Аналоговые реле (или измерительные реле) представляют собой класс устройств релейной защиты и автоматики, входной величиной которых является непрерывный (аналоговый) электрический параметр: ток, напряжение, частота, мощность, сопротивление, фазовый угол. Их основная функция заключается в непрерывном сравнении этого параметра с заданной уставкой и выдаче управляющего сигнала (замыкании или размыкании выходных контактов) при достижении или превышении порогового значения. В отличие от цифровых реле, обработка сигнала в аналоговых реле осуществляется с помощью электромеханических, индукционных, магнитных или полупроводниковых (на дискретных элементах) принципов без преобразования в цифровой код и использования микропроцессора.
Ключевое различие между типами аналоговых реле заложено в их физическом принципе преобразования входного сигнала в механическое усилие для перемещения якоря или диска, воздействующего на контактную группу.
Основаны на прямом воздействии электромагнитной силы на подвижный элемент.
Появились как развитие электромеханических. В них отсутствуют подвижные части для измерения. Входной сигнал преобразуется через измерительные трансформаторы, фильтры и сравнивается с опорным напряжением с помощью аналоговых компараторов на транзисторах и операционных усилителях. Логика формируется на дискретных элементах или простых микросхемах. Выходным элементом обычно служит электромагнитное реле (геркон) или тиристор. Их преимущества: более высокое быстродействие, меньшее собственное потребление, устойчивость к вибрациям, возможность реализации сложных характеристик. Недостатки: большая чувствительность к электромагнитным помехам и температурным дрейфам параметров элементов по сравнению с цифровыми системами.
Классификация проводится по виду контролируемого параметра и функциональному назначению.
Контролируют величину тока. Включают в себя:
Контролируют величину напряжения.
Реагируют на направление и величину активной или реактивной мощности. Чаще всего выполняются на индукционном или полупроводниковом принципе. Ключевой элемент — реле направления мощности (РМ), используемое в дистанционных и направленных токовых защитах. Его срабатывание зависит от угла между током и напряжением.
Являются основой дистанционной защиты линий электропередачи. Срабатывают при снижении сопротивления (импеданса) до заданного уровня, что соответствует приближению точки КЗ к месту установки защиты. Имеют сложные характеристики срабатывания в комплексной плоскости (круги, эллипсы, многоугольники).
Контролируют частоту сети. Реле минимальной частоты (РЧ) используются для автоматической разгрузки энергосистемы и предотвращения лавины частоты.
Настройка аналогового реле заключается в установке следующих основных параметров:
| Параметр | Описание | Пример для реле РТ-40/50 (токовое) |
|---|---|---|
| Уставка по току срабатывания (Iср) | Значение входной величины, при котором реле гарантированно срабатывает. | Диапазон регулировки, например, 5-20 А, плавно или ступенчато. |
| Уставка по времени (tср) | Выдержка времени до момента коммутации контактов. Может быть независимой или зависимой от тока. | Для реле с независимой выдержкой: 0.1 – 4 с. |
| Коэффициент возврата (Кв) | Отношение величины возврата (отпускания) к величине срабатывания. Кв = Iвозвр / Iср. Всегда меньше 1. | 0.8 – 0.9 для электромагнитных реле. |
| Мощность срабатывания (Pср) | Минимальная мощность, необходимая в измерительной цепи для надежного срабатывания. | Для РТ-40: около 0.1 ВА. |
| Класс точности | Допустимая погрешность в процентах от уставки. | Обычно 5%, 10% для электромеханических; 2.5% для статических. |
| Коммутационная способность контактов | Максимальный ток и напряжение, которые могут коммутировать выходные контакты. | Нагрузка по току: 5-10 А на цепь ~220В. |
Аналоговые реле подключаются к первичным цепям через измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Правильность выбора трансформаторов и схемы подключения критична.
