Датчики тока и напряжения на базе герконовых реле с регулируемым порогом срабатывания

Конструктивные схемы герконовых реле с регулируемым порогом срабатывания

Рис. 5.5. Конструктивные схемы герконовых реле с регулируемым порогом срабатывания: а - с соосным перемещением геркона внутри катушки; Ь - с поворотом оси геркона относительно оси катушки и внешним расположение геркона; с - с эксцентричным перемещением геркона и магнитного шунта. 1 - геркон; 2 - катушка с обмоткой; 3 - ферромагнитный сердечник; 4 - ферромагнитная экранирующая пластина (магнитный шунт)

Герконовые реле - широко распространенные в технике компоненты, выпускаемые многими компаниями.

Герконовое реле с регулируемым порогом срабатывания с аксиальным расположением геркона и катушки и с соосным перемещением геркона

Рис. 5.6. Герконовое реле с регулируемым порогом срабатывания с аксиальным расположением геркона и катушки и с соосным перемещением геркона. 1 - вращающаяся ручка настройки; 2 - пластмассовая перемещающаяся деталь с запрессованным в нее герко- ном; 3 - указатель положения геркона; 4 - ферромагнитный экран; 5 - катушка с обмоткой; 6 - геркон; 7 - шкала; 8 - выводы обмотки;

9 - выводы геркона

Герконовое реле с регулируемым порогом срабатывания, реализованного по конструктивной схеме Ь с герконом, расположенным вне катушки, продольная ось которого образует угол с продольной осью катушки

Рис. 5.7. Герконовое реле с регулируемым порогом срабатывания, реализованного по конструктивной схеме Ь с герконом, расположенным вне катушки, продольная ось которого образует угол с продольной осью катушки. 1 - пластмассовая капсула грибообразной формы с гнездом для геркона; 2 - заливочный эпоксидный компаунд полости корпуса с катушкой; 3 - катушка; 4 - ферромагнитный сердечник; 5 - геркон; 6 - гайка; 7 - заливочный эпоксидный компаунд поворотного корпуса с герконом; 8 - гайка-фиксатор поворотного

корпуса; 9 - выводы геркона; 10 - поворотный корпус геркона

Такие преимущества герконов, как герметичность, высокий срок службы, высокое быстродействие, специальная газовая среда или вакуум в которых находятся контакт-детали, отсутствие необходимости в регулировке и зачистке контактов, высокий уровень гальванической развязки между входом (катушка управления) и выходом (герконом), четкий и стабильный порог срабатывания делают их незаменимыми в целом ряде систем автоматики и измерительной техники.

Рис. 5.8. Конструкция компактного реле с регулируемым порогом срабатывания, выполненного по схеме с эксцентричным перемещением геркона. 1 - выступающая часть поворотного корпуса-ампулы; 2 - крепежные фланцы; 3 - ферромагнитный сердечник; 4 - винт-фиксатор; 5 - катушка с обмоткой; 6 - выводы катушки; 7 - полюса сердечника; 8 - винты крепления полюсов; 9 - геркон; 10 - изоляционные проставки; 11 - магнитный шунт

Однако, ни одно из выпускаемых промышленностью герко- новых реле не обладает возможностью регулирования порога срабатывания, что потребовало разработки конструкций таких реле.

Рассмотрим наиболее приемлемые для указанного применения конструктивные схемы герконовых реле с регулируемым порогом срабатывания, рис. 5.5.

Наиболее простым вариантом представляется конструктивная схема, приведенная на рис. 5.5а с соосным расположением геркона и катушки управления и с поступательным перемещением геркона вдоль оси катушки. Максимальной чувствительностью реле обладает, когда межконтактный зазор геркона располагается в центре катушки.

При смещении этого зазора относительно центра катушки чувствительность геркона к току, протекающему по катушке, снижается. Однако, практическая реализация этой конструктивной схемы оказалась не очень простой рис. 5.6.

Для перемещения геркона потребовалось изготовление узла, аналогичного червячному редуктору, в котором вращение вокруг своей оси ручки 1 с резьбой внутри приводит к перемещению винта с наружной резьбой, расположенного на конце детали 2 с запрессованным в ней герконом. Помимо сложности, недостатком конструкции является большая длина L реле, превышающая тройную длину колбы геркона. Еще одним недостатком конструкции является выход геркона из зоны эффективного магнитного экранирования при выдвижении геркона из катушки. Электрическая прочность изоляции между катушкой и герконом в этой конструкции не превышает 1 кВ.

Более простой с точки зрения реализации является конструктивная схема, представленная на рис. 5.6. В реле, построенном по этой конструктивной схеме, внутри катушки расположен ферромагнитный сердечник с полюсами, а геркон расположен на внешней стороне катушки с осью, параллельной оси катушки.

