1

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Badanie przekaźników napięciowych

1.

Wiadomości teoretyczne

Przekaźniki napięciowe, są to przekaźniki pomiarowe, reagujące na obniżenie się napięcia poniżej wartości

nastawionej (przekaźniki podnapięciowe) lub jego wzrost powyżej wartości nastawionej (przekaźniki
nadnapięciowe).

Zadziałanie przekaźnika podnapięciowego następuje z chwilą zmniejszenia się napięcia poniżej wartości

nastawionej na podziałce, względnie przy zaniku napięcia (odwzbudzenie się przekaźnika). Następuje wówczas
zamknięcie zestyku. Z chwilą, gdy napięcie osiągnie wartość określoną współczynnikiem powrotu, następuje
wzbudzenie przekaźnika i rozwarcie zestyku.

Współczynnik powrotu określony jest wzorem:

r

p

p

U

U

k



(1)

Gdzie:

Ur – napięcie rozruchowe przekaźnika,

Up – napięcie powrotu przekaźnika.

Dla przekaźników podnapięciowych współczynnik powrotu ma wartość większą od jedności.
Zadziałanie przekaźnika nadnapięciowego następuje z chwilą wzrostu napięcia ponad wartość nastawioną na

podziałce (wzbudzenie przekaźnika). Gdy napięcie zmaleje do wartości określonej współczynnikiem powrotu,
następuje odwzbudzenie przekaźnika i powrót do położenia początkowego. W przekaźnikach nadnapięciowych
współczynnik powrotu jest mniejszy od jedności.

Od przekaźników napięciowych wymaga się: małego poboru mocy, dobrego, bliskiego jedności

współczynnika powrotu, dużej niezawodności.

Aby zapobiec zadziałaniu przekaźników napięciowych wskutek krótkotrwałych zmian napięcia,

współpracują one często z przekaźnikami czasowymi.

Ze względu na zasadę działania rozróżniamy przekaźniki napięciowe elektromechaniczne (najczęściej

elekromagnetyczne), statyczne i mikroprocesorowe.

1.1.

Budowa przekaźników napięciowych

1.1.1. Przekaźniki napięciowe elektromagnetyczne

Przekaźniki napięciowe elektromagnetyczne wykonane są w oparciu o takie same konstrukcje jak

elektromagnetyczne przekaźniki prądowe. Inne jest tylko wykonanie elektromagnesu. Oporności uzwojeń są dość
duże, a przekrój przewodów mniejszy. Prąd w uzwojeniu wymuszony jest przez przyłożone napięcie:

p

Z

U

I



(2)

Gdzie:

I – prąd w uzwojeniu przekaźnika napięciowego,
Zp –impedancja uzwojenia przekaźnika,

U – napięcie przyłożone do uzwojenia przekaźnika.

Aby uzyskać dużą czułość, należy utrzymywać stałą wartość prądu podczas działania przekaźnika.

Uzwojenie powinno posiadać znaczną przewagę rezystancji nad reaktancją, dzięki czemu zmiana szczeliny
powietrznej podczas ruchu zwory, powodująca wzrost indukcyjności uzwojenia, w niewielkim stopniu będzie
wpływać na zmianę impedancji uzwojenia. Wpływa to na poprawę współczynnika powrotu. Przekaźniki
napięciowe elektromechaniczne wykonywane są z obrotową zworą. Zwora połączona jest z bębenkiem o
odpowiedniej bezwładności, w celu uniknięcia wibracji zestyku. Zestyk jest połączony równolegle z układem

2

RC, dla zwiększenia zdolności łączeniowej przy prądzie stałym. Cewki przekaźnika wykonane są przeważnie
jako dwudzielne i mogą być połączone szeregowo lub równolegle, dzięki czemu przekaźnik ma dwa zakresy
pomiarowe.

