Устройства реагирующие на напряжение корпуса относительно земли. Защитное отключение

В сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ (системах TN ) защитное заземление неэффективно, так как даже при глухом замыкании на землю ток зависит от сопротивления заземления и при его уменьшении ток возрастает, а напряжение прикосновения может достигать опасных значений. Поэтому в системах TN защита от поражения электрическим током при косвенном прикосновении обеспечивается ограничением времени воздействия электрического тока на организм человека. Для этого должно быть выполнено защитное автоматическое отключение питания, обеспечивающее защиту как от сверхтоков (токов короткого замыкания) и называемое защитным занулением, так и от токов утечки с помощью устройств защитного отключения, реагирующих на дифференциальный ток (УЗО-Д).

Защитное автоматическое отключение питания  автоматическое размыкание цепи одного или нескольких фазных проводников (и, если требуется, нулевого рабочего проводника), выполняемое в целях электробезопасности.

Назначение автоматического отключения питания  предотвращение появления напряжения прикосновения, длительность воздействия которого может представлять опасность при повреждении изоляции.

Для автоматического отключения питания могут быть применены защитно-коммутационные аппараты, реагирующие на сверхтоки (автоматические выключатели) и устанавливаемые в фазных проводниках, или на дифференциальный ток (УЗО-Д).

Защитное зануление  преднамеренное электрическое соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока в трехфазных сетях. Это соединение осуществляется с помощью нулевого защитного PE - или совмещенного PEN -проводника.

Принципиальная схема защитного зануления в сети трехфазного тока (система TN - S ) показана на рис.14.8.

Принцип действия защитного зануления  превращение замыкания на открытые проводящие части (металлические корпуса электроустановок) в однофазное короткое замыкание (замыкание между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большой ток короткого замыкания I к, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети.

При замыкании, например, фазного проводника L 3 на зануленный корпус (рис. 14.8) ток короткого замыкания проходит через следующие участки цепи: обмотку трансформатора (генератора), фазный L 3 и нулевой защитный PE -провод. Величина тока определяется фазным напряжением и полным сопротивлением цепи однофазного короткого замыкания:

при этом сопротивления трансформатора Z т, фазного провода Z ф.пр и нулевого защитного PE -провода Z н имеют активную и индуктивную составляющие.

В качестве аппаратов защиты выступают плавкие предохранители, автоматические предохранители и автоматические выключатели, которые должны обеспечить малое время размыкания цепи (отключения).

Кроме того, поскольку зануленные корпуса (или другие открытые проводящие части) заземлены через нулевой защитный PE - (или совмещенный PEN -) проводник и повторные заземления R п, то в аварийный период, т.е. с момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения поврежденной электроустановки от сети, проявляется защитное свойство этого заземления, как при защитном заземлении. За счет протекания тока замыкания I з через сопротивление повторного заземления R п, напряжение PE -проводника (или PEN -проводника), а, следовательно, и присоединенных к нему корпусов электрооборудования, относительно земли снижается в аварийный период до момента срабатывания защиты или в случае обрыва PE - (или PEN -) проводника. Таким образом, защитное зануление осуществляет два защитных действия  быстрое автоматическое отключение поврежденной установки от питающей сети и снижение напряжения зануленных металлических нетоковедущих частей, оказавшихся под напряжением, относительно земли.

Повторные заземления PE - или PEN -проводника на воздушных линиях выполняются на всех ответвлениях длиной более 200 м и на вводе в электроустановку. В сети напряжением 380/220 В сопротивление заземления нейтрали должно быть не более 4 Ом, а общее сопротивление растеканию заземлителей всех повторных заземлений PE - или PEN -проводника  не более 10 Ом.

Время защитного автоматического отключения для системы TN при номинальном фазном напряжении не должно превышать значений: 127 В  0,8 с; 220 В – 0,4 с; 380 В – 0,2 с; более 380 В – 0,1 с.

Для обеспечения указанного времени отключения питания ток однофазного короткого замыкания должен превышать не менее чем в три раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или ток срабатывания расцепителя автоматического выключателя с обратно зависимой от тока характеристикой. При защите сети автоматическими выключателями с электромагнитным расцепителемпревышение тока короткого замыкания над номинальным током определяется типом электромагнитного расцепителя: A , B , C , D .

Рис. 14.8. Принципиальная схема защитного зануления.

