9.5. Тепловые реле

а) Принцип действия. Долговечность энергетического оборудования в значительной степени зависит от перегру­зок, которым оно подвергается во время работы. Для лю­бого объекта можно найти зависимость допустимой дли­тельности протекания тока от его значения, при котором обеспечивается надежная и длительная его эксплуатация (кривая 1 на рис. 9.13). При номинальном токе допусти­мая длительность его протекания стремится к бесконечно­сти. Протекание тока, превышающего номинальный, при­водит к дополнительному повышению температуры и до­полнительному старению изоляции. Поэтому чем больше ток перегрузки, тем меньше должна быть ее длительность. Кривая 1 на рис. 9.13 устанавливается исходя из необхо­димого срока службы оборудования. Чем меньше срок службы, тем большие перегрузки допустимы.

Для защиты энергетического оборудования от токовых пере­грузок широко распространены тепловые реле с биметаллическим элементом.

Очевидно, что в идеальном случае зависимость t_cp(I) для ре­ле защиты должна идти чуть ни­же кривой 1 на рис. 9.13.

Биметаллический элемент состоит из двух пластин с различным коэффициентом линейного расширения а. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены за счет проката в горячем состоянии, либо сваркой. Если такой элемент закрепить неподвиж­но и нагреть, то произойдет его изгиб в сторону материала с меньшим а. Максимальный прогиб элемента [3.1]

x_max = (α₁ – α₂) (9.10)

где α₁ — температурный коэффициент расширения термо активного материала (с большим значением а); α₂— тем­пературный коэффициент расширения термореактивного материала (с меньшим значением а); δ— суммарная тол щина биметаллического элемента; l — его длина; τ — пре­вышение температуры биметаллического элемента относи­тельно окружающей среды.

Незакрепленный конец элемента развивает усилие P = (α₁ – α₂) Eτ (9.11)

где b — ширина элемента; Е = (Е₁+Е₂)/2 — средний мо­дуль упругости материала элемента.

Из (9.10) и (9.11) видно, что значение прогиба и уси­лия тем больше, чем больше разность α₁ – α₂.

Широкое распространение в тепловых реле получили такие материалы, как инвар (малое значение а) и хромо-никелевая сталь (большое значение а).

Для получения большего прогиба необходим элемент большой длины и малой толщины. В то же время при необ­ходимости получения большого усилия целесообразно иметь широкий элемент с малой длиной и большой толщиной.

При работе в компонентах биметаллической пластины возникают напряжения сжатия и растяжения, которые не должны превышать допустимых значений.

Нагрев биметаллического элемента может производить­ся за счет тепла, выделяемого током нагрузки в самой пла­стине или в специальном нагревателе. Лучшие характе­ристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет проходящего через нее то­ка, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревате­лем, обтекаемым тем же током нагрузки.

Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). До начала перегрузки через биметаллическую пластину протекает ток I₀, который нагревает ее до температуры Θ₀. Зависимость времени срабатывания от тока для этого случая имеет вид

t_ср = T ln (9.12)

где Т — постоянная времени нагрева реле; I₀ —ток предварительной нагрузки, протекающий через элемент; — ток, при котором реле срабатывает за время t>T; I - ток, при котором реле срабатывает за время t_ср

Выразив токи в относительных единицах: х = I/I_ном; x_cр = /I_ном; ε==I0/Iном, получим

t_ср = T ln (9.13)

Если реле включается в холодном состоянии (ε=0), то

t_ср = T ln (9.14)

На рис. 9.14 изображены зависимости t_ср = f(x) для слу­чая ε = 0 (кривая 1) и ε 0 (кривая 2).

При КЗ нагрев биметаллического элемента идет без отдачи тепла и время срабатывания

Из-за инерционности теплового процесса тепловые реле, имеющие такой биметаллический элемент, непригодны для защиты цепей от КЗ. Нагревательные элементы в данном случае могут перегореть до срабатывания реле. Поэтому защита с помощью таких реле должна быть дополнена электро­магнитными реле, предохраните­лями или автоматическими вы­ключателями.

Для оценки эффективности защиты строятся времятоковые характеристики защищаемого объекта и биметаллического элемента теплового реле. Для построения этих характеристик, называемых защитными, используются пacпopтные или расчетные данные. Ток Iср реле составляет (1,2 1,3) Iном. Защитные характеристики биметаллического элемента строятся для ε = 0 и ε=1. При правильном им боре реле времятоковая характеристика при ε = 0 должны проходить вблизи и ниже характеристики защищаемого объекта. Тогда при предварительном подогреве номинальным током реле обеспечивает надежную защиту. На рис. 9.13 представлены времятоковые характеристики двигателя (кривая 1) и двух тепловых реле с различными токами срабатывания. У одного реле (кривая 2) ток срабатывании равен номинальному току двигателя, у другого на 20 % больше (кривая 3). Лучшее согласование характеристик реле и двигателя во втором случае.

