Реле тока

Реле тока: принцип действия, классификация и применение в электроэнергетике

Реле тока — это коммутационный аппарат, предназначенный для автоматического срабатывания и замыкания или размыкания электрической цепи при достижении контролируемым током заданного значения (уставки). Основная функция — защита электрооборудования (электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи) от аварийных режимов, связанных с превышением тока, таких как короткие замыкания (КЗ) и перегрузки, а также для управления технологическими процессами.

Принцип действия и конструктивное исполнение

Принцип действия большинства реле тока основан на преобразовании электромагнитной силы, возникающей в катушке или соленоиде при протекании через нее тока контролируемой цепи, в механическое перемещение якоря, которое приводит к переключению контактов. В современных цифровых реле преобразование и анализ осуществляются микропроцессорными системами. Конструктивно реле тока состоит из нескольких ключевых элементов:

Первичный преобразователь (датчик тока): Обеспечивает гальваническую развязку и преобразование тока контролируемой цепи в сигнал, пригодный для обработки. В качестве преобразователей используются измерительные трансформаторы тока (ТТ), токовые шунты, датчики Холла или тороидальные трансформаторы (Rogowski coil).
Исполнительный орган (расцепитель): Электромагнитный, индукционный или электронный блок, который анализирует входной сигнал и при достижении им уставки инициирует команду.
Выходной элемент: Группа силовых или слаботочных контактов (нормально-разомкнутые/нормально-замкнутые), которые коммутируют цепи управления автоматическими выключателями, сигнализации или блокировки.
Орган уставок: Устройство для точной регулировки тока срабатывания и, часто, выдержки времени.

Классификация реле тока

Реле тока классифицируются по множеству признаков, определяющих их область применения и функциональность.

1. По принципу действия и конструкции

Электромагнитные (EMR): Простейшие и надежные устройства прямого действия. Ток, протекающий через катушку, создает магнитный поток, притягивающий якорь при превышении заданного порога. Бывают мгновенного действия и с независимой или зависимой выдержкой времени.
Индукционные: Используют принцип взаимодействия магнитных потоков в подвижном диске (аналогично счетчику электроэнергии). Обеспечивают выдержку времени, обратно зависимую от тока (характеристика типа «инверсия»), что идеально для защиты от перегрузок.
Тепловые (биметаллические): Используют изгиб биметаллической пластины при нагреве током. Обладают инерционностью, хорошо моделируют тепловые процессы в защищаемом оборудовании (например, электродвигателях).
Электронные (статические) и микропроцессорные (MPR): Ток преобразуется в аналоговый, а затем в цифровой сигнал. Логика срабатывания программируется. Обладают высокой точностью, множеством функций (запись осциллограмм, самодиагностика, связь по протоколам MODBUS, IEC 61850) и возможностью реализации сложных времятоковых характеристик.

2. По назначению и виду защит

Максимальные реле тока (МТЗ): Срабатывают при превышении тока уставки. Основной вид защиты от КЗ и перегрузок.
Минимальные реле тока: Срабатывают при снижении тока ниже уставки (защита от обрыва фаз, контроль наличия нагрузки).
Реле тока нулевой последовательности (ТЗНП): Реагируют на ток нулевой последовательности (3I0), возникающий при однофазных замыканиях на землю. Используют суммирующий трансформатор тока или три отдельных ТТ, включенных фильтром токов нулевой последовательности.
Дифференциальные реле тока: Сравнивают токи на входе и выходе защищаемого объекта (трансформатора, генератора, шин). Срабатывают при их небалансе, указывающем на повреждение внутри зоны защиты.
Реле тока обратной последовательности (ТЗОП): Реагируют на ток обратной последовательности (2I2), свидетельствующий о несимметрии сети (обрыв фазы, несимметричное КЗ). Чувствительны к повреждениям ротора генераторов.

3. По характеру выдержки времени

Мгновенные (отсечка): Срабатывают без выдержки времени (до 0.04 с).
С независимой (фиксированной) выдержкой времени.
С зависимой выдержкой времени: Время срабатывания уменьшается с ростом тока. Характеристики стандартизированы (например, IEC 60255).
С ограниченно-зависимой характеристикой: Сочетание зависимой и независимой зон.

Времятоковые характеристики (ВТХ)

ВТХ — это график зависимости времени срабатывания реле от отношения тока в контролируемой цепи к току уставки (I/Is). Стандартные характеристики согласно IEC 60255 и ГОСТ:

Тип характеристики	Обозначение	Математическое описание (приближенно)	Область применения
Стандартная инверсная	SI (Inverse)	t = k 0.14 / ((I/Is)^0.02 — 1)	Максимальная токовая защита линий и кабелей.
Очень инверсная	VI (Very Inverse)	t = k 13.5 / (I/Is — 1)	Защита линий с большим отношением Zs/Zl, кабелей, реле ускорения.
Крайне инверсная	EI (Extremely Inverse)	t = k 80 / ((I/Is)² — 1)	Защита от перегрузок трансформаторов, двигателей, предохранителей.
Длинная выдержка времени	LTI (Long Time Inverse)	t = k 120 / (I/Is — 1)	Защита от перегрузок с большой тепловой инерцией (двигатели, генераторы).
Независимая (определенное время)	DT (Definite Time)	t = const (при I > Is)	Ступени защиты, где необходима фиксированная выдержка.

где: t — время срабатывания, k — коэффициент времени (Time Multiplier Setting), I — ток в цепи, Is — токовая уставка.

Схемы подключения реле тока через трансформаторы тока

Правильное подключение ТТ к реле критически важно для корректной работы защиты. Основные схемы:

Полная звезда: ТТ во всех трех фазах, обмотки реле соединены в звезду. Позволяет реагировать на все виды междуфазных и однофазных КЗ в сетях с изолированной/компенсированной нейтралью. Наиболее чувствительная схема для ТЗНП при использовании отдельного реле в нулевом проводе.
Неполная звезда (два ТТ на две фазы): ТТ в фазах A и C. Защищает от междуфазных КЗ, но имеет пониженную чувствительность при однофазных КЗ. Экономичная схема.
Включение на разность фазных токов (треугольник): Обмотки реле включаются между выводами вторичных обмоток ТТ, соединенных в треугольник. Используется в дифференциальных защитах для компенсации сдвига фаз в трансформаторах с группой соединения Y/Δ.
Фильтр токов нулевой последовательности: Суммирование вторичных токов трех ТТ в одном реле или использование специального ТТ нулевой последовательности (тороидального, надеваемого на кабель).

Критерии выбора реле тока

При подборе реле тока для конкретной задачи необходимо учитывать следующие параметры:

Номинальный вторичный ток ТТ: Обычно 1А или 5А. Реле должно быть рассчитано на этот ток.
Диапазон уставок по току: Должен перекрывать требуемые значения тока срабатывания с учетом коэффициента возврата (обычно 0.85-0.95 для электромеханических, выше 0.95 для цифровых).
Тип времятоковой характеристики: Выбирается исходя из защищаемого объекта и необходимости селективности с выше- и нижестоящими защитами.
Диапазон уставок по времени и коэффициент k.
Напряжение питания оперативного тока: Постоянного (24, 48, 110, 220В) или переменного (110, 220В).
Количество и тип выходных контактов: Мощность, коммутационная способность, конфигурация (НО, НЗ, переключающие).
Класс точности: Для измерительных реле — 0.5, 1.0; для защитных — 5P, 10P (по ГОСТ и IEC для ТТ).
Степень защиты корпуса (IP): Для условий эксплуатации (щитовая, цех).
Наличие дополнительных функций: Сигнализация, журнал событий, RS-485 интерфейс в цифровых реле.

Селективность (избирательность) действий защит

Селективность — ключевое требование к релейной защите. Она обеспечивается двумя основными методами:

Временная селективность: Выдержки времени уставок увеличиваются по мере удаления от источника питания. Недостаток — увеличение времени отключения КЗ вблизи источника.
Токовая селективность: Уставки по току увеличиваются по направлению к источнику питания. Часто комбинируется с временной.
Современный подход в цифровых реле: Использование логической селективности (обмен сигналами между устройствами), дифференциальных или дистанционных принципов.

Области применения

Защита электродвигателей: Максимальные реле (от КЗ) и тепловые/электронные с зависимой характеристикой (от перегрузки, заклинивания ротора).
Защита силовых трансформаторов: Максимальная токовая защита на сторонах ВН и НН, дифференциальная защита как основная, газовая защита (Бухгольца).
Защита воздушных и кабельных линий: МТЗ с независимой или зависимой выдержкой, часто в комбинации с токовой отсечкой.
Защита генераторов: Дифференциальная защита статора, МТЗ от внешних КЗ, ТЗНП, ТЗОП.
Системы автоматического ввода резерва (АВР): Минимальные реле тока используются для контроля наличия напряжения на основной вводе по факту протекания нагрузки.

Тенденции развития: переход на микропроцессорные терминалы

Классические электромеханические реле активно вытесняются многофункциональными микропроцессорными устройствами (терминалами). Одно такое устройство заменяет десяток отдельных реле, реализуя комплекс защит (МТЗ, ТЗНП, ТЗОП, дистанционная), логику, контроль, измерение параметров сети и передачу данных в АСУ ТП. Это повышает надежность, упрощает наладку и обслуживание, позволяет проводить детальный анализ аварийных событий.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается реле тока от автоматического выключателя?

Автоматический выключатель — это комплексное устройство, совмещающее в одном корпусе силовой контактный аппарат, механизм расцепления и встроенные расцепители (тепловой и электромагнитный). Реле тока — это, как правило, измерительный орган, который выдает команду на отключение отдельного силового аппарата (выключателя, контактора). Реле обеспечивает более гибкие и точные настройки, особенно в мощных цепях.

Как выбрать уставку тока срабатывания для защиты двигателя?

Уставка защиты от перегрузки (с зависимой характеристикой) выбирается чуть выше номинального тока двигателя (Iн) с учетом коэффициента возврата: Iуст = (1.1 – 1.2) Iн / Квозвр. Уставка мгновенной отсечки от КЗ выбирается выше пускового тока (может достигать 5-12 Iн): Iотс = (1.8 – 2.5) Iпуск. Необходимо согласование с времятоковой характеристикой двигателя и характеристикой вышестоящего аппарата.

Что такое коэффициент возврата реле и почему он важен?

Коэффициент возврата (Кв) — это отношение тока отпускания реле к току срабатывания (Кв = Iотп / Iср). Для электромеханических реле он всегда меньше 1 (0.85-0.95). Низкий Кв может привести к неотпусканию реле после исчезновения перегрузки, если ток нагрузки остался высоким. Цифровые реле имеют Кв, близкий к 1, что повышает чувствительность и стабильность работы.

Почему при испытаниях реле, подключенного через ТТ, важно учитывать нагрузку вторичной цепи?

Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию. Если полное сопротивление вторичной цепи (проводов, реле) превышает номинальную нагрузку ТТ (в ВА), его погрешность выходит за пределы класса точности. Это может привести как к ложному срабатыванию защиты (при завышении тока), так и к ее отказу при КЗ. Расчет сечения контрольного кабеля по допустимой потере напряжения — обязательная процедура.

В чем разница между реле максимального тока и предохранителем?

Предохранитель — это аппарат однократного действия с нерегулируемой характеристикой. Он совмещает функции измерения и отключения. Реле — устройство многократного действия с регулируемыми уставками по току и времени. После срабатывания реле требуется лишь вернуть в исходное состояние его контакты или подать питание, без замены каких-либо элементов. Реле обеспечивает большую гибкость и селективность в сложных сетях.

Как реализуется защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ?

В сетях с изолированной или компенсированной нейтралью для этого применяются реле тока нулевой последовательности (ТЗНП). Они реагируют на геометрическую сумму фазных токов (3I0), которая в нормальном режиме равна нулю и возрастает при замыкании на землю. Датчиком может служить либо три ТТ, включенные в «полную звезду» с реле в нулевом проводе, либо специальный тороидальный ТТ, охватывающий все три силовых кабеля.