Реле являются аппаратами защиты и управления, работа которых основана на скачкообразном изменении управляемого (выходного) параметра (состояния контактов реле, сопротивление в управляемой цепи) при достижении управляющего (входного) параметра (ток, напряжения, частоты, мощности и др.) установленного значения (уставки).

По области применения реле можно разделить на реле для схем автоматики, для управления и защиты электропривода, защиты энергосистем.

По принципу действия делятся на электромагнитные, поляризованные, тепловые, магнитоэлектрические, полупроводниковые и др.

Реле может реагировать не только на входной параметр, но и на разность значений (дифференциальное реле), изменение знака или скорости изменения входного параметра. Иногда реле, имеющее только один входной параметр, должно воздействовать на несколько независимых цепей. В этом случае применяют промежуточное реле, которое имеет необходимое число управляемых цепей. Промежуточное реле также используется, когда мощность основного реле недостаточна для воздействия на управляемые цепи.

По принципу воздействия на управляемую цепь реле делятся на контактные и бесконтактные. Выходным параметром бесконтактного реле является резкое изменение сопротивления, включённого в управляемую цепь. То есть разомкнутому состоянию контактов контактного реле соответствует большое сопротивление управляемой цепи бесконтактного реле. Это состояние бесконтактного реле называется закрытым. Замкнутому состоянию контактов контактного реле соответствует малое сопротивление в управляемой цепи бесконтактного реле. Такое состояние называется открытым.

По способу включения реле различаются на первичные и вторичные. Первичные реле включаются в управляемую цепь непосредственно, а вторичные – через измерительные трансформаторы. Взаимосвязь входного и выходного параметров реле и их изменение во времени выражаются характеристиками работы реле, которые изображены на рисунке 1, а, б.

Рисунок 1 – Характеристики реле: а – рабочая характеристика; б – характеристики выходного и входного параметров

На рабочей характеристике (см. рис. 1, а) стрелками показаны изменения входного X и выходного Y параметров реле. При достижении параметра срабатывания Xср реле скачком изменяет состояние до Ymax, а при снижении параметра до значения отпускания Xотп реле отключается и выходной параметр достигает 0 или минимального значения Ymin – для бесконтактных реле.

Представленное на рабочей характеристике соотношение Xср и Xотп соответствует максимальным реле, у которых коэффициент возврата: kв = Xотп / Xср < 1. Для минимальных реле: kв > 1, т. е. срабатывание происходит при снижении входного параметра – X < Xср, а отпускание при X > Xотп.

Характер изменения выходного параметра по току в цепи нагрузки iн и входного по току в обмотке iу реле показан на рисунке 1, б. С момента подачи тока в обмотку реле за время tтр он нарастает до значения Iтр, обеспечивающего начало движения подвижного якоря к статичному сердечнику электромагнита. Якорь перемещается за время tдв после чего контакты реле замыкаются и возникает ток в цепи нагрузки, нарастающий до установившегося значения Iн.

Промежутки времени tтр и tдв в сумме составляют время срабатывания реле tср.

За время tдв ток в обмотке несколько снижается за счёт роста сопротивления обмотки при уменьшении зазора между магнитопроводом и якорем и повышении магнитного потока и индуктивности. После замыкания контактов ток в обмотке растёт до установившегося значения Iраб, превышающего значение Iтр, что обеспечивает надёжное удержание якоря и устойчивость работы реле.

При отключении обмотки реле ток в ней спадает и за время tотп достигает значения Iотп, соответствующего моменту отпускания реле и началу движения контактов в цепи нагрузки на размыкание. После выбора провала контактов за время tпров начинается их расхождение и спадание тока нагрузки при возникшей дуге, которая гасится за время tд.

Интервалы времени tотп, tпров и tд (для контактных реле) составляют время отключения реле tотк.

Общие требования, предъявляемые к реле, определяются их назначением. К реле защиты энергосистем:

• селективность (способность реле отключать только повреждённый участок энергосистемы);
• быстродействие (позволяет резко снизить последствия аварии, сохранить устойчивость системы при аварийных режимах, обеспечить высокое качество электроэнергии);
• чувствительность – минимальное значение входного параметра, при котором реле срабатывает (позволяет повысить качество эксплуатации электроустановок, например, сократить длину участка ЛЭП, который не может быть защищён от аварийных режимов);
• надёжность.

Реле для защиты энергосистем эксплуатируются, как правило, в облегчённых условиях. Они не подвержены воздействию ударов, вибрации, а также пыли и газов, вызывающих коррозию. Из-за того, что аварийные режимы в системе редки, к этим реле не предъявляются высокие требования в части износостойкости.

К реле для схем автоматики, а также для управления и защиты электропривода предъявляются самые разнообразные специфические требования. Эти реле работают в тяжёлых условиях эксплуатации. Число включений в час достигает 1000 и более. Поэтому такие реле должны иметь высокую механическую и электрическую прочность.