Jeżeli napięcie przyłożone do uzwojenia elektromagnesu przekaźnika przekroczy wartość rozruchową

nadnapięciowego lub wartość powrotu dla przekaźnika podnapięciowego, powstaje moment pokonujący moment
zwrotny sprężyny, zwora zostaje przyciągnięta i styki ruchome zmieniają swoje położenie. Po obniżeniu napięcia
poniżej wartości rozruchowej dla przekaźników podnapięciowych lub poniżej wartości powrotu dla przekaźnika
nad napięciowego, moment zwrotny sprężyny przezwycięża działanie momentu pochodzącego od strumienia
magnetycznego. Zwora odpada, następuje przełączenie styków przekaźnika.

1.1.2. Przekaźniki napięciowe statyczne

Przekaźniki statyczne w stosunku do przekaźników elektromechanicznych posiadają szereg zalet:



mały pobór mocy,



duża szybkość działania,



szeroki zakres nastawień,



możliwość otrzymania różnorodnych charakterystyk,



duża odporność na wibracje i korozję.

Posiadają jednak liczne wady:



mała odporność na przepięcia,



zależność parametrów od temperatury i czasu pracy (starzenie się elementów),



brak odpowiednich układów zasilania,



trudna lokalizacja uszkodzeń.

Przykładem typowego przekaźnika statycznego jest przekaźnik typu Ret-1, schemat blokowy

przedstawia rys. 1. Kontrolowane napięcie jest transformowane (T), prostowane (P) i po wyfiltrowaniu (F) jest
porównywane ze stabilizowanym napięciem odniesienia otrzymywanym z diody Zenera. Wartość i znak różnicy
porównywanych napięć określają stan pracy przekaźnika elektronicznego, sterującego przekaźnikiem
kontaktronowym, który steruje przekaźnikiem wyjściowym.

Przekaźnik Ret-1 w zakresie od minimalnego napięcia skali do napięcia znamionowego pracuje jako

podnapięciowy, a od napięcia znamionowego do maksymalnego napięcia skali, jako nadnapięciowy.

Rys. 1. Schemat blokowy przekaźnika statycznego RET-1

1.1.3. Przekaźniki napięciowe mikroprocesorowe

Przykładem przekaźnika mikroprocesorowego jest RET-410, którego parametry i zasadę działania

zamieszczono w załączniku stanowiącym DTR „Przekaźnik napięciowo-czasowy okienkowy RET – 410”

3

1.2.

Zastosowanie przekaźników napięciowych

1.2.1. Zastosowanie przekaźników podnapięciowych

Zastosowanie przekaźników podnapięciowych jest oparte głównie na wykorzystaniu zjawiska obniżania się

napięcia podczas zwarć (rys. 2).

Przekaźniki podnapięciowe znalazły zastosowanie w następujących układach zabezpieczeń:



Zabezpieczenie generatorów synchronicznych od przeciążeń wywołanych zwarciami zewnętrznymi,



Zabezpieczenie transformatorów od przetężeń wywołanych zwarciami zewnętrznymi,



Zabezpieczenie silników od obniżenia się napięcia,



Układy samoczynnego załączenia rezerwy.

Rys. 2. Przebieg napięć linii trójfazowej podczas zwarć

W celu poprawienia czułości zabezpieczenia nadprądowego generatora od zwarć wewnętrznych, aby lepiej

rozróżniało przetężenia od zwarć, wprowadza się blokadę napięciową. Zabezpieczenie nie może działać w stanie

4

normalnej pracy układu, dlatego napięcie rozruchowe przekaźników podnapięciowych powinno spełniać
warunek:

u

p

b

r

n

k

k

U

U

min



(3)

Gdzie: Umin

- najmniejsza wartość napięcia generatora (0,95U

nG

),

kb

- współczynnik bezpieczeństwa (1,1),

kp

- współczynnik powrotu,

nu

- przekładnia przekładników napięciowych.

