13 Релейная защита лекция №4

ВРЕМЯ– 2 часа

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить основные типы реле, их назначение, конструкцию и принцип действия.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

ВВЕДЕНИЕ – 5 мин

1. НАЗНАЧЕНИЕ, КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ. И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЛЕ– 40 мин.

2. РАБОТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЛЕ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ – 40 мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ – 5 мин.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп. – М.:ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. – С. 92.

1. Назначение, конструкция, принцип действия. И основные характеристики реле

Реле – автоматические приборы управления, обладающие релейным действием, т.е. скачкообразным изменением состояния управляемой цепи (например, её замыкание или размыкание) при заданных значениях величин, характеризующих определенное отклонение режима контролируемого объекта.

В схемах релейной защиты в настоящее время применяются электромеханические реле, полупроводниковые реле и реле на микроэлектронной базе.

Наличие у реле ряда недостатков (большие размеры, большое потребление мощности, трудности с обеспечением надежной работы контактов) ведет к новым принципам их исполнения, что позволяет улучшить параметры и характеристики схем защит, а также применять бесконтактные схемы.

Кроме реле, реагирующих на электрические величины, применяются реле, реагирующие на неэлектрические величины (газовое реле, повышение температура трансформаторов). По этому, по виду воздействующих на них физических величин реле делятся на:

- электрические, реагирующие на электрические величины;

- механические, реагирующие на неэлектрические величины, такие как, скорость истечения жидкости или газа, уровень жидкости;

- тепловые, реагирующие на количество выделенного тепла или изменение температуры.

• реле, реагирующие на электрические величины делятся на реле, реагирующие на одну величину, реле, реагирующие на две величины и реле, реагирующие на три и более.

Электрические реле в свою очередь делятся на электромеханические, электромагнитные, индукционные, электродинамические, индукционно-динамические, магнитоэлектрические.

Основными требованиями, предъявляемые к реле являются:

1. Надежное замыкание и размыкание электрической цепи. Данное требование относится к контактной системе реле. Контактная система должна обеспечивать мощность:

S_к=U_к·I_к,

где U_к – напряжение, приложенное к контактам реле; I_к - ток, протекающий через контакты реле.

2. Термическая стойкость. Данное требование относится к обмотке реле. Обмотки реле должны обеспечивать мощность:

S_р=U_рI_р,

где U_р – рабочее напряжение, приложенное к обмотке реле; I_р – рабочий ток, протекающий через обмотку реле.

По конструктивному исполнению электромагнитные реле делятся на реле с втягивающимся якорем, реле с поворотным якорем и реле с поперечным движением якоря.

На рис. 1. Представлена схема реле с поворотным якорем.

Рис. 1. Реле с поворотным якорем. Неподвижные контакты разомкнуты. 1 –сердечник реле; 2 – обмотка; 3 – поворотный якорь; 4 – неподвижные контакты; 5 – подвижный контакт; 6 – возвратная пружина.

Проходящий по обмотке ток I_р создает магнитный поток Ф:

Ф = (I_р·_р)/R_м,

где _р – число витков обмотки реле; R_м - магнитное сопротивление.

Магнитный поток замыкается через сердечник электромагнита, воздушный зазор и якорь. Якорь намагничивается и притягивается к полюсам электромагнита, т.к. на него действует электромагнитная сила F_э:

F_э = k_f·Ф² = k_f·(I_р²·_р²)/R_м²,

где k_f – коэффициент пропорциональности, между магнитным потоком и электромагнитной силой, действующей на якорь реле.

Используя обозначение k = (k_f ·_р²)/R_м², получим:

F_э = k· I_р ².

Таким образом, электромагнитная сила, действующая на якорь реле, пропорциональна квадрату тока в его обмотке.

Электромагнитная сила создает на якоре электромагнитный момент М_э:

М_э = F_э·l_р = k· I_р ²·l_р,

где l_р – плечо силы F_э.

Для срабатывания реле необходимо создать силу:

F_э = F_эср=F_n+ F_т + F_m,

где F_n- сила пружины,; F_т- сила трения; F_m - массовая сила.

Переместившись в конечное положение, якорь своим подвижным контактом 5 замыкает неподвижные контакты реле 4.

Током срабатывания реле I_ср называется наименьший ток, при котором реле срабатывает. При протекании тока I_ср по обмотке реле, действующая на якорь электромагнитная сила превосходит силу сопротивления пружины, силы трения в подвеске якоря и его массовую силу.

Ток срабатывания реле определяется из выражения:

I_ср = (F_э·R_м² )/(k_f·_р²),

Ток срабатывания реле I_ср можно регулировать ступенчато путем изменения количества витков обмотки реле или плавно, путем изменения жесткости возвратной пружины.

По мере перемещения якоря воздушный зазор уменьшается и уменьшается магнитное сопротивление. Электромагнитный момент увеличивается и превосходит силу противодействия возвратной пружины. Якорь удерживается в положении, при котором неподвижные контакты замкнуты (рис. 2).

Рис. 2. Реле с поворотным якорем. Неподвижные контакты замкнуты

Для возврата якоря и размыкания контактов 4 необходимо уменьшить ток в обмотке реле.

Током возврата реле I_воз называется наибольший ток в обмотке реле, при котором якорь возвращается в начальное положение.

При уменьшении тока в обмотках реле происходит возврат притянутого к полюсам электромагнита якоря в исходное положение под действием пружины. Для возврата необходимо, чтобы момент возвратной пружины М_п был больше электромагнитного момента М_эвоз, необходимо выполнение условия М_п > М_эвоз,

где М_эвоз - электромагнитный момент, действующий на якорь при протекании в обмотке реле тока возврата I_воз.

Коэффициентом возврата реле k_воз называется величина отношения тока возврата реле I_воз к току срабатывания I_ср:

k_воз = I_воз / I_ср.

Реле максимального действия (максимальное реле) называются реле, срабатывающие при возрастании тока. У таких реле ток срабатывания больше тока возврата (I_ср > I_воз) и коэффициент возврата меньше единицы (k_воз<1). Как правило, такие реле выполняются нормально разомкнутыми.

Реле минимального действия (минимальное реле) называются реле, срабатывающие при уменьшении тока.

Для срабатывания необходимо уменьшить ток до значения, при котором момент пружины превзойдет электромагнитный момент. У таких реле ток срабатывания меньше тока возврата (I_ср < I_воз) и коэффициент возврата больше единицы (k_воз >1). Как правило, такие реле выполняются нормально замкнутыми.

Рассмотренная нами схема реле с поворотным якорем является наиболее распространенной, поскольку позволяет создавать большую электромагнитную силу воздействия на якорь Fэ при малом потреблении тока. Примером такого реле служат реле РП-210и реле КДР-1. Основные характеристики РП-210:

- время срабатывания t_ср=0,01с;

- мощность срабатывания Р_ср =(5 … 8) Вт.

Основные характеристики КДР-1:

- время срабатывания t_ср = (0,01-0,02) с;

- мощность срабатывания Р_ср = 3Вт.

Время срабатывания реле является одной из его важнейших характеристик. При включении обмотки на напряжение ток в обмотке реле устанавливается не сразу (рис. 3). Он изменяется от нуля до установившегося значения I_py.

Рис. 3. График изменения тока в обмотке реле: I_сp - ток срабатывания реле; t_н- время начала движения якоря; I_py - установившееся значение тока в обмотке реле; U_p - напряжение, приложенное к обмотке реле; R_p - сопротивление обмотки реле.

Ток в обмотке реле изменяется по экспоненте и может быть определен из выражения:

I_p = U_p / R_p·(1 – e^-t/T),

где T = L_p/R_p- постоянная времени обмотки реле.

Движение якоря начиняется через время t_н, когда ток достигнет величины тока срабатывания реле I_ср . Перемещение якоря в конечное положение осуществляется через время t_у после начала его движения. Время работы реле t_р определяется из выражения: t_р = t_н+ t_у.

Из рис.3 видно, что время t_н зависит от скорости нарастания тока I_р. Оно определяется величиной постоянной времени реле Т и величиной тока срабатывания I_ср. Как было установлено выше, величина I_ср зависит от усилия возвратной пружины, силы трения и массы якоря реле.

Время хода якоря t_у зависит от скорости его перемещения. Абсолютное значение времени t_у У электромагнитных реле величина времени хода якоря составляет t_у ≈ 0,001с. Для приближенных расчетов можно считать, что t_р ≈ t_н.

Для повышения быстродействия реле используется три способа:

1. Уменьшение постоянной времени реле Т. Это может быть выполнено за счет увеличения активного сопротивления обмотки реле R_p , а также за счет уменьшения индуктивного сопротивления обмотки реле L_p.

2. Уменьшение момента противодействия возвратной пружины М_п. Это может быть выполнено за счет уменьшения жесткости пружины, а также за счет уменьшения плеча приложения силы пружины к якорю.

3. Увеличение кратность тока К = I_py /I_ср. Для этого для изготовления сердечника реле применяются специальные материалы с улучшенной магнитной проводимостью.

Для задержки срабатывания реле применяются схемные методы (рис. 4). В обмотку реле в определенной последовательности (рис. 4 а), 4 б)) включаются активные сопротивления R, индуктивности L и конденсаторы C. Это ведет к изменению постоянной времени реле Т до необходимого значения.

Рис. 4. Схемы включения активного сопротивления R, индуктивности L и конденсатора C в обмотку реле.