ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКА-МЕТОДИЧКА

практично миттєвого вимкнення автомата 2, чим і забезпечується захисне вимкнення пошкодженого електроприймача. Однак, в багатьох випадках опір в місці пошкодження ізоляції може бути достатньо великим, і тоді сума струмів I2 і I1 буде меншою за величину струмової уставки автомата 2, автомат не відключиться. До неспрацювання автомата може привести і значний опір петлі “ фаза L – захисний провід РЕ” за рахунок поганих контактів. В цьому випадку корпус електроприймача також буде довготривало знаходитися під напругою, що потенційно може привести до нещасного випадку. Але це буде суттєво більш рідкісним явищем, ніж в електроприймачах, що обладнані вилкою з двома штирями.

Рис. 3. Схема ураження людини в побутовій мережі з уземленням корпусів обладнання. (РЕ – захисний провідник; РЕN – спільний робочий та захисний провідник.)

Технічні терміни “ захисне вимкнення”, “ пристрій захисного вимкнення”, “ пристрій захисту від струму витоку” логічно та достатньо повно відображають їх призначення та принцип дії. Інші назви, наприклад, міжнародне (МЕК) – RCD (Redual Current Device пристрій струмової різниці); німецьке – FI (Shutzchalter – захисний вимикач струму витоку); французьке

– DD (Disjoncteur Differenciel – диференційний вимикач); англійське – ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker – вимикач струму витоку на землю) чи RCCB (Redual Circuit Current Devise –

пристрій сумової різниці в колі); американське – GFCI (Ground Fault Circuit Interrupteur – вимикач струму витоку на землю) – також відображають призначення пристрою. Поняття “ диференційний струм”, “ струмова різниця” слід розуміти як струми небалансу в колі, що контролюється.

Пристрій захисного вимкнення по своїй суті повинен бути вимикачем швидкої дії. Він повинен автоматично відділяти від мережі установку (або її частину), яку він контролює, у випадку появи в ній сумарного струму витоку, величина якого перевищує уставку. В основу принципу дії пристроїв захисного вимкнення з дією від сумарного струму витоку покладено виділення цього струму та забезпечення швидкого вимкнення. Цим обмежується тривалість протікання через тіло людини струму у випадку прямого дотику. Таким чином, найважливішою особливістю захисного вимкнення є те, що воно, по суті, – єдиний електрозахисний захід, який забезпечує захист людини від ураження у випадку її прямого контакту зі струмопровідними частинами електроустановок, які знаходяться під напругою. Пристрої захисного вимкнення забезпечують захист при непрямому дотику або взагалі запобігають можливому ураженню обслуговуючого персоналу у випадку однофазного КЗ на корпус. ПЗВ дають можливість запобігти виникненню пожежі у випадку пошкоджень ізоляції, які супроводжуються дуже обмеженими, але небезпечними струмами КЗ. Відомо, що полум’я може виникнути при струмах від 300 мА, що значно менше робочих струмів і природно, що

31

іншими захистами запобігати цьому неможливо. Є дані, що на 150 пожеж у Франції в 1977 році 40 виникали в наслідок пошкоджень електропроводок, з цієї ж причини згорів недавно оперний театр у Флоренції.

У випадках однофазних коротких замикань з більшими струмами (одиниці, десятки ампер), до яких також нечутливий максимальний струмовий захист, аналогічні пристрої можуть забезпечити індикацію пошкодження чи вимкнення пошкодженої ділянки.

І нарешті, ПЗВ надають можливість запобігти крадіжкам електроенергії з використанням деяких схем та пристроїв, які набули розповсюдження останнім часом.

Таким чином, ПЗВ з дією від струмів витоку можуть виконувати певні особливі функції, які не характерні для інших пристроїв. Щодо властивості забезпечення захисту людини від ураження електричним струмом, їх можна вважати єдиним активним засобом, на відміну від пасивних (ізоляція, огорожі тощо).