Конструктивная реализация реле, выполненного по этой схеме менее сложна, чем предыдущего, рис. 5.7

В положении, показанном на рис. 5.7, чувствительность реле максимальна. Загрубление реле осуществляется путем поворота геркона таким образом, чтобы между продольными осями катушки и геркона образовался угол. Минимальная чувствительность реле обеспечивается при угле в 90 градусов между упомянутыми осями.

В этой конструкции регулирование порога срабатывания осуществляется путем поворота в пределах 0-90 градусов корпуса 10 с помощью выходящего наружу конца капсулы с герконом и последующей фиксацией его положения гайкой-фиксатором 8. Крепление реле к внешней панели может осуществляться либо с помощью гайки 6 (как показано на рис. 5.7) или с помощью выступающего фланца с отверстиями и обычных винтов. Реле этого типа имеет корпус цилиндрической формы довольно большого диаметра (превышающего длину колбы геркона) и высоту, эквивалентную, примерно, тройной длине геркона. Электрическая прочность изоляции между герконом и катушкой в реле этой конструкции значительно превышает уровень

предыдущего реле и может достигать десятков киловольт. Достаточно указать, что такая конструкция была реализована автором для напряжений до 70 кВ (при соответствующей толщине изоляционного корпуса, его длине и выборе соответствующего изоляционного материала для его изготовления).

Рис. 5.9. Дифференциальное герконовое реле с регулируемым порогом срабатывания. 1 - геркон;

  • 2 и 3 - катушки с обмотками управления; 4 и 5 - плоские ферромагнитные сердечники П-образной формы; 6 - магнитный шунт; 7 - лимб настройки реле; 8 - фиксатор лимба;
  • 9 - неподвижный изолятор; 10 - поворотная часть изолятора; 11 - ампула с герконом и магнитным шунтом; 12 - заливочный эпоксидный компаунд; 13 - пластмассовый корпус реле прямоугольной формы; 14 и 15 - выводы обмоток управления; 16 - выводы геркона

Наиболее компактным является реле с регулируемым порогом срабатывания, реализованное по конструктивной схеме, показанной на рис. 5.5с. В этом реле геркон и магнитный шунт установлены напротив друг друга эксцентрично внутри поворотной ампулы.

В положении максимальной чувствительности геркон должен быть максимально приближен к полюсам сердечника обмотки управления, а магнитный шунт - максимально удален. При повороте упомянутой ампулы геркон удаляется от полюсов сердечника, а его место занимает магнитный шунт, ослабляющий магнитный поток в области геркона. Применение этого магнитного шунта позволило получить большой диапазон регулирования порога срабатывания геркона при малом диаметре поворотной ампулы, то есть позволило уменьшить размеры реле.

После настройки реле на выбранный ток срабатывания положение ампулы фиксируется с помощью винта 4. Это реле также обладает высокой электрической прочностью изоляции между гер- коном и катушкой управления, особенно при использовании проводов в высоковольтной изоляции в качестве выводов катушки и геркона.

С регулируемым порогом срабатывания может быть реализовано и дифференциальное реле, реагирующее на разность значений тока или напряжения, подведенных к двум разным входам этого реле, рис. 5.9.

Конструктивная схема этого реле, по сути, является разновидностью с (рис. 5.5), но отличается наличием двух катушек, расположенных в одной плоскости с противоположных сторон поворотной ампулы с герконом и магнитным шунтом.

В этой конструкции при повороте лимба изменяется взаимное расположение геркона 1 и магнитного шунта 6 относительно полюсов сердечников 4 и 5 катушек управления. В процессе поворота лимба геркон удаляется от одной катушки и приближается к другой, в результате чего изменяется степень влияния этих катушек (то есть входных сигналов) на геркон. Если полярность включения катушек выбрать противоположной, то в среднем нейтральном положении поворотного изолятора 10 напряженность магнитного поля в области геркона будет близка к нулю. При повороте изолятора с герконом, влияние одной катушки на геркон будет возрастать, а другой - ослабевать.

Конструкция этого реле обеспечивает высокий уровень гальванической развязки между входами и выходом за счет наличия высоковольтного изолятора 9. Если отливать этот изолятор заодно с корпусом из высококачественной пластмассы, а после сборки реле использовать заливку качественным эпоксидным компаундом под вакуумом, то можно достичь электрической прочности изоляции и этой конструкции в десятки киловольт.

Для совместной работы с микропроцессорными реле защиты (как об этом говорится в начале главы) изоляция в десятки киловольт является, разумеется, излишней. Но изоляция в 5-10 киловольт импульсного напряжения отнюдь не помешает, когда речь идет об устройстве защиты от воздействия мощного электромагнитного импульса, характеризующегося, как известно, высокими наведенными напряжениями. В конструкциях по схемам Ь и с такой уровень изоляции реализуется без всяких проблем, поскольку эти конструкции изначально были разработаны именно для работы при высоких напряжениях [5.9].

Описанные конструкции были проверены на практике и показали отличные характеристики и как реле максимального напряжения и как реле максимального тока. Однако, в некоторых практических случаях, например, когда речь идет об их применении в устройствах защиты микропроцессорных реле, реализующих функцию дистанционной защиты, может потребоваться реле минимального напряжения.

Герконовое реле минимального напряжения

Рис. 5.10. Герконовое реле минимального напряжения

Для реализации функции реле минимального напряжения непосредственно на герконе должна быть размещена дополнительная обмотка L1 с относительно небольшим числом витков, которая в схеме подключается к стабилизированному источнику напряжения 5 В, а изолированная от геркона рабочая обмотка L2 подключена через диодный выпрямитель VD2 и сглаживающий конденсатор С1 пленочного типа, рис. 5.10, обладающих очень большими запасами по напряжению (входное напряжение со стандартного трансформатора напряжения, применяемого в электроэнергетике обычно не превышает 100 В).

Обмотки L1 и L2 включены встречно, таким образом, что суммарное магнитное поле в области геркона близко к нулю в нормальном рабочем режиме. При значительном снижении входного напряжения (на которое, одновременно с увеличением тока обычно реагирует дистанционная защита линий электропередач) магнитное поле обмотки L2 ослабевает, а магнитное поле, создаваемое обмоткой L1, остается неизменным. Результирующее магнитное поле в области геркона возрастает и он срабатывает. Конструкция самого герконового реле может быть любой из рассмотренных выше.

В устройстве могут быть использованы диоды типа BY 2000 (Diotec Semiconductor) на напряжение 2000 В и ток 3 А (импульсный ток 80 А) в корпусе типа DO-201 (диаметр 4.5 мм, длина 7.5 мм). Конденсатор типа МКР1Т041007Н00 (WIMA) 1 мкф, 1600 В, имеющий размеры: 24 х 45.5 х 41.5 мм. Эти элементы размещены на печатной плате устройства вне корпуса реле. Использование таких высоковольтных элементов при сравнительно низком напряжении, поступающем на схему после делителя на резисторах R2-R3 (15 - 20 В) необходимо для обеспечения высокой стойкости устройства к перенапряжениям, генерируемым мощным электромагнитным импульсом.

Во всех описанных выше реле рекомендуется использовать миниатюрные вакуумные герконы, выдерживающие испытательное напряжение не менее 1 кВ и имеющие собственное время срабатывания около 1 мс, табл. 5.1

Изоляционные элементы конструкции всех рассмотренных типов реле рекомендуется выполнять из литьевого термопластика типа ULTEM-1000 (Polyetherimide - PEI) - полупрозрачного материала янтарного цвета обладающего отличной совокупностью механических, температурных (-55 +170 °С) и электрических (33 кВ/мм, tg§ = 0.0012) свойств, малой водопоглощаемостью (0.25% за 24 часа), высокой стойкостью к излучениям различных типов, относительно хорошей адгезией к эпоксидным компаундам. А в качестве заливочного эпоксидного компаунда - STYCAST 2651-40 (Emerson & Cumming) - двухкомпонентный компаунд черного цвета, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами (18 кВ/мм, tg6 = 0.02), малой водопоглощаемостью (0.1 % за 24 часа), широким интервалом рабочих температур (-75 +175 °С) очень низкой вязкостью в жидком состоянии и хорошей адгезией к металлам и пластикам. Этот компаунд имеет близкий к ULTEM-1000 коэффициент линейного расширения, что немаловажно при работе реле в широком интервале температур. В качестве отвердителя должен применяться CATALYST-11.

Следует иметь ввиду, что заливать геркон непосредственно эпоксидным компаундом нельзя. Его нужно предварительно покрыть слоем демпфирующего материала, компенсирующего механические напряжения, возникающие в процессе отверждения эпоксидного компаунда.

Для предотвращения проникновения высокочастотных и импульсных помех в выходные цепи реле через его емкость, геркон помещен в заземленную тонкостенную алюминиевую ампулу.

Рассмотренные технические решения могут послужить практической основой при подготовке производства реле тока и напряжения с регулируемым порогом срабатывания для устройств, предназначенных для повышения устойчивости микропроцессорных реле защиты к кибератакам и преднамеренным дистанционным деструктивным воздействиям.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >