Реле напряжения переменного тока

Реле напряжения переменного тока: принцип действия, классификация и применение

Реле напряжения переменного тока (РН) – это коммутационный аппарат, предназначенный для автоматического контроля уровня напряжения в электрической сети и выполнения коммутаций в силовых или управляющих цепях при достижении напряжением заданных пороговых значений (уставок). Основная функция – защита электрооборудования от повреждений, вызванных отклонениями напряжения от номинального значения, а также управление режимами работы электроустановок.

Принцип действия и базовая конструкция

Принцип действия большинства современных реле напряжения основан на непрерывном цифровом или аналоговом измерении действующего (RMS) значения напряжения контролируемой сети. Измерительный элемент (через встроенный трансформатор напряжения или делитель) передает сигнал на блок сравнения, где он сопоставляется с заданными уставками. При выходе напряжения за установленные пределы (как в сторону превышения, так и в сторону понижения) логическая схема формирует сигнал на выходное исполнительное реле после выдержки времени, заданной для исключения ложных срабатываний от кратковременных помех. Исполнительное реле, имеющее силовые или слаботочные контакты, размыкает или замыкает цепь управления контактором, пускателем или сигнальным устройством.

Конструктивно реле напряжения может быть выполнено в виде:

• Моноблочного устройства для установки на DIN-рейку: включает измерительную часть, блок управления и выходное реле в одном корпусе.
• Модуля с разъемным подключением: часто используется для защиты бытовой и офисной техники, устанавливается в розетку.
• Встроенного модуля в составе сложных устройств (АВР, УМ, стабилизаторов).
• Панельного исполнения для стационарного монтажа в щитах управления.

Классификация реле напряжения

1. По типу измеряемого напряжения и количеству фаз:

• Однофазные реле напряжения: Контролируют напряжение между фазным и нулевым проводником. Имеют уставки для минимального (Umin) и максимального (Umax) напряжения. Наиболее распространены в бытовых и коммерческих сетях 230В.
• Трехфазные реле напряжения: Контролируют напряжение по всем трем фазам отдельно. Срабатывают как при отклонении напряжения на любой из фаз, так и при нарушении симметрии или чередования фаз. Критически важны для защиты трехфазных двигателей, компрессоров, станков.

2. По принципу действия измерительной части:

• Цифровые (микропроцессорные): Современный стандарт. Измеряют RMS-значение, имеют высокую точность (погрешность 0.5-1%), программируемые уставки и задержки, интерфейсы для связи. Устойчивы к форме сигнала.
• Электромеханические (индукционные, электромагнитные): Устаревшие модели, где измерение основано на механическом моменте, создаваемом током в катушке. Имеют меньшую точность, нерегулируемые или грубо регулируемые уставки.
• Аналоговые (электронные): Используют компараторы на операционных усилителях. Более просты, чем цифровые, но уступают в функциональности.

3. По функциональному назначению:

• Реле максимального напряжения (РМН): Срабатывает при превышении уставки Umax.
• Реле минимального напряжения (РММ): Срабатывает при снижении напряжения ниже уставки Umin.
• Реле контроля напряжения (РКН) или реле напряжения комбинированного действия: Универсальные устройства, совмещающие функции РМН и РММ. Наиболее распространенный тип.
• Реле контроля фаз (РКФ): Трехфазные реле, контролирующие также обрыв нуля, перекос и чередование фаз.
• Реле времени при снижении/повышении напряжения: Имеют выдержку времени до или после срабатывания.

Основные технические характеристики и параметры настройки

При выборе и настройке реле напряжения необходимо учитывать следующий набор параметров:

