Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Методические указания

по выполнению лабораторной работы по курсу

«Безопасность жизнедеятельности»

для студентов всех специальностей

Анализ и оценка работоспособности устройства защитного отключения

Красноярск 2013 г.

Цель работы: определить работоспособность устройства защитного отключения ( УЗО ), реагирующего на дифференциальный (остаточный) ток в сети с заземленной нейтралью напряжением до 1кВ.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

З а щ и т н о е о т к л ю ч е н и е – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения электротоком. Такая опасность может возникнуть, в частности, при замыкании фазы на корпус, снижении сопротивления изоляции ниже определенного предела, в случае прикосновения человека непосредственно к токоведущим частям, находящимся под напряжением.

Согласно классификации по ГОСТ защитное отключение относится к категории мер защиты: «Защита с помощью автоматического отключения источника питания» и осуществляет защиту человека от поражения в условиях неисправности электроустановки – повреждении или пробое изоляции на корпус.

Область применения устройств защитного отключения практически не ограничена: они могут применяться в сетях любого напряжения и с любым режимом нейтрали. Тем не менее, наибольшее распространение УЗО получили в сетях напряжением до 1 кВ.

В последние годы в нашей стране внедрение УЗО ведется весьма интенсивно – УЗО оснащаются в обязательном порядке все вновь строящиеся и реконструируемые жилые здания, действует требование обязательного применения УЗО при эксплуатации электроприборов и электроинструментов в особо опасных помещениях, не допускаются к эксплуатации мобильные здания из металла или с металлическим каркасом для уличной торговли и бытового обслуживания населения, не оснащенные УЗО, и т.д.

УЗО применяется для комплектации вводно-распределительных устройств (ВРУ), распределительных щитов (РЩ), групповых щитков (квартирных и этажных), а также для защиты отдельных потребителей электроэнергии.

Исключение составляют электроустановки, не допускающие по технологическим причинам перерыва в электроснабжении: медицинские учреждения (хирургия, реанимация), взрывоопасные производства (угледобыча) и т.д. В таких установках для защиты людей от поражения электрическим током должны применяться другие электрозащитные меры – контроль изоляции, разделительные трансформаторы и др.

Основными элементами устройства защитного отключения (УЗО) являются прибор защитного отключения и исполнительный орган .

Прибор защитного отключения – совокупность отдельных элементов, которые воспринимают входную величину, реагируют на ее изменения и при заданном ее значении дают сигнал на отключение выключателя. Этими элементами являются:

- датчик – входное звено устройства, воспринимающее воздействие извне и осуществляющее преобразование этого воздействия (т.е. входной величины) в соответствующий сигнал;

- усилитель, предназначенный для усиления сигнала датчика, если он оказывается недостаточно мощным;

- цепи контроля, служащие для периодической проверки исправности защитного отключения;

- вспомогательные элементы – сигнальные лампы и измерительные приборы (например, омметр), характеризующие состояние электроустановки.

Исполнительный орган – автоматический выключатель, обеспечивающий отключение соответствующего участка электроустановки (электрической сети) при получении сигнала от прибора защитного отключения.

Основные требования, которым должны удовлетворять УЗО:

- высокая чувствительность;

- малое время отключения;

- селективность действия;

- способность осуществлять самоконтроль исправности;

- достаточная надежность.

В основе действия защитного отключения, как электрозащитного средства, лежит принцип ограничения (за счёт быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением.

В ГОСТ 12.1.038-82 (с изменениями от 01.07.88) приведены предельно-допустимые значения тока, проходящего через тело человека Ihg в зависимости от времени воздействия t .

Предельно-допустимые значения переменного тока частотой 50Гц через тело человека в аварийном режиме бытовых электроустановок не должны превышать указанных в таблице 1.

Таблица 1

t, c	0,01-0,08	0,1	0,3	0,5	0,7	1,0	свыше 1,0
Ihg, mA	220	200	70	50	35	25	2

Предельно-допустимые значения токов через тело человека в аварийном режиме производственных электроустановок не должны превышать указанных в таблице 2.

Таблица 2

t, c	0,01-0,08	0,1	0,3	0,5	0,7	1,0	свыше 1,0
переменный ток частотой 50 Гц
Ihg, mA	650	400	160	125	90	50	6
выпрямленный однополупериодный ток (амплитудное значение)
Ihg, mA	650	500	300	200	180	150	-
выпрямленный двухполупериодный ток (амплитудное значение)
Ihg, mA	650	500	300	230	210	180	-

Из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.

Другим не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования.

По данным МЧС России более трети всех пожаров происходят по причине возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания.

Существуют различные типы УЗО, в зависимости от принятых для них входных величин:

- УЗО, реагирующее на потенциал корпуса относительно земли;

- УЗО, реагирующее на ток замыкания на землю;

- УЗО, реагирующее на напряжение нулевой последовательности;

- УЗО, реагирующее на оперативный ток;

- УЗО, реагирующее на дифференциальный ток и т.д.

Наиболее широкое распространение в России и за рубежом получил последний тип УЗО, реагирующий на дифференциальный ток, который и будет рассмотрен далее.

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

Сравнение текущих значений двух и более (в четырёхполюсных УЗО – 4-х) токов по амплитуде и фазе эффективно, то есть с минимальной погрешностью, осуществляется электромагнитным путем – с помощью дифференциального трансформатора тока (рис. 1).

L

N

Рисунок 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 э.д.с. (электродвижущую силу), под действием которой в цепи вторичной обмотки протекает ток , также пропорциональный разности первичных токов.

Основные функциональные блоки У З О представлены на рис.2.

Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. 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 (Rн), 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 .

Рисунок 2 – УЗО, реагирующее на дифференциальный ток

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 (Rh) к неизолированным токопроводящим частям или к корпусу электроприемника (Э), 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 , равный , в нулевом рабочем проводнике) вызывает небаланс 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.