Вперше пристрої захисного вимкнення були запропоновані та запатентовані в 1928 році німецькою фірмою RWE (Rein – Westfallishe Electrizitäts werke). У цей же час були проведені випробування ПЗВ з участю людини. Результати випробувань ПЗВ з чутливістю 10 мА та часом спрацювання 0,1 сек. були дуже обнадійливими, пристрій працював чітко та надійно. Людина відчувала лише слабкий і короткочасний удар електричним струмом. З 50-х років починається виробництво та запровадження ПЗВ провідними технічно розвиненими країнами: Німеччиною, Австрією, Францією, США, ПАР та іншими. В кінці 70-х років цей процес набуває масового характеру. Цьому сприяло, з одного боку, бажання знизити рівень електротравматизму в мережах низької напруги, а, з другого боку, значні досягнення в розробці та виготовленні простих, надійних, компактних та відносно дешевих пристроїв.

Принцип дії пристроїв захисного вимкнення даного типу полягає в тому, що в нормальному режимі алгебрична (векторна) сума струмів робочих провідників (фазних та робочої нейтралі) будь-якого електроприймача чи відгалуження дорівнює сумарному струму витоку на землю. Для симетричної трифазної системи цей струм наближений до нуля, а для однофазного відгалуження (з фазним та робочим нейтральним проводами) визначається опором ізоляції фазного проводу відносно землі і становить незначну величину (до кількох міліампер). У випадку прямого дотику людини чи при незначному пошкодженні ізоляції будьякої фази сумарний струм витоку значно збільшується (до десятків чи сотень міліампер). Цей струм нескладно виділити – за допомогою фільтра струмів нульової послідовності, наприклад, трансформатора струму з тороїдальним осердям, яке охоплює всі робочі провідники.

Отже пристрій захисного вимкнення складається з трансформатора струму нульової послідовності 5, високочутливого реле 6, розчеплювача 7, головних контактів 8 і кнопки тестового контролю 9. Робота ПЗВ базується на порівнянні фазного ІL і нульового І0 струмів електроприймача 3 (рис. 4.).

При доброму стані ізоляції струм витоку ІВ мінімальний, тому струм ІL і І0 практично рівні. Магнітні потоки, що створюються цими струмами в трансформаторі струму 5 будуть також рівні, але напрямок їх буде зустрічним, тобто результуючий потік буде рівний нулю і у вторинній обмотці трансформатора е.р.с. індукуватися не буде. При погіршенні ізоляції збільшується струм витоку ІВ і відповідно ІL, тому що ІL = І0 +ІВ. В осерді трансформатора з’являється магнітний потік пропорційний різниці струмів ІL і І0 (тобто пропорційний струму витоку ІВ). Цей потік індукує у вторинній обмотці е.р.с., яка викликає появу струму в обмотці реле 6. Реле діє на розчеплювач 7 і останній вимикає головні контакти 8.

32

Рис. 4. Принципова схема пристрою захисного вимкнення.

Досвід застосування ПЗВ в європейських країнах доказав їх високу ефективність. Як приклад на рис. 5 наведена діаграма зміни кількості нещасних випадків зі смертельними наслідками в Швейцарії до і після прийняття в 1976 році закону про обов’язкове використання ПЗВ.

Конструкція ПЗВ і склад його елементів за останні 40 років принципово не змінилися (трансформатор струму, електромагнітне реле-защіпка, механічний розчеплювач, головні контакти). Основною специфікою призначення пристроїв є захист людського життя від ураження електричним струмом, тому головною задачею конструкторів було максимальне підвищення надійності їх функціонування. З цієї причини величезна кількість вироблених провідними фірмами ПЗВ (до 95%) - електромеханічні пристрої, хоча існує значна кількість дослідних та серійних електронних пристроїв.

