а) Принцип действия. Долговечность энергетического оборудования в значительной степени зависит от перегрузок, которым оно подвергается во время работы. Для любого объекта можно найти зависимость допустимой длительности протекания тока от его значения, при котором обеспечивается надежная и длительная его эксплуатация (кривая / на рис. 9.13). При номинальном токе допустимая длительность его протекания стремится к бесконечности. Протекание тока, превышающего номинальный, приводит к дополнительному повышению температуры и дополнительному старению изоляции. Поэтому чем больше ток перегрузки, тем меньше должна быть ее длительность. Кривая / на рис. 9.13 устанавливается исходя из необходимого срока службы оборудования. Чем меньше срок службы, тем большие перегрузки допустимы.
Для защиты энергетического оборудования от токовых перегрузок широко распространены тепловые реле с биметаллическим элементом.
Очевидно, что в идеальном случае зависимость tcp{I) для реле, защиты должна идти чуть ниже кривой / на рис. 9.13.
Биметаллический элемент состоит из двух пластин с различным коэффициентом линейного расширения а. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены за счет проката в горячем состоянии, либо сваркой. Если такой элемент закрепить неподвижно и нагреть, то произойдет его изгиб в сторону материала с меньшим а.

Рис. 9.13. Времятоковые характеристики теплового реле и защищаемого объекта

Широкое распространение в тепловых реле получили такие материалы, как инвар (малое значение а) и хромоникелевая сталь (большое значение а).
Для получения большего прогиба необходим элемент большой длины и малой толщины. В то же время при необходимости получения большого усилия целесообразно иметь широкий элемент с малой длиной и большой толщиной.
При работе в компонентах биметаллической пластины возникают напряжения сжатия и растяжения, которые не должны превышать допустимых значений.
Нагрев биметаллического элемента может производиться за счет тепла, выделяемого током нагрузки в самой пластине или в специальном нагревателе. Лучшие характеристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет проходящего через нее тока, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, обтекаемым тем же током нагрузки.
Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). До начала перегрузки через биметаллическую пластину протекает ток /о, который нагревает ее до температуры в0.

Из-за инерционности теплового процесса тепловые реле, имеющие такой биметаллический элемент, непригодны для защиты цепей от КЗ. Нагревательные элементы в данном случае могут перегореть до срабатывания реле. Поэтому защита с помощью таких реле должна быть дополнена электромагнитными реле, предохранителями или автоматическими выключателями.
Для оценки эффективности защиты строятся времятоковые характеристики защищаемого объекта и биметаллического элемента теплового реле. Для построения этих характеристик, называемых защитными, используются паспортные или расчетные данные. Ток /ср реле составляет (1,2-г-1,3) /ном- Защитные характеристики биметаллического элемента строятся для е —О и е=1. При правильном выборе реле времятоковая характеристика при е = 0 должна проходить вблизи и ниже характеристики защищаемого объекта. Тогда при предварительном подогреве номинальным током реле обеспечивает надежную защиту. На рис. 9.13 представлены времятоковые характеристики двигателя (кривая /) и двух тепловых реле с различными токами срабатывания. У одного реле (кривая 2) ток срабатывания равен номинальному току двигателя, у другого на 20 % больше (кривая 3). Лучшее согласование характеристик реле и двигателя во втором случае.
Необходимо отметить, что постоянная времени нагрева защищаемого объекта (например, двигателя) зависит от длительности перегрузки. При кратковременных перегрузках в нагреве участвует только обмотка двигателя и постоянная времени невелика (5—10 мин) ввиду относительно малой массы обмотки. При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса двигателя. Постоянная времени нагрева для мощных двигателей — 40—60 мин. Для совершенной защиты необходимо, чтобы постоянная времени нагрева реле была такой же, как и у защищаемого объекта. Это удается в том случае, если реле разрабатывается для защиты конкретного двигателя. На практике разработка теплового реле для каждого типа двигателя нецелесообразна и одно и то же реле используется для защиты 'двигателей различной конструкции. При этом обеспечить надежную защиту во всем диапазоне перегрузок не удается.
Для быстродействующей защиты объекта и реле целесообразно биметаллический элемент объединять с электромагнитным, имеющим большой ток срабатывания при малом времени срабатывания.
Номинальный ток реле выбирается равным номинальному току защищаемого объекта. Срабатывание реле происходит при (1,2-г-1,3) /ном. Время срабатывания 20 мин.
Температура биметаллического элемента зависит от температуры окружающей среды, с ростом которой ток срабатывания реле уменьшается.

При температуре окружающей среды G, сильно отличающейся от номинальной, необходимы либо дополнительная (плавная) регулировка реле, либо подбор нагревательного элемента с учетом этой температуры. Для того чтобы температура окружающей среды меньше влияла на ток срабатывания, значение вср необходимо выбирать возможно большим Тепловые реле желательно располагать в одном помещении с защищаемым объектом Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла — нагревательных печей, систем отопления и т. д Эти ограничения не относятся к реле с температурной компенсацией
б) Конструкция тепловых реле. Любые тепловые воздействия инерционны по своей природе, и прогиб биметаллической пластины происходит медленно Если с пластиной непосредственно связать подвижный контакт, то малая скорость его движения не обеспечивает гашение дуги при отключении цепи Поэтому воздействие пластины на контакт передается, как правило, через ускоряющие устройства, наиболее совершенным из которых является «прыгающий» контакт (рис 9 15) В холодном состоянии биметаллическая пластина 3 занимает крайнее левое положение Пружина / создает силу Р, которая замыкает контакты 2 При нагреве пластины 3 она изгибается вправо (по стрелке) В момент, когда пластина 3 направлена на центр 0, пружина 1 развивает максимальную силу При дальнейшем нагреве пружина / быстро переходит В крайнее правое положение и контакты 2 размыкаются с большой скоростью, обеспечивая надежное гашение дуги
Современные контакторы и магнитные пускатели комплектуются с однофазными (ТРП) или двухфазными (ТРИ) тепловыми реле Реле ТРП (рис. 9 16) имеет комбинированную систему нагрева Биметаллическая пластина ! нагревается как за счет прохождения через нее тока, так и за счет нагревателя 5 При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 3 Реле Допускает плавную ручную регулировку тока срабатывания в пределах ±25 % номинального тока уставки. Эта регулировка осуществляется ручкой 2, меняющей первоначальную деформацию биметаллической пластины. Возврат реле в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 4. Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла. Высокая температура срабатывания (выше 200 °С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды. Уставка меняется на 5 % при изменении температуры окружающей среды на 10 °С. Реле обладает высокой ударо- и вибростойкостыо.

Рис. 9.15. Прыгающий контакт теплового реле
Рис. 9.16. Однофазное тепловое реле ТРП