Обеспечение электробезопасности путем автоматического отключения питания. Учебное пособие

До прикосновения человека к фазе, когда Gh 0,

Анализ выражений (5.1)–(5.4) показывает, что УЗО будет работать более эффективно в сети с симметричной изоляцией в зоне защиты. В этом случае до прикосновения человека к фазе входная величина будет равна нулю, после прикосновения – току через человека, при этом

уставка устройства определяется однозначно. Если Yi,a Yi,b Yi,c , то

входной сигнал существует до прикосновения человека к фазе. Его значениеможетпревыситьуставку, иустройствосработает. Врядеслучаев это будет неоправданным (ложным) отключением. При прикосновении человека к фазе в этом случае результирующий входной сигнал будет равен векторной сумме двух сигналов. Один из них будет определяться токами утечки через изоляции фаз относительно земли, другой – током через человека. Следовательно, при несимметрии изоляции сети в зоне

защиты однозначной зависимости входного сигнала УЗО от Ih не су-

ществует, поэтому при прикосновении к различным фазам УЗО будет срабатывать от различных токов в цепи человека (рис. 7).

На рис. 7 показан пример характерной зависимости I от Ih при-

косновения кфазамсразличнымисопротивлениямиизоляции взонезащиты, при этом уставка УЗО Iу выбрана по допустимому току в цепи

человека при прикосновении к фазе В. Из рисунка видно, что ток через

31

человека при прикосновении к фазе А Ih,а будет вызывать срабатыва-

ние защиты раньше, чем в этом есть необходимость (перезащита). При прикосновении к фазе С защита сработает от тока, значение которого существенно превышает допустимое (недозащита).

Рис. 7. ЗависимостьвходногосигналаУЗОоттокавцепичеловека при прикосновении к фазам A, B и C в сети с несимметричной изоляцией в зоне защиты

Найденная зависимость I f (Ih ) позволяет сделать вывод, что в

сетиснесимметричнойизоляциейфазвзонезащитыестьпротиворечие между необходимостьюснижатьуставку дляобеспечениябезопасности во всем диапазоне опасных для человека токов и необходимостью повышать уставку для исключения ложных срабатываний УЗО. Это противоречиеустраняетсядалеконевовсехсетях. Следуеттакжеотметить, что входным сигналом рассматриваемого УЗО является векторная сумма токов (через изоляции и человека), стекающих на землю в зоне защиты. Поэтому применяемое иногда название «защита по току утечки» довольно условно.

Более обоснованно название «защита на токе нулевой последовательности». Оно связано с решением электротехнических задач методом симметричных составляющих. Согласно этому методу любую

несимметричную систему векторных фазных токов I A , IB , IC можно разложить на три симметричные системы прямой I A,1, IB,1, IC,1 ,

32

обратной I A,2 , IB,2 , IC,2 и нулевой I A,0 , IB,0 , IC,0 последовательно-

сти. При этом сумма векторов полученных систем составляет исходную систему.

Так как датчик УЗО представляет собой суммирующее устройство фазных токов, то

Суммы векторов прямой и обратной последовательности равны нулям, поскольку их модули и углы между ними равны. Токи прямой и обратнойпоследовательностисоздаютсятокаминагрузки, токинулевой последовательности создаются токами утечки и током через человека. Следовательно, входнымсигналом УЗО действительно является ток нулевой последовательности I 3I0 , а датчиком – трансформатор

(фильтр) тока нулевой последовательности (ТТНП).

Влияние конструкции ТТНП на эффективность защиты опреде-

ляется током небаланса iнб . Наличие этого тока не вытекает из прин-

ципа работы УЗО, оно есть следствие геометрического несовершенства ТТНП. Практически невозможно расположить фазные проводники равнозначно по отношению к магнитопроводу, поэтому даже одинаковые токи, протекающие по разным проводникам, наводят различные магнитные потоки в сердечнике ТТНП. При суммировании магнитных потоков не происходит их полного взаимного уничтожения и во вторич-

ной обмотке ТТНП появляется ток небаланса. Следовательно, iнб для

УЗО является помехой.

Рассмотрим зависимость тока небаланса от параметров ТТНП с двумя первичными обмотками. Будем считать, что тороидальный сердечник ТТНП обладает магнитной проницаемостью , вторичная об-

мотка расположена на нем равномерно, влияние внешних полей отсутствует. Найдем iнб зависимостьотгеометриирасположенияпервичных

обмоток в окне магнитопровода.

На рис. 8 показаны геометрические размеры сердечника и расположение проводов в окне магнитопровода.

По проводам 1 и 2 в противоположных направлениях проходят токи равного значения I, А. Магнитный поток, возникающий в магнитопроводе от тока, протекающего в проводе I, будет

33

Рис. 8. К расчету тока небаланса ТТНП

Магнитный поток, создаваемый током провода 2, с учетом смещения этого провода относительно геометрического центра магнитопровода определяется выражением

где – угол между векторами; – расстояние от провода 2 до элемен-

тарной площади ds, м.

Выражая , cos , ds, через геометрические размеры магнитопровода и расположения обмоток ТТНП, после преобразования получаем

34

где 2 ; ω – количество витков вторичной обмотки ТТНП; d – рас-

стояние от геометрического центра магнитопровода до центра провода с током, м.

Используя принцип суперпозиции, находим общий магнитный поток от тока, протекающего по проводам 1 и 2. Далее с помощью схемы замещения ТТНП определяем ток небаланса ТТНП, работающего на нагрузку:

где f – частота протекающего по проводам тока, Гц.

Выражение (5.9) показывает, что ток небаланса ТТНП, вызванный несимметричным расположением фазных проводов в окне магнитопровода, зависит от многих факторов как электрического, так и конструктивного характера. Его анализ позволяет сделать следующие выводы:

ток небаланса зависит от значения номинального тока нагрузки, подключенной в зоне защиты;

ток небаланса зависит от частоты протекающего по первичным обмоткам тока;

ток небаланса зависит от геометрических размеров магнитопровода (особенно от соотношения R2 / R1 );

ток небаланса зависит от степени смещения фазных проводов относительно геометрического центра магнитопровода.

Сделанные выводы справедливы и для ТТНП с большим количе-

ством первичных обмоток. Характерная зависимость iнб от номинального тока нагрузки Iн , подключенной в зоне защиты (рис. 9), показы-

вает, что с увеличением номинальных токов нагрузки помехоустойчивость УЗО резко снижается.

Наиболее рациональная конструкция ТТНП показана на рис. 10. Ее особенностью является свивка первичных обмоток1 с шагом, равным

35

высоте магнитопровода. Это позволяет наиболее идентично расположить их относительно магнитопровода 3. Вторичная обмотка 2 равномерно размещена на магнитопроводе.

Рис. 9. Зависимость тока небаланса ТТНП от тока нагрузки

Рис. 10. Принципиальная схема конструкции трансформатора нулевой последовательности с уменьшенным током небаланса

Изготовление такой конструкции ТТНП на большие токи нагрузки связано со значительными трудностями, поэтому в качестве первичных обмотокиспользуетсяотрезоксимметричногокабеля. Вэтомслучаенедопустимы перекосы кабеля в окне магнитопровода.

Существуют также и другие конструкции ТТНП.

Влияние качества электроэнергии на работу УЗО определяется наличием высшихгармоникнапряженияитокавсети. Качествоэлектроэнергии оценивается рядом показателей. Согласно ГОСТ 32144–2013

36

«Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» для сетей трехфазного тока нормируются допустимые значенияколебаний и отклонений напряжения и частоты, несимметрии напряжения промышленной частоты и несинусоидальности формы кривой напряжения.

Рассмотренные выше зависимости справедливы для синусоидального и симметричного напряжения источника питания сети. Однако в реальныхсетяхсуществуетбольшоеколичествонелинейныхиоднофазных нагрузок, неравномерно распределенных по фазам. К ним прежде всего относятся вентильные преобразователи, электросварочные агрегаты, индукционные и электродуговые печи, пускорегулирующая аппаратура люминесцентных и газоразрядных ламп, осветительные установки и ручной электроинструмент. Их включение в сеть вызывает искажение питающего напряжения.

Разложениепериодическойнесинусоидальнойфункциинапряжения сети на гармоники позволяет рассматривать ее как совокупность взаимно налагающихся синусоидальных режимов кратных частот. При этом если в гармониках напряжения совпадают по фазе 3 120 360 (к таким относятся гармоники, кратные трем, – 3, 6, 9…), то они образуют нулевую последовательность

где – угловаячастота; r – начальнаяфазаr-йгармоники; T – период.

Следовательно, токи утечки в зоне защиты гармоник, кратных трем, совпадаютпо фазе, суммируютсяипредставляют собойвходнойсигнал УЗО. Для сети с симметричной изоляцией он будет

Экспериментальные исследования подтвердили влияние высших гармоник на работу УЗО. Основное влияние оказывает третья гармоника. При невыполнении требований ГОСТ она может достигать значений, способных вызвать ложное срабатывание защиты даже при симметричной изоляции сети. Это говорит о том, что на эффективность защиты влияет не только появление несимметрии сопротивлений изоляции в зоне защиты, но и снижение их абсолютных значений.