Автоматическое отключение с использованием устройств защитного отключения (УЗО ) , реагирующих на токи утечки. При малых токах замыкания, токах утечки, снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника защитное зануление недостаточно эффективно, поэтому в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от поражения электрическим током. Современные устройства защитного отключения (УЗО) имеют быстродействие от 0,04 до 0,3 с.

УЗО создаются на различных принципах действия. Наиболее совершенным является УЗО, реагирующее на ток утечки (дифференциальный ток). Достоинство его состоит в том, что оно защищает человека от поражения электрическим током как в случае прикосновения к открытым проводящим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением из-за повреждения изоляции, так и при прямом прикосновении к токоведущим частям. Именно такие УЗО могут быть отнесены одновременно к средствам защиты как при косвенных, так и при прямых прикосновениях.

Кроме того, УЗО выполняет еще одну важную функцию – защиту электроустановок от возгораний, первопричиной которых являются утечки, вызванные ухудшением изоляции. Известно, что более трети пожаров возникает от неисправностей электропроводок, поэтому вполне справедливо УЗО называют «противопожарным сторожем».

УЗО состоит из трех функциональных элементов: датчика, исполнительного органа и коммутационного устройства. Датчик улавливает токи утечки, стекающие с фазных проводов на землю в случае прямого прикосновения человека или повреждения изоляции. Сигнал о наличии тока утечки поступает в исполнительный орган, где усиливается и преобразуется в команду на отключение коммутационного устройства. Наибольшее распространение получили УЗО, основанные на использовании в качестве датчика информации о возникновении опасных ситуаций дифференциального трансформатора тока (ДТТ). Исполнительный орган УЗО может работать на двух различных принципах: электронном и электромеханическом.

Электрическая схема электромеханического УЗО приведена на рисунке 14.9. Датчиком устройства служит ДТТ (I), кольцевой магнитопровод которого охватывает провода, питающие нагрузку и играющие роль первичной обмотки. При отсутствии тока утечки рабочие токи (I1) в прямом (фазном L ) и (I2) в обратном (нулевом рабочем N ) проводах равны и наводят в магнитопроводе равные, но противоположно направленные магнитные потоки; результирующий поток равен нулю и поэтому ЭДС во вторичной обмотке отсутствует. УЗО не срабатывает. При появлении тока утечки (I ) (например, при замыкании на корпус или прикосновении человека к оголённому фазному проводу) ток в прямом проводе превышает обратный ток на величину тока утечки I  ; в сердечнике возникает магнитный поток небаланса, а во вторичной обмотке наводится ЭДС, пропорциональная току утечки. По обмотке магнитоэлектрического реле (2) протекает ток, вызывающий его срабатывание и воздействие на механизм свободного расцепления (3), отключающий контакты. УЗО срабатывает. Таково действие УЗО двухполюсного исполнения в цепи однофазной нагрузки.

Для работы в трехфазной сети (как трех-, так и четырехпроводной) УЗО выполняется четырехполюсным, то есть магнитопровод охватывает три фазных и нулевой рабочий проводники. Некоторые типы устройств защитного отключения (в основном, зарубежного производства) совмещают в себе функции УЗО и автоматического выключателя, что неизбежно ведет к снижению надежности и повышению стоимости за счет усложнения схемы и увеличения количества компонентов.

По виду рабочего напряжения (тока утечки) УЗО делятся на типы:

АС – только для переменного (синусоидального) напряжения;

А – для синусоидального напряжения и пульсирующего напряжения с постоянной составляющей.

При выборе УЗО следует учитывать, что источником пульсирующего напряжения могут быть стиральные машины, персональные компьютеры, телевизоры, регуляторы источников света.

УЗО является высокоэффективным и перспективным способом защиты. Оно используется в электроустановках до 1 кВ в дополнение к защитному заземлению (защитному занулению), а также в качестве основного или дополнительного способа защиты, когда другие способы и средства неприменимы или малоэффективны.

Рис. 14.9. Электрическая схема УЗО.

Защитным отключением называется автоматическое отключение электроустановок при однофазном прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимым для человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока утечки (замыкания), превышающего заданные значения.

Назначение защитного отключения - обеспечение электробезопасности, что достигается за счет ограничения времени воздействия опасного тока на человека. Защита осуществляется специальным устройством защитного отключения (УЗО), которое, обеспечивает электробезопасность при прикосновении человека к токоведущим частям оборудования, позволяет осуществлять постоянный контроль изоляции, отключает установку при замыкании токоведущих частей на землю. Для защиты людей от поражения электрическим током применяются УЗО с током срабатывания не более 30 мА.

