Тепловое реле

Принцип действия теплового реле. Долговечность энергетического оборудования в значительной степени зависит от перегру­зок, которым оно подвергается во время работы. Для лю­бого объекта можно найти зависимость допустимой дли­тельности протекания тока от его значения, при котором обеспечивается надежная и длительная его эксплуатация (кривая 1 на рис. 6.6). При номинальном токе допусти­мая длительность его протекания стремится к бесконечно­сти. Протекание тока, превышающего номинальный,  при­водит к дополнительному повышению температуры и до­полнительному старению изоляции. Поэтому чем больше ток перегрузки, тем меньше должна быть ее длительность. Кривая 1 на рис. 6.6 устанавливается исходя из необхо­димого срока службы оборудования. Чем меньше срок службы, тем большие перегрузки допустимы.

Для защиты энергетического оборудования от токовых пере­грузок широко распространены тепловые реле с биметаллическим элементом.

Очевидно, что в идеальном случае зависимость для ре­ле защиты должна идти чуть ни­же кривой 1 на рис. 6.6.

Биметаллический элемент состоит из двух пластин с различным коэффициентом линей­ного расширения . В месте прилегания друг к другу пла­стины жестко скреплены за счет проката в горячем состоя­нии, либо сваркой. Если такой элемент закрепить неподвиж­но и нагреть, то произойдет его изгиб в сторону материала с меньшим . Максимальный прогиб элемента

,                     (6.6)

где – температурный коэффициент расширения термо­активного материала (с большим значением ); – тем­пературный коэффициент расширения термореактивного материала (с меньшим значением ); – его длина; t — пре­вышение температуры    биметаллического элемента относи­тельно окружающей среды; d – суммарная тол­щина биметаллического элемента.

Незакрепленный конец элемента развивает усилие

,                                                   (6.7)

где  – ширина элемента; – средний мо­дуль упругости материала элемента.

Из формул (6.6) и (6.7) видно, что значение прогиба и уси­лия тем больше, чем больше разность . Широкое распространение в тепловых реле получили такие материалы, как инвар (малое значение ) и хромоникелевая сталь (большое значение ).

Для получения большего прогиба необходим элемент большой длины и малой толщины. В то же время при необ­ходимости получения большого усилия целесообразно иметь широкий элемент с малой длиной и большой толщиной.

При работе в компонентах биметаллической пластины возникают напряжения сжатия и растяжения, которые не должны превышать допустимых значений.

Нагрев биметаллического элемента может производить­ся за счет тепла, выделяемого током нагрузки в самой пла­стине или в специальном нагревателе. Лучшие характе­ристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет проходящего через нее то­ка, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревате­лем, обтекаемым тем же током нагрузки.

Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). До начала перегрузки через биметаллическую пластину протекает ток , который нагревает ее до температуры q₀.

Зависимость времени сраба­тывания от тока для этого случая имеет вид, где – постоянная времени нагрева реле; – ток пред­варительной нагрузки, протекающий через элемент; – ток, при котором реле срабатывает за время >>;

— ток, при котором реле срабатывает за время .

Необходимо отметить, что постоянная времени нагрева защищаемого объекта (например, двигателя) зависит от длительности перегрузки. При кратковременных перегруз­ках в нагреве участвует только обмотка двигателя и по­стоянная времени невелика (5…10 мин) ввиду относитель­но малой массы обмотки. При длительной перегрузке в на­греве участвует вся масса двигателя. Постоянная времени нагрева для мощных двигателей  40…60 мин.  Для совер­шенной защиты необходимо, чтобы постоянная времени на­грева реле была такой же, как и у защищаемого объек­та. Это удается в том случае, если реле разрабатывается для защиты конкретного двигателя. На практике разработ­ка теплового реле для каждого типа двигателя нецелесооб­разна и одно и то же реле используется для защиты двига­телей различной конструкции.

При этом обеспечить надеж­ную защиту во всем диапазоне перегрузок не удается.

Для быстродействующей защиты объекта и реле целе­сообразно биметаллический элемент объединять с элект­ромагнитным, имеющим большой ток срабатывания при малом времени срабатывания. Номинальный ток реле выбирается равным номиналь­ному току защищаемого объекта. Срабатывание реле про­исходит при (1,2…1,3). Время срабатывания         20 мин.

Температура биметаллического элемента зависит от тем­пературы окружающей среды, с ростом которой ток сра­батывания реле уменьшается. Для номинальной темпера­туры окружающей среды (обычно 40 °С)  можно записать

,                                                  (6.8)

где – ток срабатывания реле при номинальной тем­пературе ; — конструктивный параметр, зависящий от размеров, материала и коэффициента теплоотдачи биме­таллического элемента; — температура биметаллическо­го элемента, при которой срабатывает реле.

При температуре, отличной от номинальной

.                                                       (6.9)

Воспользовавшись формулами (6.8) и (6.9), можно получить

.                                          (6.10)

При температуре окружающей среды , сильно отли­чающейся от номинальной, необходимы либо дополнитель­ная (плавная) регулировка реле, либо подбор нагреватель­ного элемента с учетом этой температуры. Для того чтобы температура окружающей среды меньше влияла на ток сра­батывания, значение необходимо выбирать возможно большим. Тепловые реле желательно располагать в одном помещении с защищаемым объектом. Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла – на­гревательных печей, систем отопления и т.д. Эти ограниче­ния не относятся к реле с температурной компенсацией.