1. Электромагнитные реле

Представляют широко распространённый вид реле для защиты энергосистем и электропривода, что определяется простотой их конструкции и высокой надёжностью.

Согласно ГОСТ 17523-85 стандартизируются ряды значений параметров электромагнитных реле, в том числе:

• номинальное напряжение катушки напряжения: 12, 15, 24, 27, 48, 60, 110, 220 В (постоянного); 12, 40, 110, 220, 230, 380, 660 В (переменного напряжения);
• номинальный ток катушки тока: 0,2; 0,25; 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6; 8; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 320; 400; 630; 1250 А;
• номинальное напряжение контактов цепи нагрузки реле: 220, 380, 660 В;
• номинальный ток контактов цепи нагрузки реле: 2,5; 4; 6; 10; 16 А.

По ГОСТ 3699-82 устанавливается ряд значений класса точности реле: 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 5,0; 7,5; 10; 15,0. Согласно ГОСТ 16022-83 класс точности определяет число, характеризующее точность электрического реле, условно определяемое выраженной в процентах относительной предельной основной погрешностью т. е. цифра указывает максимальное относительное отклонение фактического значения тока срабатывания от уставки реле.

Принципиально конструкция электромагнитного реле показана на примере реле максимального тока РЭМ 651 на рисунке 2, а. Порядок работы заключается во втягивании подвижного ферромагнитного якоря (1) к сердечнику электромагнита (2) под действием магнитного поля от тока в обмотке, достигающего значения уставки (срабатывания), и коммутировании цепи нагрузки реле управляющими контактами (3). Отпускание реле происходит самовозвратом под действием механизма (4) с возвратной пружиной.

Рисунок 2 – Конструкция и согласование характеристик электромагнитных реле: а – конструкция РЭМ 651; б – тяговые и противодействующие характеристики

Для корректной работы реле необходимо обеспечить согласование тяговых характеристик электромагнита и противодействующих характеристик возвратной и контактной пружин. На рисунке 2, б показан принцип согласования характеристик в координатах усилия P и воздушного зазора между подвижным якорем и сердечником электромагнита δ .

В момент срабатывания реле зазор имеет начальное значение δ_Н , а усилие, развиваемое электромагнитом, определяется в точке (а). Движение якоря при включении (участок а-б) сопровождается нелинейным нарастанием усилия электромагнита P_Э.вкл и линейным увеличением противодействующего усилия возвратной пружины Pвозв. После касания контактов общее противодействующее усилие пружин Pпр.сумм складывается из Pвозв и усилия контактных пружин Pконт. Поскольку на всей длине хода якоря тяговое усилие P_Э.вкл превышает противодействующее пружин срабатывание реле обеспечивается и заканчивается в точке (б), также поддерживается надёжное положение втянутого якоря избыточным усилием Pизб при конечном значении зазора δ_К .

При отключении реле (участок в-г) ток в обмотке спадает и в точке (в) суммарное противодействующее усилие пружин сравнивается с тяговым усилием электромагнита P_Э.отк. Дальнейшее нелинейное снижение тягового усилия и расположение его характеристики ниже суммарной Pпр.сумм до момента расхождения контактов и Pвозв после расхождения определяет надёжное отключение реле с усилием электромагнита в точке (г) при зазоре δ_Н .

Величины тяговых усилий в точках (б) и (в) и коэффициента возврата, на примере токовых реле, определяются:

где μ₀, S, w – магнитная постоянная, площадь зазора, число витков обмотки.

При kв < 1 – реле максимального тока, при kв >1 – реле минимального тока.

Поскольку очевидна зависимость коэффициента возврата от характеристик усилий и величин зазоров, то выделяются следующие факторы отклонения kв:

• жёсткость возвратной пружины;
• конструкция возвратной системы;
• значения величин начального и конечного зазоров, рабочего хода якоря: 
• формы якоря и полюсов;
• трение деталей электромагнита и гистерезис магнитопровода.

К электромагнитным реле относится множество аппаратов различного конструктивного исполнения с входными параметрами в формах тока, напряжения, мощности, и др.

На рисунке 3, а‒в изображены реле максимального тока производства «ЧЭАЗ» серий РЭ 13-2 и РЭМ 651, 65.

Рисунок 3 – Реле тока РЭ 13-2 и РЭМ 651, 65: а – реле РЭ 13-2; б – реле РЭМ 651; в – реле РЭМ 65: 1 ‒ подвижный якорь, 2,3 ‒ сердечник и обмотка электромагнита, 4 ‒ провода цепи с входным током реле, 5 ‒ демпфирующее основание электромагнита, 6 ‒ корпус реле, 7 ‒ блок с управляющими контактами, 8 ‒ возвратная пружина, 9 ‒ винт регулировки зазора и уставки

Реле РЭ 13-2 используются для защиты от перегрузок асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, работающих в повторно-кратковременном режиме, а модификация РЭ 13-5 в схемах низковольтных комплекстных устройств (НКУ) постоянного тока в качестве минимальных реле тока.

Реле РЭМ 651 и РЭМ 65 имеют конструкцию клапанного типа и применяются в качестве реле управления, в основном в комплектных устройствах, электроприводами постоянного тока, в том числе 320 В судового электрооборудования и в вагонах метрополитена. Конструкция РЭМ 651 ранее рассмотрена на рисунке 2, а.

Часто встречающееся в использовании для защиты энергосистем реле максимального тока серии РТ-40, реле минимального напряжения РН-54 и принципы их исполнения для переднего и заднего подключений к цепям показаны на рисунке 3, а-в. В серии РН для цепей переменного напряжения существуют модели РН-53 максимального напряжения.

Рисунок 4 – Реле серий РТ-40 и РН-54 и варианты их присоединений к цепям: а – реле РТ-40/10; б – реле РН-54/160; в – схемы заднего и переднего присоединений

Реле имеют конструкцию с двумя электромагнитами, позволяющую увеличить диапазон регулирования уставки по входного параметру при последовательном и параллельном включении обмоток в цепи. На рисунках 4, а, б показаны исполнения для заднего присоединения реле к цепям управления и нагрузки, а на рисунке 4, в приведены поясняющие эскизы конструкций реле с клеммами для заднего (верхний) и переднего присоединений.

Для обеспечения эффективной защиты сетей при несимметричных КЗ: однофазных на землю К⁽¹⁾, двухфазных К⁽²⁾ и двухфазных на землю К^(1,1) при которых имеет место нарушение симметрии фазных напряжений с появлением составляющих нулевой и обратной последовательностей дополнительно используют реле напряжения нулевой последовательности и реле напряжения обратной последовательности, например, серий РНН 57 и РНФ 1М производства «ЧЭАЗ».

В электрических сетях с односторонним питанием селективность срабатывания защиты обеспечивается отстройкой времени и уставки срабатывания, в отличие от сетей с двухсторонним питанием, где перетоки мощности КЗ от шин подстанций могут приводить к срабатыванию неповреждённых участков. Примеры участков сетей с односторонним и двухсторонним питанием показаны на рисунках 5, а, б.

Рисунок 5 – Примеры участков электрической сети: а – участок сети с односторонним питанием; б – участок сети с двухсторонним питанием

В случае с односторонним питанием (см. рис. 5, а) появление КЗ на одной из линий, например, подходящей к шинам п/ст 1, обеспечивает её отключение защитой посредством Q с выдержкой 1,5 со стороны источника G, при этом вторая линия остаётся в работе.

В сетях с двухсторонним питанием (см. рис. 5, б) подобное КЗ на одной из линий (т. КЗ 1) может привести к срабатыванию выключателей Q с выдержкой 2 на обеих линиях, поскольку мощность будет подтекать к точке КЗ и от нижней линии через удалённые шины подстанций, что приведёт к отключению неповреждённых участков. Для исключения этого используется дополнительная направленная защита, срабатывающая при определённом протекании мощности КЗ, посредством реле направления мощности.

Принцип действия таких реле поясняется на векторных диаграммах по токам и напряжениям, действующим на реле управления выключателем Q с выдержкой 0, установленным на верхней линии (см. рис. 5, б). Диаграммы, показанные на рисунках 5, а-в, составлены для случаев однофазных КЗ на землю и межфазных двух- и трёхфазных КЗ в точках КЗ 1 и КЗ 2 (см. рис. 5, б), а векторы фазных токов имеют индексы, соответствующие точкам КЗ.

Рисунок 6 – Векторные диаграммы к пояснению работы реле направления мощности: а – для трёхфазных КЗ; б – для двухфазных КЗ; в – для однофазных КЗ

Рассматривая случай трёхфазного КЗ на векторной диаграмме сохраняется симметрия фазных напряжений и токов, при этом токи КЗ, воспринимаемые защитой, в точках 1 ( I_A1, I_B1, I_C1 ) и 2 ( I_A2 , I_B2 , I_C2 ) находятся в противофазе. Анализируя работу защиты в фазе А выделяются две области состояний реле: з.с.1–зона срабатывания и з.з.1 – зона заклинивания (несрабатывания) реле по току I_A1 , которые выстраиваются полуокружностями по двум сторонам перпендикуляра к векторам токов фазы защиты. В таком случае реле срабатывает при направлении тока и мощности от шин удалённых подстанций к точке КЗ 1, как показано стрелкой под Q на рисунке 5, б, и не срабатывает при обратном течении тока и мощности к точке КЗ 2. Угол между векторами I_A1 и линейного напряжения U_BC является углом максимальной чувствительности реле – φ_М.Ч , устанавливаемым в технических характеристиках аппарата.

При двухфазном КЗ между А и С на диаграмме отображаются токи КЗ I_A1, I_C1 и I_A2 , I_C2 , зоны з.с.1 и з.з.1, а также угол φ_М.Ч , образуемые как рассмотрено выше при трёхфазном КЗ. На диаграмме для однофазного КЗ по А на землю также показаны зоны работы и угол чувствительности реле, откладываемый между векторами тока КЗ фазы и суммарного напряжения трёх фаз.

Ток I A1 и напряжения U_BC и 3U_Ф в рассматриваемых случаях подаются на обмотки реле и также могут обозначаться как I_Р и U_Р .

Реле направления мощности (см. рис. 7) конструктивно содержит две секции обмоток, к которым подводятся I_Р и U_Р , с контактами для подключения к сети, обозначаемыми символом (*).

Рисунок 7 – Реле РМ 11,12

В зависимости от принципа работы реле выполняются с поляризацией от напряжения, к одной из обмоток которых подводится напряжение, а к другой ток, и реле с токовой поляризацией, когда к обеим обмоткам подаются токи.

Подробнее по установлению углов максимальной чувствительности, определению вращающих моментов на подвижных системах и схемам включения различных реле направления мощности описано в РД 34.35.303-66 «Инструкция по проверке правильности включения реле направления мощности».

2. Электромеханические реле времени

Служат для коммутации с нормируемыми выдержками времени электрических цепей переменного тока номинальным напряжением до 0,4 кВ и постоянного тока номинальным напряжением до 0,23 кВ. Применяются в схемах защиты и автоматики при необходимости обеспечить определённую временную последовательность выполнения операций.

Согласно ГОСТ 22557-84 основными параметрами реле времени являются:

• номинальные значения уставок (для реле с фиксированными уставками) или верхние и нижние пределы уставок (для реле с плавной или ступенчатой регулировкой выдержек времени): 10-1000 мс,  1-200 с, 1-100 ч (предпочтительные значения верхних пределов уставок); 0,05-45 с, 1-60 мин (предпочтительные номинальные значения уставок);
• номинальное напряжение питания реле: 12, 24, 27, 50, 75, 110, 220 В (постоянного тока); 24, 27, 42, 110, 220, 380 В (переменного тока);
• длительно допустимый ток контактов реле, соответствует установленным в стандарте значениям сечений подключаемых внешних проводников: 2,5; 4; 6,3; 10; 16 А.

Специфическими требованиями к реле времени для защиты и управления электроприводами и для защиты энергосистем являются:

• износостойкость: для защиты и управления электроприводами – (5-10)10⁶ срабатываний; для защиты энергосистем ‒ (5-10)10³;
• диапазон выдержки времени: 0,25-10 с и 0,1-20 с соответственно;
• разброс времени срабатывания: не более 10 % и 20 % соответственно.

Время срабатывания реле складывается из (см. п. 3.2.1): tср = tтр + tдв. Причём основную долю времени составляет tтр, что объясняет его использование в качестве регулируемого параметра при обеспечении электромагнитного замедления при срабатывании реле. Замедление при отключении определяется увеличением времени отпускания реле – tотп.

В конструкции реле времени с электромагнитным замедлением предусматривают установку короткозамкнутой обмотки, как правило, в форме витка по типу медной или алюминиевой гильзы, что определяет наличие от неё магнитного потока, противодействующего основному, создаваемому управляющей обмоткой реле. При этом скорость нарастания суммарного потока в электромагните снижается и время трогания якоря увеличивается. На рисунке 8 показаны принципиальная конструкция магнитной системы реле с КЗ-витком и графики изменения токов в управляющей обмотке и витке при отключении, поясняющие обеспечение замедления.

Рисунок 8 – Принцип обеспечения замедления срабатывания реле КЗ-витком: а – принцип установки КЗ-витка; б – изменения токов в обмотке и витке

При подаче тока i1 в управляющую обмотку при включении реле с максимальным начальным зазором магнитный поток выражается: 

где – установившийся поток;

  – постоянные времени обмоток управляющей и КЗ, соответственно;

 – индуктивности обмоток.

При включении реле воздушный зазор между якорем и сердечником наибольший и значение магнитной проводимости Λδ и индуктивностей L1 и L2 мало, что определяет небольшие значения T1 и T2 и низкий эффект замедления времени при срабатывании реле (0,05-0,2 с).

