Защитното реле: типове и приложение в жилищни инсталации

Какво е реле — основният принцип

Електрическото реле е електромагнитно управляван превключвател: малък ток (управляващ ток) възбужда бобина, която създава магнитно поле, а то на свой ред движи метална котва, която отваря или затваря контактите на силова верига (голям ток).

Основната стойност на релето е галваничното разделяне между управляващата и силовата верига — датчик на 12V DC може да превключи верига 230V AC без никаква пряка електрическа връзка.

Съвременните релета са от много типове: електромеханични (бобина + физическа котва), статични (с полупроводници) и цифрови/числови (с микропроцесор). В жилищните приложения най-чести са електромеханичните и статичните с компаратор.

1. Релето за напрежение (реле UV/OV)

Релето за напрежение наблюдава мрежовото напрежение и изключва товара, когато напрежението излезе от конфигурируема лента (по правило ±10% спрямо номиналните 230V, тоест 207–253V съгласно EN 50160).

Срещу какво защитава конкретно:

• Поднапрежение (brownout) — електродвигателите (помпи, компресори на климатици) прегряват при работа на намалено напрежение: токът нараства като 1/U, а топлината като I²
• Свръхнапрежение — електронните устройства и LED са чувствителни; свръхнапрежение от 10% може драстично да съкрати живота или да унищожи устройствата
• Връщане на напрежението след прекъсване — релето със закъснение (типично 3–15 секунди) защитава компресорите на климатиците от преждевременно повторно стартиране, преди налягането да се изравни

2. Релето за контрол на фазите (трифазно)

За жилищните трифазни инсталации (помпи, големи климатични централи, работилници) релето за контрол на фазите проверява едновременно и трите фази и задейства при всяка аномалия, която може да повреди двигателите.

Най-честите повреди, които предотвратява:

• Липса на фаза (phase loss) — най-опасният сценарий: трифазният двигател се опитва да работи на 2 фази, токът нараства до 1,7–2× нормалния, намотката изгаря за минути
• Грешна последователност (разместване на фазите) — двигателите със зададена посока (помпи, асансьори, центробежни вентилатори) могат да се счупят механично или да предизвикат наводнение, ако работят в обратна посока
• Асиметрия на напреженията — дисбаланс от 3–5% в напреженията поражда дисбаланс от 15–25% в токовете (поради ниския импеданс на двигателя), което прегрява намотката

3. Термичното реле (претоварване на двигателя)

Термичното реле е предназначено за защита на електродвигателите от продължителни претоварвания. За разлика от MCB, термичното реле е настройваемо (потенциометър) и има токово-времева характеристика, по-близка до термичната на защитавания двигател.

Работи на същия принцип като биметала в MCB, но оразмерено за големи токове и с фина настройка. В жилищна среда се среща при:

• Басейнови или поливни помпи (двигатели 0,5–2,2 kW)
• Двигатели за автоматични врати и гаражна автоматизация
• Промишлени вентилатори в работилници или оранжерии
• Въздушни компресори за домашна употреба

Реле vs. MCB — съществената разлика

MCB защитава проводниците и веригата — задейства, когато токът надхвърли термичната товароносимост на кабела. Защитното реле защитава свързаното съоръжение — задейства, когато работните параметри на съоръжението (напрежение, баланс на фазите, температура) излязат от нормалната работна лента.

Един двигател може да работи години наред с ток под лимита на MCB, но с леко небалансирано напрежение — и постепенно ще изгори, без MCB да усети какъвто и да е проблем. Защитното реле го усеща.

Цифровото/числовото реле

Съвременните защитни релета всъщност са малки микропроцесори, които измерват в реално време електрическите параметри и прилагат конфигурируеми алгоритми. Спрямо електромеханичните:

• Цифрово конфигурируеми прагове (не потенциометър)
• Запаметяват последните N задействания с времеви печат и причина
• Комуникация RS485/Modbus със системите за автоматизация и домашна автоматизация
• Множество функции в едно и също тяло (напрежение + фази + честота + мощност)

Многофункционалното реле — един модул, всички защити

В жилищна среда днес доминиращата форма вече не е релето с една функция, а многофункционалното защитно и наблюдаващо реле (Фиг. 0 и Фиг. 4): модул с ширина 1–2 DIN единици, който интегрира в едно тяло всички описани по-горе функции.

Предназначение и роля в инсталацията: то непрекъснато следи напрежението, тока и (при трифазните модели) баланса на фазите, сравнява измерените стойности с регулируеми прагове и при превишаване управлява изключването на товара чрез изходен контакт (типично до 40–63 A) — пряко или чрез контактор. На практика заменя редица отделни релета (напрежение + фази + термично) с един апарат, който:

• Измерва непрекъснато U, I, P и фактора на мощността — и ги показва на челния LED
• Защитава срещу под-/свръхнапрежение (UVP/OVP), термично претоварване (OTP), липса и грешна последователност на фаза, минимална/максимална мощност и утечни токове (с външен тороид)
• Забавя повторното включване след връщане в параметрите (защитава компресорите и помпите от преждевременни стартирания)
• Запаметява събитията и при моделите с USB/Modbus ги докладва към автоматизацията

Цената на цифрово реле с комуникация Modbus (50–150 EUR) е оправдана за къщи с фотоволтаични системи, резервни генератори или сложни технически инсталации.

Нормативна препратка

В I7-2011 релето не фигурира като самостоятелен „защитен апарат" (като MCB/RCCB), а като устройство за функционално управление (превключване), разгледано в подглава 5.3.4.5 — „Устройства за разделяне (секциониране), превключване и управление". Там Чл. 5.3.4.5.3.2 b) изрично го посочва сред средствата за функционално превключване:

„[…] функционалното превключване може да се осъществи чрез прекъсвачи, полупроводникови устройства, контактори, релета, контакти с номинален ток не повече от 16 A."— I7-2011, Чл. 5.3.4.5.3.2 b)

Ролята на тези устройства е определена в Чл. 5.3.4.5.0.1: мерките за „разделяне (секциониране), превключване и неавтоматично управление […] се използват с цел предотвратяване или избягване на опасностите от нараняване на хора или повреждане (разрушаване) на съоръженията в електрическите инсталации" — точно функцията на защитното реле: то не защитава кабела, а съоръжението.

Начинът, по който релето реално управлява изключването, е описан в Чл. 5.3.4.5.2.4:

„Автоматичните прекъсвачи, контакторите и т.н. се отварят дистанционно чрез бутона (превключвателя), който действа в изключващата верига на бобината."— I7-2011, Чл. 5.3.4.5.2.4

С други думи, релето не прекъсва само силовата верига, а управлява бобината на контактор — схемата в карето по-горе. Продуктовите стандарти за защитните релета са от серията IEC 60255, а релетата за напрежение за генератори и фотоволтаични инсталации допълнително отговарят на изискванията за присъединяване към мрежата (EN 50549).