Лабораторна робота № 7 вивчення конструкції та випробування пристроїв захисного вимкнення

Мета роботи: вивчення будови, принципу дії, організація дослідної схеми, перевірка працездатності, дослідження та визна­чення експлуатаційних характеристик і показників пристроїв захисного вимкнення, що керуються сумарним струмом витоків, інакше - диференційним струмом. (тривалість роботи 2 год.).

1 Основні теоретичні положення

Пристрій захисного вимкнення – це електроапарат, призначений для захисту людини від ураженням струмом шляхом швидкого вимкнення об’єкту з пошкодженою ізоляцією, яка спричинює появу струму витоку (диференційного струму).

Захист життя і здоров'я людей, а також їхнього майна є першочерговим завданням в усіх цивілізованих країнах світу. Для вирішення цієї проблеми розроблені і продовжують розроблятися різні проекти, покликані убезпечити людей, зокрема в галузі електро- і пожежобезпеки. Одним з ефективних способів підвищення рівня електро- і пожежобезпеки є застосування пристроїв захисного вимкнення електромережі, керованих струмами витоків - інакше диференційним струмом. Ці пристрої давно й успішно використовують у світовій практиці. На підставі аналізу статистичних даних про нещасні випадки із смертельним наслідком, які пов’язані із впливом електричного струму на організм людини, можна зробити висновок про високу ефективність застосування пристроїв захисного вимкнення. Тільки в європейських країнах у житлових і громадських будинках встановлено більше ніж мільярд таких пристроїв.

Пристрої захисного вимкнення, керовані диференційним струмом (ПЗВ), значною мірою підвищують рівень електробезпеки електроустановок, а також захищають майно і здоров'я людей, запобігаючи виникненню пожеж, спричинених несправністю електромереж. Перевагами ПЗВ є висока надійність, простота монтажу і невеликі розміри. Використання таких пристроїв дає змогу досягти високого ступеня захисту. Необхідно виконати лише декілька вимог, які легко реалізуються.

Пристрій захисного вимкнення за призначенням повинен бути вимикачем швидкої дії. У разі появи в мережі струму витоку, який перевищує уставку, він повинен автоматично від'єднати від мережі установку (або її частину), яка через нього під'єднана до електричної мережі. Цим забезпечується обмеження рівня і тривалості протікання струму через тіло людини у разі прямого дотику. Отже, найважливішою особливістю захисного вимкнення є те, що воно є єдиним електрозахисним заходом, що захищає людину від ураження.

ПЗВ складається з підсумовувального трансформатора струму 1, чутливого вимикального реле 2, механізму розчеплення 3 з контактною системою 4 і кола контролю 5 (рисунок 7.1).

Через вікно трансформатора струму пропускають всі провідники: фазний робочий L та нульовий робочий N. Якщо у споживача відбувається пошкодження ізоляції і встановиться контакт електричного кола з корпусом, то у разі дотику людини до корпусу у колі з'явиться струм витоку, який протікає по тілу людини чи якимось іншим шляхом у землю. В такому разі векторна сума струмів у робочих провідниках, пропущених через трансформатор струму, буде мати відмінне від нуля значення, тобто з'явиться так званий диференційний струм І_∆ Наявність диференційного струму зумовлює появу електро­рушійної сили у вторинній обмотці трансформатора струму 7, яка заживлює обмотку чутливого вимикального реле 2, його осердя приводить в рух механізм розчеплення 3 і силові контакти 4 швидко розмикаються.

Очевидно, значення диференційного струму повинно бути достатнім для спрацювання реле. Тому існує поняття номінального вимикального диференційного струму ПЗВ. Його необхідно відрізняти від номінального струму ПЗВ, який ПЗВ може пропустити в тривалому режимі роботи. Номінальний струм ПЗВ є, по суті, пасивним тран­зитним струмом пристрою. Обидва ці струми вказує виробник. У схемі пристрою передбачено коло 5 для тестування працездатності ПЗВ.

