2.12. Магнитоэлектрические реле

Магнитоэлектрическое реле (рис. 2.37) состоит из постоянного магнита 1, подвижной рамки 2, на которую намотана обмотка 3, питающаяся током1, и контактов4. Принцип работы магнитоэлектрических реле основан на взаимодействии токаI_Pв обмотке рамки с магнитным потоком постоянного магнита.

Сила, действующая на обмотку рамки:

F_Э=kB_MI_Pιw_P (2.19)

где B_M– индукция магнитного поля постоянного магнита;I_P – ток в обмотке рамки;ι– активная длина витка обмотки;w_P– число витков обмотки рамки.

Вращающий момент, образованный силами F_Э,

М_Э=F_Эd=k’B_MI_P, (2. 19а)

где d– плечо пары силF_Э;k’ =kB_MI_P.

Угол поворота рамки принимается небольшим (5-10^о), а форма полюсов магнита подбирается таким образом, чтобы магнитное поле было равномерным. При этом магнитная индукция В_Мпостоянна и момент М_Э, пропорционален токуI_P:

М_Э=k’’I_P.

Знак М_Э иF_Эзависит от направленияI_P в подвижной рамке реле. При показанном на рис. 2.37 направленииI_PнаправлениеF_Э, определено по правилу "левой руки".

Таким образом, магнитоэлектрические реле реагируют на направление тока и поэтому, так же как и поляризованные реле, не могут работать на переменном токе. Магнитоэлектрические реле имеют высокую чувствительность и малое потребление. Мощность срабатывания достигает 10^-8– 10^-10Вт и превосходит чувствительность поляризованных реле, что объясняется наличием сильного поля постоянного магнита 1 и малым противодействующим моментом подвижной системы.

Магнитоэлектрические реле имеют контактную систему с малой отключающей способностью. Зазор между контактами мал – около 0,3 – 0,5 мм. Магнитоэлектрические реле отличаются плохим возвратом. Надежный возврат этих реле обеспечивается подачей в обмотку реле тормозного тока, действующего на размыкание контактов. Время действия реле равно 0,01 – 0,02 с. Магнитоэлектрические реле применялись в качестве высокочувствительных нуль-индикаторов в схемах на выпрямленном токе и еще находятся в эксплуатации. В настоящее время вместо них применяют электронные реле, рассматриваемые ниже.

2.13. Измерительные органы на полупроводниковой элементной базе

Обобщенная функциональная схема. На рис. 2.38 изображена функциональная схема, характерная для различных видов полупроводниковых ИО, применяемых в отечественных устройствах РЗ. Эта схема состоит из таких же структурных частей, как и общая структурная схема на рис. 2.1, но, с учетом особенностей элементной базы, она дополнена блоком – источником питания, необходимым для обеспечения действия полупроводниковых элементов. Поэтому ниже рассматриваются особенности функции каждой структурной части при выполнении ИО на ИМС и реализующие их элементы [37].

Воспринимающая часть (ВЧ), на вход которой поступают сигналы в виде токаI_P и напряженияU_Pот измерительных ТТ и ТН защищаемого объекта, должна выполнять следующие функции:

обеспечивать гальваническое отделение полупроводниковой схемы реле от вторичных цепей измерительных ТТ и ТН, в которых могут возникать перенапряжения, не допустимые для полупроводниковых элементов, и помехи, искажающие входные сигналы;

преобразовывать переменный ток I_P, получаемый от ТТ, в переменное напряжение требуемого уровня, поскольку в качестве сигналов в полупроводниковых устройствах используются напряжения (потенциальные сигналы);

понижать уровни входных величин (U_PиI_P) до значений, допустимых для полупроводниковых элементов;

обеспечивать возможность выполнения и регулирования уставок срабатывания ИО.

В результате указанных преобразований на выходе воспринимающей части появляются напряжения, пропорциональные входным сигналам, совпадающие с ними по фазе, но уменьшенные по значению до допустимого для полупроводниковых элементов уровня k_П.НU_Pиk_П.ТI_P(здесьk_П.Ниk_П.Т– коэффициенты преобразования входных сигналов).

Преобразующая (формирующая) часть (ФЧ), приняв сигналы воспринимающей части, формирует из нихnподлежащих сравнению электрических величин в виде напряженийU₁, ...U_n, позволяющих получить соответствующие ИО с заданной характеристикой срабатывания. Эти напряжения образуются в результате дополнительных преобразований входных величин, контролируемыхU_PиI_P, и их суммирования по уравнениям следующего вида:

В уравнениях k_1H …k_nHиk_1Т …k_nТ – коэффициенты, определяющие дополнительные преобразования входных величин.

Коэффициенты k_1U …k_nUиk_1I …k_nI являются комплексными постоянными величинами, не зависящими отI_PиU_P.Подбирая эначения этих коэффициентов, можно получить различного вида ИО (РНМ и РС) с нужными характеристиками. Число формируемых напряженийn зависит от количества сравниваемых величин.

Сформированные по (2.20) переменные или выпрямленные напряжения U₁...U_nпоступают на вход сравнивающей части.

Сравнивающая часть (СЧ) выполняется в виде специальной схемы, в которой по заданным условиям (алгоритмам), зависящим от вида ИО, осуществляется сравнение напряжений U₁...U_n, полученных по (2.20).

По принципу сравнения схемы подразделяются на схемы, осуществляющие сравнение абсолютных значений электрических величин, и схемы,сравнивающие их фазы.

В отечественной практике схемы первого типа выполняются на выпрямленном токе, в них сравниваются два напряжения U₁, иU₂[сформированные по (2.20)] после их выпрямления. Схемы на сравнении фаз выполняются с помощью фазосравнивающих схем, позволяющих определять углы сдвига фаз между двумя или четырьмя величинами, разрешая действие реле в заданном диапазоне этих углов.

В зависимости от результатов сравнения реагирующий элемент схемы сравнения посылает дискретный сигнал на вход исполнительной части о срабатывании ИО (U_CP).

Исполнительная часть (ИЧ), называемая также выходной частью, получив сигнал о срабатывании, усиливает его и выдает команду на отключение выключателя непосредственно или по каналам логической части (ЛЧ) в сложных защитах.

Источник постоянного тока (ИПТ) является важным элементом полупроводниковых РЗ, необходимым для питания полупроводниковых элементов. Для транзисторных схем требуются напряжения с уровнями 6-24 В. В устройствах, выполненных на ИМС, применяются источники питания+15 В, отличающиеся высокой стабильностью выходного напряжения. Источник питания подключается к сети переменного тока (100-380 В) либо к аккумуляторной батарее 220-110 В и преобразует входное напряжение в напряжение постоянного тока требуемого уровня.

Конструктивно полупроводниковые реле выполняются в виде электронных схем, собранных на печатных платах, где располагаются ИМС, выносные транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, соединяемые по заданным схемам. Отдельные полупроводниковые реле, как и электромеханические, выпускаются в отдельных кожухах.

Сложные РЗ, состоящие из нескольких реле, выполняются в виде единой схемы, состоящей из блоков, смонтированных на печатных платах. Печатные платы объединяются в блоки, которые собираются в кассетах, монтируемых на металлических панелях или в шкафах. Электрические связи между блоками осуществляются с помощью специальных разъемов (в виде втычных контактных соединений).

Устройства РЗ и сложных реле на полупроводниковой базе принято выполнять с автоматическим непрерывным функциональным контролем исправности отдельных узлов схемы и с возможностью проведения периодического тестового контроля исправности реле и узлов и действия устройства обслуживающим персоналом.