Область применения защитного отключения: электроустановки в сетях с любым напряжением и любым режимом нейтрали.

Наибольшее распространение защитное отключение получило в электроустановках, используемых в сетях напряжением до 1 кВ с заземленной или изолированной нейтралью.

Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно контролирует входной сигнал и сравнивает его с заданной величиной. Если входной сигнал превышает эту величину, то устройство отключает защищенную электроустановку от сети. В качестве входных сигналов устройств защитного отключения используют различные параметры электрических сетей, которые несут в себе информацию об условиях поражения человека электрическим током.

УЗО реагирует на «ток утечки» и в течение сотых долей секунды отключает электричество, защищая человека от поражения электрическим током, оно улавливает малейшую утечку тока и размыкает контакты.

Конструктивно УЗО бывают двух видов:

электронные, зависимые от напряжения питания, их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника; электромеханические, независимые от напряжения питания, они дороже электронных УЗО, но обладают большей чувствительностью. Источником энергии, необходимой для функционирования таких УЗО является сам входной сигнал - дифференциальный ток, на который оно реагирует.

Все УЗО по виду входного сигнала классифицируют на несколько типов:

реагирующее на напряжение корпуса относительно земли; реагирующее на дифференциальный (остаточный) ток; реагирующее на комбинированный входной сигнал; реагирующее на ток замыкания на землю; реагирующее на оперативный ток (постоянный; переменный 50 Гц); реагирующее на напряжение нулевой последовательности.

Применение УЗО должно осуществляться в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Защитное автоматическое отключение питания от сети (далее – питания) осуществляется посредством автоматического размыкания цепи одного или нескольких фазных проводников (и, если необходимо, то и нулевого рабочего проводника), выполняемого в целях защиты от поражения электрическим током. Этот способ защиты реализуется, например, в рассмотренной системе защитного заземления, а также в системе зануления и в устройствах защитного отключения. Характеристики защитных аппаратов автоматического отключения и параметры проводников должны быть согласованы, чтобы обеспечивалось нормированное время отключения поврежденной цепи защитно-коммутационным аппаратом, указанное в ПУЭ, в соответствии с номинальным напряжением питающей сети. Защитно-коммутационные аппараты могут реагировать на токи короткого замыкания (например, в системе зануления) или на дифференциальный ток (устройства защитного отключения). В электроустановках, где применено автоматическое отключение питания, выполняют уравнивание потенциалов в целях снижения напряжения прикосновения в период времени от момента возникновения аварийной ситуации до момента отключения питания.

Зануление применяется в электроустановках напряжением до 1 кВ и представляет собой преднамеренное соединение открытых проводящих частей электроустановок (в том числе их корпусов) с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора.

Это соединение выполняют посредством нулевого защитного проводника (РЕ-проводника). Согласно указаниям главы 1.7. ПУЭ, такую систему обозначают TN (Т – «terra» (англ.) – нейтраль источника глухо заземлена, N – «neutral» – открытые проводящие части присоединены к этой нейтрали). Нулевой РЕ-проводник («protection earth») следует отличать от нулевого рабочего проводника (N), который тоже присоединен к глухозаземленной нейтрали источника, но предназначен для питания однофазных электроприемников. Проводники РЕ и N могут быть разделены на всем своем протяжении, образуя совместно с фазными пятипроводную систему, обозначаемую TN-S (S – «separated» – «разделенный»). Если же они совмещены в одном PEN-проводнике на всем протяжении, то это – четырехпроводная система TN-C (C – «combination» – «совмещенный»). Применяется также промежуточная система TN-C-S, в которой, начиная от источника питания, прокладывается PEN-проводник, а затем он разделяется на отдельные N и РЕ-проводники в зоне размещения электроприемников, предназначенных для подключения к системе TN-S. С позиций безопасности система TN-S предпочтительнее системы TN-C, поскольку в нормальном режиме рабочий ток не протекает по РЕ-проводнику. Поэтому потенциалы зануленных открытых проводящих частей электроустановок практически одинаковы и равны потенциалу земли. Система TN-S, впервые предложенная с 70-х годах XX века, начиная с 1995 года широко внедряется в отечественной промышленности и в быту, однако область применения системы TN-C (используемой с 1910 года) все еще превалирует.

