Обеспечение электробезопасности путем автоматического отключения питания. Учебное пособие

Сучетом, что Ya Yea Yia , Yb Yeb Yib , Yc Yec Yic , используяметод узловых потенциалов, можно записать:

Из выражения (1.9) видно, что входной сигнал зависит еще и от отношения проводимостей Y0 ,Ye ,Yi , т. е. от режима нейтрали. В сети

с изолированной нейтралью, где Y0 0,

Из этого выражения видно, что в сети с глухозаземленной нейтральюприсимметричнойизоляциифазотносительноземливзонезащиты входнойсигналУЗОравензначениютока, проходящегочерезтело, прикоснувшеся к фазе. Поэтому если принять уставку УЗО равной длительно допустимому для человека току, то устройство будет срабатывать во всем диапазоне опасных для него токов.

11

Значительный интерес представляет зависимость входного сигнала УЗО от значения тока в цепи тела человека, прикоснувшегося к нетоковедущимчастямэлектроустановки, призамыканииназаземленныйкорпус. Этотаварийныйрежимсопровождаетсявозникновениемопасности поражения и изменением входного сигнала УЗО. Следовательно, представляется возможным отключение аварийной электроустановки с помощью УЗО.

При замыкании на заземленный корпус одной из фаз ее проводимость относительно земли Yз будет определяться сопротивлением за-

земляющего устройства Rз . Тогда с учетом соотношения проводимостей фаз относительно земли и выражений (1.6), (1.8) и (1.11) получим

Поскольку допустимое значение напряжения прикосновения зависит от времени его воздействия, уставка УЗО должна удовлетворять соотношению

Это соотношение позволяет определить уставку и быстродействие УЗО при заданном сопротивлении заземляющего устройства. Анализ выражения (1.13) показывает, что для обеспечения безопасности при прикосновении к аварийному заземленному корпусу требования к УЗО предъявляются не столь жесткие, как при прикосновении к незаземленному корпусу или токоведущим частям электроустановки.

Так, без учета быстродействия УЗО при Rз = 100 Ом безопасность

может быть обеспечена устройством с уставкой 350 мА. Этот пример показывает, что совместное использование защитного заземления и защитного отключения обеспечивает безопасность при замыкании на заземленный корпус и существенно снижает требования к их параметрам. Такое сочетание защитных мер имеет ряд преимуществ перед другими системами и нашло широкое применение в некоторых странах.

12

При замыкании на зануленный корпус I IКЗ , поэтому Iy IКЗ .

Следовательно, при совместном использовании зануления и защитного отключения могут быть снижены требования к сопротивлению петли фаза–нуль и к соотношению тока короткого замыкания и тока срабатывания максимальной токовой защиты. Уставка УЗО при этом может составлять несколько сотен миллиампер.

При выборе уставки необходимо также учитывать помехоустойчивость УЗО. Помехи могут возникать при переходных процессах в сети, при отклонении качества электроэнергии от нормы и в других случаях. Однако основное влияние на работу УЗО оказывают токи небаланса. Наличие этого тока не вытекает из принципа работы защитного отключения на токе нулевой последовательности. Он есть следствие геометрического несовершенства ТТНП. Практически невозможно расположитьфазныепроводникиравнозначнопоотношениюкмагнитопроводу. Следовательно, даже равные токи, протекающие по разным проводникам (первичным обмоткам), вызывают различный магнитный поток в сердечнике ТТНП. При суммировании магнитных потоков их полное взаимное уничтожение не происходит и во вторичной обмотке трансформатора появляется ток небаланса.

Поскольку токи в первичных обмотках ТТНП определяются в основном током нагрузки электропотребителей в зоне защиты, с увеличением мощности защищаемых потребителей значение тока небаланса растет. Если значение тока небаланса превысит ставку, то защита сработает. Это вызовет неоправданное отключение сети.

С учетом сказанного обоснованы следующие значения уставки унифицированного ряда УЗО для промышленных сетей 380/330 В с глухозаземленной нейтралью в зависимости от тока нагрузки в зоне защиты

(табл. 2).

Таблица 2

13

Время срабатывания УЗО в этих сетях не должно превышать 0,2 с. Рекомендации по выбору уставок и быстродействия УЗО унифицированного ряда разработаны в Московском энергетическом институте.

Анализпоказывает, чтоустройствасуставкой10, 30 мАмогутс большой вероятностью обеспечить безопасность как при прямом, так и при косвенном прикосновении человека к токоведущим частям. Устройства с уставкой 100, 300, 500 мА эффективны только при замыканиях на землю или на заземленный (зануленный корпус).

Кроме того, применение устройств защитного отключения предотвращает возникновение пожаров от токов утечки и обеспечивает значительную экономию электроэнергии.

14

Суммарныймагнитныйпотоквсердечнике Ф , пропорциональный

разности токов в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора, iL и iN , наводит во вторичной обмотке трансформа-

тора тока соответствующую ЭДС, под действием которой в цепи вторичной обмотки протекает ток i вт , 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. 5. Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференци-

альный трансформатор тока 1.

Вабсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока.