Електроніка дійсно надає найрізноманітніші можливості реалізації задач, пов'язаних з визначенням появи струму витоку, виділенням та обробкою сигналу, забезпеченням спрацювання силового розчеплювача тощо. В США було розроблено ПЗВ, в якому всі функції виконуються мікропроцесором, а електронна схема пристрою виконана у вигляді спеціалізованої великої інтегральної схеми (ВІС). Але ідеологія виконання розподільчих мереж у побуті в США принципово відрізняється від прийнятої в Європі, тому орієнтація на цей досвід недоцільна.

Рис. 5. Діаграма зміни кількості нещасних випадків зі смертельними наслідками в Швейцарії до і після прийняття закону про обов’язкове використання ПЗВ.

33

Багаторічний досвід експлуатації ПЗВ, на основі якого розроблені жорсткі електротехнічні норми, а також величезна значимість його завдання – захист людського життя, визначили тенденцію розвитку конструкції ПЗВ на користь електромеханічних пристроїв. Висока надійність електромеханічних ПЗВ визначається мінімальною кількістю елементів конструкції, простотою та точністю виконання, а також відсутністю спеціального джерела живлення та відсутністю споживання енергії в режимі очікування. Спрацювання ПЗВ відбувається за рахунок енергії самого струму витоку, який ініціює дію електромагнітного реле-защіпки. Споживана кількість енергії – мінімальна і становить долі ватта.

Провідні фірми Європи (Меrlin Gеrіn, Р&G, АВB, Кlоеkner-Moeller та інші) в основному виробляють електромеханічні ПЗВ та у незначній кількості – електронні. Однак застосування останніх згідно нормативних документів допускається лише як додаткових до електромеханічних ПЗВ.

Особливостями конструкції сучасних ПЗВ є використання спеціального матеріалу для осердя трансформаторів струму із строго регламентованими магнітними характеристиками; виготовлення електромагнітного реле-защіпки за високопрецизійною технологією; застосування високонадійного механічного розчеплювача та механізму пружини з індикатором положення контактів.

Таблиця 2.

Нормалізоване значення найбільшого часу спрацювання та найбільшого часу витримки.

Провідні фірми, які випускають ПЗВ, досягли значних успіхів перш за все у підвищенні надійності функціонування. Рівень технології виробництва, професійної підготовки персоналу, методи контролю та тестів, досконалість конструкцій в цілому дозволяє забезпечити вкрай жорсткі вимоги нормативних документів до технічних параметрів ПЗВ.

За чутливістю згідно нормативів ПЗВ поділяють на:

-високої чутливості (6, 10, 30 мА);

-середньої чутливості (100, 300, 500 мА);

-низької чутливості (1, 3, 10, 30 А і більше).

Нормалізовані величини найбільшого часу спрацюванні для ПЗВ миттєвої дії (типу G) та селективних (типу S) та найбільшого часу витримки для селективних ПЗВ (типу S) наведено в таблиці 2.

За характером струму розрізняють ПЗВ, які чутливі тільки до змінного струму - тип АС, а також до змінного струму з постійною складовою - тип А.

Конструктивно пристрої захисту від сумарного струму витоку виконують як:

∙ окреме реле – приставка до автоматичного вимикача з дією на його механізм розчеплення;

34

∙вимикач навантаження з розчеплювачем сумарного струму витоку;

∙автоматичний вимикач з розчеплювачем сумарного струму витоку, а також тепловим та електромагнітним розчеплювачем;

∙модуль сумарного струму витоку (іноді електронний) з тороїдами зовнішньої установки.

Для індивідуального захисту використовують також ПЗВ – розетки на струм витоку ІΔп 10 мА, 30 мА. Існують також варіанти забезпечення пральних машин, холодильників, прасок тощо

звмонтованими ПЗВ, в тому числі у вилки.