Монтаж и эксплуатация трехфазных сетей невозможны без четкой (на дистанции) идентификации фазных и нулевых проводников. Это возможно с помощью цветовой маркировки. Шины фазы A (на схемах обозначается L1), B (L2), и C (L2) окрашиваются соответственно в желтый, зеленый и красный цвета. Обозначения A, B, C – прямая последовательность букв латинского алфавита; прямая последовательность букв русского алфавита, соответственно – Ж, З, К (буква И пропущена). Рабочий нулевой проводник (N) окрашивается в голубой цвет, защитный (PE) – в желто-зеленый цвет (поскольку проводник обозначается двумя буквами, то и цвета два). Совмещенный PEN-проводник окрашивается в голубой цвет с нанесенными через одинаковые промежутки поперечными (наклонными) чередующимися полосами желтого и зеленого цветов. Если используется сеть постоянного тока, то шина «+» окрашивается в красный цвет, «–» – в синий , нулевой (нейтральный) проводник – в голубой . В электроустановках ближайшая к человеку шина (например, при открытии дверцы силовой сборки или при подъеме на опору ВЛ) всегда должна быть шина PE. Далее следует шина N, а далее – фазные, причем непосредственно после шины N следует шина фазы C (красный цвет – цвет опасности), затем – B и, наконец, самой удаленной шиной является шина фазы A. В сетях постоянного тока ближайшей к человеку шиной должна быть нейтральная, далее следует шина «+» (красный цвет), а далее – шина «–».

Ознакомившись с цветовой маркировкой проводников, рассмотрим принцип действия зануления в трехфазной сети на примере системы TN-C (рисунок 5.26).

Рисунок 5.26 – Схема защитного зануления (система TN-C)

Зануление превращает пробой фазы на корпус в короткое замыкание (КЗ) между фазными и нулевым защитным проводниками и способствует протеканию тока I к (рисунок 5.26) большой величины. Эта величина тока обеспечивает срабатывание аппарата защиты (A3), автоматически отключающего поврежденную установку от сети. Такой защитой могут быть плавкие предохранители или автоматические выключатели. Ток короткого замыкания должен быть такой величины, чтобы вызвать перегорание плавкой вставки предохранителя или срабатывание автоматического выключателя за время, не превышающее допустимое.

Согласно ПУЭ наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения в системе TN равно 0,8; 0,4; 0,2 и 0,1 с в зависимости от номинального фазного напряжения сети: 127, 220, 380 и более 380 В, соответственно. Регламентированы также наименьшие площади поперечного сечения нулевых защитных проводников. Если защитные проводники изготовлены из того же материала, что и фазные проводники, то их наименьшее сечение зависит от сечения фазных проводников следующим образом:

Если сечение фазных проводников меньше или равно 16 мм 2 , то наименьшее сечение защитных проводников равно сечению фазных;

Если сечение фазных проводников больше 16 мм 2 , но меньше 35 мм 2 , то сечение защитных проводников должно быть не менее 16 мм 2 ;

Если сечение фазных проводников более 35 мм 2 , то сечение защитных проводников равно половине сечения фазных при условии соблюдения времени срабатывания защиты (0,4 с при фазном напряжении 220 В).

Сечения нулевых защитных проводников из других материалов должны быть эквивалентны по проводимости приведенным.

Нулевой защитный проводник не должен содержать предохранителей и других разъединяющих устройств. Допустимо применение выключателей, которые отключают одновременно нулевой и фазные провода.

Ток однофазного короткого замыкания I к протекает по петле «фаза–нуль» (рисунок 5.26). Она состоит из фазного проводника (участка от силового трансформатора до поврежденного участка), металлического корпуса электроустановки, соединенного с проводником PEN, самого проводника PEN (участка от корпуса электроустановки до нулевой точки силового трансформатора), а также фазной обмотки силового трансформатора (в данном случае – обмотки фазы А). Если сопротивление петли «фаза–нуль» будет большим, время срабатывания защиты превысит наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения. Поэтому сопротивление данной петли измеряют не реже одного раза в три года с помощью приборов М417, ЭСО202 и подобных им. При недопустимой величине сопротивления проводят ревизию соединений металлических корпусов электроустановок с нулевым проводником (проверяют затяжку болтовых и целостность сварных контактных соединений, удаляют окалину, зачищают контакты от ржавчины). После ревизии проверяют переходное сопротивление контактов – оно должно быть не более 0,05 Ом.