Jednocześnie musi btyć spełniony warunek czułości zabezpieczenia:

r

p

p

U

U

k



(4)

Gdzie: Uz

- największa wartość napięcia, w przypadku zwarcia na końcu odcinka o największej

impedancji, przyłączonego do szyn zbiorczych generatora,

Kc

- współczynnik czułości (1,3 – 1,4).

Zabezpieczenie transformatora od przetężeń wywołanych zwarciami zewnętrznymi jest uzupełnione blokadą

napięciową w celu poprawienia czułości zabezpieczenia i odstrojenia od prądów przeciążeniowych (rys. 3).

Napięcie rozruchowe przekaźników podnapięciowych powinno spełniać warunek:

u

p

b

r

n

k

U

k

U

min



(5a)

u

z

c

r

n

U

k

U



(5b)

gdzie: Umin

- minimalne napięcie robocze zasilające transformator (0,9 – 0,95) UnT,

Uz

- największa wartość napięcia zwarcia, przy zwarciu na końcu odcinka o największej
impedancji, przyłączonego do szyn zbiorczych zasilanych przez transformator,

kb

- współczynnik bezpieczeństwa,

kp

- współczynnik powrotu przekaźników podnapięciowych,

kc

- współczynnik czułości (1,3 – 1,4),

nu

- przekładnia przekładników napięciowych.

Rys. 3 Zabezpieczenie nadprądowo – zwłoczne transformatorów uzupełnione układem blokady napięciowej

5

Zabezpieczenie silników od skutków obniżenia się napięcia wykonywane jest jako podnapięciowe zwłoczne

(rys. 4).

Napięcie rozruchowe przekaźników podnapięciowych przyjmuje się w przybliżeniu (0,6 – 0,7) Un.

Zabezpieczenie to działa ze zwłoką 0,5s dla silników nie podlegających samorozruchowi oraz (6 – 10)s dla
silników podlegających samorozruchowi.

Rys. 4.

Zabezpieczenie silników wysokiego napięcia od zaniku napięcia: a) schemat ideowy, b)
obwody napięciowe

W układzie Samoczynnego Załączenia Rezerwy przekaźniki podnapięciowe kontrolują napięcie na szynach

rezerwowanych. Napięcie rozruchowe dobiera się z zależności:

u

p

b

s

r

n

k

k

U

U



(6)

gdzie: Us

- napięcie na szynach zbiorczych podczas samorozruchu silników (0,3 – 0,6) Un,

Uz

- największa wartość napięcia zwarcia, przy zwarciu na końcu odcinka o największej

impedancji, przyłączonego do szyn zbiorczych zasilanych przez transformator,

kb

- współczynnik bezpieczeństwa (1,1 – 1,3),

kp

- współczynnik powrotu przekaźników podnapięciowych,

nu

- przekładnia przekładników napięciowych.

1.2.2. Zastosowanie przekaźników nadnapięciowych

Przekaźniki nadnapięciowe znalazły zastosowanie w następujących układach zabezpieczeń:



zabezpieczenia nadnapięciowe zerowe sieci o małym prądzie zwarcia z ziemią,



zabezpieczenia generatorów od zwarć międzyzwojowych,



zabezpieczenia generatorów od pojedynczych zwarć doziemnych w obwodzie wzbudzenia,



zabezpieczenia hydrogeneratorów od podwyższenia napięcia w uzwojeniu stojana,



układy Samoczynnego Załączenia Rezerwy.

W zabezpieczeniach nadnapięciowych zerowych linii średniego napięcia, wspólny dla całej sieci układ

kontroli izolacji oparty jest na pomiarze składowej zerowej napięcia (rys. 5). W czasie normalnej pracy napięcie
U

ab

= 0 (uchyby przekładni oraz trzecia harmoniczna napięcia są pomijane).

6

Rys. 4.5 Schemat układu kontroli stanu izolacji sieci

Przy doziemieniu napięcie Uab osiąga wartość:

ut

f

ut

ab

n

U

n

U

U

3

3

0





(7)

gdzie:

n

ut

- przekładnia przekładników napięciowych odniesiona do układu otwartego trójkąta.

Zasada zabezpieczania generatorów od zwarć międzyzwojowych oparta jest na pomiarze napięcia miedzy

sztucznym punktem zerowym uzwojeń pierwotnych przekładników napięciowych oraz oraz punktem zerowym
uzwojeń generatora (rys. 6). W przypadku zwarć zwojowych pojawia się napięcie w obwodzie otwartego trójkąta
przekładników napięciowych, a więc i na zaciskach przekaźnika nadnapięciowego.

Rys. 6. Zabezpieczenie od zwarć międzyfazowych generatora

Zabezpieczenie hydrogeneratora od podwyższenia napięcia w uzwojeniu stojana realizowane jest jako

nadnapięciowe zwłoczne, włączone na napięcia międzyprzewodowe. Zwłoka czasowa zabezpieczenia
przyjmowana jest na poziomi 0,5s.

Napięcie rozruchowe zabezpieczenia dobiera się z zależności:





u

n

r

n

U

U

4

,

1

2

,

1





(8)

gdzie: Un

- napięcie znamionowe hydrogeneratora.

W zabezpieczeniu generatora od pojedynczych zwarć doziemnych w obwodzie wzbudzenia przekaźnik

nadnapięciowy jest włączony między dowolny punkt obwodu wzbudzenia i ziemię (rys. 7). W przypadku zwarcia

7

w obwodzie wzbudzenia przekaźnik jest zasilany napięciem występującym między punktem zwarcia, a punktem
przyłączenia przekaźnika do opornika.

Rys. 7.

Schemat układu do kontroli stanu izolacji obwodu wzbudzenia hydrogeneratora:
Wgs – wirnik generatora, Wz - wzbudnica

W układach Samoczynnego Załączenia Rezerwy przekaźniki nadnapięciowe kontrolują napięcie w torze

rezerwowym, aby dopuścić jego załączenie tylko w przypadku, gdy jego wartość umożliwi samorozruch
silników:





U

U

k

U

kr

b

r







(9)

gdzie: Ukr

- napięcie utyku silnika,



U

- spadek napięcia między silnikami i stacją rozdzielczą (miejsce pomiaru), spowodowany
samorozruchem silników,

Kb

- współczynnik bezpieczeństwa (1,05 – 1,1).

2.

Przebieg pomiarów

2.1.

Dane techniczne przekaźników

Na podstawie tabliczki znamionowej i dokumentacji techniczno-ruchowej należy określić znamionowe dane

techniczne przekaźnika: typ, napięcie znamionowe, zakres napięć nastawczych, klasa.

2.2.

Wyznaczanie napięcia rozruchu i powrotu

Pomiary należy przeprowadzić w układzie, którego schemat przedstawiono na rys. 8.

8

Rys. 8. Schemat układu pomiarowego do sprawdzania zabezpieczenia napięciowego RET-410

2.2.1. Badanie członu nadnapięciowego

Przed przystąpieniem do pomiarów należy nastawić odpowiednio:
- czasy t1 = 0s, t2 = 0s;
- napięcie U1=10V;
- napięcie U2 = właściwą wartość pomiarową (z przedziału 15V .. 90V).

Regulując od zera wartość napięcia przy pomocy autotransformatora osiąga się napięcie, przy którym

następuje wejście w stan normalnej pracy (zapalona kontrolka czerwona).

Dalsze zwiększanie napięcia, powyżej napięcia nastawionego, powoduje przełączenie odpowiednich

przekaźników oraz zapalenie się kontrolki (U>U2) i wyłącznie kontrolki (U1<U<U2). Wartość napięcia, przy
którym to następuje jest napięciem rozruchu przekaźnika.

Następnie obniżając napięcie pomiarowe do wartości, przy której następuje przełączenie zestyków oraz

zapalenie kontrolki (U1<U<U2) otrzymuje się napięcie powrotu przekaźnika.