Рисунок 7.1 - Схема увімкнення ПЗВ

Залежно від способу монтажу розрізняють ПЗВ для фіксованого монтажу у розподільних щитах і мобільного монтажу (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 - Виконання ПЗВ за способом монтажу

Згідно з функціональною залежністю від напруги живлення розрізняють ПЗВ:

- FІ – функціонально незалежні;

- DІ – функціонально залежні;

- НFІ – функціонально умовно залежні.

Найдосконалішими є незалежні від напруги ПЗВ типу FІ (рисунок 7.1).

За кількістю полюсів ПЗВ поділяють на двополюсні, які призначені для захисту в однофазних колах (L, N), і чотири-полюсні, які використовують в трифазних мережах (L1, L2, LЗ, N). Схеми двополюсного та чотириполюсного ПЗВ показані на рисунку 7.3.

Рисунок 7.3 – Структурні схеми чотириполюсного (а) та двополюсного (б) ПЗВ

Розглянемо чутливість ПЗВ до різних видів диференційного струму. Іноді у зв'язку з використанням силових схем з напівпровідниковими елементами спотворюється крива змінного струму, що супроводжується збільшенням у ній частки постійної складової. У разі застосування ПЗВ в колах з потужними спожи­вачами необхідно аналізувати криву струму, що протікає через ПЗВ, і вибрати відповідний цій кривій тип пристрою. Найчастіше застосовують ПЗВ, призначені для змінного диференційного струму (тип АС), рідше - для змінного й водночас для пульсу­ючого постійного струму (тип А). Графічні позначки, що характе­ризують відповідний тип ПЗВ, наведені в таблиці 7.1, їх наносять на корпус кожного пристрою.

Таблиця 7.1 – Позначки, що характеризують чутливість ПЗВ до різних видів диференційного струму (відповідно до стандарту ІЕС 755)

Позначки	Тип	Властивості ПЗВ
	АС	Чутливий до змінного диференційного струму
	А	Чутливий до змінного і пульсуючого постійного* диференційних струмів
	В	Чутливий до змінного, пульсуючого постійного і згладженого постійного** диференційних струмів

* Пульсуючий постійний струм – це хвилеподібні імпульси струму тривалістю (у кутовому вимірюванні) не менше за 150° за один період пульсації, що виникають періодично з номінальною частотою і розділені проміжками часу, протягом яких постійний струм набуває значення, що не перевищує 0,006 А.

** Згладжений постійний струм – це постійний струм з незначними хвиле­подібними імпульсами (коефіцієнт пульсації не вище ніж 10 %).

Час спрацювання є одним із важливих параметрів ПЗВ. В цьому аспекті ПЗВ поділяють на такі:

- загального застосування (рисунок 7.4 а);

- з невеликою затримкою спрацювання (рисунок 7.4 б).

Рисунок 7.4 – Структурні схеми ПЗВ без затримки спрацювання (а) та ПЗВ із затримкою спрацювання (б)

Перші вимикають одразу після виникнення диференційного струму, значення якого перевищує рівень, що необхідний для спрацювання.

Для других затримка характеризується граничним часом невимикання t_нв. Упродовж цього нормованого відрізку часу ПЗВ не повинен спрацювати навіть за великого диференційного струму. Наприклад, при короткочасному імпульсі диференційного струму енергія імпульсу недостатня для заряджання конденсатора 4 до рівня граничної напруги вимикального реле, отже, не відбудеться вимикання ПЗВ.

Залежно від граничного часу невимикання розрізняють ПЗВ:

- загального призначення з мінімальною природною затримкою (-), t_нв ≤ 30 мс ;

- з підвищеною стійкістю до струму короткого замикання і середньою затримкою (G), t_нв ≤ 210 мс;

- селективні з істотною затримкою (S), t_нв ≤ 350 мс.