Нулевой защитный проводник соединен с землей посредством заземления нейтрали и повторных заземлителей, сопротивление растеканию тока которых обозначено соответственно r 0 и r п (рисунок 5.26). Повторное заземление выполняют на концах воздушных линий (или ответвлений от них длиной более 200 м), а также на трехфазных (однофазных) вводах в здания, где имеются электроустановки, подлежащие занулению. Сопротивление заземления нейтрали, общее сопротивление повторных заземлителей и каждого из них в отдельности не должны превышать установленных наименьших значений, например, в сети 380/220 В соответственно 4, 10 и 30 Ом (таблица 5.8). Зануленные части электроустановок оказываются заземленными через нулевой защитный проводник. Поэтому в аварийный период (до автоматического отключения поврежденной установки от сети) проявляется защитное действие этого заземления, т. е. снижается напряжение зануленных частей относительно земли. Причем это особенно существенно в случае обрыва PEN-проводника и замыканий фазы на корпус за местом обрыва. Кроме того, за счет заземления нейтрали источника, даже при отсутствии повторного заземления, значительно снижается потенциал на корпусах электрооборудования с поврежденной изоляцией. На воздушных линиях повторное заземление нулевого провода используется также в целях молниезащиты. В качестве нулевых защитных проводников можно использовать стальные полосы, металлические оплетки кабелей, металлоконструкции зданий, подкрановые пути и др.

В тех случаях, когда электробезопасность не может быть обеспечена в системе TN с помощью защитного зануления, в сети до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью допускается заземление открытых проводящих частей при помощи заземлителя, электрически независимого от глухозаземленной нейтрали источника (система ТТ). При этом для защиты при косвенном прикосновении предусматривается автоматическое отключение питания с обязательным применением УЗО и соблюдением условия:

где I з – ток срабатывания защитного устройства; R з – суммарное сопротивление заземлителя и заземляющего проводника наиболее удаленного от УЗО электроприемника. Кроме того, выполняется система уравнивания потенциалов.

Защитное отключение – это система быстродействующей защиты, автоматически (за 0,2 с и менее) отключающая электроустановку при возникновении в ней опасности поражения человека электрическим током. Защитное отключение применяется в тех случаях, когда невозможно или трудно осуществить защитное заземление или зануление, либо когда высока вероятность прикосновения людей к неизолированным токоведущим частям электроустановок. Поэтому защитное отключение целесообразно применять для обеспечения защиты при использовании ручного электроинструмента, передвижных электроустановок, а также в быту.

При замыкании фазы на корпус, при снижении сопротивления изоляции фаз относительно земли ниже определенного предела, при прикосновении человека к токоведущей части, находящейся под напряжением, происходит изменение электрических параметров сети, которое может служить импульсом для срабатывания устройства защитного отключения (УЗО), основными частями которого являются прибор защитного отключения и автоматический выключатель.

Прибор защитного отключения реагирует на изменение параметров электрической сети и подает сигнал на срабатывание автоматического выключателя, который отключает защищаемую электроустановку от сети.

Устройства защитного отключения предназначены не только для защиты человека от поражения электрическим током при прикосновении к открытой проводке или к электрооборудованию, оказавшемуся под напряжением, но и для предотвращения возгорания, возникающего вследствие длительного протекания токов утечки и развивающихся из них токов короткого замыкания.

Таким образом, основное назначение У3О: защита от токов утечки; защита от токов повреждения на землю; защита от возгорания.

В зависимости от входного сигнала известны УЗО, реагирующие на напряжение корпуса относительно земли, на ток замыкания на землю, на напряжение нулевой последовательности, на дифференциальный ток, на оперативный ток и т.п.

Устройство защитного отключения, реагирующее на напряжение корпуса относительно земли (рисунок 5.27), устраняет опасность поражения током при возникновении на заземленном или зануленном корпусе повышенного напряжения, например, в случае повреждения изоляции.

Рисунок 5.27 – Принципиальная схема УЗО, реагирующего на напряжение корпуса относительно земли

Принцип действия – быстрое отключение от сети установки, если напряжение на корпусе относительно земли окажется выше заданного значения, при котором прикосновение к корпусу становится опасным. Такое УЗО реагирует не только на полный пробой изоляции, но и на частичное уменьшение ее сопротивления.

Устройство защитного отключения, работающее на постоянном оперативном токе, предназначено для непрерывного автоматического контроля изоляции фаз относительно земли, а также для защиты человека, прикоснувшегося к токоведущим проводам (рисунок 5.28). В этих устройствах активное сопротивление изоляции трехфазных проводов r относительно земли оценивается получаемым от постороннего источника оперативным током I оп, проходящим через эти сопротивления. При снижении r ниже установленного предела в результате повреждения изоляции и замыкания провода на землю через малое сопротивление r зм или прикосновения человека к фазному проводу возрастает ток I оп, вызывающий отключение защищаемой сети от источника питания.

Устройство защитного отключения, реагирующее на дифференциальный ток, обеспечивает защиту в случае прикосновения человека к заземленному или зануленному корпусу электроустановки при замыкании на него фазы, а также при контакте человека с токоведущей частью, находящейся под напряжением. УЗО этого типа нашли широкое применение в агропромышленном комплексе и в быту.

Рисунок 5.28 – Принципиальная схема УЗО, работающего на постоянном оперативном токе (исходное состояние)

Принципиальная схема такого устройства защитного отключения приведена на рисунке 5.29. Датчиком служит трансформатор тока (ТТ) (рисунок 5.30).

Рисунок 5.29 – Принципиальная схема УЗО, реагирующего на дифференциальный ток (исходное состояние)

Рисунок 5.30 – Кольцеобразный магнитопровод с вторичной обмоткой трансформатора

Если токи в фазных проводах I 1 , I 2 , I 3 равны и сдвинуты по фазе на 120° относительно друг друга, то создаваемый ими суммарный магнитный поток в магнитопроводе ТТ равен нулю. Когда возникает асимметрия проводимостей фаз относительно земли, например, в результате замыкания фазы на землю или прикосновения человека к фазе в зоне защиты, то равенство токов в фазах нарушается. Появляется дифференциальный ток, равный векторной сумме этих токов, который в соответствии с коэффициентом трансформации передается во вторичную обмотку трансформатора на вход обмотки реле тока (РТ). Если этот ток достигнет (или превысит) значения тока срабатывания реле, то его нормально замкнутые контакты разомкнутся, отсоединив электроприемник от питающей сети. Реле отключится, даже если оператор удерживает рукоятку управления во взведенном положении. При необходимости усиления сигнала с ТТ между ним и реле РТ помещают усилитель тока (на рисунке 5.29 не показан).

Этот тип устройства защитного отключения может применяться как в сети с изолированной, так и в сети с заземленной нейтралью. Однако данное отключающее устройство наиболее эффективно в сети с заземленной нейтралью, в которой ТТ может надеваться также на проводник, заземляющий нейтральную точку силового трансформатора, в результате чего будет защищена вся питающаяся от него сеть.

При защите однофазного электроприемника сквозь кольцеобразный магнитопровод пропускают фазный и нулевой рабочий проводники, с помощью которых он присоединяется к питающей сети. В нормальном режиме работы токи в этих проводниках равны и противоположно направлены, поэтому их суммарный магнитный поток в магнитопроводе равен нулю. В случае появления утечки на землю равенство токов нарушается и появляется дифференциальный ток. Последующая работа УЗО до отключения электроприемника от сети аналогична описанному выше устройству применительно к трехфазным объектам защиты.

Устройства защитного отключения могут служить дополнительной защитой к заземлению и занулению, а также самостоятельной защитой (взамен их) и не зависят от сопротивления заземления и сопротивления нулевого проводника при занулении. Недостатком УЗО этого типа является нечувствительность к симметричному снижению сопротивления изоляции фаз в защищаемом электрооборудовании, что возникает весьма редко.

Известна следующая классификация устройств защитного отключения, срабатывающих от дифференциального тока: АС – реагирующие на переменный синусоидальный ток; А – реагирующие на переменный, а также пульсирующий постоянный ток; В – реагирующие на переменный, постоянный и выпрямленный токи; S – селективные (с выдержкой времени отключения); О – то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени отключения.

Наличие УЗО типа А и В вызвано тем, что дифференциальные токи утечки могут становиться пульсирующими или принимать вид сглаженного постоянного тока в связи с применением электронных устройств, например, выпрямителей или частотных преобразователей. Устройства защитного отключения типа S и G предназначены для обеспечения селективности отключения объектов защиты. Так, при многоступенчатой схеме защиты УЗО, расположенное ближе к источнику питания, должно иметь время срабатывания не менее чем в три раза больше, чем время срабатывания УЗО, размещенного ближе к потребителю.

Устройства защитного отключения выпускаются с номинальными отключающими токами утечки 10, 30, 100, 300, 500, 1000 мА. Причем УЗО с уставками 100 мА и более применяются обычно для обеспечения селективности защиты, а с уставкой 300 мА также для защиты от возникновения пожара при замыкании на землю.

