Тепловые реле. Реле времени

Для защиты энергетического оборудования от токовых перегрузок используются тепловые реле с биметаллическим элементом.

На рис. 10.1 показаны принцип работы и устройство теплового реле.

В обесточенном состоянии плоская пружина 2 (рис. 10.1, а) создает необходимое контактное нажатие . При нагреве биметаллическая пластина 1 прогибается вниз. Как только конец биметаллического элемента опустится ниже прямой АВ, произойдет размыкание контактов. Биметаллическая пластина 1 нагревается как за счет нагревателя, так и за счет прохождения тока через саму пластину.

Рис. 10.1. Принцип работы (а) и устройство теплового реле (б)

Любые тепловые воздействия инерционны по своей природе, и прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно cвязать подвижный контакт, то малая скорость eгo движения не обеспечивает гашение дуги при отключении цепи. Воздействие пластины на контакт перeдаётcя, как правилo, через ускоряющие устройства, наиболее совершенным из которых является «прыгающий» контакт (рис. 10.2).

В холодном состоянии биметаллическая пластина 3 занимает крайнее левое положение. Пружина 1 создает силу Р, которая замыкает контакты 2. При нагреве пластины 3 она изгибается вправо (по стрелке А). В момент, когда пластина 3 направлена на центр О, пружина 1 развивает максимальную силу. При дальнейшем нагреве пружина 1 быстро переходит в крайнее пpaвоe положение и контакты 2 размыкаются с большой скоростью, обеспечивая надёжное гашение дуги.

Рис. 10.2. Прыгающий контакт теплового реле

Современные контакторы и магнитные пускатели комплектуются с однофазными (серии ТРП) или двухфазными (серии ТРН) тепловыми реле. Реле серии ТРП (рис. 10.1, б) имеет комбинированную систему нагрева.

Биметаллическая пластина 1 нагревается как за счёт прохождения через неё тока, так и за счет нагревателя 5. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 2, который размыкает контакты 3-4. Реле допускает плавную ручную регулировку тока срабатывания в пределах от номинального тока уставки. Эта регулировка осуществляется ручкой 6, меняющей первоначальную деформацию биметаллической пластины. Возврат реле в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 7. Высокая температура срабатывания (выше 200 ) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды.

Уставка меняется на 5% при изменении температуры окружающей среды на . Реле обладает высокой ударо- и вибростойкостью.

В тепловых реле используется непосредственный способ нагрева биметаллической пластины 1 и 2 протекающим по ней током косвенный посредством нагревателя 3 (рис. 10.3, б) и комбинированный.

Основной характеристикой реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). До начала перегрузки через биметаллическую пластину протекал ток , который нагревает ее до температуры θ₀ . Зависимость времени срабатывания от тока для такого случая имеет вид:

. (10.1)

где постоянная времени нагрева реле;

ток, при котором реле срабатывает за время

ток предварительной нагрузки, протекающий через элемент;

ток, при котором реле срабатывает за время t>>T.

б

а

Рис. 10.3. Биметаллическая пластина и способы ее нагрева

Выразив токи в относительных единицах:

; (10.2)

; (10.3)

, (10.4)

получим

при . (10.5)

Если реле включается в холодном состоянии, то

при . (10.6)

На рис. 10.4 показаны зависимости при (кривая 1) и (кривая 2).

Рис. 10.4. Характеристика теплового реле:

1 – при ; 2 – при

При коротком замыкании нагрев биметаллического элемента идёт без отдачи тепла и время срабатывания:

(10.7)

Из-за инерционности теплового процесса тепловые реле с таким биметаллическим элементом непригодны для защиты цепей от КЗ.

Для оценки эффективности защиты строятся времятоковые характеристики защищаемого объекта и биметаллического элемента теплового реле. Для построения этих так называемых защитных характеристик используют паспортные или расчётные данные. Защитные характеристики биметаллического элемента строятся для и .

При правильном выборе реле времятоковая характеристика при должна проходить вблизи и ниже характеристики защищаемого объекта.

Для быстродействующей защиты объекта в реле целесообразно биметаллический элемент объединять с электромагнитным, имеющим большой ток срабатывания при малом времени срабатывания.

Номинальный ток реле выбирается равным номинальному току защищаемого объекта. Срабатывание реле происходит при (1,2 – 1,3)I_ном при времени срабатывания около 20 мин.

Для номинальной температуры окружающей среды (обычно 40 ) можно записать:

, (10.8)

где ток срабатывания реле при ;

конструктивный параметр, зависящий от размеров материала и коэффициента теплоотдачи биметаллического элемента;

температура биметаллического элемента, при которой срабатывает реле.

Тогда можно получить:

(10.9)

При температуре окружающей среды , сильно отличающейся от номинальной, необходимы либо дополнительная (плавная) регулировка реле, либо подбор нагревательного элемента с учетом этой температуры.

Промышленностью выпускаются реле серий ТРТП, ТРН, РТЛ и др., в которых номинальный ток уставки регулируется в пределах . Реле не срабатывают при пуске двигателя и кратковременной перегрузке. В основном реле срабатывает в течение 20 мин при 20% перегрузке.

Чем хуже условия охлаждения теплового реле, тем ниже ток срабатывания реле. Температура окружающей среды учитывается по формуле:

. (10.10)

где коэффициент изменения номинального тока нагревателя на каждые 10⁰С разности , %, берется из паспорта реле;

номинальная температура окружающей среды.

Принимая , получим:

. (10.11)

Тепловые реле не защищают цепь от КЗ и требуют для защиты установки предохранителей или защиты с помощью электромагнитных реле или автоматов.