Таблица 1. Ключевые технические характеристики реле напряжения

Параметр	Описание	Типичные значения/диапазоны
Номинальное рабочее напряжение (Ue)	Напряжение, при котором реле предназначено для длительной работы.	230В AC (1ф), 400В AC (3ф)
Диапазон контролируемых напряжений	Минимальный и максимальный предел напряжения, которое реле способно измерить.	От 0 до 300В (1ф), от 0 до 500В (3ф)
Уставка по минимальному напряжению (Umin)	Порог срабатывания при снижении напряжения. Регулируемый параметр.	160 — 210В (для 230В сетей)
Уставка по максимальному напряжению (Umax)	Порог срабатывания при повышении напряжения. Регулируемый параметр.	240 — 280В (для 230В сетей)
Время срабатывания при превышении уставки (tmax)	Задержка от момента фиксации превышения Umax до коммутации выхода. Защита от помех.	0.1 — 10 сек (регулируемое)
Время срабатывания при снижении ниже уставки (tmin)	Задержка от момента фиксации снижения ниже Umin до коммутации выхода.	0.1 — 20 сек (регулируемое)
Время восстановления (tвосст)	Задержка перед возвратом в исходное состояние после нормализации напряжения. Защита оборудования от частых перезапусков.	5 — 600 сек (регулируемое)
Номинальный ток контактов выходного реле	Максимальный коммутируемый ток силовых или управляющих контактов.	Для прямого управления: 6-10А AC1/AC3. Для управления катушкой контактора: 2-5А.
Собственное потребление	Мощность, потребляемая цепями измерения и управления реле.	1-5 ВА
Степень защиты (IP)	Класс защиты корпуса от пыли и влаги.	IP20 (для щитов), IP40, IP65 (для монтажа вне щита)

Схемы подключения и область применения

Типовые схемы подключения:

• Прямое управление маломощной нагрузкой: Контакты реле напряжения включены непосредственно в разрыв фазного провода нагрузки. Применяется только для нагрузок, ток которых не превышает номинальный ток контактов реле (обычно до 10-16А).
• Управление через контактор: Наиболее распространенная и правильная схема для мощных нагрузок. Выходные контакты РН коммутируют цепь питания катушки магнитного контактора (пускателя), силовые контакты которого уже управляют нагрузкой. Это позволяет коммутировать токи в сотни ампер.
• Сигнализация: Выходные контакты РН подают сигнал на систему АСУ ТП, световую или звуковую сигнализацию для оповещения персонала.

Области применения:

• Защита бытового и офисного оборудования: Холодильников, кондиционеров, котлов, компьютеров, аудио-видео техники от скачков в сети.
• Промышленная защита: Трехфазных электродвигателей, насосов, вентиляторов, станков от работы в нештатных режимах по напряжению.
• Системы автоматического ввода резерва (АВР): РКН или РКФ используются для контроля наличия и качества напряжения на основной и резервной вводных линиях.
• Защита генераторных установок: Контроль напряжения, вырабатываемого генератором, перед подключением к нагрузке или сети.
• Компенсация реактивной мощности (УКРМ): Контроль напряжения на шинах для корректного подключения ступеней конденсаторных батарей.

Выбор реле напряжения: ключевые критерии

Процедура выбора должна включать последовательную оценку следующих критериев:

1. Количество фаз сети и реле. Определяется схемой электроснабжения объекта.
2. Диапазон регулировки уставок. Должен перекрывать необходимые пороги срабатывания, установленные для защищаемого оборудования (часто указываются в паспорте оборудования).
3. Наличие и диапазон регулировки временных задержек (tmax, tmin, tвосст). Критически важно для исключения ложных отключений при пусковых токах, кратковременных просадках и т.д.
4. Коммутационная способность выходных контактов. Ток и тип нагрузки (AC1, AC3). При управлении контактором достаточно 2-5А для катушки. При прямом подключении нагрузки необходим запас по току не менее 20-30%.
5. Наличие дополнительных функций: Контроль обрыва нуля (для 1ф), контроль чередования фаз (для 3ф), цифровой интерфейс (RS-485, Modbus), встроенный вольтметр.
6. Способ монтажа и габариты. Предпочтительнее установка на DIN-рейку.
7. Климатическое исполнение и степень защиты. Для неотапливаемых щитовых или наружного монтажа требуются реле с расширенным температурным диапазоном и IP не ниже IP54.

Отличия реле напряжения от устройств близкого назначения

Важно четко разграничивать функционал реле напряжения и смежных устройств:

• Реле напряжения vs. Стабилизатор напряжения: Стабилизатор активно корректирует уровень выходного напряжения, поддерживая его в заданных пределах. Реле напряжения лишь отключает нагрузку при недопустимом отклонении, не корректируя напряжение. Реле – защитное, стабилизатор – корректирующее и защитное устройство.
• Реле напряжения vs. УЗИП (ОПН): Устройство защиты от импульсных перенапряжений (грозовых, коммутационных) предназначено для отвода высокоэнергетических кратковременных импульсов (микросекунды-миллисекунды). Реле напряжения не реагирует на такие импульсы из-за инерционности, но защищает от длительных (секунды-минуты) перенапряжений в сети.
• Реле напряжения vs. Автоматический выключатель с расцепителем напряжения: Автоматические выключатели в первую очередь защищают от токов КЗ и перегрузки. Функция расцепления по напряжению – редкая опция. Реле напряжения – специализированное, более точное и гибко настраиваемое устройство для контроля именно напряжения.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Какие уставки напряжения и времени являются оптимальными для бытовой сети 230В?