Рассматривая токи в обмотках при отключении реле (см. рисунок 8 б) в момент времени t = 0 можно принять, что ток в управляющей обмотке спадает до нуля мгновенно за счёт высокого сопротивления межконтактного промежутка k. При этом в КЗ-обмотке (витке) возникает ток , обеспечивающий магнитный поток в электромагните реле, компенсирующий исчезновение потока от управляющей обмотки. С течением времени, спадающий ток, препятствующий снижению магнитного потока в реле, определяется выражением: i₂ = I₂₀e^—t/T ,где T2 ^‘ = L2^‘ / R2 — постоянная времени КЗ-обмотки (витка) при втянутом якоре и минимальном значении воздушного зазора. Поскольку  T2^‘ >> T1 + T2 за счёт относительно высокой L2^‘ , замедление времени трогания якоря при отпускании реле может быть обеспечено достаточно большим и достигать 10 с.

Регулировку времени отпускания реле также осуществляют посредством изменения степени сжатия возвратной пружины – плавное регулирование, и варьированием толщины немагнитной прокладки между якорем и сердечником электромагнита – грубое регулирование. Влияние толщины прокладки и усилия пружины на время отпускания показано на рисунках 9, а, б.

Рисунок 9 – Иллюстрации способов варьирования времени отпускания реле: а – характеристика при изменении сжатия пружины; б – характеристики при изменении толщины немагнитной прокладки

На характеристиках отмечены значения магнитного потока в электромагните реле: Ф0 – начальное при отключении обмотки, Фотп. – при котором начинается движение якоря, Фост. – остаточное.

В случае изменения усилия возвратной пружины (см. рис. 9, а) время отпускания определяется величиной магнитного потока, требуемой для удержания якоря. При более сильном сжатии пружины необходимо большее значение – Фотп1 и время tотп1 меньше, чем tотп2, соответствующее меньшим сжатию пружины и Фотп2.

Когда время регулируется немагнитной прокладкой (см. рис. 9, б) толщиной δ , меняются характеристики магнитного потока во времени, при чем δ₂ > δ₁ , что объясняется более интенсивным спаданием потока при увеличении толщины прокладки и снижении магнитной проводимости зазора. Таким образом, при неизменном усилии возвратной пружины, поток достигает величины Фотп. тем позже, чем тоньше немагнитная прокладка.

В целях расширения диапазона регулирования времени трогания электромагнита при срабатывании реле применяются дополнительные элементы в схемах присоединения реле времени к цепи. На рисунке 10 показаны варианты увеличения времени срабатывания реле с управлением нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами.

Рисунок 10 – Варианты подключения реле для повышения времени срабатывания: а – с промежуточным реле; б – с шунтированием обмотки контактом S; в – c шунтированием обмотки диодом VD

В случае подключения к цепи реле времени КТ совместно с промежуточным реле К (см. рис. 10, а) возможно достичь большой задержки времени срабатывания за счёт операции последовательного включения сначала промежуточного реле подачей на него питания и замыкания его контакта К, а затем реле КТ. При этом общее время срабатывания складывается из времени срабатывания промежуточного реле К и реле времени КТ. Для работы используется нормально разомкнутый контакт реле КТ.

Другим вариантом является использование нормально разомкнутого контакта реле КТ с подключением его обмотки к цепи через добавочное сопротивление Rдоб. для ограничения тока и шунтированием обмотки управляемым контактом S (см. рис. 9, б). При питании обмотки от цепи и замыкании контакта S обмотка закорачивается, чем обеспечивается медленный спад магнитного потока в электромагните и выдержка времени срабатывания контакта реле на замыкание, которая остаётся постоянной вплоть до значения напряжения питания обмотки до 0,5 Uном.

Шунтирование обмотки реле вентилем VD (см. рис. 10, в) позволяет обеспечить выдержку времени на замыкание нормально разомкнутого контакта реле за счёт того, что при замкнутом состоянии S ток через вентиль стремится к нулю и обмотка KT подключена в прямой полярности к цепи, а при отключении S, возникающая в обмотке ЭДС самоиндукции, с обратной полярностью (как на рисунке) обеспечивает протекание тока в контуре, образованном VD и обмоткой KT, что определяет плавное снижение потока в электромагните реле и замедление времени замыкания контакта. Прямое сопротивление диода подбирается на один, два порядка ниже активного сопротивления обмотки для того, чтобы при протекании через него тока постоянная времени контура существенно не снижалась (за счёт роста активного сопротивления короткозамкнутого участка) и не сокращалась выдержка времени.

На рисунке 11 показано реле времени серии РЭВ 814 производства «ЧЭАЗ».

Рисунок 11 – Реле РЭВ 814

Такие реле имеют номинальные напряжение и ток цепей контактов 660 В и 10 А, соответственно, напряжение катушки 220 В и позволяют регулировать выдержку времени отпускания в диапазонах 3-5 с при отключении катушки и 3,8-5,5 с при закорачивании катушки. Втягивающие катушки реле серии РЭВ 810 также изготавливаются на номинальные напряжения: 24, 48, 110 В. Реле РЭВ 880 разных типоисполнений имеют диапазоны регулирования выдержки времени вплоть до 7-10 с при отключении и 8-13 с при закорачивании катушки (для РЭВ 882).

