Минимальная коммутационная способность реле

Сообщения: 301
Регистрация: 05.04.2007

Сообщения: 2126
Регистрация: 20.04.2007

. У вас там что за напряжение, что вы такие мощные резисторы ставить собираетесь? 300 вольт?

Сообщения: 182
Регистрация: 14.12.2008
Откуда: Запорожье

falcon>. У вас там что за напряжение, что вы такие мощные резисторы ставить собираетесь? 300 вольт?

Источник

Об особенностях реле управления отключающими катушками высоковольтных выключателей

Как известно, коммутационная способность контактов реле определяется (при прочих равных условиях) площадью контактной поверхности, массой контактов, контактным нажатием и межконтактным зазором. Чем большие значения имеют эти параметры, тем выше коммутационная способность контактов. Поэтому мощные контакты отличаются от маломощных прежде всего своими размерами и зазором. Для создания большого контактного нажатия и для перемещения более тяжелых контактов на большее расстояние требуется и более крупная и мощная катушка.

Об особенностях реле управления отключающими катушками высоковольтных выключателей

В. И. Гуревич, канд. техн. наук, эксперт МЭК

Таким образом, можно констатировать, что для коммутации более мощной нагрузки требуется и более крупное реле, рис. 1. В старых электромеханических реле защиты в качестве элемента, включающего отключающую катушку высоковольтного выключателя, использовалось специальное встроенное промежуточное реле, обычно с фиксацией положения после срабатывания и ручным возвратом (seal-in relay) и со встроенным флажком (target), индицирующим состояние реле. Такое реле называется “auxiliary seal-in relay with target” и имеет мощные контакты с большим зазором, специально рассчитанные на включение тока до 30А при напряжении 250В постоянного тока.

Рис. 1. Субминиатюрное реле RYS 21005, расположенное на контактах с двойным разрывом V-образной формы промежуточного реле типа RXME 1 , предназначенного для управления отключающей катушкой выключателя.

В реле защиты следующего поколения: электронных аналоговых (или статических), выполненных на микросхемах и транзисторах, сохранилась тенденция использования встроенных крупных выходных реле с мощными контактами, предназначенными для включения отключающей катушки выключателя, рис. 2.

Рис. 2. Полупроводниковые реле защиты со встроенными мощными выходными реле

Некая новая реальность возникла при переходе на защиты самого последнего поколения – микропроцессорные [1, 2]. Жесткая конкурентная борьба на рынке и стремление к максимальному уменьшению размеров микропроцессорных защит привели к использованию в качестве выходных элементов субминиатюрных электромагнитных реле, рис. 3.

Рис. 3. Платы микропроцессорных реле защиты с субминиатюрными выходными реле

В соответствии с характеристиками производителя, эти реле предназначены для применения в системах промышленной автоматики, в электронных источниках питания, в телевизорах, в бытовой технике, в компьютерах и системах связи, таймерах и т.п. В технических характеристиках на эти реле коммутационная способность на постоянном токе ограничивается, как правило, на уровне 28 – 30 В и только для чисто активной нагрузки. Вместе с тем, такой параметр, как максимальная коммутируемая мощность на постоянном токе (иногда это кривые коммутационной способности на постоянном токе) дает возможность рассчитать максимальный коммутируемый ток при напряжении 250 В постоянного тока, табл. 1. Как видно из таблицы, значения этих токов, даже при чисто активной нагрузке, в 20 – 40 раз меньше, чем на переменном токе. Что касается коммутации индуктивной нагрузки на постоянном токе, то такая способность этих реле вообще не предусматривается в технических характеристиках

Коммутационные параметры субминиатюрных электромагнитных реле применяемых в микропроцессорных устройствах защиты в качестве выходных реле.

Максимальная коммутируемая мощность (для резистивной нагрузки)

Номинальный ток и номинальное напряжение (для резистивной нагрузки)

Что же позволило производителям микропроцессорных защит использовать миниатюрные (то есть маломощные) реле для прямого включения отключающей катушки выключателя? Может быть, уменьшились требования к контактам управления отключающей катушкой? Отнюдь нет! В технических спецификациях на все микропроцессорные устройства защиты производителями гарантируется коммутация тока не менее 30А при напряжении 250В постоянного тока. Может быть, сами миниатюрные реле достигли такого уровня совершенства, что теперь они способны включать индуктивные нагрузки (катушки) с током 30А при напряжении 250В постоянного тока? Увы, технические спецификации на субминиатюрные реле, используемые в микропроцессорных устройствах защиты, о таких возможностях миниатюрных реле умалчивают. Зато инженеры компаний-производителей этих реле, к которым автор обращался с прямым запросом, категорически отвергают наличие таких способностей у реле, используемых в микропроцессорных защитах. Получается, что производители микропроцессорных защит комплектуют столь ответственные и дорогостоящие (10 – 15 тыс. долларов) устройства, как микропроцессорные защиты, заведомо негодными элементами? Из отчетов об испытаниях коммутационной способности выходных реле, представленных по нашему запросу крупнейшими мировыми производителями микропроцессорных защит, следует, что эти реле успешно выдержали испытания и признаны годными для применения. Но где же в таком случае логика? Может быть, эти испытания производители микропроцессорных защит проводят не так как следует? Но, с другой стороны, ведь микропроцессорные защиты с этими миниатюрными выходными реле успешно функционируют во многих энергосистемах мира уже не мало лет. Так может быть реальные условия эксплуатации этих реле намного легче, чем требования, записанные в технической спецификации? Попробуем разобраться в сложившейся ситуации. Прежде всего, рассмотрим реальные параметры отключающих катушек выключателей, рис. 4.

Рис. 4. Отключающие катушки выключателей класса 160 — 170 кВ различных производителей
1 – Hitachi Kokubo Works (GE-Hitachi, USA);
2 – AQ Trafo AB (Sweden)

В таблице 2 приведены результаты измерений основных параметров отключающих катушек (L1, L3, L4) высоковольтных выключателей некоторых типов, а также катушки (L2) специального быстродействующего промежуточного реле с фиксацией положения и ручным возвратом (Lockout), включаемого, иногда, между реле защиты и выключателем.

Основные параметры отключающих катушек высоковольтных выключателей некоторых типов и специального промежуточного реле с фиксацией и ручным возвратом.

Единица измерения

Индуктивность катушки с сердечником, L

Энергия магнитного поля, E

Из анализа параметров катушек, представленных в этой таблице можно сделать некоторые интересные выводы.

Во-первых, промежуточное реле с фиксацией положения и ручным возвратом (Lockout), является для контактов миниатюрных выходных реле нагрузкой ничуть не меньшей, чем отключающие катушки выключателей, рис. 5.

Рис. 5. Быстродействующее промежуточное реле с фиксацией положения и ручным возвратом (Lockout), 12HEA61 типа.

Эксперименты, выполненные автором с этим реле, показали, что даже мощные контакты этого реле (диаметр контакта 6 мм, зазор между контактами около 8 мм) не способны отключить собственную катушку управления, включенную последовательно с нормально замкнутыми контактами, при напряжении 250В постоянного тока. И только две последовательно включенные пары контактов (как показано на схеме, рис. 5) способны разорвать дугу, возникающую на контактах в момент отключения. В последующей модификации этого реле (HEA62) даже для двух пар таких мощных контактов решили облегчить процесс коммутации и зашунтировать катушку специальной дугогасящей цепочкой, состоящей из диода и резистора. Представленные в табл. 3 данные производителя дают наглядное представление о степени влиянии характера нагрузки на коммутационную способность даже таких мощных контактов.

Коммутационная способность мощных силовых контактов реле Lockout.

Максимальный коммутируемый ток (A) для соответствующего количества последовательно включенных контактов

250 В пост. тока, индуктивная

220 В перем. тока, активная

220 В перем. тока, индуктивная

Во-вторых, постоянная времени τ = L/R, которой обычно характеризуется вид нагрузки, не является достаточно информативным показателем, позволяющим делать выводы о реальной коммутационной способности контактов. Например, как видно из таблицы 2, в катушках L2 и L4 с одинаковой L/R запасается существенно различная энергия, которая рассчитывается по формуле:

,
где L – индуктивность нагрузки;
I — ток в нагрузке.

Именно эта энергия магнитного поля и выделяется на контактах в процессе коммутации. Это значит, что контакты реле будут изнашиваться по-разному при коммутации катушек L2 и L4 с одинаковой величиной L/R.

В третьих, величина коммутируемого тока без указания других параметров индуктивной нагрузки (как, например, в таблице 3), не является параметром, достаточным для однозначной оценки коммутационной способности контактов. Например, ток в катушке L2 всего лишь вдвое превышает ток в катушке L1, тогда как энергия, запасаемая в L2, почти в 8 раз превышает энергию, выделяемую при коммутации в L1. Эксперименты на этих катушках с визуальной фиксацией мощности дуги на контактах подтвердили эти выводы.

В связи с изложенным, в качестве показателя, характеризующего индуктивную нагрузку для контактов реле, предлагается использовать энергию, магнитного поля этой нагрузки. В нашем конкретном случае для номинальных напряжений 250 и 125В постоянного тока этот показатель будет иметь вид:

где I – ток в нагрузке в амперах;
τ – постоянная времени нагрузки в миллисекундах.

Таким образом, из рассмотрения реальных параметров отключающих катушек выключателей и быстродействующего промежуточного реле Lockout можно сделать вывод о том, что они действительно представляют собой серьезные индуктивные нагрузки для контактов выходных реле устройств защиты.

Обосновывая способность миниатюрных электромагнитных реле управлять катушками отключения высоковольтных выключателей, производители микропроцессорных защит обычно ссылаются на то обстоятельство, что контакты этих реле только ВКЛЮЧАЮТ отключающую катушку выключателя.

Рис. 6. Процесс замыкания нормально открытого контакта реле в соответствии с международным стандартом IEC 61810-7
o – время до первого соударения контактов; c – полное время замыкания; b – время дребезга контактов.

Отключение этой катушки, сопровождаемое интенсивной дугой, осуществляется вспомогательными нормально-замкнутыми контактами самого выключателя, а не контактами миниатюрного реле, поэтому-де и удается маломощными контактами миниатюрных реле включать мощные отключающие катушки выключателей. Так ли однозначно такое утверждение? Ведь хорошо известно, что замыкание контактов электрических аппаратов сопровождается многократными отскоками контактов после первого замыкания и последующими повторными замыканиями (этот процесс получил название “bouncing” или «дребезг»). Этот факт отражен и в технической литературе и в стандартах, рис. 6. Это означает, что никакого «чистого замыкания» контактов, без многократных размыканий в процессе срабатывания реле, просто не существует. Конечно, время нахождения контактов в открытом состоянии (то есть при горящей дуге) при отскоках незначительно, но малые расстояния между контактами в этот период времени и следующее за этим их сжатие делает опасность приваривания контактов вполне реальной. Поэтому в существующих стандартах нет больших различий между замыканием и размыканием цепей с индуктивной нагрузкой на постоянном токе при оценке коммутационной способности контактов. Так, например, для категории применения DC-13 (управление электромагнитами, катушками соленоидов и клапанов) в соответствии со стандартом IEC 60947 ток включения контактов, как и ток отключения, не должны превышать номинального (т.е. длительного) тока, в то время как для контактов, работающих на переменном токе, допускается 10 кратное значение тока включения, табл.4.

Коммутационная способность контактов в зависимости от типа нагрузки для электромагнитов управления, клапанов и соленоидов

Коммутационная способность контактов в режиме нормальных коммутаций

Коммутационная способность контактов в режиме редких коммутаций

Примечание:
IN и UN — номинальные значения токов и напряжений нагрузок, коммутируемых контактами реле

Однако, из вышеизложенного еще нельзя сделать однозначный вывод о том, что контакты миниатюрных реле, осуществляющие включение отключающих катушек выключателей или катушек мощных быстродействующих промежуточных реле, действительно подвергаются значительным перегрузкам. Дело в том, что во время включения индуктивной нагрузки ток в ней нарастает не сразу, а по экспоненте. А это означает, что разрывы цепи нагрузки во время дребезга контактов происходят при токе, меньше номинального (см. рис. 6). С другой стороны, тот факт, что выходные контакты миниатюрных реле в устройствах защиты не выходят из строя при первом же включении, а работают достаточно долго в реальных условиях эксплуатации, также не доказывает, что эти контакты работают в нормальном для них режиме. Это обусловлено тем, что даже при заметной дуге на контактах, отказ коммутации (то есть не замыкание или не размыкание контактов) происходит далеко не сразу. Имеет место достаточно длительный процесс накопления дефектов на поверхности контактов в результате интенсивного испарения контактного материала с одного контакта и переноса его на другой контакт. Возрастает переходное сопротивление контактов и, следовательно, и их температура. В миниатюрных реле это приводит к расплавлению пластмассового корпуса возле контактов, загрязнению контактов и дальнейшему росту переходного сопротивления. После нескольких тысяч таких коммутаций в обычном реле происходит окончательное сваривание контактов или обрыв одного из контактов, что является полным отказом реле. Поскольку электромагнитные реле предназначены, обычно, для сотен тысяч или даже миллионов коммутаций, то режим работы, при котором вместо миллиона коммутаций реле выходит из строя уже при нескольких тысячах коммутаций, является не допустимым и не разрешается изготовителями этих реле. С другой стороны, выходные реле в устройствах защиты не работают с такой интенсивностью. Максимальное количество срабатываний таких реле за весь срок их службы вряд ли превысит несколько тысяч. Отсюда становится понятным, почему реле, работающие в ненормальном для них режиме, тем не менее, обеспечивают работоспособность защит и даже успешно проходят испытания на предприятиях-изготовителях защит. Именно эти два факта всегда приводятся компаниями-производителями устройств релейной защиты в оправдание возможности использования миниатюрных реле для прямого отключения высоковольтных выключателей. Но действительно ли это означает отсутствие проблемы в этом вопросе? Ведь процесс отказа контактов реле в таком режиме работы является статистическим, а момент отказа зависит от накопленных дефектов и их величины, что в свою очередь, определяется конкретными параметрами отключающих катушек, частотой срабатывания реле защиты, технологическими особенностями конструкции контактов и разбросами их параметров при сборке реле. Чем дольше работает такое реле, тем выше вероятность его отказа, а, следовательно, и отказа защиты важного энергетического объекта. Таким образом, речь идет не том, что миниатюрное электромагнитное реле, используемое в устройстве защиты, выходит из строя сразу же после первого включения или после определенного количества включений, а о том, что в процессе эксплуатации происходит прогрессирующее снижение его надежности и резкий рост вероятности выхода из строя.

Связи с изложенным, возникает вопрос о методике испытания миниатюрных реле в режимах, не предусмотренных и не разрешенных официально изготовителем этих реле, о критериях годности и т.д. Возможно, нам удастся найти ответы на вопросы и прояснить ситуацию с помощью международных стандартов в этой области. Какие же это стандарты? Судя по названиям, для реле управления отключающими катушками выключателей подходят два основных стандарта: стандарт МЭК (IEC) 60947-5-1 (Электромеханические устройства управления и коммутационные аппараты низковольтных распределительных устройств) и стандарт IEEE C37.90 (Реле и релейные системы, связанные с электрическими силовыми аппаратами), табл. 5.

Объекты, на которые распространяются стандарты IEC 60947-5-1 и IEEE C37.90

IEC 60947-5-1

IEEE Std. C37.90

Устройства управления и коммутационные аппараты, предназначенные для управления, сигнализации, блокировок и т.п. распределительных устройств КРУ и КТП.

Стандарт распространяется также на специальные типам коммутационных аппаратов, связанных с другими устройствами, главные цепи которых покрываются другими стандартами.

Реле и релейные системы, используемые для защиты и управления силовыми аппаратами.

Стандарт не распространяется на реле, изначально разработанные для промышленной автоматики, аппаратуры связи или другой аппаратуры, не предназначенной для управления силовыми аппаратами.

В соответствии с приведенными определениями оба стандарта очень близки, хотя область применения стандарта С37.90 представляется как часть более широкой области применения стандарта 60947-5-1. Обращает внимание довольно странное ограничение стандарта С37.90: исключение из области его покрытия реле общепромышленной автоматики и других реле, не предназначенных специально для управления силовыми аппаратами. Какие такие серьезные принципиальные отличия имеются между реле промышленной автоматики, предназначенными для управления катушками мощных контакторов, катушек соленоидов и клапанов систем управления технологическими процессами и реле, предназначенных для управления катушками отключения выключателей? Те же напряжения, те же токи, те же мощности! Это ограничение С37.90 не столь безобидно как кажется и имеет весьма далеко идущие последствия, так как с одной стороны стандарт описывает процедуру испытаний реле, специально предназначенных для включения отключающих катушек выключателей, а с другой – исключает из рассмотрения реле, общепромышленного назначения, не предназначенные специально для управления силовыми аппаратами. Это означает, что этот стандарт не может применяться к микропроцессорным устройствам защиты, в которых используются миниатюрные выходные реле (изначально предназначенные для промышленной автоматики, аппаратуры связи или другой аналогичной аппаратуры, а не для управления силовыми аппаратами) в качестве элементов, непосредственно управляющих отключающими катушками выключателей.

Не менее странные отличия имеются и в методике испытания реле, предлагаемых этими стандартами, табл.6.

Некоторые технические параметры испытаний коммутационной способности реле по стандартам IEC 60947-5-1 и IEEE C37.90

IEC 60947-5-1

IEEE Std. C37.90

Тип нагрузки: дроссель с воздушным зазором, соединенный последовательно с резистором, L/R

Источник