Принцип работы и схема токового реле

Принцип работы и схема токового реле

Понятие «реле тока» широко распространено в электротехнике, а сам этот узел является обязательной составляющей большинства защитных приборов: автоматов, устройств отключения и им подобных. Особенности конструкции и принцип работы таких реле важно знать и понимать не только новичку, но и специалисту со стажем. Но в первую очередь потребуется разобраться с устройством этого переключающего элемента, а также со всем многообразием его видов и типов.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗАЩИТ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДО 1000 В

Токовая отсечка.

Из всех аварийных режимов наиболее опасным является междуфазное короткое замыкание. Данный вид повреждения требует немедленного отключения асинхронного двигателя выключателем от питающей сети.

В соответствии с действующими правилами, асинхронные двигатели до 1000 В должны защищаться от коротких замыканий плавкими предохранителями или электромагнитными и тепловыми расцепителями автоматических выключателей.

Как обычно, правила отстают от фактических реалий. На вновь вводимых объектах асинхронные электрические машины комплектуются выносными многофункциональными блоками автоматической релейной защиты электродвигателя на базе микроконтроллеров, воздействующими на отключение выключателя.

Основной сути это не меняет. Автоматические защитные устройства от междуфазных коротких замыканий реагируют на сверхтоки и не имеют выдержки времени отключения выключателя. Такие устройства по-прежнему называют токовыми отсечками, защитные реле срабатывают при КЗ в обмотке статора либо на выводах асинхронного двигателя.

Зоной действия защищающего устройства является участок электросети, расположенный после ТТ или датчика. Обычно кроме самого асинхронного двигателя в защищаемой зоне находится и питающий кабель.

Параметры срабатывания токовой отсечки должны быть надёжно отстроены от пусковых токов. С другой стороны, автоматическое защитное устройство должно обладать достаточной чувствительностью при межвитковых замыканиях в любой части обмотки статора асинхронной машины.

Данный вид ненормального режима возникает при неисправностях или перегрузке исполнительного механизма. Перегрузка двигателя также может происходить по причине его недостаточной мощности. Режим перегрузки характеризуется повышенным уровнем токового потребления с относительно небольшой кратностью по сравнению с номинальным значением.

Токовая уставка автоматической защиты электродвигателя от перегрузки меньше значения пусковых токовых параметров, поэтому должна быть осуществлена отстройка от режима запуска путём искусственной задержки времени срабатывания и отключения автоматического выключателя.

Защищённость электромашины от перегрузки может быть реализована с применением следующих устройств:

• теплового расцепителя автоматического выключателя защиты электродвигателя;
• выносного защитного комплекта с токовым реле и реле времени, воздействующего на отключение выключателя при перегрузке;
• блока комплексной защитной автоматики двигателя на микроконтроллере, при срабатывании воздействующего на расцепитель выключателя.

В случае применения автоматического выключателя требуется просто подобрать подходящий по номинальному току и характеристике автомат. Тепловой расцепитель выключателя защиты электродвигателя обеспечивает интегральную зависимость времени отключения выключателя от величины токовой перегрузки.

Защитный автоматический релейный комплект с выносными электромагнитными реле настраивается на фиксированные ток и время срабатывания защиты.

В этом варианте, в отличие от теплового расцепителя, токовые и временные параметры между собой не связаны. Выходные реле выносных комплектов релейной защиты должны воздействовать на независимый (не тепловой) расцепитель автоматического выключателя.

Как оно работает

Реле тока представляет собой устройство (как правило, электромагнитное или электронное), реагирующее на превышение контролируемой величины во входной цепи. При превышении установленной величины выходные контакты переключаются, и этот сигнал используется для управления цепями сигнализации или устройствами силовой коммутации (отключения нагрузки).

При снижении тока ниже установленного значения, реле тока возвращается в исходное состояние, и его выходной сигнал обрабатывается цепями автоматики, управляющей силовыми цепями. Реле с интегрированным токовым трансформатором, позволяет протянуть через переднюю панель изделия провод, в котором происходит замер тока. От провода с контролируемым переменным током осуществляется питание реле.

Реле тока. Виды и устройство. Работа и как выбрать. Применение

Реле тока — в электрических промышленных сетях часто возникают чрезмерные нагрузки и короткие замыкания. Все компоненты цепи, начиная от обычного проводника, и заканчивая потребителями нагрузки со сложной конструкцией, рассчитаны на допустимый максимальный нагрузочный ток. Превышение этой величины приводит к пробою изоляции, либо нарушению целостности проводов из-за расплавления жил, а также межвитковому замыканию обмотки двигателя, перегрузке трансформатора. Все эти факторы являются аварийными режимами эксплуатации, ведущими к неисправностям и выходу из строя сети питания.

Для обеспечения надежной защиты агрегатов, трансформаторов, приводов электромоторов применяется релейная защита, включающая в себя один из основных элементов в виде реле тока, которое предотвращает эксплуатацию электрооборудования в аварийном режиме.

Виды

Реле тока классифицируются по двум основным признакам:

• Первичные чаще всего встроены в конструкцию выключателя, и являются его частью. Они применяются в основном в электрических сетях напряжением до 1000 В.
• Вторичные включаются в цепь посредством трансформатора тока, который подключается к питающей шине или кабелю. Трансформатор снижает ток до значения, которое подходит для функционирования реле. В качестве примера можно рассмотреть трансформатор тока, имеющий кратность 100 : 5. Он способен контролировать значение тока до 100 ампер, применяя для этого реле с допускаемой величиной наибольшего тока всего в 5 ампер.

Вторичные реле тока в свою очередь разделяются на виды:

• Индукционные реле.
• Электромагнитного действия.
• Дифференциальные модели.
• Реле на интегральных микросхемах.

Устройство и работа

Конструктивные особенности основных видов реле и их принцип действия.

Индукционные

Такой вид реле работает на основе взаимодействия между током, индуцированным в некотором проводнике, и переменным магнитным потоком. Вследствие этого они используются на переменном токе в качестве защитного реле косвенного действия.

Имеющиеся виды индукционных реле делятся на 3 группы:

• С рамкой.
• С диском.
• Со стаканом.

В варианте с рамкой (рисунок «а») поток Ф2 создает ток в замкнутой обмотке, выполненной в виде рамки в магнитном поле второго потока Ф1, который сдвинут по фазе. Такие реле обладают повышенной чувствительностью и максимальной реакцией в отличие от других реле. В качестве недостатка можно отметить слабый момент вращения.

Образцы с диском имеют широкую популярность. Схема такого реле изображена на рисунке «б». Такие реле обладают большим моментом вращения диска, имеют простое устройство.

Реле со стаканом (рисунок «в») оснащены подвижным стаканом, который может вращаться в магнитном поле потоков магнитной системы, состоящей из четырех полюсов. Потоки расположены под прямым углом между собой в пространстве.

В стакане 5 находится стальной цилиндр 1, который предназначен для снижения магнитного сопротивления. Эта конструкция более сложная, в отличие от реле с диском. Это дает возможность получения короткого времени реакции на срабатывание (0,02 с), что является значительным преимуществом, и обеспечивает широкую популярность в использовании реле тока со стаканом.

4-полюсная магнитная система дает возможность получать без значительных доработок разные по назначению реле, и унифицировать их изготовление.

Электромагнитные

Нейтральные реле реагируют одинаково на постоянный ток, проходящий в обмотке, в любом направлении. По типу движения якоря реле делятся на два вида: с угловым перемещением якоря, и с втягивающим якорем.

1. Сердечник.
2. Ярмо.
3. Якорь.
4. Штифт.
5. Контакты.

