解析继电器在电气工程及其自动化低压电器中的应用

时间：2024-05-20

单耀生

西安兴仪科技股份有限公司，陕西西安 710075

1 继电器的基本原理及其作用分析

1.1 继电器的基本原理

现如今，随着科学技术水平的不断提高，电气系统的自动化程度也越来越高，继电器作为电气系统中较为重要的组成部分之一，其应用也越来越广泛。就继电器而言，其常常被用于保护电气设备的运行安全性，如变压器、马达、发电机以及输电线路短路保护等等。当电力系统出现异常故障时，继电器可以向值守人员发出告警信号，而想要确保继电器能够发挥出应用的作用，其应当具备以下功能特性：其一，安全性和可靠性，这是一个合格的继电器必须具备的特性，只有这样才能避免继电器本身出现故障；其二，快速反应能力。能够以最短时间消除可以消除的所有故障；其三，选择性。继电器应当能够确保电力系统始终向无故障区域进行供电；其四，灵敏性。电力系统运行过程中的参数在正常运行和发生故障情况下的区别是非常明显的，继电器就是通过这些参数的具体变化情况，在反映和检测的基础之上对电力系统的故障性质和故障影响范围进行判断，并作出相应的反应和处理。继电器的基本工作原理如下：由取样单元负责将被保护设备运行过程中的物理量经过电气隔离并将之转换为继电保护装置中比较鉴别单元能够接收到的信号，然后根据该单元的要求进行相应处理，再按照比较环节输出量的性质、大小以及组合方式出现顺序的先后确定出继电保护装置是否需要动作。

1.2 继电器的作用

继电器本身具有以下优点：标准化程度高、通用性好、能够使电路简化等，正是因为继电器的这些优点使其被广泛应用于工业自动化控制以及家电产品等领域当中。但是有些专家认为，在电子元器件当中，继电器是最不可靠的一种装置，并且在整机的可靠性设计当中，往往将继电器、可调电感器以及电位器等装置列为不用或是少用的元件。然而，因为继电器在控制电路中有着十分独特的电气和物理特性，其断路状态下的高绝缘电阻以及通路状态下的低导通电阻是其它任何电子器件都无法比拟的。为此，确保继电器的运行可靠性成为业界研究的重点课题之一。电子元器件的可靠性应当包括以下两个方面的内容，即固有可靠性和使用可靠性。其中前者是元器件可靠的基础，一般都是通过设计和制造厂商来进行控制，以确保制造出来的元器件能够达到要求的可靠性等级，而后者则是整机可靠性的基础，必须阐明的是，使用高可靠质量等级的元器件却并一定能够制造出高可靠性的整机，这是因为里面涉及到使用可靠性的问题。使用可靠性具体是指按照各种元器件的特性通过可靠性设计方法，最大限度地发挥出元器件固有可靠性的作用，进而达到整机的可靠性要求。与其它电子元器件相比，继电器是由机械传动和电磁两个部分构成的，这种结构更加复杂，因而继电器的可靠性就显得相对较差，若是实际使用过程中采取一定的防范措施，则能够使其达到理想中的效果。此外，继电器可靠性不高除了自身质量原因外，使用方法不当也是一个原因。因此，想要使继电器能够充分发挥出自身的作用，不但应当进一步完善自身的质量，而且还必须合理使用。

2 继电器在电气工程及其自动化低压电气中的具体应用研究

2.1 电磁类继电器的应用

1）电磁继电器的特性。此类继电器的主要特性是输入-输出，也就是我们通常所说的继电特性，其特性曲线如图1 所示。当继电器的输入量X 由0 增至X2 之前，继电器输出量Y 为0；当输入量X 增至X2 时，继电器吸合，此时输出量为Y1，如果X 继续增大，Y 保持不变；当X 减小至X1 时，继电器释放，此时输出量由Y1 变为0，若是X 继续减小，Y 值均为0。图1 中的X2 是继电器的吸合值，想要使继电器完成吸合这一过程，输入量就必须≥X2；X1 是继电器的释放值，想要使继电器完成释放这一过程，输入量则必须≥X1。继电器的返回系数则可以用 Kf表示，Kf= X1/X2，这是继电器较为重要的一个参数，并且 fK 本身是能够调节的，这样一来即便输入量的波动变化较大也不会引起继电器误动作。通常情况下，欠电压继电器对返回系数的要求相对较高，fK 值应当＞0.6。假设某一继电器的 fK =0.66，吸合电压为额定电压的90%，那么当电压低于额定电压的50%时，继电器便会释放，进而达到欠电压保护的目的。此外，继电器的吸合与释放时间也是比较重要的参数之一。其中吸合时间主要是指从线圈接受电信号到衔铁完成吸合过程所需要的时间，而释放时间则是指从线圈失电到衔铁完全释放所需要的时间。通常情况下，继电器的吸合与释放时间为0.05-0.15，该数值的大小对继电器的操作频率会有一定的影响。

图1 电磁继电器继电特性曲线图

2.2 非电磁类继电器的应用

非电磁类继电器又被称为热继电器，即FR，这种类型的继电器常常被用于电力拖动系统当中电动机负载的过载保护。在实际运行过程中，电动机常常会出现过载的现象，一般时间较短、绝缘绕组在允许温升范围内的过载是可以经常出现的，但是若过载情况比较严重、时间较长，便会引起电动机绝缘过早老化，这样会导致电动机的使用寿命缩短，如果过载情况非常严重，还有可能造成电动机烧损的后果。为此，对电动机进行过载保护就显得非常重要。FR 主要由双金属片、热元件以及触点等组成，其中热元件是由发热电阻丝制作而成，双金属片具体是由两种热膨胀系数不停的金属辗压而成，当双金属片受热时便会出现弯曲变形的情况。实际使用时，可将热元件串接到电动机的主电路上，同时将常闭触点串接在电动机的控制电路当中。当电动机处于运转的状态时，虽然热元件所产生出来的热量也会使双金属出现弯曲的情况，但是并不足以是FR的触点发生动作；而当电动机过载时，双金属片的弯曲位移便会随之不断增大，在这一过程中会推动导板是常闭触点断开，进而起到切断电动机控制电路的作用，这样便不会造成电动机因过载损坏。通常情况下，FR 动作之后不会自动复位，需要等待双金属片完全冷却后手动按下复位按钮才会恢复到原位。FR 动作电流的调节可通过旋转凸轮到不同的位置来实现。