3. Тепловые реле

Предназначены для защиты электрооборудования, в основном электродвигателей, от перегрузки по току, превышающему номинальный ток установки, протекание которого приводит к дополнительному росту температуры токоведущих частей и ускоренному старению изоляции.

Тепловые реле предполагают защиту при значениях сверхтоков перегрузки в 5-8 раз превышающих номинальные токи, действующие в течение не более 10 с.

Согласно ГОСТ 16308-84 и основными параметрами тепловых теле являются:

• номинальный ток реле (In), который, предпочтительно, должен выбираться из ряда: 4, 6,3; 10, 16, 25, 40, 63, 80, 100, 160, 200, 250, (630, 1 000 – только для реле переменного тока) А;
• номинальное напряжение реле (Un): 380, 660, 1 140 В переменного тока и 27, 440 В постоянного тока;
• номинальная частота: 50 (60), 400 Гц;
• номинальный ток вспомогательных контактов: 4; 6,3; 10 А;
• номинальный ток нагревателя (Inn) – наибольший длительный ток, при котором реле с данным нагревателем не срабатывает;
• номинальный ток уставки (Ir) (по МЭК 60947) – наибольший длительный ток, не вызывающий срабатывание реле при определённой настройке;
• времятоковая характеристика – зависимости времени срабатывания (ts) от кратности тока в цепи по отношению к номинальному (I/Iном);
• класс отключения (расцепления) – характеризует диапазоны времени срабатывания реле при определённых кратностях тока уставки по отношению к номинальному; в основном применяются реле с классами 10А, 10, 20 и 30, для каждого из которых определены диапазоны ts при кратностях: А (1; 1,05), B (1,2), C (1,5), D (7,2), следующим образом:
• класс 10А: кратность А – 2 ч < ts; B – 2 ч > ts; C – 2 мин > ts; D – 2 с < ts < 10 с;
• класс 10: А – 2 ч < ts; B – 2 ч > ts; C – 4 мин > ts; D – 4 с < ts < 10 с;
• класс 20: А – 2 ч < ts; B – 2 ч > ts; C – 8 мин > ts; D – 6 с < ts < 20 с;
• класс 30: А – 2 ч < ts; B – 2 ч > ts; C – 12 мин > ts; D – 9 с < ts < 30 с;
• количество полюсов;
• количество и тип (замыкающий, размыкающий) вспомогательных контактов.

Номинальные токи реле должны устанавливаться для температуры окружающей среды 40 °С (базовая температура) для реле без температурной компенсации, 20 °С для реле с температурной компенсацией. Наибольшие значения токов продолжительного режима работы реле при температурах окружающей среды 40 и 55 (60) °С должны быть установлены в технических условиях на реле конкретных серий и типов.

Чувствительным элементом теплового реле, реагирующим на ток, определяющий нагрев токоведущих частей, является биметаллическая пластина, представляющая собой соединение двух пластин металлов с различным коэффициентом линейного расширения ( α ) (широко распространены хромоникелевая сталь – большой α , и инвар – малый α ). В месте прилегания друг к другу пластины скрепляются прокатом в горячем состоянии или сваркой. При нагреве изгиб пластины происходит в сторону металла с меньшим α .

Максимальный прогиб элемента определяется:

где α1 — α2 – разность коэффициентов металлов пластины; l – длина пластины; δ – толщина пластины; τ – превышение температуры пластины над температурой окружающей среды.

На незакреплённом конце пластины возникает усилие:

где b – ширина пластины; E = (E₁ + E₂ ) / 2 — средний модуль упругости; E1; E2 – модули упругости металлов пластины.

Конструктивно в реле реализуются разные принципы передачи тепла от токоведущей части биметаллической пластине, проиллюстрированные на рисунках 12 а‒г.

Рисунок 12 – Принципы нагрева биметаллических пластин в реле: а – биметаллическая пластина: 1 – характеристика защищаемой установки, 2, 3 – характеристики двух реле с разными токами срабатывания; б – непосредственный нагрев; в –косвенный нагрев; г–комбинированный нагрев

На рисунке 12, а принципиально показаны деформирующаяся пластина из металлов (2, 3) и нагреватель (1), по которому пропускается ток подключаемой цепи. Непосредственный нагрев (см. рис. 12, б) предполагает проведение тока через пластину и передачу ей тепла, пропорционального потерям энергии. Косвенный нагрев (см. рис. 12, в) обеспечивает передачу тепла пластине от внешнего нагревательного элемента. Наиболее эффективным является комбинированный нагрев (см. рис. 12, г) совмещающий вышеперечисленные способы.