Різні фірми в своїх проспектах, технічних та рекламних матеріалах для однакових елементів, використовують позначення, які дещо відрізняються, що пояснюється відмінностями традиційних позначень в різних країнах. У 1992 році було прийнято стандарт МЕК 1082-1 стосовно умовних позначень. Наведемо деякі позначення, які стосуються питання, що розглядається у відповідності з МЕК 1082-1 (табл. 3)

Таблиця 3.

Умовні позначення (за МЕК 1082-1)

Вимикач (загальне позначення )

Роз’єднувач, рубильник (контакти без дугогасної камери)

35

36

Фільтр завад мережі. Електронний фільтр, розміщений всередині диференційних вимикачів, усуває електричні завади, зумовлені атмосферними явищами і комутаційними перенапругами. Рівень чутливості фільтра: імпульс величиною 250 А з крутизною фронту 8 мс і довжиною 20 мс.

Символ селективності. Селективність досягається

уведенням затримки по часу в спрацюванні S диференційного вимикача.

Варіанти зображення вимикачів навантаження з захистом від сумарного струму витоку (диференційним захистом) показано на рис. 6 та рис. 7.

Рис. 6. Двополюсний вимикач навантаження з диференційним захистом:

а) повне зображення: 1 – трансформатор струму; 2 – котушка реле; 3 – розчеплювач; 4 – головні контакти; 5 - блокувальний контакт; 6 – тестова кнопка; 7- резистор; б) спрощене зображення; в) однолінійне зображення.

Рис. 7. Чотириполюсний вимикач навантаження з диференційним захистом: а) повне зображення; б) спрощене зображення; в) однолінійне зображення.

Рис. 8. Автоматичний вимикач з диференційним захистом: а) повне зображення; б) спрощене зображення; в) однолінійне зображення.

37

Зображення автоматичних вимикачів з диференційним захистом відрізняються позначенням контактів та наявністю у випадку необхідності позначень максимальних струмових захистів (рис. 8). Для нейтрального провідника в деяких типах автоматів виконують особливий полюс без пристрою дугогасіння, розмикання якого (при вимкненні) апарата відбувається після розмикання фазних контактів, а замикання (при увімкненні) – перед замиканням фазних контактів (рис. 8).

Пристрої захисного вимкнення призначені, у першу чергу, для захисту людей від ураження електричним струмом у випадку прямого та непрямого дотику. Знати наперед, де й коли людина опиниться у зазначеній ситуації, неможливо, тому бажано охопити таким захистом усі напрямки, але у першу чергу доцільно забезпечити його для найнебезпечних приєднань. До них можна віднести приміщення та установи з підвищеною вологістю: ванні кімнати, душові, сауни, підвали, зовнішні приєднання тощо.

На друге місце можна поставити розеткову мережу, до якої можуть приєднуватись побутові прилади (праски, тостери, холодильники, переносний електроінструмент тощо).

До третьої групи можна віднести пристрої електроопалення, електроводонагрівання, електропечі. В деяких випадках електроприймачі з різних груп можна приєднувати до загального ПЗВ. Всі перелічені групи електроприймачів відносять до першого рівня захисту. Номінальний струм витоку захисного пристрою не повинен перевищувати 30 мА, а для особливо небезпечних випадків (ванна кімната, душова тощо) рекомендуються пристрої зі струмом уставки дифзахисту, рівним 10 мА.

Згідно з нормативними документами спрацювання ПЗВ може відбуватися, якщо струм витоку перевищує 50% струму уставки.

Оскільки електричні установки в нормальному режимі мають струми витоку, необхідно їх оцінити попередньо і порівняти з 50%-ю величиною струму уставки, яку вони не повинні перевищувати.

Для оцінки струмів витоку можна прийняти наступні величини:

-комп'ютеризоване робоче місце: від 1 до 2 мА;

-принтер: біля 1 мА;

-факс: від 0,5 до 1 мА;

-дисплей: від 0,5 до 1,5 мА;

-копіювальний апарат: від 0,5 до 1,5 мА.

