A védelmi relé: típusok és alkalmazás lakossági villamos hálózatokban

Mi az a relé — az alapelv

Az elektromos relé elektromágnesesen vezérelt kapcsoló: egy kis áram (vezérlőáram) működtet egy tekercset, amely mágneses teret hoz létre, ez pedig megmozgat egy fém horgonyt, amely egy teljesítményáramkör (nagy áram) érintkezőit nyitja vagy zárja.

A relé alapvető értéke a vezérlő- és a teljesítményáramkör közötti galvanikus leválasztás — egy 12V DC-s érzékelő úgy tud kapcsolni egy 230V AC-s áramkört, hogy semmilyen közvetlen villamos kapcsolat sincs köztük.

A modern relék sokféle típusúak: elektromechanikusak (tekercs + fizikai horgony), statikusak (félvezetőkkel) és numerikus/digitálisak (mikroprocesszorral). Lakossági alkalmazásban a leggyakoribbak az elektromechanikus és a komparátoros statikus relék.

1. A feszültségrelé (UV/OV relé)

A feszültségrelé figyeli a hálózati feszültséget, és lekapcsolja a terhelést, amikor a feszültség kilép egy beállítható sávból (jellemzően a 230V névleges érték ±10%-a, azaz 207–253V az EN 50160 szerint).

Mi ellen véd konkrétan:

• Aláfeszültség (brownout) — a villanymotorok (szivattyúk, légkondi kompresszorok) túlmelegednek, ha csökkentett feszültségen üzemelnek: az áram 1/U szerint nő, a hő pedig I² szerint
• Túlfeszültség — az elektronikus berendezések és a LED-ek érzékenyek; egy 10%-os túlfeszültség drámaian csökkentheti az élettartamot, vagy tönkreteheti a berendezést
• Feszültség-visszatérés áramszünet után — a késleltetéssel rendelkező relé (jellemzően 3–15 másodperc) megvédi a légkondi kompresszorait a korai újraindulástól, mielőtt a nyomás kiegyenlítődne

2. A fázisfigyelő relé (háromfázisú)

A lakossági háromfázisú hálózatoknál (szivattyúk, nagy klímaközpontok, műhelyek) a fázisfigyelő relé egyszerre ellenőrzi mindhárom fázist, és kiold minden olyan rendellenességnél, amely károsíthatja a motorokat.

A leggyakoribb meghibásodások, amelyeket megelőz:

• Fáziskiesés (phase loss) — a legveszélyesebb forgatókönyv: a háromfázisú motor 2 fázison próbál járni, az áram a normál 1,7–2-szeresére nő, a tekercselés percek alatt kiég
• Hibás sorrend (fázisfordulás) — a kötött forgásirányú motorok (szivattyúk, felvonók, centrifugális ventilátorok) mechanikailag eltörhetnek vagy elárasztanak, ha fordított irányban járnak
• Feszültség-aszimmetria — a feszültségek 3–5%-os kiegyensúlyozatlansága 15–25%-os áram-kiegyensúlyozatlanságot okoz (a motor kis impedanciája miatt), ami túlmelegíti a tekercselést

3. A hővédelmi relé (motortúlterhelés)

A hővédelmi relé a villanymotorok tartós túlterhelés elleni védelmére szolgál. Az MCB-vel ellentétben a hővédelmi relé beállítható (potméterrel), és olyan áram-idő jelleggörbéje van, amely közelebb áll a védett motor hőjelleggörbéjéhez.

Ugyanazon az elven működik, mint az MCB ikerfém csíkja, de nagy áramokra méretezve és finomszabályozással. Lakossági környezetben a következőknél fordul elő:

• Medence- vagy öntözőszivattyúk (0,5–2,2 kW-os motorok)
• Automata kapuk és garázsautomatika motorjai
• Ipari ventilátorok műhelyekben vagy üvegházakban
• Háztartási célú légkompresszorok

Relé vs. MCB — a lényeges különbség

Az MCB a vezetőket és az áramkört védi — kiold, amikor az áram meghaladja a kábel hőterhelhetőségét. A védelmi relé a csatlakoztatott berendezést védi — kiold, amikor a berendezés üzemi paraméterei (feszültség, fázisegyensúly, hőmérséklet) kilépnek a normál üzemi sávból.

Egy motor évekig járhat az MCB határa alatti árammal, de enyhén kiegyensúlyozatlan feszültséggel — és fokozatosan kiég anélkül, hogy az MCB bármilyen problémát érzékelne. A védelmi relé érzékeli.