37

При наличии в сети полупроводниковых преобразователей в токе нагрузки возможно присутствие постоянной составляющей. Она подмагничивает ТТНП, что ведет к изменению его чувствительности и уставки УЗО. Кроме того, следует отметить, что прикосновение человека к фазе сети с несимметричным или несинусоидальным напряжением вызывает протекание токов высших гармоник в его теле, причем преобладает также третья гармоника.

Влияние переходных процессов в сети на работу УЗО определя-

ется кратковременным возрастанием входного сигнала. Если его значение превышает уставку, а продолжительность – быстродействие преобразователяУЗО, топроисходитложноесрабатываниезащиты. Переходные процессы в сети возникают при коммутационных процессах, включении мощных электропотребителей, возникновении аварийных режимов, заряде и разряде конденсаторов и индуктивностей, выполнении сварочных работ и т. д. При переходных процессах значительно возрастает влияние многих факторов на входной сигнал УЗО.

В качестве примера рассмотрим влияние включения неподвижного асинхронногодвигателяскороткозамкнутымроторомкакнаиболеешироко распространенного типа электропотребителя во многих отраслях народного хозяйства страны. В момент включения в сеть асинхронный двигатель с неподвижным ротором представляет собой трансформатор с вращающимся полем и короткозамкнутой вторичной обмоткой.

При этом каждая из обмоток двигателя в момент пуска зависит от фазного угла приложенного к нему напряжения. Так как фазовые углы приложенных напряжений неодинаковы, то неодинаковы и токи в момент пуска. Возникшая таким образом несимметричная нагрузка порождает несимметрию напряжения, а это, как было показано, приводит к появлению токов нулевой последовательности. Пусковые токи также вызывают повышенные токи небаланса. Причем с увеличением мощности двигателя растут пусковые токи и входной сигнал.

На рис. 11 показаны зависимости входного сигнала УЗО Is от времени при пуске двигателей с различным номинальным током Iн , А. Анализ этих зависимостей показывает, что при Iн 25 А переходные

процессы существенно влияют на эффективность защиты. Следовательно, их влияние должно учитываться при обосновании уставки и быстродействия УЗО.

38

должны быть рассчитаны на указанный режим работы. В противном

случае возможно залипание контактов исполнительного органа. Замыканиеназемлюизамыканиенакорпусвызываетрезкоевозрас-

тание входного сигнала. Его значение практически становится равным току замыканияназемлю. Наибольшеезначениевходнойсигналприобретает при замыкании на зануленный корпус. В этом случае входной сигнал равен току короткого замыкания. Столь существенное увеличение входного сигнала угрожает опасностью выхода из строя преобразователя УЗО. Кроме того, при протекании больших токов происходит намагничивание сердечника ТТНП. В результате изменяется его чувствительность и уставка УЗО.

В нормальном режиме ТТНП работает при малой напряженности магнитного поля. Наначальнойкривойнамагничиваниямагнитнаяпроницаемость не изменяется, поэтому уставка УЗО остается постоянной. Припротеканиибольшихтоковсердечникнамагничиваетсядоостаточной индукции, соответствующей предельной петле гистерезиса. В результате изменяется магнитная проницаемость магнитопровода ТТНП и уставка УЗО.

Экспериментально установлено, что сердечник из применяемого в практике 79НМ-У насыщается при 10…15 А/м, следовательно, во многих случаях возможен ток в цепи ТТНП, превышающий ток насыщения.

Остаточная индукция зависит от тока в первичной обмотке трансформаторавмоментотключения сети. Исследованияпоказали, что в зависимости от предшествующего состояния сердечника ТТНП уставка после протекания больших токов может уменьшиться или увеличиться в2…3 раза. Намагниченноесостояниесердечника, еслинепринятьмер, может сохраняться продолжительное время, в течение которого эффективность защиты будет снижена.

Для предотвращения указанного эффекта применяется настройка УЗО при предварительно намагниченном сердечнике ТТНП до остаточной индукции и специальная технология изготовления сердечников, а также используются материалы с малым коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса. Однако эти меры не являются универсальными, счемнеобходимосчитатьсяприразработкеиэксплуатацииУЗО.

При использовании системы ТТ «Правила устройства электроустановок» предъявляют следующие требования к использованию УЗО: питание электроустановок напряжением до 1 кВ от источника с глухозаземленной нейтралью и с заземлением открытых проводящих частей

40