Введение

Релейная защита является составной частью системной автоматики управления в аварийных режимах, без которой невозможна нормальная и надежная работа системы тягового электроснабжения железных дорог. Основным назначением релейной защиты является выявление места возникновения повреждения и быстрое автоматическое отключение с помощью выключателей поврежденного оборудования или участка сети от остальной неповрежденной части [1, 3, 5].

На основе электромеханических реле создавались устройства релейной защиты и автоматики первого поколения. Под электромеханическим реле, согласно ГОСТ 16022-83, понимают электрическое реле, работа которого основана на использовании относительного перемещения его механических элементов под воздействием электрического тока, протекающего по его обмотке.

В современных устройствах релейной защиты наряду с электромеханическими реле широкое применение нашли электронные, а затем микропроцессорные защиты. Рынок России представлен как крупными западными производителями, так и местными: ИЦ «Бреслер», НПП «Экра», НТЦ «Механотроника», ЗАО «Радиус Автоматика», ООО «НИИЭФА-Энерго», и другие [2, 4].

Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам «Релейная защита» и «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем» предназначены для проведения лабораторных работ, учебно-исследовательских занятий и работы со слушателями повышения квалификации. Методические указания позволяют наиболее рационально использовать лабораторную базу лаборатории «Релейная защита» кафедры «Электроснабжение транспорта» УрГУПС.

Методические указания составлены с целью обобщения практического материала курса «Релейная защита» и «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем». Они состоят из трех разделов:

Раздел I. Электромагнитные реле.

Раздел 2. Защиты, выполненные на электромагнитных реле.

Раздел 3. Защиты, выполненные на микроконтроллере Siemens Logo 230 rc.

В методических указаниях к лабораторным работам приводятся краткие теоретические сведения, программа работ, исходные данные, принципиальные схемы, методика расчета релейных защит и порядок выполнения экспериментальной части работы на лабораторных стендах «Релейная защита и автоматика электроэнергетических в системах электроснабжения» производства инженерно-производственного центра «Учебная техника» г. Челябинск [6].

1 Электромагнитные реле

Работа № 1.1 Испытание измерительного реле тока

Цель работы: Ознакомиться с конструкцией, техническими характеристиками, принципом работы и порядком испытания электромагнитного реле максимального тока РТ-40/2 УХЛ4.

Краткие теоретические сведения

Электромагнитные реле тока типа РТ-40 применяются в устройствах релейной защиты и противоаварийной автоматики в качестве органа, реагирующего на повышение тока в контролируемой цепи.

Реле тока РТ-40 с поперечным движением якоря имеет П - образный шихтованный сердечник, на котором размещены две обмотки. Якорь реле выполнен из ферромагнитной пластины Г - образной формы, закрепленной на оси.

При прохождении тока по обмотке реле электромагнитная сила стремится притянуть якорь к полюсам электромагнита; этому препятствует противодействующая сила , обусловленная силой пружины и силой трения . Для действия реле необходимо, чтобы на всем пути перемещения якоря, выполнялось условие

,т.е..

При токе, равном или большем тока срабатывания , якорь реле поворачивается и связанный с ним подвижный контакт замыкает (размыкает) управляемую электрическую цепь. Подвижная система реле возвращается в исходное положение при токе в обмотке реле, равном току возврата. Коэффициент возврата реле равен 0,8– 0,85.

Ток срабатывания электромагнитного реле тока РТ-40 зависит от схемы включения двух его обмоток. При параллельном включении обмоток ток срабатывания реле в два раза больше, чем при их последовательном включении. Схемы внутренних соеди­нений реле приведены на рисунке 1.1.

Градуировка шкалы уставок реле тока РТ-40 выполнена для последовательного соединения обмоток.

Плавное изменение тока срабатывания реле осуществляется путем изменения затяжки противодействующей пружины. При перемещении указателя уставки по току из начального положения в конечное ток срабатывания реле РТ-40 увеличивается в два раза.

а) б)

Рисунок 1.1 – Схемы внутренних соединений реле типа РТ-40:

а – последовательное соединение обмоток реле;

б – параллельное соединение обмоток реле.

Прохождение по обмотке реле несинусоидальных токов приводит к вибрации контактов и отказу реле. Для снижения вибрации наряду с механическим гасителем применяется магнитопровод с насыщающимися участками, которые выполняются суженными. При пиках несинусоидального тока участки сердечника с уменьшенным сечением насыщаются и ограничивают величину магнитного потока.

Механический гаситель вибраций представляет собой полый барабанчик с радиальными перегородками внутри, полость барабанчика заполнена хорошо просушенным кварцевым песком. При любом ускорении подвижной системы кварцевые песчинки приходят в движение и часть, сообщенной якорю энергии тратится на преодоление сил трения между песчинками. Последнее приводит к значительному снижению вибраций подвижной системы от переменной составляющей электромагнитной силы и уменьшает вибрацию контактов при их соударении.

Все узлы реле смонтированы на рамке-основании из алюминиевого сплава, укрепленной на пластмассовом цоколе реле, и закрыты прозрачным полистирольным кожухом. Крепление кожуха к цоколю производится пружинными замками.

Основные технические характеристики электромагнитных реле тока приведены в таблице П.А.1.

Программа работы

1. Изучить конструкцию реле тока РТ-40. Начертить схему внутренних соединений реле.

2. Собрать схему испытания реле тока РТ-40 на лабораторном стенде (рисунок 1.2). Перечень используемой аппаратуры стенда приведен в таблице 1.1.

3. Снять характеристики реле тока РТ-40/2. Определить ток срабатывания и ток возвратадля каждого деления шкалы. По полученным данным подсчитать коэффициент возврата.

4. Определить значение погрешности (отклонения) тока срабатывания реле относительно заданной уставки .

Рисунок 1.2 – Принципиальная схема испытания реле РТ-40/2

Таблица 1.1 – Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Однофазный источник питания	218.2	~ 220 В / 16 А
А1	Регулируемый автотрансформатор	318.2	~ 0 – 240 В / 2 А
А4	Однофазный трансформатор	372.1	120 ВА / 220/24 В
А6	Сдвоенный реактор	373	~ 220 В / 2×5 А / 0,005 Гн
А7	Реле максимального тока РТ-40/2	366	Номинальный ток~ 6,3 А / Уставка реле ~ 0,5 – 2,0 А / Коммутируемое напряжение 250 В / Контакты 1з +1р.
Р1	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра 0 – 1000 В / 0 – 10 А / 0 – 20 МОм

Порядок выполнения экспериментальной части работы:

1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» автотрансформатора А1.

3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений.

4. Поверните регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее против часовой стрелки положение.

5. Установите ток уставки реле тока А7, в соответствии с таблицей 1.2.

6. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения в однофазном источнике питания G1.

7. Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1.

8. Активизируйте используемые мультиметры Р1.1 и Р1.2.

9. Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 по часовой стрелке, увеличивайте ток, протекающий по обмотке реле А7.

10. В момент срабатывания реле А7 (определяется по появлению звукового сигнала, издаваемого включенным в режиме «прозвонки» мультиметром Р1.2) зафиксируйте с помощью амперметра Р1.1 ток срабатывания и занесите в таблицу 1.2.

11. Медленно вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 против часовой стрелки, уменьшайте ток, протекающий по обмотке реле А7.

12. В момент возврата реле А7 (определяется по исчезновению звукового сигнала, издаваемого включенным в режиме «прозвонки» мультиметром Р1.2) зафиксируйте с помощью амперметра Р1.1 ток возврата так же занесите его значение в таблицу 1.2.

13. Далее зафиксируйте значения и для всех токов уставки. Занесите показания в таблицу 1.2.

14. Отключите автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.

15. Отключите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и автотрансформатора А1.

16. Вычислите коэффициент возврата электромагнитного реле тока по формуле

(1.1)

Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.2.

Коэффициент возврата реле РТ-40 должен быть ниже 0,85 на первой уставке и не ниже 0,8 на остальных (за исключением реле РТ-40/50 и РТ-40/100, у которых коэффициент возврата не ниже 0,7 на всех уставках).

Таблица 1.2 – Характеристики реле тока РТ-40/2

Схема соединения обмоток	, А	, А	, А
	0,5
	0,6
	0,7
	0,8
	0,9
	1,0
	1,0
	1,2
	1,4
	1,6
	1,8
	2,0

17. Для одной уставки (указанной преподавателем) путем трехкратного измерения тока срабатывания реле, определите значение погрешности тока срабатывания реле относительно заданной уставки по формуле

, (1.2)

где – среднее значение тока срабатывания реле на заданной уставке.

Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.3.

Таблица 1.3 – Погрешность тока срабатывания реле РТ-40/2

, А	, А	, А	, А	, А	, %

Погрешность тока срабатывания реле РТ-40 по отношению к уставке не должна превышать ± 5 %, а разброс тока срабатывания не более 4 % на лю­бой уставке.

17. Сделайте выводы по работе.

Работа № 1.2 Испытание измерительного реле напряжения

Цель работы: Ознакомиться с конструкцией, техническими характеристиками, принципом работы и порядком испытания электромагнитного реле минимального напряжения РН-54/320 УХЛ4.

Краткие теоретические сведения

Минимальные реле напряжения РН-54 предназначены для применения в схемах защиты и противоаварийной авто­матики в качестве органа, реагирующего на уменьшение напряжения в цепи переменного тока.

Реле напряжения серии РН-50 по конструкции незначительно отличается от реле РТ-40. Для снижения вибрации подвижной системы обмотка реле этого типа, состоящая из двух секций, соединенных последовательно, включается в контролируемую цепь напряжения посредством выпрямительного моста, в цепь которого вводятся один или два добавочных резистора. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер, однако индуктивность обмотки уменьшает пульсацию тока и электромагнитной силы, поэтому вибрация якоря практически отсутствует. В отличие от реле тока реле напряжения не имеет механического гасителя вибрации якоря. Схемы внутренних соединений реле напряжения типа РН-54 приведены на рисунке 1.3.

а) б)

Рисунок 1.3 – Схемы внутренних соединений реле типа РН-54:

а – реле РН-54/48, РН-54/160;

б – реле РН-54/320.

Реле напряжения типа РН-54 имеют два диапазона уставок. В первом диапазоне (меньших уставок) обмотка реле подключается к контролируемой цепи через добавочный резистор R_1, в втором диа­пазоне (больших уставок) – через последовательно соединенные добавочные резисторы R₁ и R₂.

Градуировка шкалы уставок реле напряжения РН-54 соответствует напряжениям срабатывания на первом диапазоне уставок.

Плавное изменение напряжения срабатывания реле осуществляется путем изменения затяжки противодействующей пружины. При перемещении указателя уставки по напряжению из начального положения в конечное напряжение срабатывания реле РН-54 увеличивается в два раза.

Основные технические характеристики электромагнитных реле напряжения приведены в таблице П.А.2.

Программа работы

1. Изучить конструкцию реле напряжения РН-54. Начертить схему внутренних соединений реле.

2. Собрать схему испытания реле напряжения РН-54/320 на лабораторном стенде (рисунок 1.4). Перечень используемой аппаратуры стенда приведен в таблице 1.4.

3. Снять характеристики реле напряжения РН-54/320. Определить напряжение срабатывания и напряжение возврата реле. По полученным данным подсчитать коэффициент возврата .

4. Определить значение погрешности (отклонения) напряжения срабатывания реле относительно заданной уставки .

Рисунок 1.4 – Принципиальная схема испытания реле напряжения РН-54/320

Таблица 1.4 – Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Однофазный источник питания	218.2	~ 220 В / 16 А
А1	Регулируемый автотрансформатор	318.2	~ 0 – 240 В / 2 А
А2	Реле минимального напряжения РН-54/320	367	~ 160 – 320 В / (1з + 1р) контакт
А3	Автоматический однополюсный выключатель	359	~ 230 В / 0,5 А
Р1	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра 0 – 1000 В / 0 – 10 А / 0 – 20 МОм

Порядок выполнения экспериментальной части работы:

1. Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

2. Соедините гнезда защитного заземления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» однофазного источника питанияG1.

3. Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической соединений (рисунок 1.4).

4. Отключите (если включен) автоматический однополюсный выключатель А3.

5. Установите рукоятку регулируемого автотрансформатора А1 в крайнее левое положение.

6. Откройте крышку реле минимального напряжения А2 и с помощью перемещения указателя уставки установите его напряжение уставки равным, например, 160 В.

7. Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и подключите используемые в работе мультиметры нажатием кнопки «ON/OFF».

8. Включите однофазный источник питания G1. О наличии напряжения на его выходе должен сигнализировать светодиод.

9. Вращая рукоятку регулируемого автотрансформатора А1 по часовой стрелке, установите по мультиметру Р.1.1 напряжение на его выходе, большее уставки срабатывания, например, равное 230 В.

10. Включите автоматический однополюсный выключатель А3. При этом должно произойти срабатывание реле А2 (определяется по исчезновению звукового сигнала, издаваемого включенным в режиме «прозвонки» мультиметром Р1.2).

11. Смоделируйте снижение напряжения на обмотке реле А2, медленно вращая рукоятку автотрансформатора А1 против часовой стрелки. Зафиксируйте значение напряжения срабатывания реле по мультиметру Р.1.1 и занесите его значение в таблицу 1.4.

12. Смоделируйте восстановление напряжения на обмотке реле А2. Для этого, медленно вращая рукоятку регулируемого автотрансформатора по часовой стрелке, зафиксируйте напряжение возврата реле по мультиметру Р.1.1,так же занесите его значение в таблицу 1.4.

13. Далее зафиксируйте значения идля всех напряжений уставки . Занесите показания в таблицу 1.4.

14. Поверните рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее левое положение и отключите выключатель «СЕТЬ».

15. После завершения эксперимента отключите однофазный источник питания G1.

16. Сравните значения напряжений срабатывания при снижении и восстановлении напряжения. Вычислите коэффициент возврата реленапряжения по формуле

. (1.4)

Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.4.

Коэффициент возврата реле напряжения РН-54 должен быть не более 1,25.

Таблица 1.4 – Характеристики реле напряжения РН-54/320

№	, В	, В	, В		Примечание
1	160
2	180
3	200
4	220

17. Для одной рабочей уставки (указанной преподавателем) путем трехкратного измерения напряжения срабатывания реле, определите значение погрешности напряжения срабатывания реле относительно заданной уставки по формуле

, (1.5)

где – среднее значение напряжения срабатывания реле на заданной уставке.

Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.5.

Таблица 1.5 – Погрешность реле тока РН-54/320

, В	, В	, В	, В	, В	, %

Погрешность напряжения срабатывания реле РН-54 по отношению к уставке не должна превышать ± 10 %, а разброс напряжения срабатывания не более 5 % на любой уставке.

18. Сделайте выводы по работе.