Классификация максимальных реле тока.
Максимальная токовая защита и токовая отсечка могут выполняться как с помощью отдельных реле, монтируемых в релейных шкафах, на панелях и щитах, так и в виде комплектных устройств. Измерительная часть этих защит выполняется в виде максимальных реле тока.
Максимальные реле тока делятся на первичные и вторичные (рис. 1). Первичные максимальные реле тока применяются в электроустановках напряжением, главным образом, до 1 кВ и являются составной частью автоматических воздушных выключателей этих классов напряжения [9].
К вторичным реле тока относятся как реле прямого действия (типов РТМ и РТВ), которые встраиваются в пружинные или грузовые приводы выключателей напряжением в основном 6 и 10 кВ, так и реле косвенного действия: электромагнитные серий РТ-40, РТ-140, индукционные серий РТ-80, РТ-90, новые полупроводниковые реле серий РСТ-11, РСТ-13, выполненные на современной микроэлектронной элементной базе. Ниже приводятся краткие сведения и основные характеристики этих реле.
Реле РТМ.
Максимальное реле тока мгновенного действия РТМ является электромагнитным реле прямого действия. Основными его деталями являются катушка с сердечником (электромагнит). При появлении в катушке (обмотке) сверхтока, превышающего ток срабатывания реле, под действием магнитного поля катушки сердечник перемещается, втягивается в катушку, ударяет в планку привода выключателя и освобождает при этом запирающий механизм выключателя [10]. Реле РТМ поставляются вместе с приводом выключателя. Наиболее распространенными являются приводы типа ПП-67 (ранее выпускались типа ПП-61) и привод, встроенный в выключатель типа ВМПП-10.
Реле РТМ может использоваться для выполнения однорелейной или двухрелейной токовой отсечки на трансформаторах и блоках линия — трансформатор напряжением 6 или 10 кВ и до 35 кВ включительно (схемы включения реле приведены на рис. 10, 11). Оно может использоваться и для выполнения токовых отсечек на линиях этих классов напряжения, но при этом следует учитывать большую скорость срабатывания реле РТМ: примерно 0,02 с — при токе, более чем в 2,5— 3 раза превышающем ток срабатывания реле. За такое малое время не успевают расплавиться плавкие вставки предохранителей, которые установлены для защиты трансформаторов, подключенных к рассматриваемой линии. По этой причине при КЗ на выводах трансформатора может отключиться также и линия, защищаемая отсечкой на реле РТМ. Правда, это неселективное отключение может быть исправлено устройством АПВ, так как к времени действия РТМ добавится время отключения выключателя и полное время отключения тока КЗ составит 0,1 — 0,15 с. За такой период времени плавкие вставки предохранителей с относительно небольшим номинальным током успевают расплавиться, а гашение электрической дуги в патроне предохранителя происходит уже после отключения питающей линии в бестоковую паузу перед действием устройства АПВ линии.
Для использования реле РТМ в качестве измерительного органа токовой отсечки в этих реле предусмотрена возможность установки необходимого значения тока срабатывания (уставки). Для этого имеются обмотки (катушки) с разными числами витков и с выведенными ответвлениями (отпайками), что обеспечивает грубое ступенчатое регулирование уставок, например 10, или 15, или 20 А и т.д. Кроме того, в конструкциях современных реле РТМ имеется возможность и плавного регулирования уставок (табл. 2).
Реле РТМ часто используется в качестве электромагнита отключения выключателя — в схемах максимальной токовой защиты с дешунтиро-ванием ЭО (рис. 12). В этих случаях ток срабатывания РТМ выбирается минимальным: 5 А.
Технические данные реле РТМ привода типа ПП-67 Рижского завода "Энергоавтоматика" приведены в табл. 2.
Реле РТВ.
Максимальное реле тока с выдержкой времени типа РТВ по принципу действия аналогично реле типа РТМ, но дополнительно имеет орган выдержки времени [10]. Выдержка времени создается часовым механизмом, размещенным в корпусе реле. Реле РТВ, так же как и реле РТМ, встраивается в привод выключателя и одновременно выполняет роли реле защиты и электромагнита отключения выключателя.