Правильная совместимость реле и защищаемой установки обеспечивается таким соотнесением их времятоковых характеристик, при котором зависимость реле проходит несколько ниже характеристики установки в диапазоне токов выше номинального. Принцип согласованности характеристик реле и объекта защиты пояснён на рисунке 12, а. Наилучшей согласованностью обладает характеристика 3, поскольку защита объекта обеспечивается на всем диапазоне токов больше номинального, а реле с характеристикой 2 не способно обеспечить защиту при токах менее 1,5 Iном.

Времятоковая характеристика тепловых реле, пример которой для ТРН-10А показан на рисунке 13, б, имеют две характерные зоны срабатывания из холодного состояния (1) и из состояния при прогреве номинальным током (2), определяющие разные времена срабатывания при одних значениях кратности тока.

Контактные системы в тепловых реле могут иметь конфигурации, предполагающие сравнительно низкую и высокую быстродействия, что определяется наличием в них упругих элементов – спиральных и плоских пружин. Также системы могут обеспечивать температурную компенсацию за счёт наличия дополнительной биметалличестой пластины.

На рисунках 14, а‒г показаны принципиальные конструкции различных контактных систем тепловых реле.

Рисунок 13 – Пояснение совместимости реле и объекта и пример характеристики: а – совмещение времятоковых характеристик; б – времятоковая характеристика ТРН-10А

Наименее быстродейственная система без упругих элементов (см. рис. 14, а) содержит биметаллическую пластину (1), которая под действием нагрева деформируется и создаёт усилие P1, обеспечивающее расхождение подвижного (2) и неподвижного (3) контактов. Пластина соединяется с контактом перемычкой (4).

Большее быстродействие обеспечено в системе со спиральной пружиной (см. рис. 14, б), когда подвижный контакт (2) удерживается биметаллической пластиной (1) и соединён с пружиной (4), работающей на сжатие. По достижении усилием P1 со стороны пластины достаточного значения, подвижный контакт интенсивно расходится с неподвижным (3) под действием пружины.

Дальнейшее повышение быстродействия достигается применением плоской пружины в контактной системе (см. рис. 13, в) где на биметаллическую пластину (1), создающую при деформации усилие P1, воздействует пружина усилием P2, и при достижении неравенства P1 > P2 система выходит из равновесия и пластина под воздействием пружины скачкообразно перемещается к элементу (2), связанного с подвижными контактами, чем обеспечивается срабатывание.

Рисунок 14 – Контактные системы тепловых реле различного исполнения: а – система без пружин; б – система со спиральной пружиной; в – система с плоской пружиной; г – система с температурной компенсацией

При необходимости минимизации влияния на работу реле температуры окружающей среды применяется контактная система с температурной компенсацией (см. рис. 14, г) в которой имеются две биметаллические пластины: основная (1), нагреваемая элементом (3) и вспомогательная (2), которая деформируется под воздействием внешней температуры, создавая противодействие основной пластине при температуре выше нормируемой (поскольку основная стремится деформироваться больше, чем это определяется током цепи), и действуя сонаправленно при меньшей температуре окружающей среды, относительно нормируемой.

Примеры конструкций тепловых реле проиллюстрированы на рисунках 15, а, б.

Рисунок 15 – Варианты конструкций тепловых реле: а – реле с температурной компенсацией: 1 – регулятор тока срабатывания (уставки), 2 – температурный компенсатор (биметаллическая пластина), 3 – защёлка, 4 – штанга расцепителя, 5 – основная биметаллическая пластина, 6 – толкатель, 7 – нагревательный элемент, 8 – вспомогательные контакты, 9 – пружина; б – трёхфазное тепловое реле

Температура передаётся основной пластине от отельного нагревательного элемента (косвенный нагрев). Пластина компенсации, связанная с основной толкателем, воздействует на защёлку и далее на подпружиненную штангу расцепителя, размыкающую контакты, что обеспечивает быстродействие при отключении. Регулятор тока позволяет изменять необходимое усилие на защёлке и ток срабатывания реле.

Трёхфазное реле, изображённое на рисунке 15, б, имеет в своей конструкции биметаллические пластины (1), на которых выполнена намотка ленточного проводника – нагревателя, защёлку с пружиной (2), механизм возврата контактов (3), кнопку ручного возврата подвижных контактов (4), регулятор уставки (5), неподвижные (6) и подвижные (7) контакты, выводы для присоединения внешней цепи со стороны источника (при питании электродвигателя – от контактора, магнитного пускателя) 1Л1, 3Л2, 5Л3, выводы для присоединения нагрузки (электродвигателя) 2С1, 4С2, 6С3, и выводы вспомогательных контактов 95-98. При нагреве и деформации пластины воздействуют на планку, связанную с защёлкой и подпружиненным механизмом возврата контактов, и происходит срабатывание реле. Возврат контактов производится воздействием с помощью кнопки на механизм. Регулировка уставки выполняется изменением степени сжатия пружины, связанной с защёлкой.