Устройства защитного отключения бывают электромеханическими и электронными. Первые не зависят от напряжения питания, так как энергии входного сигнала (дифференциального тока) достаточно для их работы. Вторые зависят, так как питаются от контролируемой сети или от внешнего источника (маломощный сигнал от дифференциального трансформатора поступает на электронный усилитель, который подает на механизм расцепителя главных контактов УЗО мощный импульс – десятки и даже сотни ватт, достаточный для срабатывания простого расцепителя). С этой точки зрения электронные УЗО менее надежны, нежели электромеханические. Кроме того, при обрыве нулевого провода до места установки электронного УЗО оно, не имея питания, не сработает, и фазный провод в защищаемом объекте будет представлять опасность поражения током. Для устранения этого недостатка электронные УЗО оснащают электромагнитным реле, работающим в режиме удержания, которое защищает отключаемый объект при исчезновении питания аппарата защиты. Ряд отечественных предприятий выпускают электронные устройства защитного отключения, в то время как в Германии, Франции, Австрии и некоторых других европейских странах допускается применять только УЗО, не зависящие от напряжения питания. Электромеханические УЗО производят ведущие западные фирмы – Siemens, ABB, GF POWER, Legrand, Merlin Gerin и др. Известны отечественные электромеханические аппараты – АСТРО-УЗО, ДЭК, ИЭК.

Известны также комбинированные УЗО, оснащенные дополнительно встроенной защитой от токов коротких замыканий и перегрузок – так называемые дифференциальные автоматические выключатели.

При выборе УЗО необходимо руководствоваться условием, что суммарный ток утечки стационарных и переносных электроприемников не должен превышать 1/3 номинального тока отключения УЗО. При отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4 мА на каждый ампер тока нагрузки, а ток утечки сети – из расчета 10 мкА на 1 м длины фазного проводника. Исходя из последнего условия, в старых домах и производственных корпусах с изношенной проводкой устанавливают УЗО с номинальным током отключения 30, а не 10 мА. В новых домах, во вновь сооруженных производственных помещениях, а также в сантехнических помещениях с высокой влажностью для защиты человека и животных от поражения током применяют УЗО с номинальным током отключения 10 мА (ток утечки сети не будет вызывать ложных срабатываний).

Устройство защитного отключения подключается последовательно с автоматическим выключателем, при этом номинальный ток выключателя рекомендуется выбирать на ступень ниже номинального тока УЗО. При подключении рекомендуется применять специальные кабельные наконечники для предотвращения перегрева в месте контакта.

Для нормального функционирования УЗО необходимо ежемесячно проверять его работоспособность путем нажатия на кнопку «Тест». Отключение УЗО свидетельствует о том, что устройство исправно. В животноводческих комплексах и производственных помещениях проверка работоспособности осуществляется не реже одного раза в квартал.

УЗО не применяется, если защищаемая сеть питает автоматические системы пожаротушения, вентиляции, аварийного освещения, а также потребителей первой группы надежности электроснабжения .

Электроприемники первой группы (категории) – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения. Данные электроприемники обеспечиваются электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания (вторым может быть местная дизель-электростанция), а перерыв в электроснабжении может быть допущен только на время автоматического восстановления питания. В агропромышленном производстве электроприемниками первой категории являются птицеводческие фабрики.

УЗО допускается применять для защиты электроприемников второй и третьей категорий надежности электроснабжения. Электроприемники второй категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Электроприемники второй категории обеспечиваются электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. При нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады. В сельскохозяйственном производстве электроприемниками второй категории являются животноводческие комплексы и теплицы.

Для электроприемников третьей категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта, не превышают 1 суток. Питание электроприемники получают от единственного источника. Все жилые дома, гаражи, ремонтные мастерские и т.д. относятся к электроприемникам третьей категории надежности электроснабжения.

При выборе дифференциальных автоматических выключателей (автоматов) необходимо помнить, что их основными назначениями являются: защита от токов перегрузки; защита от токов короткого замыкания; защита от токов утечки; защита от перенапряжения; защита от возгорания.

Дифференциальные автоматические выключатели могут применяться в широком диапазоне температур окружающего воздуха, позволяют подсоединять как медные, так и алюминиевые проводники, не требуют обслуживания при эксплуатации. Дифференциальные выключатели соответствуют современным требованиям пожарной безопасности, их корпусные детали выполнены из материалов, выдерживающих испытание на огнестойкость при температуре до 960 °С. Дифференциальные автоматы выпускаются в двух и четырехполюсном исполнении. Монтаж устройства производится на 35 мм DIN-рейку.