Влитературе по вопросам конструирования и применения УЗО этот трансформаториногданазываюттрансформаторомтоканулевойпоследовательности (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.

Внормальном 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.

16

по фазному проводнику через УЗО, кроме тока нагрузки I1 , протекает дополнительный ток – ток утечки ( I ), являющийся для трансформа-

тора тока дифференциальным (разностным).

Неравенство токов в первичных обмотках ( I1 I в фазном проводнике и I2 , равный I1 , в нулевом рабочем проводнике) вызывает неба-

ланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока.

Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пусковогооргана 2, последнийсрабатываетивоздействуетнаисполнительный 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.

Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на два типа.

УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания

(электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирования– выполнениязащитныхфункций, включаяоперациюотключения, являетсядляустройствасамсигнал– дифференциальныйток, на который оно реагирует;

УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (элек-

тронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждаетсявэнергии, получаемойлибоотконтролируемойсети, либоотвнешнего источника.

Устройства, функционально зависящие от напряжения питания, несмотря на их относительную дешевизну, применяются реже в силу их меньшей надежности (вероятность выхода из строя какого-либо из большого количества электронных компонентов довольно высока), большейподверженностиэлектронныхсхемвоздействиювнешнихфакторов и др.

18

Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств служит их неработоспособность при часто встречающейся

инаиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно – при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику выносится опасный для жизни человека потенциал.

Стандарт МЭК 364-5-53 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор

имонтаж электрооборудования. Коммутационная аппаратура и аппаратура управления» определяет следующие требования к УЗО, функционально зависящим от напряжения питания:

п. 531.2.2. Выбор устройств (УЗО) с учетом их функциональной зависимости от напряжения питания;

п. 531.2.2.1. Устройствазащиты(УЗО), управляемыеостаточнымтоком, могут иметь или не иметь вспомогательный источник питания, принимая во внимание требования пункта 531.2 2.2;

п. 531.2.2.2. Применение устройств защиты, управляемых остаточным током, со вспомогательным источником питания, не отключающего автоматически защищаемую цепь в случае отказа вспомогательного источника, разрешается только при выполнении одного из двух условий:

‒защита от непрямого контакта обеспечивается даже в случае отказа вспомогательного источника;

‒устройства монтируются в установках, управляемых, испытываемых и проверяемых обученным (ВА4) или высококвалифицированным (ВА5) персоналом.

Вконструкции«электронных» УЗО, производимых вСША, Японии, Южной Корее и в некоторых европейских странах, как правило, заложена функция отключения от сети защищаемой электроустановки при исчезновении напряжения питания.

Этафункцияконструктивнореализуетсяспомощьюэлектромагнитногореле, работающеговрежимесамоудерживания. Силовыеконтакты реле находятся во включенном положении только при протекании тока по его обмотке (аналогично магнитному пускателю).

При исчезновении напряжения на вводных зажимах устройства якорьрелеотпадает, приэтомсиловыеконтактыразмыкаются, защищаемая электроустановка обесточивается. Подобная конструкция УЗО

19

обеспечивает гарантированную защиту от поражения человека в электроустановке и в случае обрыва нулевого проводника.

В США широко применяются УЗО такого типа, встроенные в розеточные блоки.

На одном объекте, например в небольшой квартире, устанавливается по 10–15 устройств. Розетки, не оборудованные УЗО, обязательно запитываются шлейфом от соседних розеточных блоков с УЗО. Линия питания оборудования ванных комнат подключается к сети через щитовое УЗО. Широко распространены УЗО-вилки и УЗО, встроенные в ка- бели-удлинители. Например, в продаже невозможно встретить самый простой фен, который бы не был снабжен УЗО, встроенным в вилку.

К сожалению, в нашей стране, в отличие от общепринятой в мировой практике концепции, целый ряд предприятий выпускает электронные УЗО на базе типового автоматического выключателя.

Конструктивно такие устройства представляют собой электронный модуль, реагирующий на дифференциальный ток, скомпонованный с автоматическим выключателем и управляющий им.

Электронный модуль содержит в себе трансформатор тока, источник питания – выпрямитель, питающийся через резисторы от контролируемойсети, электронныйусилительспороговымустройствомиисполнительное устройство – тиристор или реле.

В большинстве устройств такого типа автоматический выключатель выполняет свои функции лишь частично (по одному полюсу), поскольку катушка токовой отсечки второго полюса выключателя исключается из цепи рабочего тока. Эта катушка модифицируется (увеличивается количество витков) и подключается к выходу усилителя электронного модуля, выполняя функции исполнительного устройства: при подаче на нее тока отключает автоматический выключатель.

Приприменениитакихустройствважнособлюдатьфазировкувходных цепей, чтобы оставшаяся в одном полюсе токовая отсечка автоматического выключателя была включена в цепь фазного, а не нулевого проводника.

Еще одним серьезным недостатком этих устройств является их неинвариантность по стороне подключения питающей сети и нагрузки, в отличие от электромеханических УЗО, к которым сеть и нагрузка могут быть подключены с любой стороны. Это вызывает большие неудобства при монтаже щитов.

Функционируюттакиеэлектронныеустройства следующимобразом.

20