающих катушек выключателей) и, срабатывая от тока, проходящего по этой цепи, фиксируют факт её замыкания. Обмотки реле параллельного включения включаются параллельно обмоткам других реле или аппаратов и, срабатывая от напряжения, подаваемого на обмотки реле или аппаратов, фиксируют факт появления напряжения в этой точке электрической схемы.

После прекращения тока (напряжения) в обмотке УР его якорь возвращается в исходное положение, а сигнальный флажок и контакты остаются в сработанном положении, сигнализируя и указывая о срабатывании данного устройства защиты и автоматики. Возврат сигнального флажка и контактов реле в исходное положение производится обслуживающим персоналом путём поворота цилиндрика или нажатием кнопки.

Принцип действия нуль - индикатора.

В современных панелях защит в качестве исполнительного органа схем сравнения применяется нуль-индикатор, разработанный на основе полупроводниковых приборов. Принцип действия его основан на сопоставлении длительностей рабочего и тормозного сигналов на выходе полупроводниковой схемы сравнения. В нуль – индикаторе использованы две микросхемы (операционные усилители), конденсаторы, резисторы и др. элементы.

Рис.1 Принципиальная схема нуль – индикатора.

В зависимости от сигнала на входе микросхемы А1 (рис.1) сигнал на её выходе имеет одно из двух одинаковых по величине и противоположных по знаку значений Е⁽⁺⁾ или Е^(-). Значение Е⁽⁺⁾ соответствует условию, когда на входе нуль – индикатора тормозной сигнал превышает рабочий, т.е. Е_Т больше Е_Р, а значение Е^(-) – когда рабочий сигнал превышает тормозной. Резисторами R3 и R3^/ задаётся порог чувствительности нуль – индикатора.

Через резистор R2 осуществляется заряд конденсатора С2 током, полярность которого определяется полярностью сигнала на выходе А1. Диоды VD1,VD2 служат для ограничения уровня заряда конденсатора. Микросхема А2 по цепи обратной связи R6 имеет заданный отрицательный потенциал срабатывания U_{С, Р, А2}. При достижении потенциалом на конденсаторе С2 значения этого напряжения, отрицательная полярность напряжения на выходе А2 изменяется на положительную. При этом по цепи обратной связи (через резистор R6) знак опорного напряжения на входе А2 изменяется на положительный, что обеспечивает надёжное удерживание А2 в состоянии после срабатывания даже при последующем некоторым уменьшением отрицательного потенциала на другом её входе. Этим создаётся “релейный эффект” работы А2: для возврата схемы в исходное состояние сигнал на входе А2 должен стать меньше напряжения возврата микросхемы. Положительный потенциал на выходе А2 через VD3 открывает транзистор VT выходного блока, благодаря чему срабатывает исполнительное реле KL нуль – индикатора. Это реле имеет достаточно мощную контактную систему. Цепи нуль – индикатора и исполнительное реле питаются от специального блока питания.