Реле контроля фаз ЕЛ-11,12,13 Артефакт истории или взгляд в будущее? Евгений Васин, инженер-конструктор релейной техники, ЗАО «Меандр», г. Санкт-Петербург

Проблема защиты электрооборудования от некачественного напряжения в сети существует практически на любом предприятии, особенно при работе от источников трёхфазного напряжения. Кроме снижения и повышения напряжения на всех трёх фазах, существенную опасность представляет так называемый «перекос фаз» – случай, когда напряжения на фазах имеют разную величину, что приводит к перегреву обмоток двигателей или трансформаторов и выходу их из строя. Очень часто встречается и обрыв одной фазы.
Во многих случаях для нормальной работы оборудования требуется строго определённый порядок чередования фаз питающего напряжения. Иногда в результате аварии в цепи питания может возникнуть ситуация, когда все три фазы имеют напряжение 220 В относительно земли, но при этом две из них замкнуты между собой (т.н. «слипание» фаз). Работа оборудования при таком напряжении приведёт к выходу его из строя.
Для защиты оборудования от таких случаев выпускается большое количество различных реле контроля напряжения (реле контроля фаз, мониторы напряжения).
Наиболее распространенными импортными реле являются SQZ3, С556, СМ-PVN концерна АВВ, TPW400VSN4X, TPF400S4X компании TeleControl, EFN, PBN фирмы Entrelec и др.
Самыми массово применяемыми отечественными реле контроля фаз для работы в сетях с изолированной нейтралью являются реле серии ЕЛ – ЕЛ-11, ЕЛ-12 и ЕЛ-13. Они были разработаны около 30 лет назад КБ «Ритм» Киевского «НПО реле и автоматика». Удачно выбранные пороги срабатывания и минимум регулировок, а также полное отсутствие альтернативы, способствовали широкому распространению этих реле. Практически без изменений они производятся и до сих пор.
Некоторые заводы выпускают эти реле в первозданном виде со всеми их достоинствами и недостатками. Другие компании предлагают улучшенные модели с цифровой обработкой сигнала, дополнительными функциями контроля, регулировками, повышенной надежностью.

Достоинства реле ЕЛ
Реле ЕЛ-11, ЕЛ-12 и ЕЛ-13 предназначены для контроля полнофазности сетевого напряжения, порядка чередования фаз, снижения напряжения и могут использоваться в схемах автоматического управления и защиты от недопустимой асимметрии фазных напряжений и работы на двух фазах.
Несмотря на огромный выбор импортных приборов на российском рынке, реле серии ЕЛ остаются популярными в первую очередь, из-за своей низкой цены, которая составляет 20–25 USD. Минимальная стоимость реле зарубежного производства – 50 USD, а максимальная – до 250 USD, что в условиях финансовой нестабильности многих российских промышленных предприятий является препятствием для применения импортной продукции.
Кроме того, некоторые зарубежные реле требуют для работы отдельного напряжения питания (так называемого напряжения «оперативного питания»), что усложняет схему их подключения и ограничивает область применения. При этом питание реле серии ЕЛ осуществляется от контролируемой сети.
Ещё одним аргументом в пользу применения отечественных реле служит диапазон рабочих температур. У импортных реле он редко бывает ниже минус 25оС, у наших, как правило, до минус 40оС. В российских климатических условиях это немаловажный фактор.
Не всегда импортные приборы рассчитаны на работу в тяжелых условиях. Например, большие трудности возникают при контроле сетевого напряжения в метрополитене и на железных дорогах. Движение электропоезда сопровождается появлением большого количества нелинейных искажений сетевого напряжения в смежных электросетях (рис. 1). Не лучше обстоит дело и в металлургическом производстве (рис. 2). Наблюдались случаи, когда дорогие импортные реле контроля (даже известных фирм) при использовании в таких сетях работали нестабильно или просто отказывались работать. Отечественные реле, изначально разработанные для наших сетей, как правило, работают в таких условиях более устойчиво.