Производителем «КЭАЗ» выпускаются тепловые реле серии РТЛ на номинальные токи до 630 А и OptiStart TU на токи до 800 А. На рисунках 3.29 показаны реле этих серий.

Рисунок 15 – Реле РТЛ и OptiStart TU производства «КЭАЗ»: а – РТЛ на 100 А; б – OptiStart TU на 360 А

4. Условия выбора реле

Рассматриваются условия подбора реле для защиты электродвигателей.

Реле максимального тока выбираются с учётом следующих основных условий:

• номинальные токи реле и двигателя: Iном.р ≥ Iном.дв , Iном.р ≥ Iном.дв.25 (при защите двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, принимает ток при ПВ = 25 %);
• уставка по току срабатывания: Iуст ≥ (1,3 ÷ 1,5)Iпуск.дв (пусковой ток двигателя при защите АД с КЗ ротором); Iуст ≥ (2,25 ÷ 2,5)Iном.дв (при защите двигателей с фазным ротором); Iуст ≥ (1,25 ÷1,5)I^‘ном.дв + Σ Iном.дв (при защите одним реле группы двигателей, где Iном.дв — номинальный ток двигателя наибольшей мощности);
• коммутационная способность контактов реле должна обеспечивать питание катушек контактов и магнитных пускателей, с учётом их пусковых токов при включении.

Тепловые реле выбирают по основным условиям:

• номинальные токи реле и двигателя: Iном.р = (1 ÷ 1,25)Iном.дв (при защите двигателей во взрывобезопасных помещениях); помещениях); Iном.р = Iном.дв (при защите во взрывоопасных помещениях);
• соответствие класса отключения (расцепления) условиям пуска двигателя: для установленной кратности (A, B, C, D), соответствующей Iпуск.дв, верхняя границы t_s должна превышать время пуска двигателя.

Реле минимального напряжения выбираются по основным условиям:

• номинальные напряжения сети и реле: Uном.р = Uном.с ;
• уставка реле по напряжению отпускания при необходимости обеспечить самозапуск двигателей в условиях значительного снижения напряжения сети (до 50 %): Uотп.р = (0, 6 ÷ 0, 7)Uном.с.

Технические параметры ряда реле приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры реле

Серия, тип реле	Номинальное напряжение контактов, В	Номинальный ток контактов, А	Номинальный ток/напряжение обмотки (органа) реле, А/В	Диапазон уставки входного параметра
РТ 40/2 (максимального тока)	220	0,2 (при 220 В) … 200	2,5 (6,3) А	0,5-1 (1-2) А
РТ 40/10 (максимального тока)	220	0,2 (при 220 В) … 200	16 А	2,5-5 (5-10) А
РТ 40/200 (максимального тока)	220	0,2 (при 220 В) … 200	16 А	50-100 (100-200) А
РТ40/Р5 (максимального тока трёхфазное)	220	2	5 А	0,65-1,3 (0,325-0,65) А
РН54/48 (минимального напряжения)	220	2	–	12-24 (24-48) В
РН54/160 (минимального напряжения)	220	2	–	40-80 (80-160) В
РНН 57 (напряжения нулевой последовательности)	220	2	100 В	4-8 В
РНФ 1М (напряжения обратной последовательности)	220	2	100 В	6-12 В
РМ 11-11(18) (направления мощности)	230	1	100 В, 1 (5) А	0,25 В; 0,05 А (0,25 А); φ =-30о±5о и -45о±5о М.Ч.
РМ 12-11(18) (направления мощности)	230	1	100 В, 1 (5) А	(1,0±0,1), (2,0±0,2), (3,0±0,3) В; 0,05 А (0,25 А); φ =70о±5о М.Ч.
РВ 01 (времени статическое на срабатывание)	230	2,5	100, 127, 220, 380 В (переменного), 110, 220 В (постоянного)	0,1-50 с
РВ 03 (времени статическое на отключение)	230	2,5	100, 127, 220, 380 В (переменного), 110, 220 В (постоянного)	0,15-30 с
РТЛ-1008-2-25А (перегрузки тепловое) класс 10А	230, 400, 690	2,5	25 А	2,5-4 А
РТЛ-1022-2-25А (перегрузки тепловое) класс 10А	230, 400, 690	15	25 А	17-25 А
РТЛ-3125-2-200А (перегрузки тепловое) класс 10А	230, 400, 690	70	200 А	80-125 А
OptiStart TU3/32-18 (перегрузки тепловое) класс 10А	24, 230, 400	1-3	18 А	13-18 А
OptiStart TUAT23-37 (перегрузки тепловое) класс 30	24, 230, 400	2-5	37 А	24-37 А
OptiStart TU800-800 (перегрузки тепловое) класс 10	24, 230, 400	1,5-4	800 А	540-800 А