ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЛЕ

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 75Следующая ⇒

В схемах релейной защиты и электрической автоматики применяются электромеханические реле, реле на полупроводниковых приборах (диодах и транзисторах) и реле с использованием насыщающихся магнитных систем. Значительное распространение пока имеют электромеханические реле.

Однако наличие таких недостатков электромеханических реле, как большие размеры, значительное потребление мощности от трансформаторов тока и напряжения, трудности в обеспечении надежной работы контактов побудили к поискам более совершенных принципов выполнения реле. Новые принципы исполнения реле с помощью полупроводниковых приборов позволяют существенно улучшить параметры и характеристики реле и перейти полностью или частично на бесконтактные схемы защит. Постепенно новые принципы выполнения реле находят все большее практическое применение.

Помимо реле, реагирующих на электрические величины, для защиты электрических машин и аппаратов применяются реле, реагирующие на неэлектрические величины, косвенным образом характеризующие появления повреждений или ненормальных режимов в них. Например, имеются реле, реагирующие на появления газов или повышение давления в кожухах маслонаполненных трансформаторов и реакторов; реле, реагирующие на повышение температуры трансформаторов и электрических машин и т. д.

Реле, реагирующие на электрические величины, можно подразделить на три группы:

реле, реагирующие на одну электрическую величину: ток или напряжение;

реле, реагирующие на две электрические величины: ток и напряжение сети или два напряжения U₁ и U₂, каждое из которых является линейной функцией тока и напряжения сети;

реле, реагирующие на три или больше электрические величины, например: три тока и три напряжения сети, или несколько напряжений, представляющих линейные функции токов и напряжения сети.

К первой группе относятся реле тока и реле напряжения. Ко второй принадлежат однофазные реле: мощности, сопротивления и некоторые другие. К третьей относятся трехфазные реле мощности, многофазные реле сопротивления и другие устройства.

В данной главе рассматриваются наиболее распространенные принципы устройства основных типов электромеханических реле и реле на полупроводниковых приборах, применяемые во всех видах защит.

Принципы действия и устройство реле, предназначенных для отдельных защит: дифференциальных, дистанционных и других — рассматриваются в главах, посвященных этим защитам.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ

Электромеханические реле могут выполняться на электромагнитном, индукционном, электродинамическом, индукционно-динамическом и магнитоэлектрическом принципах. Отечественная промышленность изготовляет электромеханические реле в основ ном на электромагнитном ииндукционном принципах, которые позволяют создать все требующиеся в эксплуатации разновидности реле.

Переходя к рассмотрению электромеханических конструкций, следует отметить некоторые наиболее важные и общие требования, предъявляемые к основным элементам этих реле: контактам и обмоткам.

Контакты реле являются очень ответственным элементом в схемах защит. Они должны обеспечить надежное замыкание иразмыкание тока в управляемых ими цепях и быть рассчитаны на многократное действие.

Коммутационная способность контактов условно характеризуется мощностью, при которой они обеспечивают замыкание и размыкание цепей.

Значение этой мощности S_К выражается как произведение напряжения источника оперативного тока U на наибольший ток I_к, прохождение которого допускается через контакт, т. е. S_К = UI_к.

Обмотки реле должны обладать термической стойкостью, характеризуемой в зависимости от типа реле значениями тока или напряжения, допускаемыми длительно и кратковременно, и иметь приемлемую потребляемую мощность S_p, характеризуемую произведением тока I_р, проходящего по обмотке, на напряжение U_Р на зажимах этой обмотки.

Потребляемая мощность S_p зависит от усилий, которые должны создать намагничивающие силы обмоток для приведения в действие подвижной системы реле и надежного замыкания контактов реле.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ

а) Принцип действия

На рис. 2-1представлены три основные разновидности конструкций электромагнитных реле.

Каждая конструкция содержит электромагнит 1, состоящий из стального сердечника и обмотки, стальной подвижный якорь 2, несущий подвижный контакт 3, неподвижные контакты 4 и противодействующую пружину 5.

Проходящий по обмотке электромагнита ток I_р создает намагничивающую силу (н. с.) I_pw_p, под действием которой возникает магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник электромагнита 1, воздушный зазор d и якорь 2. Якорь намагничивается и в результате этого притягивается к полюсу электромагнита. Переместившись в конечное положение, якорь своим подвижным контактом 3 замыкает неподвижные контакты реле 4. Начальное положение якоря ограничивается упором 6.

где l_Р — плечо силы F_э.

Коэффициенты к' и к" в выражениях (2-3) и [(2-4) зависят от R_ми поэтому сохраняют постоянное значение только при отсутствии насыщения.

Из (2-3) и (2-4) следует, что сила притяжения F_э или ее момент М_э пропорциональны квадрату тока I_р в обмотке реле и имеют, следовательно, постоянное направление, не зависящее от направления (знака) этого тока. Поэтому электромагнитный принцип пригоден для выполнения реле как постоянного, так и перемен-

¹ При питании обмотки реле переменным током под Ф подразумевается мгновенное значение потока Ф_t = Ф_m sinwt

снизив ток Iр до значения, при котором момент М_э2 уменьшится до М¢ _э2. Тогда момент пружины М_П2 преодолеет электромагнитный момент М'_э2 и трения М_т и заставит якорь вернуться из положения d₂ в начальное положение d₁. Условия возврата определяются уравнением (см. рис. 2-3)

где М¢ _э2 является наибольшим значением М_э, при котором начинается возврат реле; его называют моментом возврата М_э.воз. Соответствующий ему ток I_р обозначается I_воз, при этом токе обеспечивается условие возврата (2-9).

Таким образом, током возврата реле I_воз называется наибольший ток в реле, при котором якорь реле возвращается в начальное положен и е.

У реле, реагирующих на возрастание тока, I_с.р. > I_воз и к_воз < 1. Величина к_воз у различных конструкций колеблется в довольно широких пределах, от 0, 1 до 0, 98. Из (2-10) следует, что к_в03 зависит от соотношения М_э._с.р и М_э.воз.

Для выяснения условий срабатывания и возврата реле и способов изменения k_воз рассмотрим диаграмму моментов, действующих на якорь реле в функции от величины воздушного зазора d (рис.2-3).

Предположим, что в обмотку электромагнитного реле (например, с поворотным якорем — рис. 2-1, б) подан ток, равный току срабатывания. Возникающий при этом электромагнитный момент М_э1 преодолевает сопротивление пружины и трение (М_П1 и М_Т) и приводит в движение якорь. Началу движения якоря соответствует соотношение моментов: М_э1 = М_П1 + М_т.

По мере перемещения якоря воздушный зазор d уменьшается от начального значения d₁ до конечного d₂ (рис. 2-3), противодействующая пружина растягивается и ее момент М_П (прямая 2) при этом нарастает по линейному закону (обратно пропорционально изменению d). Электромагнитный момент М_э (кривая 1) также увеличивается, но по нелинейной зависимости (2-5), имеющей для реле с поворотным якорем вид параболы. Когда якорь достигает конечного положения d₂, то благодаря более быстрому нарастанию М_э по сравнению с М_П образуется избыточный момент DМ = М_э2 — М_П2. Для возврата якоря необходимо уменьшить ток в обмотке реле от I_с._рдо значения I_в.с, при котором электромагнитный момент М_э снизится от

При этом условии момент пружины М_П2 преодолевает электромагнитный момент М'_э2 и момент трения М_Т, и якорь реле возвращается в начальное положение d₁.

Приведенная диаграмма моментов позволяет сделать вывод, что различив в значении I_воз и I_с.р вызывается различием (неидентичностью) характера изменения моментов М_э и М_п при перемещении якоря из начального положения в конечное.

Из диаграммы (рис. 2-3) следует, что чем больше избыточный момент DМ и трение М_Т, тем больше разница между I_воз и I_с.ри, следовательно, меньше к_воз.

Для улучшения коэффициента возврата необходимо обеспечить:

а) совпадение или наибольшее сближение характеристик изменения моментов М_э и М_п (прямая 2 и кривая 7), что достигается подбором такого участка кривой М_э = f(d), где имеется лучшее совпадение с характеристикой пружины М_П = f(d). На диаграмме рис. 2-2, б таким участком является отрезок АВ, которому соответствует угол поворота якоря от a₁до a₂.

Улучшения k_воз можно достигнуть также за счет сокращения хода подвижной системы изменением конечного положения якоря d₂, что приводит к уменьшению DМ (рис. 2-3);

б) уменьшение трения в осях подвижной системы (якоря) реле. Некоторое ухудшающее влияние на к_воз оказывает гистерезис.

в) Реле максимального и минимального действия

Следовательно, мгновенное значение F_э_t содержит две составляющие: постоянную kI²_m и переменную kI²_m соs 2wt, изменяющуюся с двойной частотой. Результирующая электромагнитная сила F_э имеет пульсирующий характер, дважды изменяясь от нуля до максимального значения в течение каждого периода (рис. 2-5). В то же время противодействующая сила пружины F_Пимеет неизменное значение.

В результате в период времени аb, сд, еf и т. д., когда F_П > F_э_t, якорь реле стремится отпасть, а в периоды времени bс, dе и т. д., когда F_э_t> F_П — вновь втянуться. Притянутый якорь при этом непрерывно вибрирует вследствие периодического изменения знака действующей на него результирующей силы F_рез = F_э_t-F_П.

Вибрация якоря оказывает вредное влияние на работу реле, вызывает вибрацию контактов при срабатывании, что приводит к их подгоранию, а также вызывает износ осей и цапф, на которые они опираются.

При большом моменте инерции якоря он не успевает следовать за быстрым изменением знака результирующей силы F_рез = F_э — F_П, в таких случаях вибрации не наблюдается. Если же момент инерции якоря недостаточен, то для устранения вибрации применяется расщепление магнитного потока обмотки на две составляющие, сдвинутые по фазе. Расщепление достигается или при помощи короткозамкнутого витка К (рис. 2-6), или путем выполнения обмотки реле в виде двух параллельных секций с разными угловыми сдвигами, расположенных на разных магнитопроводах (рис. 2-9).

В реле, изображенном на рис. 2-6, короткозамкнутый виток охватывает часть сечения магнитопровода. Под влиянием магнитного потока, пронизывающего виток, в нем возникает ток I_k, создающий поток Ф_к. На рис. 2-6 показаны положительные направления магнитных потоков и пути, по которым они замыкаются.

Из-под сечения, охваченного короткозамкнутым витком, выходит результирующий поток Ф₁, состоящий из части потока обмотки

ся э.д.с. Е_к, наведенная в коротко-замкнутом витке потоком Ф₁, отстающая от него на 90°. Ток в короткозамкнутом витке İ _к почти совпадает с э. д. с. Ė _квследствие малой индуктивности витка. Пренебрегая потерями на намагничивание поток Ф_к показываем совпадающим с создающим его током I_к. Зная Ф₁и Ф_к, из выражения (2-11)

находим:

Магнитный поток Ф_р2 совпадает по фазе с потоком Ф_Р1, так как они создаются одной и той же н. с, (I_рw_р) и имеют однородное магнитное сопротивление. На основании выражения (2-12) находится поток Ф_II.

Полученная векторная диаграмма (рис. 2-7) показывает, что магнитный поток Ф_I всегда сдвинут относительно потока Ф_II на

угол ψ. Сдвиг по фазе магнитных потоков обусловлен наличием потока Ф_k.

Каждый из магнитных потоков (рис. 2-8) Ф₁ = Ф_1макс sinwt

и_ Ф_II_мак_c sin (wt +ψ ) создает силы F_э_t₁ и F_э_II, кривые

изменения которых смещены так же, как и магнитные потоки.

В результате этого при уменьшении одного из потоков второй нарастает, не позволяя электромагнитной силе понизиться до нуля.

Для устранения вибрации результирующая сила

должна в каждый момент времени превышать F_П. Наилучшие результаты получаются при ψ = 90° и Ф₁ = Ф_II; в этом случае F_рез имеет постоянное значение, что следует из (2-12а).

Аналогичный результат достигается при исполнении обмотки реле в виде двух секций: 1 и 2, расположенных на двух полюсах магнито-нровода (рис. 2-9, а).

Обмотка 1 подключается непосредственно к источнику питания, а обмотка 2 — через конденсатор С. В результате токи I₁ и I₂ имеют различные сдвиги относительно напряжения U_р на зажимах реле. Построив векторную диаграмму (рис. 2-9, б) токов и потоков, устанавливаем, что потоки Ф₁ и Ф_II имеют сдвиг по фазе ψ. Следовательно, результирующая электромагнитная сила F_рез имеет такой же характер, как и на рис. 2-8 и выражается по (2-12а).

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