6.2 Расчёт устройства защитного отключения

Разрабатываемая электрогидравлическая система при её эксплуатации также может причинить вред человеку. Это может произойти, в частности, при замыкании фазы на корпус, снижении сопротивления изоляции сети ниже определённого предела и, наконец, в случае прикосновения человека непосредственно к токоведущей части, находящейся под напряжением, если произойдёт обрыв какого-либо провода или будет нарушена изоляция проводов. Поэтому для предотвращения поражения током обслуживающего персонала необходимо предусмотреть определённые меры защиты. В электроустановках применяют следующие технические меры защиты:

- защитное заземление;

- защитное зануление;

- защитное отключение.

Так как разрабатываемое устройство содержит управляющий микропроцессор, то возможно использовать этот микропроцессор для обеспечения безопасности. В разрабатываемой системе используем защитное отключение.

Защитное отключение – это быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения человека током.

Устройства защитного отключения (УЗО) удовлетворяют следующим требованиям:

- высокая чувствительность;

- малое время отключения;

- селективность действия;

- способность осуществлять самоконтроль исправности;

- достаточная надёжность.

Все устройства защитного отключения, в зависимости от принятых для них входных величин, условно делятся на следующие типы, реагирующие на:

- потенциал корпуса;

- ток замыкания на землю;

- напряжение нулевой последовательности;

- ток нулевой последовательности;

- напряжение фазы относительно земли;

- оперативный ток.

Есть и комбинированные устройства, которые реагируют не на одну, а на несколько входных величин.

Для разрабатываемой системы рекомендуется использовать устройство, реагирующее на оперативный ток.

Схема защитного отключения представлена на рисунке 25.

1

3

2

Rp

KO

H

1 – корпус; 2 – автоматический выключатель; 3 – устройство защитного отключения; КО – катушка отключения; Н – реле максимального напряжения; Rp – сопротивление защитного заземления

Рисунок 25 – Схема защитного отключения

УЗО, реагирующего на оперативный постоянный ток, предназначено для непрерывного автоматического контроля сопротивления изоляции сети, а также для защиты человека, прикоснувшегося к токоведущей части, от поражения током.

Принцип действия УЗО – быстрое отключение сети от источника тока при снижении сопротивления её изоляции относительно земли ниже некоторого предела, при котором ток I_h через человека, прикоснувшегося к токоведущей части (или напряжение прикосновения), достигает наибольшего длительного допустимого значения I_{h, доп} (или U_{пр, доп}).

Датчиком служит реле РТ с малым током срабатывания (несколько миллиампер). Трёхфазный дроссель ДТ предназначен для получения нулевой точки сети. Однофазный дроссель Д необходим для ограничения утечки в землю переменного тока, которому он оказывает большое индуктивное сопротивление.

Постоянный ток от постороннего источника проходит по замкнутой цепи: источник – земля – сопротивление изоляции всех проводов относительно земли – – провода – трёхфазный дроссель ДТ – однофазный дроссель Д – обмотка реле РТ – источник. Значение этого тока I_p, А, зависит от напряжения источника постоянного тока. U_ист, В, и общего активного сопротивления цепи:

I_p = U_ист /(R_д + r_э) = 0,068 (А) (86)

где R_д – суммарное активное сопротивление реле и дросселей, Ом:

Rд = Rр + Rдр = 300 + 1100 + 1250 = 5350 (87)

где R_р и R_др – активное сопротивление реле и дросселей, Ом:

Rр = 1250+125; Rдр = 3000; 1100

r_э – эквивалентное активное сопротивление изоляции проводов (r₁, r₂, r₃) и замыкания фазы на землю r_зм , Ом: r_зм = 100.

rэ = r·rзм /(r + rзм) = 248,3 (88)

где r – активное сопротивление изоляции трёх фаз, Ом:

r₁ = r₂ = r₃ = 0,11·10⁶

r = 1 /(1/r₁ + 1/r₂ + 1/r₃) = 3,7·10⁴ (89)

При нормальном режиме работы сети сопротивление r_э велико и поэтому ток I_p незначителен. В случае снижения сопротивления изоляции одной (двух или трёх) фазы в результате её замыкания на землю или на корпус или в результате прикосновения к ней человека сопротивление r_э уменьшится, а ток I_p возрастёт и, если он превысит ток срабатывания реле РТ, произойдёт отключение сети от источника питания.

Если вдруг, по какой-то причине реле не сработает и источник питания останется подключённым к сети, то на этот случай в схеме предусмотрена ещё одна мера защиты - это плавкие предохранители F1, F2, F3. С их помощью осуществляется надёжная защита лишь от короткого замыкания и больших (50% и выше) перегрузок. Как только ток через предохранитель превысит I_к.з. /3 произойдёт перегорание плавкой вставки и отключение схемы от сети.

Время перегорания вставки зависит от состояния контактов предохранителя и самой плавкой вставки, температуры окружающего воздуха, старения материала вставки. Поэтому защита схемы от перегрузок при помощи плавких предохранителей недостаточно надёжна, по сравнению с реле, но, тем не менее, позволяет защитить систему и обслуживающий персонал от возможных поражений электрическим током.

Условие безопасности прикосновения человека к токоведущей части, находящейся под напряжением, заключается в том, чтобы ток через человека I_h не превышал длительно допустимого значения I_{h, доп} , то есть:

I_{h, доп} > I_h (90)

Уставкой для этого случая будет некоторое значение эквивалентного сопротивления r_э, при котором соблюдается указанное условие безопасности:

r_уст > r_э (91)

С учётом (88):

r_уст > r·R_h/(r + R_h) = 973 (Ом) (92)

где R_h – сопротивление тела человека, Ом:

R_h = 1000.

Уставкой для этого случая также может быть значение тока срабатывания I_ср, А, при котором соблюдаются следующие условия безопасности:

1) для автоматики (реле):

Iк.з.  1,25·Iср1 (93)

2) для предохранителей:

Iк.з_.  3·Iср2 (94)

Для этих условий определим ток срабатывания I_ср:

I_ср1 = I_к.з. / 1,25;

I_ср2 = I_к.з. / 3.

Определим ток короткого замыкания, I_к.з. (А), по следующей формуле:

Iк.з. = Uф / R = 127 /0,3649 = 350, (95)

где U_ф – напряжение фазы, В: U_ф = 127;

R – сумма сопротивлений фазного провода и земли, Ом:

R = Rф + Rз = 0,3649 + 0 = 0,3649, (96)

где R_з – сопротивление земли, Ом, принимаем R_з = 0;

R_ф – сопротивление фазного провода, Ом:

Rф = ·(l / S) = 0,0089·(1000/24) = 0,3649, (97)

где  – плотность материала провода (медь), кг/м³:  = 0,0089;

l – длина провода, м: l = 1000;

S – площадь сечения провода, мм²: S = 24.

Тогда найдём ток срабатывания, I_ср , А:

I_ср1 = 350/1,25 = 280;

I_ср2 = 350/3 = 117.

Достоинствами УЗО, реагирующего на оперативный постоянный ток, является возможность обеспечения высокой степени безопасности для людей благодаря ограничению тока, проходящего через человека, до необходимых пределов и возможность самоконтроля исправности, поскольку при обрыве цепей прохождение тока через реле прекращается, что и служит импульсом на отключение установки.

В качестве дополнительных мер защиты может применяться экранирование, а в качестве защиты обслуживающего персонала – резиновые перчатки.