Рекомендуемые настройки для большинства бытовых приборов: Umin = 190-200В, Umax = 240-250В. Время срабатывания tmin = 5-10 сек (чтобы не отключать питание при кратковременных просадках от включения соседских сварочных аппаратов), tmax = 0.1-0.5 сек (быстрая реакция на опасное повышение). Время восстановления tвосст = 60-180 сек (для стабилизации сети и защиты компрессоров холодильников/кондиционеров от частых повторных пусков).

2. Почему трехфазное реле отключает нагрузку при «просаде» только на одной фазе?

Это правильный и необходимый режим работы. Для трехфазных двигателей работа при неравномерном или пониженном напряжении на одной из фаз приводит к перекосу токов, перегреву обмоток и выходу из строя. Поэтому большинство трехфазных РН настроены на срабатывание при отклонении на любой из фаз. Существуют режимы, допускающие независимый контроль по фазам, но для двигательной нагрузки они не применяются.

3. Можно ли использовать одно реле напряжения для защиты всей квартиры?

Да, это распространенная и правильная практика. Реле напряжения с достаточной коммутационной способностью (или управляющее контактором) устанавливается на вводном щите после вводного автомата и счетчика. Оно контролирует напряжение на вводе и при отклонениях отключает всю квартиру. Недостаток: отключается вся нагрузка, включая освещение. Альтернатива – установка отдельных реле на критически важные линии (котел, кондиционер, холодильник).

4. Что такое «реле контроля напряжения» и чем оно отличается от «реле максимального и минимального напряжения»?

Это синонимы. «Реле контроля напряжения» (РКН) – это общее название устройства, которое, как правило, включает в себя функции и максимальной, и минимальной защиты. Иногда под РКН понимают более сложные устройства с контролем других параметров сети.

5. Как правильно подключить реле напряжения в трехфазной сети для защиты однофазной нагрузки?

Для защиты группы однофазных нагрузок, распределенных по трем фазам, необходимо установить три однофазных реле напряжения, каждое на свою фазу. Подключение их выходных контактов должно быть организовано так, чтобы срабатывание любого из реле приводило к отключению всех фаз. Чаще это реализуется через общий трехполюсный контактор, катушка которого управляется последовательно соединенными нормально-замкнутыми контактами всех трех реле.

6. Почему реле напряжения может ложно срабатывать?

Основные причины: 1) Слишком короткие уставки времени срабатывания (tmin, tmax), не учитывающие реальные кратковременные колебания в сети. 2) Неправильный выбор уставок по напряжению (слишком узкий диапазон). 3) Помехи в сети от мощного индуктивного оборудования (двигатели, трансформаторы). 4) Неисправность или низкое качество самого реле. 5) В трехфазных сетях – неучтенный перекос фаз, воспринимаемый как отклонение.

7. Каков средний срок службы реле напряжения и от чего он зависит?

Средний срок службы качественных цифровых реле составляет 8-12 лет. Он определяется в первую очередь ресурсом электромеханического выходного реле (количеством циклов срабатывания), стойкостью электронных компонентов к температурным воздействиям и качеством питающей сети. Ресурс сокращают частые коммутации, работа в условиях повышенной температуры и влажности, наличие мощных импульсных помех в сети.

Заключение

Реле напряжения переменного тока является обязательным элементом современной системы защиты электроустановок. От корректности его выбора, настройки и монтажа напрямую зависит надежность и долговечность дорогостоящего электрооборудования. Современные микропроцессорные устройства предоставляют инженеру-проектировщику и электромонтажнику гибкий инструмент, позволяющий адаптировать защиту под конкретные условия сети и требования нагрузки. Понимание принципов работы, характеристик и особенностей применения реле напряжения является необходимым знанием для специалистов в области энергетики, электропривода и автоматизации.