Pomiary należy powtórzyć trzykrotnie dla każdej nastawianej wartości rozruchowej przekaźnika, wyniki

zestawić w tabl. 1.

Na podstawie pomiarów należy określić wartości współczynnika powrotu przekaźnika ze wzoru (1) oraz

wartości uchybu względnego podziałki członu nadpradowego:

%

100

nast

nast

r

I

I

I

I







(10)

i rozrzutu względnego wartości rozruchowej:

%

100

min

max

1

nast

r

r

I

I

I

r





(11)

9

Tabl. 1. Wyniki pomiarów sprawdzających przekaźnika nadnapięciowego

Dane przekaźnika:

Typ

Nr fabr.

Un

zakres

Unast

Ur

Ur śr

Up

Up śr

kp

r



U

V

V

V

V

V

-

%

%

2.2.2. Badanie członu podnapięciowego

Przed przystąpieniem do pomiarów należy nastawić odpowiednio:
- czasy t1 = 0s, t2 = 0s;
- napięcie U2=90V;
- napięcie U1 = właściwą wartość pomiarową (z przedziału 10V .. 85V).

Regulując od zera wartość napięcia przy pomocy autotransformatora osiąga się napięcie, przy którym

następuje wejście w stan normalnej pracy (zapalona kontrolka czerwona) (U1<U<U2).

Zmniejszając napięcie, powyżej napięcia nastawionego U1, następuje pobudzenie przekaźnika, a w

konsekwencji przełączenie odpowiednich przekaźników oraz zapalenie się kontrolki (U<U1) i wyłącznie
kontrolki (U1<U<U2). Wartość napięcia, przy którym to następuje jest napięciem rozruchu przekaźnika.

Następnie zwiększając napięcie pomiarowe do wartości, przy której następuje przełączenie zestyków

oraz zapalenie kontrolki (U1<U<U2) otrzymuje się napięcie powrotu przekaźnika.

Pomiary należy powtórzyć trzykrotnie dla każdej nastawianej wartości rozruchowej przekaźnika, wyniki

zestawić w tabl. 1.

2.3.

Pomiar czasu zadziałania

Pomiaru czasu zadziałana dokonuje się w układzie z rys. 8.

Pomiary przeprowadzamy dla wskazanych przez prowadzącego ćwiczenie nastawień na podziałce

czasowej. Napięcie w obwodzie pomiarowym ustalić przed pomiarami na wartość o 10V wyższą od wartości
nastawionej U1 w przypadku badania zabezpieczenia podnapięciowego lub o 10V niższą od nastawionej
wartości rozruchowej U2. Czas należy mierzyć od momentu wyłączenia obwodu napięciowego w przypadku
badania zabezpieczenia podnapięciowego lub po załączeniu dodatkowego napięcia dla zabezpieczenia
nadnapięciowego - do zamknięcia (otwarcia) zestyku zwłocznego. Dla każdego nastawienia pomiar wykonać
trzykrotnie, a wartości średnie zestawić w tabl. 2.
Na tej podstawie wyznaczyć uchyb względny podziałki członu czasowego:

%

100

nast

nast

zadz

t

t

t

t







(12)

oraz rozrzut względny:

%

100

min

max

1

nast

r

r

t

t

t

r





(13)

10

Tabl. 2. Wyniki pomiarów sprawdzających podziałkę czasową przekaźnika napięciowego

Dane przekaźnika:

Typ:

Nr fabr.

Nastawienia:

Unast

Uzw

Lp.

t

nast

t

zadz

t

śr



t

r

t

-

s

s

s

%

%

3.

Sprawozdanie z ćwiczenia

Sprawozdanie z ćwiczenia winno zawierać:

a) Dane techniczne badanych przekaźników oraz uwagi o ich stanie mechanicznym i elektrycznym.
b) Schematy układów pomiarowych.
c) Wyniki pomiarów przekaźników zestawione w tablicach.
d) Dyskusję otrzymanych wyników i wnioski.