Система токовой защиты электроустановок

Всем хорошо известно устройство плавких предохранителей, защищающих электрические установки и линии оттоков короткого замыкания. Однако повреждение электрических установок (машин и аппаратов) может происходить и от перегрузок, т. е. от токов, которые превышают номинальное (нормальное) значение в 1,5…2 раза. Плавкие вставки могут выдерживать подобные перегрузки в течение весьма ограниченного времени (около часа). В связи с этим возможно повреждение электрической установки прежде, чем расплавится вставка и произойдет отключение электрической цепи. К тому же следует заметить, что в производственных условиях возможны частые кратковременные перегрузки. Эти перегрузки вызывают перегорание плавких вставок, а их замена требует большого расхода времени. Поэтому в настоящее время получили широкое распространение различные автоматические устройства для контроля за предельно допустимым током. Эти устройства отличаются точностью реакции на величину тока и быстротой их включения после срабатывания (отключения нагрузки), так как не требуется замены каких-либо элементов.

Среди таких устройств отметим реле максимального тока. Схема его представлена на рисунке 9.4.1.

Рис. 9.4.1.

Основными элементами электромагнитного токового реле с вращающимся якорем являются магнитопровод 1, обмотка электромагнита 2, якорь 3, противодействующая пружина 4, подвижный контакт 5, неподвижный контакт б, поводок для изменения натяжения пружины 7, и шкала 8. Когда обмотка электромагнита этого реле включается в цепь, где контролируется величина тока, на г-образный сердечник (якорь) будет действовать вращающий момент, пропорциональный току в обмотке электромагнита.

На ось этого якоря действует также и противодействующий момент, создаваемый пружиной. Если ток в обмотке электромагнита достигнет тока срабатывания, вращающий момент превзойдет противодействующий и якорь повернется на угол, достаточный для замыкания неподвижных контактов подвижными. Изменяя угол начального закручивания пружины путем перемещения поводка по шкале, можно изменять величину противодействующего момента, а следовательно, и величину тока срабатывания реле. Для обеспечения высокой чувствительности и точности срабатывания подвижная система реле максимального тока должна быть легкой, а поэтому она имеет слабые контакты, пригодные для замыкания относительно малых токов. Поэтому в большинстве случаев рассматриваемое реле замыкает цепь тока промежуточного реле, которое способно производить переключение в относительно маломощных цепях. Промежуточное реле замыкает цепь управления контактора, а контакты контактора включают или отключают мощные устройства.

Промежуточное реле обычно выполняется электромагнитным с поворотным якорем и имеет одну или несколько групп контактов. На рисунке 9.4.2 показана конструктивная схема такого реле.

Рис. 9.4.2.

П-образный электромагнит 1 имеет обмотку 2, включенную в цепь слаботочного реле, которое подает команду. При появлении тока в обмотке электромагнита подвижный якорь 3 притянется и произойдет замыкание верхних контактов 4 через пружинную пластинку 5. Нижние контакты 6 при этом разомкнутся. При исчезновении тока в обмотке электромагнита якорь реле вернется в исходное состояние под действием силы тяжести.

По назначению различают реле прямого действия, воздействующее непосредственно на механизм включения, и реле косвенного действия, управляющее вспомогательными электрическими цепями, служащими для воздействия на механизм выключателя. Примером реле непосредственного действия могут служить широко применяемые в быту автоматические пробки, которые ставят взамен плавких предохранителей. Рассмотренное выше реле максимального тока относится к реле косвенного действия.

В ряде случаев, например, большие кратковременные токи не представляют опасности для линий электропередач (контактных сетей). Опасно длительное протекание относительно большого тока, так как количество выделенного тепла пропорционально времени. Мгновенное же отключение линии лишь вызовет перебой в электропитании всех подключенных потребителей. Поэтому часто применяется защита от перегрузок не мгновенного действия, а с выдержкой времени. Длительность выдержки времени между моментом возникновения перегрузки и отключением источника питания определяется из условий безопасности электрических сетей и установок. Выдержка задается реле времени.

Реле времени РВ применяется не только в электрических цепях защиты, но и в цепях автоматического управления. По виду реле времени могут быть электромагнитными, электромеханическими, электронными, тепловыми и др.

Электромагнитное реле времени представлено на рисунке 9.4.3.

Рис. 9.4.3.

Оно состоит из сердечника /, подвижного якоря 2 с укрепленной на нем немагнитной прокладкой 3, пружины 4, рабочей катушки 5 и демпферной гильзы б, служащей для поддержания магнитного потока при отключении рабочей катушки.

При включении рабочей катушки 5 якорь реле практически мгновенно притягивается и замыкает контакты 7. Магнитный поток в сердечнике достигает максимального значения Ф^. При отключении катушки магнитный поток убывает постепенно (рис. 9.4.4), и контакты разомкнутся, когда он станет меньше Ф_тт.

Рис. 9.4.4.

Выдержка определяется временем /₃ — На величину задержки влияют толщина немагнитной прокладки и натяжение пружины.

Рис. 9.4.5.

На рисунке 9.4.5 приведена схема электромеханического реле времени.

Оно состоит из электромагнита с втяжным якорем /, реечной передачи 2, часового механизма 3, подвижного контакта 4, неподвижного контакта 5 и шкалы б.

При включении намагничивающей катушки электромагнита его якорь втягивается и через реечную передачу заводит пружину часового механизма. Начинается равномерное движение подвижного контакта. Когда подвижный контакт коснется неподвижного, произойдет замыкание цепи управления. Время выдержки между моментом цепи электромагнита и замыканием контактов можно регулировать путем перемещения неподвижного контакта по шкале. Шкала обычно градуируется в секундах.

При отключении намагничивающей катушки возвратная цилиндрическая пружина, установленная на сердечнике электромагнита, приводит всю систему в исходное состояние.

Простейшая схема токовой защиты с выдержкой времени представлена на рисунке 9.4.6.

Рис. 9.4.6.

В схеме две электрически не связанные цепи: рабочая цепь (см. рис. 9.4.6,а) и цепь управления (см. рис. 9.4.6,б). Рабочая цепь состоит из последовательно соединенных ламповой нагрузки, обмотки реле максимального тока РМТ и нормально замкнутых контактов промежуточного реле ПР,. Эти контакты включены непосредственно в цепь нагрузки, так как мощность нагрузки достаточно мала.

Цепь управления включает в себя две параллельные ветви: нижнюю — из последовательно соединенных, нормально разомкнутых контактов РМТ с намагничивающей обмоткой РВ и верхнюю — из последовательно соединенных обмотки и контактов, заблокированных нормально открытыми контактами промежуточного реле ПР₂. Следует обратить внимание на то, что элементы одного реле (обмотка и контакты) обозначаются одними и теми же буквами, что упрощает чтение схемы.

Рассмотрим сначала принцип действия этой схемы без блокировочных контактов ПР₂. Поочередно включая лампы, создадим ток в обмотке реле максимального тока, равный или больший тока срабатывания реле. Тогда замкнутся контакты РМТ в цепи управления и включится РВ, т. е. в намагничивающей обмотке РВ возникнет ток, включится часовой механизм и начнется движение подвижного контакта. Если перегрузка будет устранена (отключена одна лампа) до замыкания контактов РВ, то контакты РМТ разомкнутся, и РВ вернется в исходное состояние. Если за время выдержки перегрузка не будет устранена, то замыкание контактов РВ вызовет появление тока в намагничивающей обмотке ПР, а это приведет к размыканию нормально замкнутых контактов этого реле, стоящих в цепи нагрузки, а следовательно, к отключению нагрузки.

Исчезновение тока в цепи нагрузки вернет все реле в исходное состояние, т. е. контакты ПР, снова замкнутся, и весь процесс повторится. Лампы будут периодически гаснуть и загораться. Блокировочные контакты ПР₂ позволяют избежать самопроизвольного включения нагрузки. При наличии этих контактов обмотка ПР включается на «самопитание», т. е. замкнувшиеся контакты ПР₂ обеспечивают непрерывное существование тока в обмотке ПР, что ведет к поддержанию нормально замкнутых контактов ПР, в разомкнутом состоянии, в результате повторных самопроизвольных включений нагрузки не происходит.

После устранения причин перегрузки включение рабочей цепи осуществляется путем кратковременного снятия напряжения в цепи управления.

Если необходимо провести переключение в мощной цепи, то промежуточное реле должно воздействовать на цепь управления контактора или магнитного пускателя. Например, для отключения цепи мощного двигателя от источника питания следует нормально замкнутые контакты ПР, поставить в цепь управления магнитного пускателя последовательно с кнопкой «Пуск». В этом случае контакты промежуточного реле ПР₂ не следует использовать для блокировки контактов РВ, так как магнитный пускатель исключает самопроизвольный пуск двигателя и для его повторного пуска необходимо снова нажать кнопку «Пуск».