ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ РЕЛЕ (ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ)

Назначение реле и требования к ним. Промежуточные реле применяются для выполнения логических операций как реле-повторители для одновременного замыкания или размыкания нескольких цепей, а также для замыкания и размыкания цепей с большими токами.

Примеры использования промежуточных реле в схемах РЗ приведены на рис.2.12. По способу включения промежуточные реле подразделяются на реле параллельного (рис.2.12, а) и последовательного (рис.2.12, б) включения. Обмотки первых включаются на полное напряжение источника питания, а вторых – на ток цепи последовательно с катушкой электромагнита отключения выключателя YAT или какого-либо другого аппарата или реле.

Кроме того, выпускаются реле с дополнительными удерживающими катушками, например реле параллельного включения с удерживающей обмоткой, включаемой последовательно в управляемую контактами реле цепь (рис.2.12, в). Такое реле, подействовав от кратковременного импульса, поданного в параллельно включенную обмотку, остается в сработанном состоянии после его исчезновения под действием тока удержания, пока не сработает управляемый аппарат.

Мощность контактов должна быть достаточной для замыкания и размыкания цепей РЗ, а также для замыкания цепей управления выключателей.

Потребление обмоток реле параллельного включения стремятся ограничить до 6 Вт с тем, чтобы их цепь могли замыкать и размыкать реле с маломощными контактами.

Потребление обмоток реле последовательного включения выбирается из условия минимального падения напряжения в сопротивлении обмотки этого реле, которое допускается не более 5-10% нормального напряжения источника оперативного тока.

Промежуточные реле должны надежно действовать не только при нормальном напряжении, но и при возможном в условиях эксплуатации его понижении до 0,8 U_НОМ – реле постоянного тока и до 0,85 U_НОМ – реле переменного тока.

Промежуточные реле, работающие без замедления, как правило, выполняются в виде конструкций с поворотным якорем (клапанного типа). Устройство промежуточного реле типа РП-23 для схем РЗ на постоянном оперативном токе показано на рис.2.13. Оно состоит из электромагнита 1 с обмоткой 2, якоря 3 с хвостовиком 4, неподвижных контактов 5, подвижной контактной системы 6, возвратной пружины 7, упора 8, регулировочной пластины 9. Все элементы реле крепятся на цоколе 10 и закрываются кожухом 11. При подаче напряжения на обмотку реле якорь 3 втягивается и хвостовиком 4 перемещает вниз подвижную контактную систему, переключающую контакты реле.

Аналогичное устройство имеет промежуточное реле типа РП-25, которое предназначено для работы на переменном оперативном токе. Для предотвращения вибрации подвижной системы это реле имеет короткозамкнутый виток на сердечнике электромагнита.

Реле рассматриваемых типов имеют по пять контактов, которые могут быть использованы в различных комбинациях. Время срабатывания этих реле составляет примерно 0,06 с. Реле постоянного тока изготовляются на напряжения 24, 48, 110 и 220 В, а переменного тока – на 100, 127 и 220 В.

Потребляемая мощность при номинальном напряжении порядка 6 Вт у реле РП-23 и не более 10 В•А у реле РП-25.

В последние годы ЧЭАЗ взамен упомянутых выше реле выпускает реле типов РП16-1 (для постоянного тока) и РП16-7 (для переменного тока), имеющие по четыре замыкающих и по два размыкающих контакта.

Промежуточные двух- и трехобмоточные реле применяются, когда требуется действие реле от тока и удерживание от напряжения (типа РП-232, одна токовая рабочая обмотка) и действие от напряжения и удерживание от тока (типа РП-233, две токовые удерживающие обмотки).

Взамен этих реле ЧЭАЗ выпускает многообмоточные реле типов РП-16-2 – РП16-4 и РП17-1 – РП17-5, отличающиеся наличием или отсутствием и числом удерживающих обмоток, а также числом замыкающих и размыкающих контактов.

Для РЗ, работающих на переменном оперативном токе, промышленность выпускает промежуточные реле тока типов РП-321 и РП-341, предназначенные для включения их обмоток во вторичные цепи ТТ, с мощными контактами, рассчитанными на переключение больших переменных токов (100—150 А). Устройство реле типа РП-341 показано на рис.2.14.

К числу быстродействующих реле, время действия которых составляет 0,01 с, относятся реле типов РП-210 – РП-215, кодовые реле КДР-1 и реле МКУ. Еще большее быстродействие обеспечивают реле с герметизированными контактами (герконами).

Промежуточные реле постоянного тока замедленного действия. В схемах РЗ применяются промежуточные реле, замыкающие свои контакты при срабатывании или размыкающие их при возврате с некоторым замедлением. Замедление срабатывания реле при притягивании якоря достигается замедлением нарастания тока Iр в обмотке реле, а следовательно, и создаваемого током Iр магнитного потока Фр. Для этого на магнитопроводе 3 (рис.2.15) устанавливается дополнительный короткозамкнутый контур 2, выполняемый в виде медных шайб или медной цилиндрической гильзы, а в некоторых конструкциях в виде обмотки.

При включении обмотки 1 на напряжение Uр магнитный поток Ф₁ в магнитопроводе реле устанавливается не сразу. В момент включения в обмотке 2 возникает ток I₂, создающий магнитный поток Ф₂ , который противодействует нарастанию тока в обмотке 1. В результате этого скорость нарастания тока в обмотке реле уменьшается (рис.2.16).

В эксплуатации распространены реле типа РП-251, замедление которых на срабатывание составляет 0,07-0,11 с.

Замедленное отпадание якоря при возврате реле также получается с помощью гильзы или короткозамкнутой обмотки 2 (рис.2.15).

В момент отключения тока в обмотке 1 магнитный поток Ф₁ начинает затухать (рис.2.17). При этом в обмотке 2 возникает ток, создающий магнитный поток Ф₂, который противодействует исчезновению потока Ф₁ (Фр = Ф₁ + Ф₂). Ток I₂, а вместе с ним потоки Ф₂ и Ф_P постепенно затухают.

Замедление с помощью контура RC. Замедление при размыкании цепи обмотки промежуточного реле может достигаться при помощи схем, состоящих из резистора R и конденсатора С, включенных как показано на рис.2.18, а. Конденсатор С разряжается на обмотку KL при размыкании цепи его обмотки контактами К.1. Под действием тока разряда возврат реле KL замедляется до момента, когда Iразр снизится до I_BЗ KL. Резистор R ограничивает ток через конденсатор в момент включения реле KL.

В схеме на рис.2.18, б действие реле замедляется как при замыкании, так и при размыкании цепи обмотки реле KL. В момент замыкания контактов К.1 происходит заряд конденсатора С. В нем появляется ток I_C, создающий повышенное падение напряжения на сопротивлении R. Вследствие этого напряжение на зажимах обмотки реле KL уменьшается. По окончании заряда конденсатора прохождение тока I_C прекращается, и на обмотке KL устанавливается нормальное напряжение. При размыкании контактов К.1 конденсатор C разряжается на обмотку реле KL, удерживая реле в сработанном состоянии до тех пор, пока ток в обмотке не снизится до значения Iвоз. Чем больше емкость С, тем больше замедляется действие реле.

Выпускаются промежуточные реле, замедленные на срабатывание до 0,25 с (РП18-1) и на возврат до 2 с (РП18-2 – РП18-5), в которых замедление обеспечивается с помощью специальных полупроводниковых схем, к выходу которых подключаются обмотки промежуточных реле.

Реле с магнитоуправляемыми контактами. В промежуточных реле с магнитоуправляемыми (герметизированными) контактами, сокращенно называемых герконами, контактная система реле выполняет функции подвижного якоря, контактов, производящих коммутации в управляемой цепи, и противодействующей пружины. Обмотка 1 реле (рис.2.19) не имеет стального магнитопровода. Магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой, замыкается в основном по воздуху. Внутри обмотки – в ее магнитном поле – располагаются магнитоуправляемые контакты 2, выполненные из ферромагнитного материала в виде гибких пластин, обладающих хорошей магнитной проницаемостью, электропроводностью и упругостью.

Контакты заключены в герметический стеклянный корпус 3 и впаяны одним концом в его торцы. Вторые концы контактных пружин выполняют функции контактов реле, они покрыты серебром или другими материалами, применяемыми в контактных системах. Нормально контакты 2 разомкнуты. Если в обмотку реле подается ток Iр, то под действием МДС (I_Pw₁) возникает магнитный поток Ф. Ферромагнитные контакты намагничиваются и под действием электромагнитных сил F_Э = kФ² = k'I_P² притягиваются друг к другу, замыкая управляемую ими цепь. При исчезновении тока контакты размыкаются под действием механической силы, обусловленной упругостью контактных пластин. Для уменьшения искрообразования при замыкании и размыкании контактов стеклянный корпус вакуумируется или заполняется инертным газом.

Герконы имеют ряд положительных свойств: благодаря малой массе подвижной системы и силы сопротивления упругих контактов пластин потребляемая ими мощность при срабатывании мала (Sp ≈ 0,15 - 0,3 Вт); большое быстродействие (tp = 0,001 с); герметизация, контактов с полной изоляцией их от вредного воздействия окружающей воздушной среды и практическое отсутствие искрообразования существенно уменьшают износ и обеспечивают малое переходное сопротивление контактов, что повышает надежность их работы; малые размеры; отсутствие осей и подпятников, что также повышает надежность действия реле.

В РЗ применяются герконы типов РПГ-2 и РПГ-5: реле РПГ-2 имеет замыкающий контакт для коммутации цепей напряжением до 24 В и током до 0,15 А; реле РПГ-5 – один или два замыкающих контакта, которые могут коммутировать цепи напряжением 220 В и током 0,03 А.

УКАЗАТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ

Указательные реле служат для фиксации действия РЗ в целом или ее структурных частей (элементов). На рис.2.20 показано указательное реле типа РУ-21, сигнализирующее действие РЗ на отключение выключателя. При срабатывании РЗ по обмотке реле 3 проходит ток, приводящий реле в действие.

Ввиду кратковременности прохождения тока в обмотке указательных реле они выполняются так, что сигнальный флажок и контакты реле остаются в сработанном состоянии до тех пор, пока их не возвратит на место обслуживающий персонал.

Указанные реле изготовляются для последовательного (рис.2.21, а) и параллельного (рис.2.21, б) включения.

При появлении тока в обмотке 3 (рис.2.20) якорь реле 5 притягивается и освобождает флажок 9. Последний падает под действием собственной массы, принимая вертикальное положение. В этом положении флажок виден через прозрачный кожух 2. Возврат флажка в начальное положение производится кнопкой 10. Выпускаются также сигнальные реле типа ЭС, выполняющие те же функции.

РЕЛЕ ВРЕМЕНИ

Назначение и основные требования. Реле времени служит для искусственного замедления действия устройств РЗ и электроавтоматики. На схеме рис.2.22 показано применение реле времени в РЗ. При замыкании контактов токового реле КА.1 плюс источника оперативного тока подводится к обмотке реле времени КТ, которое через определенный интервал времени замыкает контакты КТ.1 в цепи катушки отключения YAT, производя отключение выключателя. Время, проходящее с момента подачи напряжения на обмотку реле времени до замыкания его контактов, называется выдержкой времени реле.

Основным требованием, предъявляемым к реле времени, применяемым в схемах РЗ, является точность. Погрешность во времени действия реле со шкалой до 3,5 с не должна превышать ± 0,06 с, а при больших выдержках времени, устанавливаемых на реле со шкалой 20-30 с, ± 0,25 с.

Реле времени на постоянном токе должно надежно срабатывать начиная с 80% номинального напряжения, а на переменном – с 85%. Выдержка времени не должна зависеть от возможных в эксплуатации колебаний оперативного напряжения. Потребление обмотки электромагнитных реле времени составляет 20-30 Вт.

Конструкция реле времени с часовым механизмом. Принцип устройства реле времени может быть пояснен на примере конструкции, изображенной на рис.2.23.

При появлении тока в обмотке 1 якорь 2 мгновенно втягивается, освобождая рычаг 4 с зубчатым сегментом 5. Под действием ведущей пружины 6 рычаг 4 приходит в движение, которое, однако, не является свободным, так как оно замедляется специальным устройством выдержки времени 7. Через некоторое время t_P, зависящее от расстояния l (или угла α) и скорости движения w_P рычага 4, последний переместится на угол α и замкнет контакты реле 8. Таким образом, реле сработает с выдержкой времени t_P = α/w_P. Устройство выдержки времени осуществляется с помощью часового механизма, основным элементом которого является анкерное устройство.

При исчезновении тока в реле якорь и рычаг 4 должны мгновенно возвратиться в начальное положение под действием возвратной пружины 3. Это обеспечивается с помощью храпового механизма или фрикционного устройства, обладающих свободным расцеплением при обратном ходе сегмента 5. Регулирование выдержки времени осуществляется изменением угла α путем перемещения контактов реле 8. В некоторых конструкциях предусматривается мгновенный контакт 9, позволяющий замыкать цепь с малой, нерегулируемой выдержкой времени (0,15-0,2 с). Катушка реле времени не рассчитывается на длительное прохождение тока. Поэтому реле,
предназначаемые для длительного включения под напряжение, выполняются с добавочным сопротивлением R_Д, включаемым последовательно с обмоткой реле, как показано на рис.2.24.

Нормально сопротивление R_Д зашунтировано размыкающимся мгновенным контактом реле КТ.1. После срабатывания реле этот контакт размыкается, и сопротивление вводится в цепь обмотки реле, ограничивая проходящий в ней ток до значения, допустимого по условиям нагрева и достаточного для удержания реле в сработанном состоянии.

Отечественные заводы выпускают реле времени постоянного тока типов РВ-110, РВ-120, РВ-130, РВ-140 и переменного тока РВ-210, РВ-220, РВ-230. На базе электронных схем ЧЭАЗ выпускает реле времени типов РВ-01 и РВ-03 (см. ниже).

ИНДУКЦИОННЫЕ РЕЛЕ

Принципы действия и выполнения индукционных систем. Работа индукционных реле основана на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижной системе реле. Основными элементами реле являются два электромагнита 1 и 2 и подвижная система 3, расположенная в магнитном поле электромагнитов (рис.2.26). Подвижная система выполняется из немагнитного электропроводящего материала в виде медного или алюминиевого диска, либо полого цилиндра (барабанчика), закрепленного на вращающейся оси 4. С осью 4 жестко связан подвижный контакт реле 5, замыкающий при повороте неподвижные контакты 6. Движению диска в сторону замыкания контактов противодействует спиральная пружина 7.

Обмотки электромагнитов 1 и 2 питаются переменными (синусоидальными) токами I₁ и I₂, которые создают переменные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂. Положительное направление токов и соответствующее им положительное направление потоков, определяемое по правилу буравчика, показаны на рис.2.26. Векторная диаграмма их изображена на рис.2.27. Пренебрегая потерями на намагничивание, потоки Ф₁ и Ф₂ показаны на диаграмме совпадающими с токами I₁ и I₂. Магнитный поток Ф₁, пронизывая подвижную систему 3, наводит в диске ЭДС , поток Ф₂ – ЭДС .Наведенные ЭДС отстают по фазе на 90° от вызывающих их магнитных потоков. Под действием ЭДС Е_Д1 и Е_Д2 в подвижной системе возникают вихревые токи I_Д1 и I_Д2, замыкающиеся вокруг оси индуктирующего их магнитного потока. Положительные направления I_Д1 и I_Д2, определенные по правилу буравчика по положительному направлению потоков Ф₁ и Ф₂, показаны на рис.2.27. Вследствие малой индуктивности контура вихревых токов их векторы I_Д1 и I_Д2 принимаются совпадающими по фазе с вызвавшими их ЭДС (Е_Д1 и Е_Д2).

В рассматриваемой конструкции возникают две силы: F_Эl = k₁Ф₁I_Д2 – обусловленная взаимодействием магнитного потока Ф₁ и тока I_Д2, наведенного другим потоком Ф₂, и F_Э2 = k₂Ф₂I_Д1 вызванная воздействием потока Ф₂ на ток I_Д1, наведенный потоком Ф₁.

Силы взаимодействия потока Ф₁ со «своим» током I_Д1 и Ф₂ с вихревым током I_Д2 равны нулю.

Направление сил F_Эl и F_Э2 и создаваемые ими моменты вращения М_Э1 и М_Э2 определяются их средними значениями за период, которые зависят от угла сдвига фаз между взаимодействующими потоками и токами в диске. Силы F_Эl и F_Э2 определяются по правилу «левой руки» и показаны на рис.2.26. Результирующая электромагнитная сила F_Э = F_Эl + F_Э2. Результирующий электромагнитный момент М_Э = F_Эd, где d — плечо силы F_Э относительно оси вращения. Момент М_Э приводит в движение подвижную систему 3, которая в зависимости от знака (направления) М_Э действует в сторону замыкания или размыкания контактов реле 5.

Электромагнитная сила F_Э и ее момент М_Э. Значение результирующей электромагнитной силы F_Э выражается через магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, создаваемые токами, питающими обмотки электромагнитов реле, угол сдвига фаз между ними ψ и частоту входных токов ¦:

(2.12)

Соответственно электромагнитный момент

(2.13)

где Ф₁ и Ф₂ – действующие значения магнитных потоков; k, k', k" – постоянные величины.

Анализируя выражение (2.13), можно сделать следующие выводы:

1) результирующий момент пропорционален действующим (или амплитудным) значениям магнитных потоков и зависит от сдвига фаз ψ между токами, подведенными к реле. Это означает, что индукционные реле могут служить для сравнения фаз входных токов. Реле имеет максимальный момент при ψ = 90° и не действует при ψ = 0;

2) знак момента зависит от sin ψ. Результирующая сила F_Э направлена от оси опережающего к оси отстающего магнитного потока;

3) конструкция реле должна обеспечить создание не менее двух переменных магнитных потоков (Ф₁ и Ф₂), пронизывающих подвижную систему в разных точках и сдвинутых по фазе на угол ψ ¹ 0;

4) поскольку действующие значения магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ являются постоянными величинами, то мгновенное значение моментов индукционных реле в отличие от электромагнитных не изменяется во времени. Поэтому у индукционных реле отсутствует вибрация контактов, если токи и напряжения, создающие соответствующие потоки, синусоидальны;

5) на индукционном принципе могут выполняться только реле переменного тока: реле тока, направления мощности, сопротивления и др.