ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Лекция 9

Начиная с 60-х годов электромеханическая элементная база стала заменяться полупроводниковой, а затем микропроцессорной. Однако и сейчас в устройствах релейной защиты и автоматики СЭС используют электромеханические реле: электромагнитные, индукционные, магнитоэлектрические. Под электромеханическим реле понимают электрическое реле, работа которого основана на использовании относительного перемещения его механических элементов под воздействием электрического тока, протекающего по его обмотке.

Электромагнитные реле.

Электромеханические системы электромагнитных реле бывают трех видов: с втягивающимся якорем; с поворотным якорем; с поперечным движением якоря. Принцип действия таких реле основан на взаимодействии между ферромагнитным якорем и магнитным полем обмотки, обтекаемой током Iр. При отсутствии тока в обмотке якорь удерживается в исходном положении противодействующей пружиной с некоторым усилием. При прохождении тока через обмотку возникает магнитный поток, замыкающийся через магнитопровод электромагнита, воздушный зазор и якорь. При этом создается электромагнитная сила Fэ, стремящаяся притянуть якорь реле к электромагниту. Она определяется по выражению, которое является общим для всех электромагнитных реле

(1)

где магнитная проводимость; длина силовой магнитной линии, м; число витков обмотки реле; ток обмотки реле, А.

У реле с поворотным якорем магнитное поле в воздушном зазоре практически можно считать равномерным. В этом случае магнитную проводимостью достаточной точностью можно принять равной . При движении якоря сокращается зазор, поэтому , при этом

(2)

Подставляя выражение (2) в выражение (1) получаем

(3)

Для действия реле необходимо, чтобы на всем пути перемещения якоря от начального положения в конечное положение выполнялось условие

(4)

где Fтр – сила трения, Н, сила противодействия пружины, Н. Минимальное значение тока , при котором соблюдается условие (2), является током действия реле Iд.р. Отпускание якоря, т.е. возврат реле в начальное состояние, может произойти, если на всем пути движения якоря сохраняется условие

(5)

Максимальное значение тока в обмотке реле, при котором оно переходит в начальное состояние, называют током отпускания Iо.р. Отношение тока отпускания к току действия характеризуется коэффициентом отпускания

(6)

В качестве измерительных реле обычно применяются максимальные реле тока и напряжения и минимальные реле напряжения. Действие или отпускание реле, при котором оно выполняет предназначенные ему функции в автоматическом устройстве, называется срабатыванием реле. Максимальные реле выполняют свои функции при возрастании тока или напряжения. Поэтому их срабатывание совпадает с действием, ток или напряжение действия соответственно называют током Iср или напряжением Uср срабатывания реле, а коэффициент отпускания коэффициентом возврата kв, который всегда меньше единицы. Минимальное реле напряжения выполняет свою функцию в автоматическом устройстве при снижении напряжения, поэтому его срабатывание совпадает с отпусканием. Напряжение срабатывания минимального реле равно напряжению отпускания, а напряжение возврата равно напряжению действия. Поэтому значение коэффициента возврата минимального реле напряжения равно обратному значению коэффициента возврата максимального реле и всегда больше единицы.

Для выполнения логических реле (промежуточных, указательных, реле времени) используют электромеханические системы с поворотным или с втягивающимся якорем. Система с втягивающимся якорем используется также у измерительных реле тока и напряжения РТМ (максимальное реле тока мгновенного действия), РТВ (максимальное реле тока с ограниченно зависимой выдержкой времени) и РН (реле напряжения), РНВ (минимальное реле напряжения с ограниченно зависимой выдержкой времени).

Для релейной защиты и автоматики важными параметрами являются время срабатывания и время возврата реле, под которыми понимают время от момента, когда входная воздействующая величина принимает в заданных условиях определенное значение, до момента, когда реле завершает срабатывание или возврат. У электромагнитных реле время срабатывания складывается из двух составляющих:

(7)

где время от момента достижения воздействующей величиной значения срабатывания до момента начала движения якоря, с; время от начала движения якоря до момента завершения срабатывания реле, с.

Время tн зависит от скорости нарастания тока в обмотке реле, а время tд от хода якоря и скорости его перемещения. У обычных электромагнитных реле без специальных дополнительных устройств время срабатывания составляет tср=0,02...0,1 с. Для релейной зашиты и автоматики требуются также реле, замыкающие или размыкающие контакты с некоторым замедлением, у промежуточных реле это замедление обычно получают за счет увеличения времени tн, а у реле времени за счет увеличения времени tд. Для увеличения времени tн, а следовательно, и времени срабатывания реле необходимо замедлить нарастание магнитного потока при включении. Этого можно достичь с помощью медной втулки, располагаемой концентрически с основной обмоткой на общем магнитопроводе. При этом удается получить время срабатывания реле около tср=0,1...0,5 с., а время возврата реле удается получить около нескольких секунд. Реле с медной втулкой получили название реле с магнитным демпфированием. Они используются в цепях постоянного тока и при включении их через выпрямители могут быть применены в схемах переменного тока.

Реле времени, у которых выдержка времени создается путем увеличения составляющей tд называются реле с механическим демпфированием. Их можно разделить на две группы: реле с замедленным движением якоря и реле с часовым механизмом. Реле с замедленным движением якоря обычно имеют зависимую характеристику выдержки времени. Для получения замедленного движения якоря в конструкциях реле применяют жидкостные или воздушные демпферы и используют торможение вихревыми токами. С помощью часового механизма выполняют реле, как с независимой, так и с ограниченно зависимой характеристикой выдержки времени.

Электромагнитные измерительные реле. В зависимости от включения реле в защищаемую цепь делят на первичные и вторичные. По способу воздействия на выключатель защищаемого объекта различают измерительные реле прямого и косвенного действия. Первичные реле прямого и косвенного действия практически не применяются.

Вторичные реле тока и напряжения прямого действия устанавливаются непосредственно в пружинные и грузовые приводы выключателей, их обмотки включаются в цепь через первичные измерительные преобразователи. Это дает возможность расширить область использования и частично исключить недостатки, присущие первичным реле. Отечественная промышленность выпускает различные модификации вторичных реле тока типов РТМ, РТВ и реле напряжения типа РН, РНВ прямого действия с втягивающимся якорем. Они различаются некоторыми конструктивными деталями и параметрами. С помощью вторичных реле прямого действия можно выполнять защиты в установках напряжением до 35 кВ.

Вторичные реле тока и напряжения косвенного действия получили большое распространение благодаря следующим достоинствам: эти реле изготовляют для включения в цепь через первичные измерительные преобразователи, поэтому их параметры не зависят от параметров защищаемого элемента; они могут быть выполнены достаточно чувствительными с незначительными погрешностями и относительно малым потреблением мощности при срабатывании; их можно настраивать без отключения элемента системы электроснабжения; реле можно устанавливать в любом удобном для работы и эксплуатации устройства месте; они позволяют создать логическую часть схемы и выполнить в случае необходимости релейную защиту и автоматику любой сложности. Эти реле имеют недостатки, присущие электромеханическим системам: значительные потребляемые мощности, сравнительно большие размеры, недостаточная надежность из-за наличия подвижной системы и контактов, реле можно использовать только при наличии источников оперативного тока. Распространение получили реле тока РТ-40, реле напряжения РН-50, реле напряжения прямой последовательности РНФ-2 и реле напряжения обратной последовательности РНФ-1М, дифференциальные реле тока РНТ (реле с насыщающимся трансформатором) и ДЗТ (дифференциальная защита трансформаторов), основными элементами двух последних являются насыщающиеся трансформаторы тока (НТТ).

Электромагнитные логические реле. Среди них можно выделить реле времени, промежуточные реле и указательные реле. Реле времени являются логическими реле с нормируемым временем срабатывания. Они имеют конструкцию с втягивающимся реактором и предназначены для создания выдержек времени при передаче сигналов к другим реле логической части устройств РЗиА. Среди реле времени постоянного тока распространение получили РВ-100 с часовым механизмом. На переменном токе преимущественно используются реле времени с синхронным микроэлектродвигателем РВМ-12, РВМ-13. Промежуточные реле имеют электромагнитную систему с поворотным якорем. На постоянном токе применяются РП-23, а на переменном токе РП-25, более совершенны РП-231, РП-341.

Значительными недостатками электромеханических реле, в том числе и промежуточных, являются наличие открытых ненадежных контактов, подверженных влиянию окружающей среды, а также относительно большое время срабатывания из-за значительной массы подвижного якоря. Попытка ослабить эти недостатки привела к созданию герконовых реле. Основной элемент этого реле герметизированный магнитоуправляемый контакт (геркон).

Указательные реле предназначены для получения информации о срабатывании, возврате, действии или отпускании различных аппаратов в схемах защиты и автоматики. Они бывают с последовательным (наиболее распространены) и параллельным включением обмоток. Их обмотки включаются последовательно с обмотками реле или других аппаратов, действие которых контролируется. Промышленность выпускает электромагнитные указательные реле типа РУ-21 с поворотным якорем для включения в цепь постоянного тока. Они могут быть использованы и в схемах защиты и автоматики на переменном оперативном токе.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