Ідея селективного (вибіркового) диференційного захисту об’єктів полягає в тому, що від струмів витоку захищають як окремих конкретних споживачів, так і їхні групи аж до всієї системи загалом. Організувати такий захист можна лише за наявності ПЗВ всіх трьох типів: загального призначення, G та S, які мають різні часострумові характеристики. Це відображено уявною ділян­кою мережі з селективним диференційним захистом (рисунок 7.4). Спожи­вачі 2, 3, 4, 5 та 6 захищені швидкісними диференційними низькострумовими ПЗВ загального призначення. У разі витоку на об'єкті 1 вимикають разом із ним споживачі 2, 3 і 4.

Струми витоку в системі можуть з'явитися також як наслідок старіння ізоляції провідників та обладнання. Ці струми здатні викликати пожежу, тому у разі їхньої появи належить вимкнути всю ділянку мережі, що покладається на ПЗВ типу S. На схемі такі витоки імітують об'єктом 7.

До ПЗВ ставиться вимога, щоб робочий діапазон диференційних струмів спрацювання становив від половини номінального диференційного струму і до його номінального рівня.

Рисунок 7.4 – Схема ділянки мережі із селективним диференційним захистом об'єктів

У разі дотикання людини до частини електроустаткування, що опинилося під напругою, по тілу людини протікає електричний струм. Реакція організму на вплив електричного струму й можливі наслідки цього впливу залежать від багатьох чинників, основними з яких є: параметри електричної мережі, умови довкілля (кліматичні й погодні), тривалість впливу струму, перехідний опір між тілом людини й землею (взуття, підлога), характеристика приміщення й опір тіла людини.

На рисунку 7.4 зображено граничні криві змінного струму промис­лової частоти (повідомлення ІЕС 479, розділ 2, 3-тє видання 1994 року), що характеризують вплив сили електричного струму на людину залежно від тривалості часу його протікання.

Рисунок 7.5 – Граничні криві змінного струму

Пояснення до рисунка наведено в таблиці 7.2.

Головним чинником, що зумовлює відсутність смертельного ре­зультату у разі ураження людини електричним струмом, є малий час протікання електричного струму. У спеціальній літературі наводиться значення гранично допустимого добутку струму, що протікає по тілу людини, і часу його протікання, який дорівнює 70 мАс.

При значеннях опору тіла людини 2000 Ом і напруги дотику 230 В рівень струму, що протікає по тілу, дорівнює 230/2000 = 0,115 А. Час протікання струму у такому разі не повинен перевищувати значення 0,6 с. За умови використання ПЗВ з номінальним вимикальним диференційним струмом І_Δn = 30 мА значення часу вимкнення при доторканні людини до струмоведучого провідника звичайно лежить в межах від 10 до 30 мс, що гаран­тує високий ступінь безпеки. Залежно від умов довкілля, особливо за на­явності чи відсутності вологи, згідно зі стандартом ІЕС 60364-4-41 прий­нято, що значення безпечної напруги U_L змінного струму становить 50 В для сухого середовища і 25 В для вологого середовища.

Таблиця 7.2 – Фізіологічний вплив електричного струму на людину залежно від інтервалу значень струму і часу його протікання по тілу

Позначення інтер­валу (АС-змінний струм)	Граничні значення струму в інтервалі	Фізіологічний вплив
АС-1	До 0,5 мА (пряма а)	Звичайно без відчутного впливу
АС-2	Від 0,5 мА до ламаної лінії b	Звичайно без шкідливого фізіологічного впливу
АС-3	Від ламаної лінії b до кривої с	Звичайно без органічного ушкоджен­ня. Можлива судома м'язів і проблеми з ди-ханням, якщо струм протікає довше за 2 с. Порушення серцевої діяльності без фібриляції серцевого м'яза спостерігається тільки при три­валішому часі протікання і за вищих значень струму
АС-4	Вище від кривої с	Збільшується ймовірність ви-никнення таких небезпечних патологічних явищ, як зупинка дихання, важкі опіки і фібриляція серцевого м'язу