4. МАКСИМАЛЬНЫЕ РЕЛЕ ТОКА

Категория: М.А. Шабад "Максимальные токовые защиты"

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 t_p = f (I_р/I_с._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 z_p, которые вычисляются по известному выражению: z_p = = 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 z_p — S//², где / — ток срабатывания реле при мини­мальной уставке шкалы, А. Например, у реле РТ-40/20 сопротивление z_p = 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 /_mj_n =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 z_p = 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.