Название: испытание токовых реле( А.В. Виштибеев )

Жанр: Технические

Просмотров: 1270


Конструкция и принцип действия реле

 

Электромагнитное токовое реле РТ40

 

Реле предназначено для работы в устройствах релейной защиты и автоматики в качестве органа, реагирующего на изменение тока в контролируемой цепи. Общий вид реле приведен на рис. 2.

Магнитная система реле РТ40 состоит из шихтованного сердечника и подвижного якоря. В сердечнике электромагнита под катушками обмоток имеются вырезы, предназначенные для снижения вибрации подвижной системы при больших и несинусоидальных токах. На пиках несинусоидального тока участки сердечника с уменьшенным сечением насыщаются и ограничивают величину магнитного потока.

                                          а                                             б

                                в                                                    г

 

Рис. 2. Общий вид реле РТ40:

 

а – конструкция реле; б – изоляционная колодка с неподвижными контактами;

в – регулировочный узел; г – контактный узел; 1 – сердечник, 2 – каркас с обмоткой,

3 – алюминиевая стойка, 4 – демпфер, 5 – верхняя полуось, 6 – подвижной контакт,

7 – изоляционная колодка, 8 – шкала уставок, 9 – указатель уставки, 10 – пружинодержатель, 11 – шестигранная втулка, 12 – спиральная пружина, 13 – хвостовик,

14 – якорь, 15 – фасонная пластинка, 16 – левый упор, 17 – правая пара неподвижных контактов, 18 – левая пара неподвижных контактов, 19 – фасонный винт, 20 – пружинящая шайба, 21 – задний гибкий упор, 22 – передний упор, 23 – бронзовая пластинка

с серебряной полоской

 

На оси якоря закреплен полый барабанчик с радиальными перегородками внутри, заполненный кварцевым песком. Барабанчик представляет собой механический демпфер, который также служит для снижения вибраций подвижной системы при больших токах.

На сердечнике расположены две катушки, концы обмоток которых выведены на зажимы реле. Перестановкой перемычек на этих зажимах можно получать последовательное или параллельное соединение обмоток и, соответственно, изменять величину уставок в два раза. Цифры, нанесенные на шкале, соответствуют последовательному соединению обмоток.

При протекании тока по обмотке, нанесенной на каркас 2, создается магнитный поток, стремящейся замкнуться по пути наименьшего сопротивления. При этом якорь 14 стремится притянуться к полюсам сердечника. Этому противодействует спиральная пружина 12. Сила притяжения якоря пропорциональна квадрату магнитного потока, который при ненасыщенном сердечнике пропорционален току в обмотке реле.

F = k1Ф2 = k1

При увеличении тока до значения, при котором электромагнитная сила становится больше силы пружины, веса якоря и силы трения, якорь притягивается к полюсам магнитопровода и подвижный контакт 6 замыкает правую пару неподвижных контактов:

Fэм  > Fпр + Fя + Fтр .

Когда ток, протекающий по обмоткам реле, уменьшается до некоторого значения, якорь возвращается в исходное состояние и контакты реле размыкаются.

Током срабатывания реле Iс обычно называют минимальный ток, при котором реле замыкает свои контакты. Током возврата реле Iв называется максимальный ток, протекающий по обмоткам реле, при котором якорь реле возвращается в исходное состояние. Отношение тока возврата к току срабатывания реле называется коэффициентом возврата:

.

Для реле тока максимального действия Iс > Iв, следовательно, kв всегда меньше 1. Желательно иметь коэффициент возврата максимально близкий (но не равный) к 1.

Величина коэффициента возврата реле зависит от характера зависимостей электромагнитной силы и силы возвратной спиральной пружины от угла поворота якоря Fэм  = f1(α) и Fпр  =  f2(α) (рис. 3).

 

Рис. 3. Тяговые характеристики реле

 

Как видно из рис. 3, срабатывание реле произойдет при таком токе, когда α = αнач имеет место соотношение  сила трения). После срабатывания реле якорь займет положение, соответствующее углу поворота якоря (α = αкон), а электромагнитная сила будет характеризоваться точкой 1. Возврат реле может произойти только в случае, если ток в реле уменьшится до величины, при которой имеет место соотношение  точка 2. Чем ближе на характеристике располагаются точки 1 и 2, тем меньше отличаются токи срабатывания и возврата реле и тем выше коэффициент возврата.

В рассматриваемом электромагнитном токовом реле для повышения коэффициента возврата реле применен якорь с поперечным движением.

Как видно на рис. 4, в создании вращающего момента участвует не полная электромагнитная сила , а только ее тангенциальная составляющая . Доля тангенциальной составляющей уменьшается по мере поворота якоря. Этим достигается более пологий характер зависимости FЭМ = f1(α), что соответствует сближению точек 1 и 2 на рис. 3.

 

 

Рис. 4. Электромагнитная сила,

действующая на якорь

 

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 разноименными 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.

В табл. 1 приведены токи срабатывания и допустимые токи по термической стойкости для реле РТ40.

Сопротивление реле можно определить по формуле:

,

где S – потребляемая мощность при токе уставки, Вт; Iср – ток срабатывания при минимальной уставке по шкале, А. Погрешность срабатывания реле составляет не более ±5 \%.

 

                        

Таблица  1

Токи срабатывания и допустимые токи по термической стойкости

для реле серии РТ40

Тип

реле

Соединение обмоток

Потреб-ляемая

мощ-

ность

при токе уставки, Вт

Последовательное

Параллельное

Ток сра-баты-вания, А

Допустимый по термической стойкости ток, А

Ток сра-батывания, А

Допустимый по термической стойкости ток, А

длительно

в течение

1 с

дли-тель-

но

в течение

1 с

РТ40/0.2

0.15…0.1

0.55

15

0.1…0.2

1.1

30

0.2

РТ40/0.6

0.15…0.3

1.75

50

0.3…0.6

3.5

100

0.2

РТ40/2

0.5…1

4.15

100

1…2

8.3

200

0.2

РТ40/6

1.5…3

11

300

3…6

22

600

0.5

РТ40/10

2.5…5

17

400

5…10

34

800

0.5

РТ40/20

5…10

19

400

10…20

38

800

0.5

РТ40/50

12.5…25

27

500

25…50

54

1000

0.8

РТ40/100

25…50

27

500

50…100

54

1000

1.8

РТ40/200

50…100

27

500

100…200

54

1000

8

 

Разрывная мощность контактов в цепи постоянного тока с индуктивной нагрузкой, постоянная времени которой не более 0.05 с, составляет 60 Вт при напряжении до 220 В и токе до 2 А, а в цепи переменного тока – до 300 ВА при тех же значениях напряжения и тока. Собственное время срабатывания реле при токе равном 1.2 значения уставки не более 0.15 с.

В отличие от электромагнитного реле тока, электромагнитное реле напряжения имеет некоторые особенности. Обмотка реле имеет небольшое по сравнению с индуктивным активное сопротивление. Поэтому магнитный поток в магнитопроводе практически пропорционален приложенному напряжению и остается почти неизменным при повороте якоря. В то же время момент противодействующей пружины растет, следовательно, если после начала движения не повышать напряжения на реле, то якорь остановится. Срабатывание произойдет, когда момент M превысит момент пружины при конечном положении якоря. Таким образом, будет полностью отсутствовать положительная обратная связь, срабатывание окажется нечетким, а нажатие на контакты меньшим, чем у реле тока. Поэтому в электромагнитных реле напряжения необходимо искусственно уменьшать добротность обмотки, для чего, например, часть витков можно выполнять проводом с большим удельным сопротивлением. Тогда реле будет реагировать практически на ток, пропорциональный входному напряжению. Это, однако, приводит к увеличению потребления срабатывания реле напряжения по сравнению с однотипным реле тока. Если реле напряжения выполнить на выпрямленном токе, то поворот якоря будет приводить к увеличению потока в магнитопроводе точно так же, как и в токовом реле, поскольку магнитодвижущая сила обмотки реле в установившемся режиме изменяться не будет (индуктивность не влияет на средний ток), а магнитное сопротивление снизится. В электромагнитных реле напряжения серии РН-50 выпрямительный мост питает обмотку собственно реле, имеющего такую же конструкцию, как и реле типа РТ40. Для обеспечения быстродействия тем не менее приходится включать дополнительные резисторы последовательно со входом выпрямительного моста. В этом случае ток реле является почти принужденным, а поток в магнитопроводе нарастает, как в реле тока. Коэффициент возврата максимального реле напряжения не менее 0.8, а минимального – не более 1.25.