Якщо дані про струми витоку обладнання відсутні, можна його прийняти з розрахунку 0,3 мА на 1 А струму навантаження, а струм витоку мережі - з розрахунку 10 мкА на 1 м довжини фазного проводу.

Диференційний вимикач навантаження вибирають також за номінальним струмом та узгоджують з послідовно увімкненим автоматичним вимикачем за умовами: номінальний струм диференційного вимикача навантаження повинен бути більшим від максимального робочого струму навантаження та не повинен бути меншим від номінального струму автоматичного вимикача. Автоматичний вимикач, крім вибору за робочим струмом приєднання, вибирають також за умовами захисту (вибір типу захисної кривої В, С, D тощо), та за струмом короткого замикання. Величина допустимого струму КЗ (в амперах) автоматичного вимикача для житлово-побутових приміщень вказана на панелі приладу в прямокутнику, наприклад 6000.

Якщо в струмі витоку існує постійна складова, слід застосовувати ПЗВ типу А, якщо її не має – типу АС.

Комбінований автоматичний вимикач (з ПЗВ) вибирають за тими ж умовами:

38

-І n ≥ 0,5Івитоку нормального режиму,

-Іном ≥ Іроб.макс.,

-Ікз. доп. ≥ Ікз. макс.,

а також за часострумовою характеристикою вимкнення.

Крім того, необхідно перевірити узгодження пристроїв з перерізом проводів відгалужень (допустимий струм відгалуження повинен бути більший від номінального струму захисного апарата).

Пристрої захисного вимкнення другого рівня захищають від непрямого дотику та пожежі, а також у певній мірі можуть резервувати ПЗВ першого рівня, якщо струми витоку перевищують струми спрацювання ПЗВ другого рівня. Для забезпечення селективності апарати другого рівня повинні мати більший час спрацювання, тобто бути селективного типу (S).

Доведено, точка замикання може стати джерелом пожежі, якщо в ній виділяється потужність понад 60 Вт. Струм витоку у цьому випадку становить біля 300 мА. Ці умови задовольняють ПЗВ зі струмами установок 100 мА, 300 мА. За рештою умов вибір ПЗВ виконують аналогічно вибору ПЗВ першого рівня захисту.

Вибір апаратів за захисною характеристикою виконують з врахуванням з одного боку відомостей про типи характеристик, а з другого боку - у відповідності з характером струму споживання, який визначають за типом споживача.

Найбільш поширені захисні характеристики трьох типів В, С, D. Вони відрізняються лише налагодженням електромагнітного розчеплювача, що реагує на струм короткого замикання:

1)Крива В. Захист генераторів, довгих кабельних ліній. Струм спрацювання електромагнітного розчеплювача Ім=(3...5)Іном.

2)Крива С. Захист ліній, що живлять класичне (спільне) навантаження, Ім=(5...10)Іном.

3)Крива D. Захист ліній, що живлять електроприймачі з великими пусковими струмами,

Ім=(10...14)Іном.

Форма захисних кривих наведена в [1,2].

В області дії теплового розчеплювача – до точки початку спрацювання електромагнітного розчеплювача – форма захисних характеристик однакова. Тепловий розчеплювач, згідно стандарту E№60898 налагоджений таким чином, що при температурі оточуючого середовища 300С зона його дії знаходиться в межах від 1,13Іном (струм невимкнення) до 1,45Іном (струм вимкнення).

Промисловістю на сьогодні випускається широкий спектр конструкцій пристроїв захисного вимкнення з дією від сумарного струму витоку. За особливостями конструкції їх розрізняють наступним чином:

-вимикачі навантаження з ПЗВ;

-автоматичні вимикачі з ПЗВ;

-розетки з ПЗВ та перехідні розетки з ПЗВ;

-блок - приставки ПЗВ до автоматичних вимикачів;

-вмонтовані ПЗВ в технологічне обладнання (холодильники, пральні машини тощо). Вимикачі навантаження та автоматичні вимикачі з ПЗВ випускаються на струми

навантаження від 0,6 до 125 А в стандартизованих габаритах у відповідності з нормами DIN 43880 з кріпленням на планці DIN. На більші струми найчастіше використовують конструкції автоматичних вимикачів з блок-приставками ПЗВ .