A numerikus/digitális relé

A modern védelmi relék valójában kis mikroprocesszorok, amelyek valós időben mérik a villamos paramétereket, és beállítható algoritmusokat alkalmaznak. Az elektromechanikusakhoz képest:

• Digitálisan beállítható küszöbértékek (nem potméter)
• Eltárolják az utolsó N kioldást időbélyeggel és okkal
• RS485/Modbus kommunikáció az automatizálási és otthonautomatizálási rendszerekkel
• Több funkció ugyanabban a házban (feszültség + fázisok + frekvencia + teljesítmény)

A többfunkciós relé — egyetlen modul, az összes védelem

Lakossági környezetben ma már nem az egyfunkciós relé az uralkodó forma, hanem a többfunkciós védelmi és felügyeleti relé (0. és 4. ábra): egy 1–2 modulszélességű egység, amely az összes fent leírt funkciót egy házban egyesíti.

Cél és szerep a hálózatban: folyamatosan felügyeli a feszültséget, az áramot és (a háromfázisú modelleknél) a fázisegyensúlyt, összehasonlítja a mért értékeket az állítható küszöbértékekkel, és túllépéskor egy kimeneti érintkezőn keresztül (jellemzően 40–63 A-ig) vezérli a terhelés lekapcsolását — közvetlenül vagy mágneskapcsolón keresztül. Gyakorlatilag külön relék sorát (feszültség + fázisok + hővédelem) helyettesíti egyetlen készülékkel, amely:

• Méri folyamatosan az U-t, I-t, P-t és a teljesítménytényezőt — és megjeleníti az előlapi LED-en
• Véd alá-/túlfeszültség (UVP/OVP), hőtúlterhelés (OTP), fáziskiesés és hibás fázissorrend, minimális/maximális teljesítmény és szivárgóáram ellen (külső toroid áramváltóval)
• Késlelteti a visszakapcsolást a paraméterekbe való visszatérés után (megvédi a kompresszorokat és szivattyúkat a korai újraindulástól)
• Eltárolja az eseményeket, és az USB/Modbus modelleknél jelenti azokat az automatizálás felé

Egy Modbus kommunikációval rendelkező numerikus relé költsége (50–150 EUR) indokolt a napelemes rendszerrel, tartalék áramfejlesztővel vagy összetett műszaki rendszerekkel rendelkező házak esetében.

Szabványos hivatkozás

Az I7-2011-ben a relé nem önálló „védőkészülékként" jelenik meg (mint az MCB/RCCB), hanem funkcionális vezérlő- (kapcsoló-) készülékként, amelyet az 5.3.4.5 alfejezet — „Leválasztó (szakaszoló), kapcsoló és vezérlő készülékek" — tárgyal. Ott az 5.3.4.5.3.2 b) cikk kifejezetten megnevezi a funkcionális kapcsolás eszközei között:

„[…] a funkcionális kapcsolás megvalósítható kapcsolók, félvezető eszközök, mágneskapcsolók, relék, legfeljebb 16 A névleges áramú dugaszolóaljzatok révén."— I7-2011, 5.3.4.5.3.2 b) cikk

E készülékek szerepét az 5.3.4.5.0.1 cikk határozza meg: a „leválasztás (szakaszolás), kapcsolás és nem automatikus vezérlés […] intézkedéseit a személyek sérülésveszélyének vagy a villamos berendezések károsodásának (tönkremenetelének) megelőzése vagy elkerülése céljából alkalmazzák" — pontosan ez a védelmi relé funkciója: nem a kábelt védi, hanem a berendezést.

Azt, hogy a relé ténylegesen hogyan vezérli a lekapcsolást, az 5.3.4.5.2.4 cikk írja le:

„A megszakítók, mágneskapcsolók stb. távolról nyithatók a tekercs kioldóáramkörében ható nyomógombbal (kapcsolóval)."— I7-2011, 5.3.4.5.2.4 cikk

Más szóval a relé maga nem szakítja meg a teljesítményáramkört, hanem egy mágneskapcsoló tekercsét vezérli — a fenti keretben látható séma. A védelmi relék termékszabványai az IEC 60255 sorozatból származnak, a generátorok és napelemes rendszerek feszültségrelé pedig emellett teljesítik a hálózati csatlakozás követelményeit (EN 50549).