Реле аналоговые

Реле аналоговые: принцип действия, классификация и применение в электроэнергетике

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.

Принципы действия и конструктивное исполнение

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.

Электромеханические реле

Основаны на прямом воздействии электромагнитной силы на подвижный элемент.

• Реле электромагнитного типа: Состоят из катушки, магнитопровода, подвижного якоря и возвратной пружины. При достижении тока в катушке величины срабатывания, электромагнитная сила преодолевает усилие пружины, якорь притягивается и переключает контакты. Подразделяются на реле постоянного и переменного тока. Отличаются простотой, высокой надежностью и значительным коммутируемым мощностям, но имеют относительно низкую чувствительность и быстродействие.
• Реле индукционного типа: Используют вращающий момент, создаваемый взаимодействием магнитных потоков от входного сигнала в алюминиевом диске или цилиндре. Классический пример — реле тока с обратно-зависимой выдержкой времени. Магнитные потоки, сдвинутые по фазе, наводят в диске вихревые токи, создавая силу, пропорциональную входной величине (например, квадрату тока). Противодействующий момент создается спиральной пружиной. Время срабатывания обратно зависит от величины тока. Широко применялись и применяются в качестве максимальных токовых защит.
• Реле поляризованного типа: Имеют дополнительный постоянный магнит, что делает их чувствительными к полярности входного сигнала. Используются в схемах автоматики и защиты, где требуется реакция на направление мощности или тока.

Полупроводниковые (статические) аналоговые реле

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.

Основные типы аналоговых реле и их характеристики

Классификация проводится по виду контролируемого параметра и функциональному назначению.

Реле тока

Контролируют величину тока. Включают в себя:

• Максимальные токовые реле (МТЗ): Срабатывают при превышении тока уставки. Могут иметь независимую (РТ-40) или обратно-зависимую (РТ-80, РТ-90) выдержку времени.
• Реле минимального тока: Срабатывают при снижении тока ниже уставки (контроль целостности цепей, нагрузки).
• Реле токового пуска: Высокочувствительные реле, используемые в схемах дифференциальной защиты для определения наличия тока небаланса.

Реле напряжения

Контролируют величину напряжения.

• Реле максимального напряжения: Защита от перенапряжений.
• Реле минимального напряжения (РН): Отключение при недопустимом снижении напряжения, АВР.
• Реле контроля фаз: Контроль чередования, обрыва или несимметрии фаз.

Реле мощности

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.

Реле сопротивления (импедансные)

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).

Реле частоты

Контролируют частоту сети. Реле минимальной частоты (РЧ) используются для автоматической разгрузки энергосистемы и предотвращения лавины частоты.

Ключевые параметры и уставки

Настройка аналогового реле заключается в установке следующих основных параметров:

Таблица 1. Основные параметры аналоговых реле

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.

Схемы подключения и вторичные цепи

Аналоговые реле подключаются к первичным цепям через измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Правильность выбора трансформаторов и схемы подключения критична.

• Подключение токовых реле: Реле включаются во вторичную цепь ТТ последовательно (фаза-фаза или фаза-ноль). Важен учет класса точности ТТ и нагрузки его вторичной цепи (10% погрешности).
• Подключение реле напряжения: Реле подключаются ко вторичным обмоткам ТН. При контроле междуфазного напряжения используется полное напряжение, для контроля фазного — напряжение фаза-ноль.
• Подключение реле мощности: Требует правильного совмещения токовых и voltage цепей с учетом групп соединения ТТ и ТН для получения правильного угла между векторами.

Области применения и примеры типовых реле

Несмотря на активное вытеснение микропроцессорными терминалами, аналоговые реле сохраняют позиции ввиду:

• Высокой надежности и простоты обслуживания.
• Прозрачности логики действия для персонала.
• Устойчивости к тяжелым электромагнитным воздействиям (частично).
• Экономической целесообразности на объектах низкого напряжения и в простых схемах.

Типовые применения:

• Защита распределительных сетей 6-10 кВ: Максимальная токовая защита (реле РТ-40, РТ-80, РТ-90).
• Защита электродвигателей: Токовая отсечка (РТ-40, РТМ), тепловые реле (РТТ, РТЛ).
• Автоматика: Автоматический ввод резерва (АВР) на реле напряжения (РН), контроля фаз (РКФ).
• Дистанционная защита линий 35-110 кВ: Статические комплекты на реле сопротивления (КРС, КРБ).
• Защита и контроль в цепях постоянного тока: Реле контроля изоляции (РКИ), реле напряжения постоянного тока.

Сравнение с цифровыми реле защиты

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем главный недостаток электромеханических реле по сравнению со статическими?

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.

2. Почему у реле с обратно-зависимой характеристикой время срабатывания уменьшается при росте тока?

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.

3. Как проверить и отрегулировать аналоговое реле?

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).

4. Можно ли использовать аналоговые реле в современной цифровой подстанции?

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.

5. Что такое «токовая отсечка» и каким реле она реализуется?

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.

6. Как бороться с «дребезгом контактов» у электромеханических реле?

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.

Заключение

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.