Рис. 1

Рис. 2

Выявленные недостатки реле ЕЛ
Изначально у всех реле серии ЕЛ недостатком являлось большое тепловыделение и, как следствие, низкая надёжность. При плотной установке в шкафу и плохой вентиляции реле быстро выходили из строя. Так, у старых киевских реле на напряжение 380 В потребляемая мощность при номинальном напряжении была порядка 5 Вт. Современные реле потребляют около 3 Вт, а некоторые даже менее 2 Вт, что значительно повысило их надёжность.
Другим существенным недостатком всех реле серии ЕЛ с аналоговой обработкой сигнала можно считать некорректность работы реле при включении в аварийном режиме. К сожалению, в сопроводительной документации многих заводов-производителей это никак не отражено. Между тем реле дают ложное включение на установленное время задержки при подаче на него пониженного или повышенного напряжения. Казалось бы, это довольно безобидная ситуация. Но, к примеру, при использовании на кругловязальной машине такого реле авария неизбежна, т. к. даже одной-двух секунд вращения в обратную сторону достаточно для поломки всех игл (от 500 до 2000 шт. в зависимости от типа машины). Поэтому при эксплуатации таких машин действуют по старинке: после подключения машины или ремонта силового кабеля снимают приводной ремень, включают двигатель и смотрят, в какую сторону он вращается. Отметим, что указанного недостатка лишены реле с цифровой обработкой сигнала.
Приведем трагический пример недостатка реле с аналоговой обработкой сигнала. Дерево упало на ЛЭП и оборвало два провода. Провода упали на землю друг на друга, произошло так называемое «слипание» фаз. Автоматика не отключила напряжение и в результате погиб человек. В качестве защитного реле применялось реле ЕЛ-11. Электротехническая лаборатория эксплуатирующей организации, в чьём ведении находилась ЛЭП, провела сравнительные испытания реле ЕЛ-11 разных производителей. Были получены следующие результаты:

• при включении реле на номинальное напряжение с последующей имитацией различных видов аварий сетевого напряжения, оговоренных в сопроводительной документации, все реле работали точно в соответствии с документацией;
• при включении реле на номинальное напряжение с последующей имитацией «слипания» фаз (эта ситуация в документации не оговорена), реле, кроме приборов с цифровой обработкой сигнала, в большинстве случаев не отключаются, что и привело к трагическим последствиям;
• при включении реле на напряжение с оборванной фазой, или обратным порядком чередования фаз, или при «слипшихся» фазах, или при заниженном напряжении, все реле, кроме производимых ЗАО «Меандр», включали исполнительное реле на установленное время задержки и только после этого отключали его, обнаружив аварию сетевого напряжения.

Области применения реле ЕЛ
Несмотря на то, что все реле серии ЕЛ контролируют полнофазность напряжения, они имеют разные области применения: ЕЛ-11 предназначено для контроля уровня напряжения, ЕЛ-12 – для контроля порядка чередования фаз и асимметрии напряжения (перекоса фаз), ЕЛ-13 – для контроля асимметрии напряжения без контроля чередования. Некоторые сферы применения:
Реле ЕЛ-11 используется для защиты источников питания, генераторов, а также в качестве приборов контроля в системах АВР и пр.