Необходимо отметить, что постоянная времени нагрева защищаемого объекта (например, двигателя) зависит oт длительности перегрузки. При кратковременных перегрузках в нагреве участвует только обмотка двигателя и постоянная времени невелика (5—10 мин) ввиду относительно малой массы обмотки. При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса двигателя. Постоянная времени нагрева для мощных двигателей — 40—60 мин. Для совершенной защиты необходимо, чтобы постоянная времени на­грева реле была такой же, как и у защищаемого объек­та. Это удается в том случае, если реле разрабатывается для защиты конкретного двигателя. На практике разработка теплового реле для каждого типа двигателя нецелесооб­разна и одно и то же реле используется для защиты двига­телей различной конструкции. При этом обеспечить надеж­ную защиту во всем диапазоне перегрузок не удается.

Для быстродействующей защиты объекта и реле целе­сообразно биметаллический элемент объединять с элект­ромагнитным, имеющим большой ток срабатывания при малом времени срабатывания.

Номинальный ток реле выбирается равным номиналь­ному току защищаемого объекта. Срабатывание реле про­исходит при (1,2-1,3) Iном. Время срабатывания 20 мин.

Температура биметаллического элемента зависит от тем­пературы окружающей среды, с ростом которой ток сра­батывания реле уменьшается. Для номинальной темпера­туры Θ_ном окружающей среды (обычно 40 °С) на основа­нии (2.16) можно записать

I² _ср.ном = а (Θ_ср — Θ_ном) (9.15)

где I_ср.ном — ток срабатывания реле при номинальной тем­пературе θ_ном; а—конструктивный параметр, зависящий от размеров, материала и коэффициента теплоотдачи биметаллического элемента; Θ_ср — температура биметаллического элемента, при которой срабатывает реле.

При температуре, отличной от номинальной,

I²_ср = а(Θ_ср - Θ) (9.16)

Воспользовавшись (9.15) и (9.16), можно получить

I_cр = I_ср,ном (9.17)

При температуре окружающей среды в, сильно отли­чающейся от номинальной, необходимы либо дополнитель­ная (плавная) регулировка реле, либо подбор нагреватель­ного элемента с учетом этой температуры. Для того чтобы и'мпература окружающей среды меньше влияла на ток сра­батывания, значение Θ_СР необходимо выбирать возможно большим. Тепловые реле желательно располагать в одном помещении с защищаемым объектом. Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла — на­чинательных печей, систем отопления и т.д. Эти ограниче­ния не относятся к реле с температурной компенсацией.

б) Конструкция тепловых реле. Любые тепловые воздействия инер­ционны по своей природе, и прогиб биметаллической пластины проис­ходит медленно. Если с пластиной непосредственно связать подвижный Контакт, то малая скорость его движения не обеспечивает гашение дуги при отключении цепи. Поэтому воздействие пластины на контакт пере­дастся, как правило, через ускоряющие устройства, наиболее совершен­ным из которых является «прыгающий» контакт (рис. 9.15). В холодном состоянии биметаллическая пластина 3 занимает крайнее левое поло­жение. Пружина 1 создает силу Р, которая замыкает контакты 2. При нагреве пластины 3 она изгибается вправо (по стрелке). В момент, когда пластина 3 направлена на центр 0, пружина 1 развивает макси­мальную силу. При дальнейшем нагреве пружина 1 быстро переходит и крайнее правое положение и контакты 2 размыкаются с большой ско­ростью, обеспечивая надежное гашение дуги.

Современные контакторы и магнитные пускатели комплектуются с однофазными (ТРП) или двухфазными (ТРИ) тепловыми реле. Реле типа ТРП (рис. 9.16) имеет комбинированную систему нагрева. Биме­таллическая пластина / нагревается как за счет прохождения через нее тока, так и за счет нагревателя 5. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 3. Реле до­пускает плавную ручную регулировку тока срабатывания в пределах ±25 % номинального тока уставки. Эта регулировка осуществляется ручкой 2, меняющей первоначальную деформацию биметаллической пла­стины. Возврат реле в исходное положение после срабатывания произ­водится кнопкой 4. Возможно исполнение и с самовозвратом после ос­тывания биметалла. Высокая температура срабатывания (выше 200 °С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей сре­ды. Уставка меняется на 5 % при изменении температуры окружающей среды на 10 °С. Реле обладает высокой ударо- и вибростойкостью.