Если нет сигнала управления, то якорь удерживается на наибольшем расстоянии от сердечника с помощью воздействия пружины. При поступлении сигнала на обмотку образуется магнитная сила, прижимающая якорь к сердечнику. Тем самым одни контакты замыкаются, а другие размыкаются.

Поляризованные реле включают в себя аналогичные элементы, однако отличаются наличием двух обмоток, двух сердечников, постоянным магнитом и контактной тягой. Поляризованные реле срабатывают в зависимости от того, какой полярности пришел сигнал управления.

Сердечник изготавливается из листовой электротехнической стали. Это позволяет повысить скорость срабатывания устройства. При отсутствии тока на катушках, реле находится в исходном состоянии. При этом в реле уже есть магнитный поток, который образован постоянным магнитом. Силовые линии замыкаются на два контура.

Первый контур включает в себя магнит, левый сердечник, ярмо, якорь и другой магнит. А второй контур проходит по магниту и ярму к правому сердечнику и якорю. Далее он снова приходит в первоначальное положение.

Между левым сердечником и якорем нет воздушной прослойки. В этом случае правый сердечник и якорь разделены большим воздушным зазором. Воздух имеет большое сопротивление, поэтому величина магнитного потока в правом контуре будет намного меньше левого. Якорь притянется к левому сердечнику под действием более мощного магнитного потока.

Так функционирует поляризованное реле. Его работа происходит на основе магнитных свойств. Это дает возможность менять направление тока на обмотке, при разных полярностях.

Реле переменного тока имеет отличие от модели постоянного тока в том, что работает от переменного тока непосредственно от сети. При равных размерах конструкции, величина силы у реле переменного тока в два раза ниже, чем у реле, работающего на постоянном токе.

Достоинства

• Низкая стоимость электромагнитных реле в отличие от полупроводниковых образцов.
• Незначительное падение напряжения на контактах, низкое выделение теплоты, не требует охлаждения.
• Качественная электрическая изоляция цепи управления катушки и группы контактов.
• Невосприимчивость к импульсным нагрузкам и помехам, возникающим при ударах молнии, и при переключениях высоковольтных цепей.
• Возможность подключения нагрузки до 4 киловатт при объемном размере реле ниже 10 куб. см.

Недостатки

• Возникающие проблемы при подключении индуктивных потребителей и нагрузок постоянного тока высокого напряжения.
• Возникновение радиопомех при работе силовых контактов.
• Ограниченный механический и электрический ресурс.
• Низкая скорость функционирования.

Дифференциальные

Такие реле действуют по принципу сравнивания значения тока до потребителя и после него. Таким потребителем обычно бывает силовой трансформатор. В обычном режиме эксплуатации ток до трансформатора и после него практически одинаков. Однако при появлении короткого замыкания на трансформаторе такой баланс нарушается. В этом случае реле замыкает контакты и подает команду на обесточивание неисправного участка цепи.

Дифференциальные реле широко используются в бытовых условиях, а также на производстве. Такие реле в виде защитных устройств предотвращают утечки тока в приборах и проводах.

Защищаемыми приборами обычно бывают:

• Оргтехника.
• Бойлеры.
• Светильники.
• Бытовые устройства.

Тем самым осуществляется защита человека от удара электрическим током при касании корпуса устройства.

Реле на микросхемах (интегральные электронные)

Такие типы изготавливают на основе полупроводниковых элементов. Основным их преимуществом является постоянная стабильная работа при повышенной вибрации.

Применение и подключение

В нормальном эксплуатационном режиме любое реле тока должно обладать достаточной чувствительностью к превышению номинального значения тока в цепи входа. При повышении тока больше допустимых значений, осуществляется переключение контактов выхода, которые обесточивают силовые устройства от сети питания.

Если ток дальше продолжает снижаться и подходит к номинальной величине, то при этом цепь снова замыкается под действием сигнала на выходе, и подается ток.

Реле для защиты применяют в жилых домах, а также на производственных объектах. Многие современные квартиры оснащены мощными бытовыми электрическими устройствами. Если включить сразу все такие устройства, то это вызовет значительные нагрузки в электрической сети питания.

Для предотвращения аналогичных случаев все устройства разделяют:

• Приоритетные.
• Второстепенные.

Приоритетными устройствами считаются те, отключение которых от сети создаст аварийную критическую обстановку. Такие внезапные отключения приводят к неисправностям и выходу из строя.

Второстепенными устройствами считаются те, которые можно отключить без всякого ущерба, не создавая аварийной ситуации или каких-либо неисправностей. Поэтому реле подключаются так, чтобы не допустить всевозможные перегрузки в сети питания.

Для примера реле максимального тока РМТ-101 .

Это устройство дает возможность настроить определенное время отключения нагрузки при перегрузке сети, а потом снова подает питание.

Такой образец реле способен контролировать и измерять нагрузку по току. Также при необходимости реле может применяться вместо цифрового амперметра. При измерении тока нет необходимости разрывать цепь. В приборе установлен специальный датчик, расположенный в корпусе.

Защитное реле РМТ-101 можно присоединять к трансформаторам тока выносного типа. На передней панели реле находятся цифровые и светодиодные индикаторы, которые показывают величину тока в цепи. Реле оснащено двумя переключателями, которыми можно настраивать необходимый интервал измерений, режим индикации, точность показаний, наибольший и текущий ток.

Другой важной функцией реле является его использование вместо реле ограничения потребления тока. Также можно выбрать необходимую нагрузку. Реле может функционировать в двух режимах: наименьшего и наибольшего тока. Чтобы переключиться между режимами, необходимо воспользоваться специальным переключателем.

Реле тока РМТ-101 приобрело широкую популярность на производстве. Оно создает защиту мощных электродвигателей переменного и постоянного тока, а также другого оборудования от возникающих перегрузок.

Также широко используемым устройством в различных областях является реле РЭО-401.

Устройство этого реле тока защиты состоит из двух главных узлов:

• Электромагнитная система.
• Блок контакт.

Электромагнитная система включает в себя скобу сердечника с трубкой. На трубке размещена катушка, имеющая в качестве защиты изоляционный каркас. В трубке находится якорь, который может легко перемещаться вдоль трубки. Значение тока срабатывания зависит от расположения якоря.

Значение тока срабатывания регулируется с помощью изменения расположения скобы, которая после регулировки может фиксироваться специальным винтом. Когда реле сработает, то блок-контакты останутся разомкнутыми, пока не снизится ток до нормальной величины. Далее якорь переместится в нижнюю позицию, а контакты от воздействия пружины замкнутся. Проводники подключаются к реле на передней части корпуса.

Советы по выбору реле

Чтобы сделать правильный выбор реле наибольшего тока необходимо руководствоваться:

• Поставленной задачей.
• Значением тока.
• Напряжением питания.
• Условиями эксплуатации.
• Наличием механизма задержки срабатывания.
• Наибольшим допустимым током.
• Характеристиками и параметрами регулировки.

После приобретения реле, его необходимо настроить. Это делается легко, при помощи встроенных уставок, плавно изменяя их. Все аналогичные реле имеют компактные размеры. Это дает возможность без особых проблем установить их в шкафы релейной защиты или распределительные щиты.

Такие реле имеют надежную и простую конструкцию, унифицированы между собой, что позволяет производить их легкую замену. Для контроля параметров применяются встроенные светодиодные дисплеи.

Примеры и описание схем МТЗ

С целью защиты обмоток трансформаторов, а также других элементов сетей с односторонним питанием используются различные схемы.

МТЗ на постоянном оперативном токе.

Особенность данной схемы в том, что управление элементами защиты осуществляется выпрямленным током, который меняет полярность, реагируя на аварийные ситуации. Мониторинг изменения напряжения выполняют интегральные микроэлементы.

Для защиты линий от последствий междуфазных замыканий используют двухфазные схемы на двух, либо на одном токовом реле.

