Токовое реле — ключевой элемент большинства защитных устройств в электротехнике, таких как автоматические выключатели и УЗО. Понимание его конструкции, принципа действия и областей применения важно как для начинающих, так и для опытных специалистов. В этой статье мы подробно рассмотрим, как устроено это устройство, как оно работает, и где применяется.
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 или электронных аналогов, его устройство позволяет наглядно увидеть процесс срабатывания.
Основу любого электромагнитного токового реле составляют три ключевых элемента:
- Магнитопровод (сердечник): Состоит из двух частей (подвижной и неподвижной) с постоянным или регулируемым воздушным зазором.
- 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.
Помимо этих основных узлов, в конструкцию могут входить вспомогательные элементы, расширяющие функциональность устройства, например, регулировочные механизмы или дополнительные контакты.
Принцип действия электромагнитного реле
Схематично показан принцип действия электромагнитного токового реле.
Работа устройства основана на простом электромагнитном эффекте: при протекании тока через катушку возникает магнитный поток, который притягивает подвижную часть сердечника к неподвижной. Однако в этом процессе есть важные нюансы:
- Пружина постоянно оказывает сопротивление, стремясь удержать сердечник в исходном положении.
- Преодолеть это сопротивление магнитное поле может только при достижении определённого порогового значения силы тока в катушке.
- Это пороговое значение, при котором реле срабатывает, является его основной характеристикой — уставкой срабатывания.
Таким образом, при увеличении тока магнитная сила растёт, и в момент, когда она превышает усилие пружины, происходит срабатывание — замыкание или размыкание контактов реле.
Для возврата системы в исходное состояние необходимо снизить ток ниже другого порогового значения, которое называется током возврата. Соотношение тока возврата к току срабатывания называется коэффициентом возврата. Этот параметр можно регулировать, изменяя натяжение пружины, что позволяет гибко настраивать реле под конкретные задачи.
Назначение и области применения
На иллюстрации показана регулировка тока возврата.
Токовые реле служат исполнительными органами в системах защиты электрических цепей. Их основная задача — вовремя отреагировать на опасные режимы работы и инициировать отключение оборудования.
Основные области применения:
- Высоковольтные линии электропередачи: Защита мощного оборудования от аварийных режимов.
- Распределительные щиты и шкафы управления: В качестве самостоятельных модулей или в составе автоматических выключателей и контакторов.
- Бытовые электросети: Защита домашней проводки и приборов в составе вводных и групповых автоматов, УЗО.
Трехфазный асинхронный двигатель — типичный объект защиты с помощью токовых реле.
Схемы подключения и функции
Способ подключения реле зависит от типа защищаемого оборудования:
- Защита электродвигателей: Реле, часто в паре с тепловым расцепителем, отключает двигатель при перегрузках или коротких замыканиях, игнорируя кратковременные пусковые токи.
- Трёхфазные сети (380 В): Реле контролирует каждую фазу, обеспечивая защиту от перекоса фаз, перегрузки и КЗ. Часто встраиваются в магнитные пускатели.
- Однофазные сети (220 В): Используются во вводных и групповых автоматах, а также в УЗО для защиты от сверхтоков и токов утечки.
В автоматических выключателях реле выполняют функцию расцепителей, срабатывающих при превышении заданного тока. В УЗО они работают как чувствительные элементы, реагирующие на разницу токов (утечку). Реле, срабатывающие при превышении тока, называются реле максимального тока.
Классификация и виды токовых реле
Пример релейной схемы защиты электродвигателя.
Токовые реле можно классифицировать по нескольким ключевым признакам:
- По способу подключения: Непосредственного включения и включения через трансформаторы тока.
- По назначению: Для защиты от КЗ, перегрузки, токов обратной последовательности, дифференциальной защиты.
- По исполнению: Встраиваемые в аппаратуру или модульные устройства для установки на DIN-рейку.
Непосредственное и косвенное включение
Схема защиты от перегрузки с использованием токового реле.
Реле непосредственного включения рассчитаны на прямое подключение в разрыв цепи и применяются в сетях до 1000 В с относительно небольшими токами.
Реле косвенного включения используются в цепях с большими токами. Они подключаются через трансформаторы тока (ТТ), которые пропорционально снижают измеряемую величину до безопасного для реле уровня. Важно помнить, что при демонтаже реле, включенного через ТТ, вторичную обмотку трансформатора необходимо замкнуть накоротко специальной перемычкой, чтобы избежать её повреждения и опасности для персонала.
Дифференциальная защита и токоограничение
Принцип работы токовой отсечки — одного из видов защиты.
Классический пример — работа в составе УЗО (дифференциальная защита). Здесь реле сравнивает токи в фазном и нулевом проводниках. Их разница указывает на утечку тока на землю, что является опасностью, и реле инициирует отключение.
В автоматических выключателях реле обеспечивают функцию токоограничения, мгновенно или с выдержкой времени отключая цепь при перегрузке или коротком замыкании, защищая тем самым кабели и оборудование.
Современные интеллектуальные реле
Современный рынок предлагает «умные» реле тока и напряжения. Это многофункциональные устройства, часто оснащённые цифровыми дисплеями для индикации текущих значений тока и напряжения, светодиодными индикаторами состояния и возможностью точной цифровой настройки уставок. Такие реле значительно расширяют возможности мониторинга и управления защитой цепи.
Каждый тип реле имеет свои достоинства и недостатки, которые определяются конкретной схемой включения и решаемой задачей. Правильный выбор и настройка токового реле — залог надёжной и безопасной работы любой электроустановки.