Несмотря на активное вытеснение микропроцессорными терминалами, аналоговые реле сохраняют позиции ввиду:
Типовые применения:
| Критерий | Аналоговые (электромеханические/статические) реле | Цифровые (микропроцессорные) терминалы |
|---|---|---|
| Принцип действия | Физическое преобразование сигнала | АЦП + обработка алгоритмами в процессоре |
| Функциональность | Одна, реже несколько функций на одно реле | Множество функций защиты, автоматики, измерения, диагностики в одном корпусе |
| Гибкость настройки | Ограничена механизмом (уставки, одна характеристика) | Высокая, программируемые логики, множество характеристик |
| Быстродействие | От 0.02 с (статич.) до 0.1 с и более (электромех.) | Высокое (циклы АЦП + обработка), обычно < 0.05 с |
| Самодиагностика и мониторинг | Отсутствует или минимальна | Полноценная диагностика аппаратной и программной части, запись аварийных осциллограмм |
| Точность и стабильность | Зависит от температуры, износа, намагниченности | Высокая, определяется точностью АЦП и стабильностью алгоритмов |
| Коммуникации | Нет | Поддержка промышленных протоколов (IEC 61850, Modbus) |
| Габариты и монтаж | Большие шкафы с множеством отдельных реле, сложная разводка | Компактность, меньшее количество аппаратуры, упрощение монтажа |
| Надежность | Очень высокая при правильной эксплуатации, отказ чаще механический | Высокая, но отказ комплексный (блок питания, процессор) |
| Стоимость | Низкая единичная стоимость, высокая стоимость системы в целом | Высокая единичная стоимость, но низкая стоимость системы за счет интеграции |
Основной недостаток — наличие механического износа подвижных частей (оси, подшипники, контакты), что со временем приводит к изменению характеристик срабатывания (в основном, времени) и требует периодической проверки и регулировки. Также они более чувствительны к вибрациям, имеют большее собственное потребление и меньшее быстродействие.
Это обусловлено принципом действия индукционного элемента. Вращающий момент, действующий на диск, пропорционален квадрату тока (M ~ I²). Чем больше ток, тем больше вращающий момент и тем быстрее диск преодолевает путь до замыкания контактов. Это позволяет согласовывать время отключения защит на разных участках сети и приближать время отключения при близких КЗ.
Проверка проводится с помощью специализированных установок (типа РЕТОМ, УПТР). Основные этапы: внешний осмотр, проверка электрической прочности изоляции, определение тока/напряжения срабатывания и возврата, проверка выдержки времени при нескольких точках характеристики, проверка коэффициента возврата. Регулировка осуществляется механически (изменение натяжения пружины, положения упоров, воздушных зазоров магнитопровода) или электронно (в статических реле — подстроечными резисторами).
Да, но с ограничениями. Они могут выполнять локальные функции защиты на уровне ячеек, особенно там, где не требуется интеграция в общую систему управления. Однако их использование противоречит философии цифровой подстанции (МЭК 61850), так как они не имеют интеллектуального интерфейса, не поддерживают самодиагностику и не передают данные в систему. Их применение оправдано в качестве резервных защит или на объектах, где модернизация нецелесообразна.
Токовая отсечка — это максимальная токовая защита, действующая без выдержки времени (или с минимальной выдержкой) при достижении тока значения, существенно превышающего максимальный ток КЗ в конце защищаемой зоны. Она предназначена для быстрого отключения близких КЗ. Реализуется с помощью быстродействующих электромагнитных реле (например, РТ-40, РТМ) или блоков в статических комплектах, уставка которых выбирается так, чтобы не срабатывать при КЗ за пределами своей зоны.
Дребезг — многократное неконтролируемое замыкание-размыкание контактов в момент срабатывания. Методы борьбы: использование реле с специальными контактными системами (например, с ртутными контактами), применение RC-цепей (демпфирующих цепочек), параллельное подключение варистора к контактам, а также использование внешних схем на логических элементах или триггерах, которые «запоминают» первое срабатывание и игнорируют последующий дребезг.
Аналоговые реле, несмотря на технологическую эволюцию в сторону цифровизации, остаются важным элементом в арсенале специалиста по релейной защите и автоматике. Понимание их физических принципов действия, характеристик, областей применения и методов обслуживания является фундаментальным знанием. Оно позволяет грамотно эксплуатировать существующий парк оборудования, проводить его модернизацию и принимать обоснованные решения о замене на современные цифровые аналоги. В ряде приложений, где критична простота, надежность и независимость от сложной инфраструктуры, аналоговые реле продолжают оставаться технически и экономически обоснованным выбором.