Однорелейная на оперативном токе

В данной защите используется токовое пусковое реле, которое реагирует на изменение разности потенциалов двух фаз. Однорелейная МТЗ реагирует на все межфазные КЗ.

Схема на 1 реле

Преимущества: одно токовое реле и всего два провода для подсоединения.

Недостатки:

• сравнительно низкая чувствительность;
• недостаточная надёжность – при отказе одного элемента защиты участок цепи остаётся незащищённым.

Однорелейка применяется в распределительных сетях, где напряжение не превышает 10 тыс. В, а также для безопасного запуска электромоторов.

Двухрелейная на оперативном токе

В данной схеме токовые цепи образуют неполную звезду. Двухрелейная МТЗ реагирует на аварийные междуфазные короткие замыкания.

Схема на 2 реле

К недостаткам этой схемы можно отнести ограниченную чувствительность. МТЗ выполненные по двухфазным схемам нашли широкое применение, особенно в сетях, где используется изолированная нейтраль. Но при добавлении промежуточных реле могут работать в сетях с глухозаземлённой нейтралью.

Трехрелейная

Схема очень надёжная. Она предотвращает последствия всех КЗ, реагируя также и на однофазные замыкания. Трехфазные схемы можно применять в случаях с глухозаземлённой нейтралью, вопреки тому, что там возможны ситуации с междуфазными так и однофазными замыканиями.

Из рисунка 4 можно понять схему работы трёхфазной, трёхлинейной МТЗ.

Рисунок 4. Схема трёхфазной трёхрелейной защиты

Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ

На схема обозначены:

• KA — реле тока;
• KT — реле времени;
• KL — промежуточное реле;
• KH — указательное реле;
• YAT — катушка отключения;
• SQ — блок контакт, размыкающий цепь;
• TA — трансформатор тока.

Защита от перегрева мотор-колеса

Мотор — колесо велосипеда тоже приходит в негодность после «перенесенного» перегрева. Если в жаркий день на максимальной мощности ехать какое-то время на предельной скорости, обмотки мотор-колеса перегреются и начнут плавиться, как и любого электрического мотора, испытывающего перегрузки.

Далее, наступит очередь короткого замыкания и остановка двигателя, для восстановления работоспособности которого, нужна перемотка. Чтобы его не допустить, существуют контроллеры большой мощности, увеличивающие крутящий момент. Ремонт мотор-колеса, вышедшего из строя, дорогостоящая операция, соизмеримая по финансовым затратам с покупкой нового.

Можно было бы теоретически установить термодатчик, который не допустит перегрева, но производители этого не делают по ряду причин. Одной из них является усложнение конструкции контроллера и удорожания мотор-колеса в целом. Остается одно – тщательно подбирать контроллер в соответствии с мощностью мотор-колеса.

Видео: Перегрев двигателя, причины перегрева.

ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ ВЫШЕ 1000 ВОЛЬТ

Защищённость высоковольтных электрических машин обеспечивается только выносными релейными устройствами. Тепловой и электромагнитный расцепители являются прерогативой низковольтных устройств.

Принцип действия и расчёт уставок токовой отсечки и защиты от перегрузки такой же, как для низковольтных машин. Но кроме этого существуют специфические защитные устройства, не применяемые на низких напряжениях.

Защита от однофазных замыканий на землю.

Особенностью сетей высокого напряжения (6 – 10 кВ) является работа в режиме изолированной нейтрали. В таких сетях величина Iз замыкания на землю может составлять всего единицы ампер, что находится вне зоны чувствительности максимальных токовых защит от перегрузки.

Реле земляной защиты электродвигателя (это её название на жаргоне релейщиков) подключается к специальному трансформатору нулевой последовательности, представляющему собой тор (бублик), через который проходит кабель питания.

При этом через тор не должен проходить вывод экранирующей оболочки высоковольтного кабеля, в противном случае имеют место ложные срабатывания устройства с отключением выключателя.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов