Токовое реле — это ключевой элемент большинства защитных устройств в электротехнике, таких как автоматические выключатели и УЗО. Понимание его конструкции, принципа работы и разновидностей необходимо как начинающим, так и опытным специалистам. В этой статье мы подробно рассмотрим устройство этого переключающего элемента, механизм его срабатывания, области применения и основные типы.
Устройство токового реле
На изображении представлено токовое электромеханическое реле.
Проще всего разобраться в конструкции и принципе работы на примере самой распространённой разновидности — электромагнитного реле. В отличие от индукционных и электронных аналогов, его устройство позволяет наглядно увидеть процесс срабатывания.
Основу любого электромагнитного реле тока составляют следующие обязательные компоненты:
- Магнитопровод (сердечник): Состоит из двух частей (подвижной и неподвижной) и имеет постоянный или регулируемый воздушный зазор.
- Катушка на каркасе: Располагается на неподвижной части сердечника и создаёт магнитное поле при протекании тока.
- Возвратная пружина: Установлена на подвижной части и создаёт усилие, противодействующее срабатыванию реле.
Кроме этих основных узлов, в конструкцию могут входить различные вспомогательные элементы, расширяющие функциональность устройства, например, регулировочные механизмы или дополнительные контакты.
Принцип действия электромагнитного реле
На схеме показан принцип действия электромагнитного токового реле.
Срабатывание электромагнитного прибора основано на простом физическом явлении: при протекании тока через катушку возникает магнитный поток, который притягивает подвижную часть сердечника к неподвижной. Однако в этом процессе есть важные нюансы:
- Пружина на подвижной части постоянно оказывает противодействующее усилие, стремясь удержать систему в исходном положении.
- Преодолеть сопротивление пружины и вызвать срабатывание (замыкание или размыкание контактов) может только ток, достигший определённого порогового значения.
- Это пороговое значение, известное как уставка срабатывания, является основной характеристикой любого токового реле.
При нарастании тока в катушке электродвижущая сила (ЭДС) увеличивается. Когда она превышает усилие пружины, происходит срабатывание. Для возврата реле в исходное состояние ток необходимо снизить до величины, определяемой коэффициентом возврата. Этот коэффициент зависит от конструкции конкретной модели и часто регулируется путём изменения натяжения той же пружины, что позволяет гибко настраивать устройство под конкретные задачи.
Назначение и способы подключения
Иллюстрация процесса регулировки тока возврата.
Токовые реле служат исполнительными органами в составе разнообразных защитных аппаратов. Их основное назначение — контроль силы тока в цепи и инициирование отключения при возникновении аварийных режимов.
Области применения токовых реле:
- Высоковольтные линии электропередачи и сопутствующее защитное оборудование.
- Распределительные щиты промышленного и коммунального назначения, где реле могут устанавливаться как самостоятельные модули или быть встроенными в другие устройства.
- Бытовые электрические сети (однофазные вводы и линии), где они являются частью автоматических выключателей в щитках.
Трехфазный асинхронный двигатель — типичный объект защиты с помощью токовых реле.
Схемы подключения реле выбираются в зависимости от типа защищаемого оборудования:
- Трёхфазные асинхронные электродвигатели.
- Потребители, работающие в трёхфазных сетях 380 В.
- Нагрузки в однофазных цепях 220 В.
В схемах защиты электродвигателей реле тока часто выступают в роли электромагнитных расцепителей, мгновенно отключающих питание при коротком замыкании. В трёхфазных сетях они могут выполнять более комплексные функции, например, контролировать перекос фаз. Такие реле являются составной частью мощных контакторов и магнитных пускателей.
В бытовых и промышленных автоматических выключателях (АВ) и устройствах защитного отключения (УЗО) реле тока выполняют роль чувствительных датчиков. Они могут быть настроены на срабатывание при различных аварийных режимах: перегрузке по току, коротком замыкании или появлении тока утечки. Реле, реагирующие на превышение тока сверх нормы, традиционно называются реле максимального тока.
Для защиты электродвигателей от перегрузок, в дополнение к мгновенным реле, часто используются тепловые реле с биметаллическими пластинами. Они обеспечивают выдержку времени, что позволяет двигателю безопасно пройти через пусковые токи, которые в несколько раз превышают номинальные, без ложного срабатывания защиты.
Классификация и виды токовых реле
Пример релейной схемы для защиты электродвигателя.
Все существующие модели токовых реле можно классифицировать по нескольким ключевым признакам:
- По способу подключения к контролируемой цепи.
- По прямому функциональному назначению.
- По конструктивному исполнению и типу монтажа.
По способу подключения реле делятся на устройства непосредственного включения (в разрыв цепи) и косвенного включения (через измерительные трансформаторы тока). По исполнению они бывают встроенными в корпус другого аппарата или выполненными в виде самостоятельного модуля для установки на DIN-рейку.
По назначению выделяют реле для:
- Защиты от однофазных и междуфазных коротких замыканий.
- Ограничения токов обратной последовательности (при перекосе фаз).
- Реализации дифференциальной защиты (сравнения токов).
- Дистанционного управления как независимые логические модули.
Реле непосредственного и косвенного включения
Схема, демонстрирующая защиту от перегрузки.
Реле непосредственного включения рассчитаны на работу в цепях напряжением до 1000 В и с ограниченными токами. Если контролируемый ток слишком велик, прямое включение недопустимо из-за риска повреждения реле. В таких случаях применяются трансформаторы тока (ТТ), которые пропорционально снижают величину тока до безопасного для реле уровня. В трёхфазных цепях реле, как правило, устанавливается в каждую фазу последовательно с нагрузкой.
Важно помнить, что при косвенном включении через ТТ вторичная цепь трансформатора никогда не должна размыкаться под нагрузкой. Это может привести к выходу ТТ из строя и созданию опасности для персонала. Поэтому перед демонтажем реле во вторичную цепь обязательно устанавливается перемычка, либо вся система полностью обесточивается.
Дифференциальная защита и токоограничение
Принцип работы токовой отсечки.
Классическим примером применения токовых реле являются УЗО и автоматические выключатели. В УЗО они работают по принципу дифференциальной защиты, сравнивая токи на входе и выходе и срабатывая при малейшей разнице (утечке). В автоматических выключателях реле реализуют функцию токового ограничения (отсечки), защищая проводку и оборудование от разрушительного воздействия токов перегрузки и короткого замыкания.
Современные интеллектуальные реле
Современный рынок предлагает «умные» реле тока и напряжения, оснащённые микропроцессорами. Эти устройства обладают расширенным функционалом: встроенным дисплеем для индикации текущих значений тока и напряжения, возможностью программирования уставок, самодиагностикой и коммуникационными интерфейсами для интеграции в системы автоматизации. Такие опции значительно повышают удобство настройки и эксплуатации.
Достоинства и недостатки токовых реле сильно зависят от их конкретного типа, конструкции и схемы применения. Правильный выбор и настройка реле — залог надёжной и безопасной работы любой электроустановки.