39

I. Вимикачі навантаження з ПЗВ призначені для комутації електричних кіл вручну, а також автоматичного вимкнення у випадку появи струму витоку, який перевищує уставку. В цих апаратах відсутні тепловий та електромагнітний розчеплювачі.

За кількістю полюсів розрізняють 2-х полюсні вимикачі навантаження для однофазних відгалужень з номінальною напругою 220 (240) В та 4-х полюсні для трифазних відгалужень з напругою 220/380 В (240/415 В).

За номінальним струмом головного кола деякі фірми випускають повний спектр апаратів згідно стандартизованих номінальних струмів (наприклад 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 63 А для апаратів), а деякі – обмежений (розріджений) набір на струми (наприклад 16, 25, 40, 63 А для двополюсних апаратів фірми АВВ, чи 25, 40, 63, 80, 100 А - фірми Merlin Gerin).

Номінальні струми спрацювання захисту від струмів витоку корелюють з призначенням та місцем встановлення апаратів:

-(10 мА), 30 мА, 100 мА та 300 мА для апаратів (миттєвої дії) типу G першого та другого ступенів розподілу електроенергії;

-300 мА, (500 мА) для селективних апаратів типу S.

Згідно вимог стандартів ПЗВ захищене від дії хвиль перенапруг, які виникають як наслідок удару блискавки, чи комутації потужного обладнання, рівень захисту обмежений стандартною хвилею струму 250 А з фронтом 8/20 мс.

На фронтальній панелі апаратів може бути облаштована ідентифікація стану (вимкнено/увімкнено) та спрацювання ПЗВ.

Для електричних кіл змінного струму випускаються ПЗВ класу АС, а при наявності чи можливості появи постійної складової в колі, яке захищається, випускають ПЗВ класу А.

Час спрацювання селективного ПЗВ (з позначкою S) повинен бути більшим від часу спрацювання ПЗВ миттєвої дії (типу G) і відповідати вимогам нормативів, наведеним у таблиці

2.

Механічна стійкість (кількість циклів вимкнено/увімкнено) дещо відрізняється для апаратів різних фірм, але може сягати величини 20000 циклів.

ІІ. Автоматичні вимикачі з ПЗВ призначені для комутації електричних кіл вручну (чи дистанційно при наявності відповідних пристроїв керування), а також автоматичного вимкнення при перевантаженні, короткому замиканні та появі струму витоку, якщо відповідні струми перевищують уставки.

Більшістю фірм автоматичні вимикачі з ПЗВ випускаються у 2-х полюсному виконанні. 4-х полюсну конструкцію (та аналогічну 2-х полюсну) випускають Merlin Gerin та Gardi – у вигляді інтегрального автоматичного вимикача з можливістю зміни номінального струму з пристроєм ПЗВ (або без нього), придатного для використання як ввідного пристрою для квартир, садиб, дач та інших будівель.

Автоматичні двополюсні вимикачі з ПЗВ відрізняються від вимикачів навантаження наявністю теплового та електромагнітного розчеплювачів максимального струму, які встановлені тільки у фазному полюсі (в нейтральному полюсі вони відсутні). Тому слід звернути увагу на відповідне приєднання апарату.

Спектр номінальних струмів цих апаратів сягає до 63 А, а для окремих типів і більше. Номінальні струми спрацювання розчеплювача струму витоку відповідають стандартизованим величинам (10), 30, 100, 300, (500) мА.

На відміну від вимикачів навантаження, автомати характеризуються також комутаційною спроможністю щодо вимкнення струмів короткого замикання.

40