Реле РТВ при определенных кратностях тока имеют обратнозави-симую от тока времятоковую характеристику, которая затем переходит в независимую часть (рис. 16). Переход в независимую часть характеристики происходит при кратности тока в реле к току его срабатывания, примерно равной 1,7 — для реле РТВ-1 — PTB-III или примерно 3 — для реле РТВ-1 V—PTB-VI. Более пологая характеристика у последних трех вариантов исполнения РТВ обеспечивает удачное согласование защиты на РТВ с защитами трансформаторов, подключенных к защищаемой линии через плавкие предохранители типа ПКТ и им подобные. Более крутые характеристики у первых трех вариантов РТВ позволяют снижать выдержки времени у защит питающих (последующих) элементов, имеющих независимую времятоковую характеристику [5, 10].
Рис. 16. Времятоковые характеристики максимальных реле тока прямого действия tp = f (Iр/Iс.р) : а и б - реле типа РТВ Рижского завода "Энергоавтоматика" (приводы типа ПП-61, ПП-67); в - реле типа РТВ ПО "Электроаппарат";
г — реле типа РТВ в приводе выключателя типа ВММ-10
Значения потребляемой от трансформаторов тока мощности у реле РТВ и РТМ изменяются в зависимости от положения сердечника (якоря) реле. В табл. 2 и 3 указаны значения потребляемой мощности для крайних положений якоря. В расчетах релейной защиты при определении погрешностей трансформаторов тока используются значения сопротивлений реле zp, которые вычисляются по известному выражению: zp = = S/I2, где I — ток, для которого указано значение потребляемой мощности, А.
Например, у реле РТМ при уставке 50 А сопротивление при втянутом якоре 345/502 = 0,138 Ом, а у реле РТВ при уставке 10 А сопротивление при втянутом якоре 113/102 =1,13 Ом.
Однако проведенные исследования показали, что расцепление механизма привода выключателя при срабатывании реле РТМ происходит несколько раньше, чем якорь полностью втянется и дойдет до упора. Поэтому в практических расчетах релейной защиты вычисленное выше наибольшее возможное сопротивление реле уменьшают на 20%. У реле РТВ имеет место снижение сопротивления при увеличении тока в обмотке реле. Например, сопротивление РТВ с током срабатывания (устав-кой) 10 А равно: примерно 0,95 Ом - при токе 20 А, 0,9 Ом — при 25 А, 0,8 Ом — при 30 А. На этом основании сопротивление реле РТВ, вычисленное по данным табл. 3 при втянутом положении якоря, в практических расчетах уменьшается также на 20%, как и у реле РТМ.
В схемах защиты, где реле РТМ и РТВ включены последовательно на одни и те же обмотки трансформаторов тока (рис. 11, а) и ток срабатывания отсечки на реле РТМ более чем в 3-4 раза превышает ток срабатывания максимальной токовой защиты на реле РТВ, в момент КЗ якоря обоих реле втягиваются практически одновременно. Поэтому в расчетах следует учитывать сумму сопротивления этих реле при втянутых якорях. В этом примере суммарное сопротивление 0,8 • 0,138 + + 0,8 • 1,13 = 1 Ом. Для уменьшения сопротивления нагрузки на трансформаторы тока может использоваться раздельное включение реле РТМ и РТВ (рис. 11,6).
Время срабатывания реле РТВ в независимой части времятоковой характеристики может выбираться от 1 до 4 с (рис. 16). Для изменения выдержки времени служит регулировочный поводок на корпусе часового механизма реле. Минимальное время работы РТВ в независимой части не менее 0,7 с.
Недостатком существующих реле РТВ является большой разброс времени срабатывания, особенно при работе реле в зависимой части времятоковой характеристики. Поэтому в расчетах релейной защиты с реле РТВ принимают большие ступени селективности: между двумя защитами с РТВ, работающими в независимой части характеристик, — около 0,7 с, в зависимой части — около 1 с. Это примерно в 3 раза выше, чем для современных электронных защит. Таким образом, использование РТВ на нескольких последовательно включенных линиях приводит к значительному увеличению времени отключения КЗ, особенно на головном участке этой сети, наиболее близком к источнику питания.
В связи с этим и некоторыми другими недостатками реле прямого действия они все реже используются во вновь вводимых электроустановках в качестве реле защиты. Однако в эксплуатации находится еще очень много этих реле.
В некоторых энергосистемах производится частичная реконструкция часового механизма реле РТВ с целью уменьшения диапазона выдержек времени и снижения минимального бремени срабатывания реле, что частично устраняет отмеченные выше недостатки этих реле. Реле РТ-40 и РТ-140.
Вторичные реле косвенного действия серии РТ-40 и РТ-140 являются электромагнитными реле, срабатывающими без выдержки времени (собственное время срабатывания 0,02—0,04 с). При прохождении по катушке (обмотке) реле тока, превышающего ток срабатывания реле, под воздействием создаваемого магнитного поля якорь реле поворачивается и замыкает замыкающий контакт. При этом размыкающий контакт реле размыкается [7].
Реле РТ-40 и РТ-140 очень широко используются в различных схемах релейной защиты.
Ток срабатывания реле (уставка по току) регулируется плавно в пределах, указанных для данного исполнения реле (табл. 4). При этом первая половина диапазона уставок выполняется при последовательном соединении обмоток реле, а вторая — при параллельном. Для переключения обмоток с одного соединения на другое имеются специальные выводы. Например, у реле РТ-40/2 можно установить токи срабатывания в пределах от 0,5 до 1 А при последовательном соединении обмоток и от 1 до 2 А — при параллельном.
Коэффициент возврата реле в расчетах принимается равным 0,8. На первой уставке шкалы значение этого коэффициента не менее 0,85,однако на практике уставки в самом начале шкалы стремятся не использовать.
Реле имеет один замыкающий и один размыкающий контакты. Коммутационная способность контактов в цепи постоянного тока — 60 Вт, в цепи переменного тока — 300 ВА при напряжении не более 250 В и токе не более 2 А.
Потребляемая мощность реле (от трансформаторов тока) при его минимальной уставке указана в табл. 4. Сопротивление реле определяется по выражению zp — S//2, где / — ток срабатывания реле при минимальной уставке шкалы, А. Например, у реле РТ-40/20 сопротивление zp = 0,5/25 = 0,02 Ом.
Реле РТ-40 и РТ-140 имеют одинаковые технические данные, поэтому в табл. 4 приведены сведения только для РТ-40. Реле типов РТ-81-РТ-86,
Все реле серии РТ-80 относятся к индукционным токовым реле (прежнее обозначение ИТ-80) и имеют ограниченно зависимые время-токовые характеристики (рис. 17). Индукционное реле состоит из электромагнитов переменного тока и алюминиевого ротора в виде диска, расположенного между полюсами электромагнита и вращающегося на оси. Конструкция реле выполнена таким образом, что при токах, равных 0,2—0,4 тока срабатывания реле (уставки), диск уже приходит во вращение. При токе, равном току срабатывания, механизм реле запускается, но поскольку диск вращается медленно, время срабатывания реле очень велико (рис. 17). Чем больше значение тока в реле по сравнению с его током срабатывания, т. е. чем больше кратность тока, тем быстрее вращается диск и быстрее срабатывает реле.
Для повышения надежности замыкания контактов в реле дополнительно установлен электромагнитный элемент, срабатывающий без выдержки времени при больших кратностях тока (более 8). Этот элемент можно настроить на срабатывание и при меньших кратностях тока.
Рис. 17. Времятоковые характеристики максимальных реле тока косвенного действия типа РТ-80 (ИТ-80)
Реле серии РТ-80 широко используются в схемах релейной защиты от КЗ линий электропередачи и понижающих трансформаторов напряжения до 35 кВ, а также электродвигателей. Реле типов РТ-83, РТ-84 и РТ-86 применяются в тех случаях, когда требуется также сигнализация (или отключение) при перегрузках.
Реле РТ-80 различаются контактными системами. Реле РТ-81, РТ-82 имеют один главный замыкающий контакт, который может быть при необходимости переделан в размыкающий. Реле РТ-83, РТ-84, РТ-86 имеют, кроме того, один замыкающий сигнальный контакт.
Реле типов РТ-85, РТ-86, предназначенные для работы в схемах защиты на переменном оперативном токе с дешунтированием электромагнитов управления коммутационными аппаратами, имеют усиленные замыкающий и размыкающий контакты с общей точкой (контакты 1 и 2 на рис. 12). В реле РТ-85 эти контакты могут действовать как с выдержкой времени, обратнозависимой от кратности тока в реле, так и мгновенно. В реле РТ-86 они могут действовать только мгновенно, а с выдержкой времени действует сигнальный контакт, не способный дешунтировать электромагнит управления.
Ток замыкания главных замыкающих контактов реле РТ-81—РТ-84 не должен быть более 5 А при напряжении 250 В постоянного и переменного тока. Ток размыкания размыкающих контактов не более 2 А при напряжении до 250 В переменного тока и не более 0,5 А при напряжении до 250 В постоянного тока.
Главные усиленные контакты реле типов РТ-85 и РТ-86 способны дешунтировать управляемую цепь при токах до 150 А при условиях, указанных в § 3 для схем с дешунтированием ЭО. Сигнальные контакты реле типов РТ-83, РТ-84, РТ-86 могут замыкать и размыкать цепь постоянного тока до 0,2 А, переменного тока до 1 А при напряжениидо 250 В.
Потребляемая мощность у всех индукционных реле серии РТ-80 около 10 В А при токе, равном току срабатывания индукционного элемента (см. далее).
Коэффициент возврата индукционного элемента не менее 0,8.
Ток срабатывания индукционного элемента устанавливается дискретно. Имеются следующие значения токов срабатывания (уставок по току):
4; 5; 6; 7; 8; 9 и 10 А - для реле РТ-81/1 - РТ-86/1 с номинальным током 10 А;
2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5 и 5 А - для реле РТ-81/2-РТ-86/2 с номинальным током 5 А.
Таким образом, число в знаменателе условного обозначения реле указывает на ту или другую шкалу уставок по току индукционного элемента реле.
Ток срабатывания электромагнитного элемента (отсечки) регулируется плавно путем изменения значения кратности тока срабатывания отсечки к току срабатывания индукционного элемента от 2 до 8. При использовании уставок токовой отсечки времятоковая характеристика реле имеет ступенчатый вид (рис. 6, в).
Время срабатывания реле в установившейся части характеристики (рис. 17) регулируется плавно от 1 до 4 с (РТ-81, 83, 85) или от 4 до 16 с (РТ-82, 84, 86). При необходимости у первой группы реле можно отрегулировать время срабатывания от 0,5 до 1 с (рис. 17).
Таким образом, индукционные реле РТ-80 имеют удачные время-токовые характеристики, достаточно мощные контакты, встроенное электромагнитное реле (отсечку) и встроенный сигнальный элемент. С помощью таких реле можно выполнить максимальную токовую защиту и токовую отсечку, а также защиту от перегрузки как на постоянном, так и на переменном оперативном токе. Но наряду с этими бесспорными достоинствами необходимо отметить и существенные недостатки, которые особенно четко проявляются в сравнении с современными электронными (полупроводниковыми) реле: наличие подвижных частей, в том числе практически непрерывно вращающегося диска, низкий коэффициент возврата, большие габариты и масса, возможность ложного срабатывания под воздействием ударных нагрузок. Однако электронный аналог реле РТ-80 еще, к сожалению, не выпускается.
Реле типов РТ-91 и РТ-95.
Реле этих типов выполнены на основе индукционных реле серии РТ-80 (см. выше) и отличаются от них значительно большей крутизной времятоковой характеристики. Практически время срабатывания реле почти не зависит от кратности тока в реле по отношению к его току срабатывания, хотя завод-изготовитель указывает, что независимая чэсть характеристики начинается примерно при 4-кратном токе.
Контактная система реле РТ-91 такая же, как у реле РТ-81. Реле РТ-95 имеет такие же усиленные контакты, как реле РТ-85, и может использоваться в схемах релейной защиты на переменном оперативном токе с дешунтированием ЭО
(рис. 12), когда требуется мало зависящая от тока выдержка времени защиты.
Потребляемая мощность этих реле не более 30 В А при токе, равном току срабатывания индукционного элемента.
Коэффициент возврата индукционного элемента - не менее 0,8. Обмотка реле на каждой уставке по току допускает длительное протекание тока, равного 110% тока уставки.
Токи срабатывания индукционного элемента устанавливаются дискретно. Значения токов срабатывания (уставки), предусмотренные для реле РТ-91/1 и РТ-95/1, такие же, как для РТ-81/1 и РТ-85/1, а для реле РТ-91/2 и РТ-95/2 - как для РТ-81/2 и РТ-85/2 (см. выше).Время срабатывания в установившейся части времятоковой характеристики может быть выбрано от 1 до 4 с. Ток срабатывания электромагнитного элемента регулируется так же, как у реле серии РТ-80.
Описание конструкции всех индукционных реле типов РТ-80 приведено в работе [7].
Реле максимального тока серий РСТ 11 и РСТ 13.
Эти токовые реле мгновенного действия по своему назначению являются электронными аналогами реле РТ-40 (см. выше). Они предназначены главным образом для работы в условиях повышенных вибрационных нагрузок.
Принцип действия реле РСТ 11, РСТ 13, выполненных на современной микроэлектронной элементной базе, основан на измерении интервала времени, в течение которого мгновенное значение тока превышает некоторую эталонную величину. Четкое срабатывание реле обеспечивается, если мгновенное значение тока будет равно или больше эталонного в течение небольшого заданного интервала времени. Это условие обеспечивается практически при любых искажениях синусоиды тока на входе реле, которые могут возникать при больших значениях токов КЗ в месте установки защиты и погрешностях трансформаторов тока, значительно больших, чем 10%. Реле серий РСТ 11 и РСТ 13 устойчиво работают при погрешностях трансформаторов тока вплоть до максимально возможных (80—90%) [8]. Это является одним из главных достоинств.
Коэффициент возврата реле РСТ 11, РСТ 13 на любой уставке не менее 0,9, что значительно выше, чем у электромеханических максимальных реле тока.
Реле РСТ имеет один замыкающий и один размыкающий контакты. Коммутационная способность контактов в цепи постоянного тока составляет 30 Вт, в цепи переменного тока 250 В • А при напряжении не более 250 В и токе не более 1 А (постоянного) и 2 А (переменного).
Пределы уставок и значения мощности, потребляемой реле от трансформаторов тока, приведены в табл. 5 только для реле серии РСТ 11. Для реле РСТ 13 они аналогичны.
Уставки (токи срабатывания реле) выставляются дискретно с помощью пяти переключателей, имеющихся на лицевой плате (рис. 18), в соответствии с формулой
где /min ~ минимальная уставка для соответствующего типа реле (габл.б); 2/V — сумма чисел, определяемая положением переключателей на лицевой плате реле (шкале уставок) . При этом в выражении (5) учитываются цифры только возле тех переключателей, которые находятся в выступающем положении, а шлиц под отвертку на их головках расположен горизонтально.
Например, для реле типа РСТ 11-24 с /mjn =5 А (табл.5) минимальное значение тока срабатывания /с р = 5 А, если ни один из переключателей не выступает и у всех шлицы на головках находятся в вертикальном положении (рис. 18, а]. Максимальное значение тока срабатывания для этого типа реле может быть установлено при переводе всех переключателей в выступающее положение, при котором шлицы на головках находятся в горизонтальном положении: /с р = 5(1 +0,1 +0,2 + + 0,4 +0,8+1,6) = 5 • 4,1 = 20,5 А (рис. 18, б) . Любое промежуточное значение тока срабатывания реле устанавливается путем различных сочетаний положений переключателей. На рис. 18, в установлен ток /с р = = 5(1 +0,2+0,8) = 10А.Количество и наименование переводимых переключателей реле типа РСТ 11 (рис. 18) может быть определено по выражению, полученному из формулы (5)
Например, при необходимости выставления тока срабатывания на реле РСТ 11-24 /с р = 10 А получим по выражению (5а)
Из рис. 18 видно, что для получения этой суммы необходимо перевести в горизонтальное положение переключатели, обозначенные цифрами 0,2 и 0,8. Подобным же образом выставляются уставки на многих современных реле, выполненных на микроэлектронной элементной базе.
Сопротивление реле вычисляется по значениям потребляемой мощности от трансформаторов тока, указанным в табл. 5, при минимальной уставке реле. Например, для реле типа РСТ 11-24 сопротивление zp = 0,2/52 = 0,008 Ом. Это значительно меньше, чем у соответствующих реле серии РТ-40.
Рис. 18, Положения переключателей на лицевой плате максимального реле тока типа РСТ 13 (РСТ 11), соответствующие минимальному (а), максимальному (б) и одному из промежуточных значений (в) тока срабатывания реле.
Реле серии РСТ, как и все полупроводниковые (электронные) реле, нуждаются в источнике питания. Напряжение питания реле РСТ 13 — постоянное 220 В, реле РСТ 11 — переменное 220 В, которое в реле преобразуется в постоянное. Из-за встроенных в каждое реле преобразователей они потребляют значительную мощность от источников оперативного тока (каждое — около 7 Вт). Вследствие этого недостатка реле РСТ более перспективным является выполнение комплектных устройств защиты, в которых имеется один общий источник питания.