Реле ЕЛ-12 применяется для защиты мощных асинхронных электродвигателей, работающих в нереверсивном режиме.
К сожалению, в документации на это реле у большинства производителей указан порог срабатывания при снижении напряжения одной из фаз при номинальном напряжении двух других, что не позволяет полностью судить о том, как работает реле. Экспериментальным путем было установлено, что фактически оно срабатывает при асимметрии напряжений более 15–18%.
При обрыве одной из фаз некоторые типы двигателей генерируют напряжение (т.н. напряжение рекуперации) на оборванную фазу. Амплитуда напряжения может достигать 95% от напряжения на других фазах (в зависимости от типа двигателя и условий его работы). Реле ЕЛ-12 с цифровой обработкой сигнала имеют регулировку допустимого значения асимметрии в пределах от 5 до 20% линейного напряжения, что позволяет остановить двигатель при обрыве фазы. При этом реле не будет реагировать на симметричное проседание напряжения при пуске двигателя. Ещё одним плюсом таких реле является наличие минимального порога включения. Реле включится, только если напряжение в сети будет не ниже 70% номинального значения. Это особенно актуально для двигателей насосов, компрессоров и пр., где момент на валу не зависит от скорости вращения.
Реле ЕЛ-13 используется для защиты мощных электродвигателей, работающих в реверсивном режиме. Контролируемые параметры практически те же, что у ЕЛ-12, кроме контроля чередования фаз.
Реле выпускаются с разным временем срабатывания – 0,1 с, 0,15 с и 0,5 с, а также с регулировкой задержки от 0,1 до 10 с. Эти реле могут применяться для защиты от падения груза и стрелы на подъёмных кранах при обрыве одной или двух фаз питающей сети. В соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов», эти механизмы должны быть оснащены устройствами контроля, обеспечивающими включение режима торможения при аварии питающей сети. Этим требованиям отвечают реле ЕЛ-13 производства киевского «НПО реле и автоматики» и московского ООО «Реле и автоматика», ЕЛ-13М петербургского ЗАО «Завод СТС», ЕЛ-13М-10-01 и ЕЛ-13М-11-01 компании «Меандр». Реле с увеличенным временем срабатывания (0,5 с) применяется на кранах, где возможно кратковременное исчезновение питающего напряжения при переходе токосъёмника с одного троллея на другой для исключения ложных срабатываний. Для исключения человеческого фактора применять для этих целей реле с регулировкой времени срабатывания не рекомендуется.
Выпускается также модификация реле с регулировкой времени срабатывания и регулировкой порога срабатывания по напряжению ЕЛ-13М-5-01. Регулятор времени реакции позволяет установить желаемое значение от 0,1 до 10 секунд, чтобы избежать ложных срабатываний при наличии кратковременных возмущений в сети.

О новых моделях
Несколько слов о моделях реле типа ЕЛ с расширенным набором функций. Все реле производства ЗАО «Меандр» имеют контроль перенапряжения на уровне 1,3 U_ном. Реле ЕЛ12М-5-01 и ЕЛ13М-5-01 имеют дополнительно порог включения реле на уровне 0,7 Uном для защиты электродвигателей от пуска при заниженном напряжении, а реле ЕЛ12М-6-01 и ЕЛ13М-6-01 – ещё и задержку повторного включения 6 мин. Эти реле предназначены для защиты электродвигателей компрессоров, холодильников, кондиционеров и пр., где частые повторные включения нежелательны.

В заключение хотелось бы отметить следующее. Эволюция реле серии ЕЛ, а именно:

• применение современных микроконтроллеров с аналого-цифровой обработкой сигналов;
• избавление от врождённых пороков;
• появление дополнительных функций и регулировок, ставит эти реле по своим характеристикам и надёжности в один ряд с реле контроля мировых лидеров, таких, как ABB, Siemens, Turk, Crouzet и пр.

Таблица: Сравнительные характеристики реле контроля фаз различных производителей

• U_н – номинальное напряжение,
• U_фн – фазное номинальное напряжение,
• U_лн – линейное номинальное напряжение

• * н/н – не нормируется,
• ** данные получены экспериментально для реле на 380 В при номинальном напряжении

Производители:

1. «НПО реле и автоматики», г. Киев
2. ЗАО «Завод СТС», г. Санкт Петербург
3. ООО «Реле и автоматика», г. Москва
4. ЗАО «Меандр», г. Санкт-Петербург
5. ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары