Лабораторная работа № 9 Изучение характеристик и принципа работы устройств защитного отключения

(2 часа)

Цель работы

Изучение назначения, принципа действия, конструкции и основных технических характеристик устройств защитного отключения (УЗО). Исследование эффективности защиты от поражения электрическим током с использованием устройства защитного отключения.

Оборудование и приборы

1) автоматический выключатель;

2) светодиодный индикатор;

3) 4–х полюсное устройство защитного отключения типа ВД1-63;

4) магнитный пускатель;

5) электродвигатель P=180 Вт;

6) вольтметр;

7) милиамперметр;

8) переключатель фаз “фаза”;

9) переключатель дифференциального тока;

10) кнопка утечки тока “Утечка”;

11) кнопка разрыва нулевого провода;

12) регулятор изменения тока;

13) 2–х полюсное устройство защитного отключения типа ВД1-63;

14) миллиамперметр;

15) лампы нагрузки;

16) переключатель дифференциального тока;

17) милиамперметр.

Общие сведения

Защитное отключение – это высокоэффективная мера, обеспечивающая безопасность людей и животных, зданий и сооружений. Путём быстродействующего отключения (в течение 0,1-0,2 с.) электроустановок в аварийных ситуациях, таких как:

1 – замыкание электропроводов на корпус оборудования или на землю;

2 – утечка тока выше допустимого значения через повреждённую или устаревшую изоляцию проводов;

3 – случайное прикосновение работающего человека к открытым неизолированным токоведущим частям;

4 – внезапное появление в сети более высокого напряжения по сравнению с обычным (номинальным).

Опасность поражения обусловлена напряжением прикосновения или током, проходящим через тело человека

,

где: – сопротивление тела человека, Ом.

Если при прикосновении человека к корпусу оборудования напряжение прикосновения (или ток через человека) превысит допустимые значения, то создается угроза поражения человека током.

Мерой защиты в этом случае служит быстрый разрыв цепи тока через человека, т.е. защитное отключение.

Область применения УЗО практически не ограничена: они могут применяться в сетях любого напряжения и с любым режимом нейтрали (как с изолированной, так и с глухозаземленной нейтралью).

Особенно незаменимы УЗО для ручных электрофицированных инструментов (электродрель, электронаждак, электропила, электрорубанок и т.д.), когда в случае неисправности изоляции, опасность поражения электротоком особенно велика, потому что аварийный инструмент в этот момент находится в руках работающего. УЗО защищают от поражения электротоком не только людей, но и взрывоопасные объекты, предотвращая загорание и взрывы, своевременным отключением неисправной электросети или электроустановки.

Принцип действия

Принцип действия УЗО дифференциального типа основан на применении электромагнитного векторного сумматора токов — дифференциального трансформатора тока.

Сравнение текущих значений двух и более (в четырехполюсных УЗО — 4-х) токов по амплитуде и фазе наиболее эффективно, т.е. с минимальной погрешностью, осуществляется электромагнитным путем — с помощью дифференциального трансформатора тока (рис.1).

Рис. 1. Дифференциальный трансформатор тока

Суммарный магнитный поток в сердечнике — , пропорциональный разности токов в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора, и , наводит во вторичной обмотке трансформатора тока соответствующую эдс, под действием которой в цепи вторичной обмотки протекает ток , также пропорциональный разности первичных токов.

Следует отметить, что к магнитному сердечнику трансформатора тока электромеханического УЗО предъявляются чрезвычайно высокие требования по качеству — высокая чувствительность, линейность характеристики намагничивания, температурная и временная стабильность и т. д.

По этой причине для изготовления сердечников трансформаторов тока, применяемых при производстве УЗО, используется специальное высококачественное аморфное (некристаллическое) железо.

Основные функциональные блоки УЗО представлены на рис. 2.

Рис.2. Основные функциональные блоки и принцип действия УЗО

Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. В абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока. В литературе по вопросам конструирования и применения УЗО этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности - ТТНП, хотя понятие "нулевая последовательность" применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей. Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах. Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока – тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока. Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке, как , а от нагрузки как , то можно записать равенство: . Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки и . Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя. При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки протекает дополнительный ток – ток утечки , являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным). Неравенство токов в первичных обмотках ( – в фазном проводнике) и ( – в нейтральном проводнике) вызывает неравенство магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм –3. Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается. Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки "Тест" искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

Типы УЗО

По условиям функционирования УЗО подразделяются на следующие типы: АС, А, В, S, G.

– УЗО типа АС - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно, либо медленно возрастающий.

– УЗО типа А - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно, либо медленно возрастающие.

– УЗО типа В - устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный дифференциальные токи.

УЗО типа S - устройство защитного отключения, селективное (с выдержкой времени отключения).

УЗО типа G - то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени.

Описание рабочей схемы

Для того, чтобы приступить к работе необходимо ознакомиться с принципиальной схемой стенда (рис. 3). Включить автоматический выключатель SF, который запитывает весь стенд. После включения автоматического выключателя SF вольтметр покажет рабочее напряжение схемы управления и загорится индикаторная лампа HL 1.

Схема стенда работает в двух режимах:

режим – 400 В;

режим – 230 В.

Для проведения работы необходимо переключатель SA 1 поставить в положение "1". Включить элемент УЗО 1.

Нажатием кнопки SB 1 происходит запуск электродвигателя М в качестве нагрузки электроустановки. Регулирование тока нагрузки производится резистором R 1, а переключение фаз производится переключателем SA2.

После проведения работы элемент УЗО 1 выключаем и включаем элемент УЗО 2 который подает напряжение на кнопки включения SB 2, SB 3 нагрузки HL 2, HL3. Регулирование тока нагрузки в этом случае производится резистором R 2, а переключение вида дифференциального тока производится переключателем SA3.

Отключение элементов схемы от сети производится с помощью автоматического выключателя SF.

Рис. 3. Принципиальная схема стенда

Меры по технике безопасности

Общие положения

Лабораторные работы проводятся бригадами численностью не менее 2 – 3 человек.

При проведении работ в лаборатории необходимо руководствоваться требованиями «Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок» (ПОТРМ - 016 - 2001 РД 153 - 34.0 - 03.150 - 00)

Меры безопасности перед началом работы

Убрать со стенда посторонние предметы, не относящиеся к выполнению лабораторной работы.

Проверить исходное состояние органов управления. Автоматический выключатель SF должен быть отключен.

Проверить наличие и исправное состояние заземляющих проводников.

Меры безопасности при выполнении работы

Сборку схем токовых цепей защит, внесение изменений в схемы, ввод и вывод из действия защит необходимо проводить после снятия питания со стенда, т.е. при отключенном выключателе SF.

Запрещается прикасаться к токоведущим частям и контактам, находящимся под напряжением.

При возникновении нештатного режима работы стенда работы немедленно прекратить, выключить выключатель SF и доложить о случившемся преподавателю. Возобновление работы производится после выяснения причины случившегося с разрешения преподавателя. К нештатным режимам прежде всего относятся появление напряжения прикосновения на металлических частях стола, корпусах приборов, возникновения дыма, огня, постороннего шума, запаха горящей изоляции.

При поражении электрическим током находящиеся в лаборатории сотрудники и студенты освобождают пострадавшего от действия электрического тока, оказывают ему первую медицинскую помощь, вызывают врача.

Меры безопасности по окончании работ

Выключить выключатель SF.

Органы управления стендом привести в исходное состояние.

Разобрать схему токовых цепей. Соединительные провода уложить в отведенное место.

Провести уборку рабочего места.

Содержание работы

1. Измерение отключающего дифференциального тока в зависимости от формы дифференциального тока (синусоидального и пульсирующего постоянного).

2. Исследование работоспособности УЗО в электроустановке при утечке тока на землю.

3. Проверка работоспособности УЗО, при обрыве нулевого проводника.

Ход работы

Прежде чем приступить к экспериментальной части работы, необходимо ознакомиться со схемой и устройством установки при выключенном автоматическом выключателе SF (вольтметр не показывает напряжение).

1. Подготовить измерительные приборы для снятия характеристик (выровнять шкалу амперметра):

1.1. Произвести включение автомата SF (вольтметр покажет напряжение 380 В).

1.2. Переключателем фаз "ФАЗА" выбратьфазы A,B или С.

1.3. Включить УЗО 1 в положение "включено";

1.4. Рычаг установить в положение "минимума";

1.5. Кнопкой SB1 включить нагрузку.

1.6. Медленно вращать рычаг в сторону положения "максимума".

1 .7. Записать показания миллиамперметра при срабатывании УЗО 1.

1.8. Установить переключатель SA 1 в положение «обрыв», имитируя тем самым "обрыв нулевого провода" (для работы стенда он должен находиться в положении "ноль");

1.9. Отключить УЗО 1 и возвратить все рычаги в первоначальное положение;

2. Подготовить измерительные приборы для снятия характеристик (выровнять шкалу амперметра):

2.1. Включить УЗО 2 положением "вкл".

2.2. Установить переключатель дифференциального тока SA3 в одно из положений.

2.3. Рычаг устанить в положение "минимума".

2.4. Включить нагрузку кнопками SB2 либо SB3.

2.5. Медленно вращать рычаг в сторону положения "максимума".

2.6. Записываем показания миллиамперметра при срабатывании УЗО 2.

2.7. Отключить и возвратить все рычаги в первоначальное положение;

3.Сделать выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Причины электротравматизма.

2. Технические меры защиты.

3. Структурная схема УЗО и его основные части.

4. Типы УЗО.

5. Схема трансформатора тока нулевой последовательности.

6. Причины возникновения токов утечки?

7. Когда возникает ток нулевой последовательности?

8. Назначения и область применения УЗО.

Содержание отчета

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Таблица замеров и вычислений.

4. Анализ полученных результатов и выводы по работе.