Кроме реле тока и напряжения в качестве вспомогательных реле используются промежуточные реле. Основное назначение вспомогательных реле:

– размножение контактов основного реле в случаях, когда при срабатывании последнего требуется одновременно замкнуть или разомкнуть несколько цепей (например, одновременное отключение защиты нескольких выключателей);

– разгрузка контактов основного реле при необходимости замыкания или размыкания цепей такой мощности, на которую не рассчитаны контакты основного реле (в этих случаях основное реле замыкает цепь обмотки промежуточного реле, а последнее своими более мощными контактами замыкает или размыкает соответствующие цепи).

Поэтому контакты промежуточных реле более мощные и имеют большую массу по сравнению с реле тока, что отражается на их конструкции. Конструкции промежуточных реле выбираются с таким расчетом, чтобы они были надежными, обеспечивали необходимую коммутационную способность и требуемые изоляционные характеристики, имели по возможности малую потребляемую мощность и небольшие размеры. Коэффициент возврата промежуточных реле не имеет существенного значения, поскольку возврат реле должен обеспечиваться при полном снятии напряжения, однако совершенно недопустимо «залипание» реле под воздействием остаточной индукции в магнитопроводе. Наиболее распространены промежуточные электромагнитные реле клапанного типа с поворотным якорем, притягивающимся к полюсному наконечнику магнитопровода.

Промежуточные реле выполняются на электромагнитном принципе для работы на оперативном постоянном и переменном токе. В зависимости от назначения промежуточные реле выполняются с обмотками напряжения или обмотками тока или и теми и другими одновременно. Промежуточные реле с обмотками напряжения включаются на полное напряжение источника оперативного тока. Промежуточные реле с обмотками тока включаются последовательно в цепь обмоток других аппаратов (например, отключающих катушек выключателей) и работают от тока, проходящего по этой цепи. Реле постоянного тока изготавливаются на напряжение 24, 48, 110 и 220 В; переменного тока – на 127, 220 и 380 В.

Например, реле промежуточные серий РП23 и РП25 применяются в качестве вспомогательных реле: в цепях постоянного тока – реле типа РП23, в цепях переменного тока – реле типа РП25.

Реле выпускаются с одним размыкающим и четырьмя замыкающими контактами. Однако при перестановке контактных угольников и подвижных контактных пластин на месте эксплуатации можно получить следующие комбинации размыкающих и замыкающих контактов: 2 и 3, 3 и 2, 4 и 1.

Коммутационная способность контактов в цепи постоянного тока 100 Вт при напряжении от 24 до 250 В и токе до 2 А, в цепи переменного тока – 500 ВАт при том же напряжении и токе до 5 А. Длительно допустимый ток контактов 5 А. Номинальное напряжение 24, 48, 110 или 220 В для реле РП23; 100, 127 или 220 В для реле РП25.

Потребляемая мощность: при номинальном напряжении для реле постоянного тока – не более 6 Вт, для реле переменного тока – не более 10 ВА (при притянутом якоре). Термическая стойкость позволяет выдерживать 1.1 Uном длительно. Напряжение срабатывания реле, нагретого до установившегося теплового состояния напряжением Uном при температуре окружающего воздуха +40 єС, не превышает 0.8Uном для реле типа РП23 и 0.85Uном для реле типа РП25. Масса реле

0.825 кг.

 

Индукционное токовое реле РТ80

 

Реле содержит индукционный и электромагнитный элементы. Применяется для защиты электрических машин, трансформаторов и линий электропередачи при коротких замыканиях и перегрузках.

Кинематическая схема реле приведена на рис. 5. Реле состоит из двух элементов: индукционного, создающего ограниченно зависимую от тока выдержку времени, и электромагнитного мгновенного действия (отсечки), обеспечивающего отключение защищаемого объекта без выдержки времени при превышении током КЗ уставки отсечки.

 

 

Рис. 5. Кинематическая схема реле РТ80:

 

1 – червяк, 2 – постоянный магнит, 3 – зубчатый сектор, 4 – подвижная рамка, 5 – арретирующая пружина, 6 – диск, 7 – нижний подпятник, 8 – механический указатель срабатывания, 9 – магнитопровод, 10 – обмотка реле, 11 – коммутатор отводов обмотки, 12 – якорь элемента отсечки, 13 – регулировочный винт уставки отсечки, 14 – неподвижный главный замыкающий контакт, 15 – угольник главных контактов, 16 – подвижная контактная  пружина, 17 – верхний подпятник  диска,  18 – скоба  сигналь-

ных контактов, 19 – упорный винт рамки, 20 – скоба-держатель зубчатого сектора.

 

Таблица  2

Исполнение реле серии РТ80

Тип

реле

Номинальный ток, А

Ток срабатывания, А

Время срабатывания, с

РТ81/1

10

4; 5; 6; 7; 8; 9; 10

1…4

РТ81/2

5

2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

1…4

РТ82/1

10

4; 5; 6; 7; 8; 9; 10

4…16

РТ82/2

5

2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

4…16

РТ83/1

10

4; 5; 6; 7; 8; 9; 10

1…4

РТ83/2

5

2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

1…4

РТ84/1

10

4; 5; 6; 7; 8; 9; 10

4…6

РТ84/2

5

2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

4…16

РТ85/1

10

4; 5; 6; 7; 8; 9; 10

1…4

РТ85/2

5

2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

1…4

РТ86/1

10

4; 5; 6; 7; 8; 9; 10

4…16

РТ86/2

5

2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5

4…16

 

Примечание: кратность тока срабатывания отсечки устанавливается в пределах 2…8. Потребляемая мощность – не более 10 ВА при токе, равном току срабатывания индукционного элемента. Коэффициент возврата индукционного элемента – не менее 0.8.

 

Индукционный элемент состоит из магнитопровода с обмоткой, диска, вращающегося в подпятниках подвижной рамки, тормозного постоянного магнита, червяка, насаженного на ось диска, и зубчатого сектора.

Вращающий момент на диске создается взаимодействием сдвинутых один относительно другого по фазе (на угол φ) магнитных потоков (Ф1 и Ф2) с токами, наводимыми ими в диске.

Ток, обтекающий обмотку реле, возбуждает в магнитопроводе и воздушном зазоре магнитный поток, пропорциональный до начала насыщения стали значению этого тока. Для расщепления магнитного потока в воздушном зазоре на две составляющие, сдвинутые по фазе, полюсы магнитопровода разделены на две части, на одну из которых насажены короткозамкнутые витки (экраны). Потоки, выходящие из экранированной и неэкранированной частей полюсов, создают в диске электродвижущие силы двух видов: трансформаторные и резания.

Трансформаторные ЭДС, не зависящие от того, вращается диск или он неподвижен, создают в нем токи, обусловливающие появление вращающего момента, пропорционального до насыщения магнитной системы квадрату тока, обтекающего обмотку реле.

Этот момент направлен всегда по кратчайшему пути от оси опережающего (неэкранированного) к оси отстающего (экранированного) потока, благодаря чему при достижении током в обмотке реле определенного значения диск начинает вращаться и при достижении тока уставки втягивается под экранированную часть полюса.

Электродвижущие силы резания возникают в диске только при его вращении и обусловливают появление тормозных моментов. Вращение диска замедляется также противодействующим моментом, создаваемым при вращении диска постоянным магнитом. Оба тормозных момента пропорциональны скорости вращения диска и обеспечивают при неизменном значении тока до значения тока насыщения ускорение, обусловливающее зависимую часть временной характеристики индукционного реле.

С насыщением магнитной системы увеличение магнитного потока, а следовательно, и вращающего момента с ростом тока в реле прекращается и характеристика переходит в независимую часть – у реле серии РТ80 при 8–10-кратном значении тока по отношению к току срабатывания независимого момента на данной уставке.

Диск реле начинает вращаться при токах, составляющих 20 \%…

30 \% тока срабатывания индукционного элемента. Реле при этом не срабатывает, так как пружина удерживает рамку (имеющую собственную ось вращения) в оттянутом положении и червяк на оси диска не сцеплен с зубчатым сектором.

На вращающийся диск действуют две силы: создаваемая электромагнитом вращает диск по часовой стрелке, а создаваемая при вращении диска тормозным постоянным магнитом противодействует вращению диска.

При возрастании тока в реле до значения тока срабатывания равнодействующая двух сил преодолевает натяжение пружины и, проворачивая рамку вокруг ее оси, производит сцепление червяка с сектором. Последний начинает подниматься и по прошествии времени, определяемого уставкой шкалы выдержек времени, хвостовиком поднимает коромысло якоря системы отсечки. При этом начинает уменьшаться правый зазор между якорем отсечки и магнитопроводом. Сила

 

Рис. 6. Временная характеристика реле РТ80

 

притяжения якоря электромагнитной системы, образуемой им совместно с правой стороной магнитопровода и магнитным шунтом, обратно пропорциональна квадрату расстояния между полюсами, вследствие чего, как только воздушный зазор уменьшится до значения, соответствующего току срабатывания отсечки, якорь с ускорением притянется к магнитопроводу и толкатель замкнет главные контактов реле. Одновременно коромысло отсечки вытолкнет флажок механического указателя срабатывания реле.

Для устранения вибрации якоря отсечки в притянутом положении, вызывающей неустойчивую работу контактов, на правый конец якоря насажен короткозамкнутый виток, охватывающий часть торцевой стороны якоря и расщепляющий благодаря этому магнитный поток на опережающую и отстающую составляющие.

Для предотвращения ослабления сцепления червячной передачи под действием силы тяжести якоря с момента встречи хвостовика сектора с коромыслом на рамке установлена стальная скоба. Притягиваясь при сближении сектора с червяком за счет потоков рассеяния к магнитопроводу реле, эта скоба дополнительно усиливает сцепление червячной поры. Она же используется для регулирования коэффициента возврата реле, так как чем ближе ее подвести к магнитопроводу при втянутом секторе, тем меньший ток удержит рамку в притянутом положении, а следовательно, и сектор в сцеплении с червяком.

При токах, превышающих ток срабатывания электромагнитного элемента, работает элемент отсечки реле, т.е. срабатывание происходит практически без выдержки времени. В действительности время срабатывания электромагнитного элемента в зависимости от кратности тока в реле по отношению к уставке отсечки изменится в диапазоне 0.08…0.10 с. При двукратном токе уставки это время, как правило, не превышает 0.08 с.

Уставка тока срабатывания индукционного элемента регулируется коммутатором отводов обмотки 11.

Уставка тока срабатывания отсечки регулируется регулировочным винтом 13. Цифры на винте указывают кратность срабатывания отсечки по отношению к срабатыванию индукционного элемента

Уставка времени индукционного элемента регулируется изменением пути, который проходит зубчатый сектор 3 до соприкосновения с подвижной контактной пружиной 16. Шкала уставок времени соответствует 10-кратному току срабатывания.

Ток замыкания главных замыкающих контактов реле типов РТ81, РТ82, РТ83 и РТ84 – 5 А при напряжении до 250 В постоянного и переменного тока.

Ток размыкающих контактов – 2 А при напряжении до 250 В переменного тока и 0.5 А при напряжении до 250 В постоянного тока. Если управляемая цепь получает питание от трансформаторов тока и имеет при токе 4 А полное сопротивление не более 4 Ом, а при токе

50 А – не более 1.5 Ом, то контакты указанных реле способны шунтировать и дешунтировать эту цепь при токе до 50 А.

Главные контакты реле типов РТ85 и РТ86 способны шунтировать и дешунтировать управляемую цепь при токах до 150 А, если она питается от трансформатора тока и ее полное сопротивление при токе

4 А не более 4 Ом, а при токе 50 А не более 1.5 Ом.

Масса реле 2.9 кг.