Так же, как и у УЗО, работоспособность проверяется нажатием кнопки «Тест» – при ее нажатии устройство мгновенно отключается. Чтобы включить после этой проверки устройство, необходимо нажать кнопку «Возврат» и взвести рукоятку выключателя.

Защитное отключение – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки (через 0,05–0,2 с) при возникновении в ней опасности поражения человека электрическим током.

Защитная функция устройств защитного отключения (УЗО) заключается в ограничении не тока, проходящего через человека, а времени его протекания гак, чтобы выдерживались условия "ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов" (утвержденного постановлением Госстандарта СССР от 30.06.1982 № 2987).

Согласно этому ГОСТу, например, при токе, проходящем через человека, равном 500 мА, время его воздействия не должно превышать 0,1 с, при 250 мА – 0,2 с, при 165 мА – 0,3 с, при 100 мА – 0,5 с и т.д. Область применения УЗО весьма широка (электроустановки общественных и жилых зданий, административные и производственные помещения, мастерские, автозаправочные станции (АЗС), ангары, гаражи, складские помещения и т.д.).

Принцип действия УЗО основан на изменении каких- либо электрических величин, происходящих при замыкании фазы на корпус, снижении сопротивления изоляции сети ниже определенного предела при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям электроустановки и в других опасных для него случаях, на которые реагирует исполнительный орган, подающий сигнал для срабатывания защитного отключения.

Наиболее распространенным и совершенным является УЗО-Д, реагирующее на ток утечки (дифференциальный ток). Такие УЗО состоят из трех функциональных элементов: датчика, исполнительного органа и коммутационного (отключающего) устройства. Датчик улавливает токи утечки, стекающие с фазных проводов на землю в случае прикосновения человека к частям под напряжением. Сигнал о наличии тока утечки поступает в исполнительный орган, где усиливается и преобразуется в команду на отключение коммутационного устройства. Исполнительный орган УЗО может быть электронным или электромеханическим (с магнитоэлектрической защелкой). Второй вариант более надежный.

На рис. 24.13 приведена схема УЗО-Д (УЗО с дифференциальной защитой). Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока с кольцевым магнитопроводом 1. При отсутствии тока утечки, т.е. тока, проходящего через человека, рабочие токи в прямом (фазном) и обратном (нулевом рабочем) проводах будут равны и наводят в дифференциальном трансформаторе тока 1 с кольцевым магнитопроводом равные, но противоположно направленные потоки. При этом результирующий магнитный поток равен нулю и ток во вторичной обмотке отсутствует, УЗО не срабатывает. При появлении тока утечки (например, при прикосновении человека к корпусу электроустановки, на которой произошел пробой изоляции и появилось напряжение) ток в прямом проводе будет превышать обратный ток на величину тока утечки (ток утечки на рисунке показан точечной линией). Неравенство тока вызывает небаланс магнитных потоков, в результате чего в магнитопроводе дифференциального трансформатора 1 возникает магнитный поток, а в его вторичной обмотке – дифференциальный ток. Этот ток поступает к пусковому органу 2, и если его величина превышает пороговое (заданное) значение, то он срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3 , который за счет своего пружинного привода, спускового механизма и группы контактов размыкает электрическую сеть. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается. Для периодического контроля исправности УЗО нажимают кнопку Т (тест), создается искусственный дифференциальный (разностный) ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

Следует заметить, что из всех известных электрозащитных средств УЗО-Д – единственное, обеспечивающее защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к токоведущим частям. Кроме того, оно осуществляет защиту электроустановок от возгораний, первопричиной которых являются утечки тока, вызванные повреждением изоляции, неисправной электропроводкой. Поэтому УЗО называют еще и "противопожарным сторожем".

Устройство защитного отключения характеризуется номинальным рабочим током подключаемой нагрузки (16, 25, 40 А), номинальным дифференциальным отключающим током (10, 30 или 100 мА), быстродействием (20–30 мс) и другими параметрами.

Согласно п. 1.7.80 ПУЭ не допускает применение УЗО, реагирующих на дифференциальный ток, в четырехпроводных трехфазных цепях (система TN-C). Но в случае необходимости применения УЗО для защиты отдельных электроприемников, получающих питание от системы TN-C, защитный РЕ -проводник электроприемника должен быть подключен к PEN -проводнику цепи, питающей электроприемник, до защитно-коммутационного аппарата (УЗО).

Рис. 24.13.

Следует заметить, что в системах TN-C (без отдельного защитного проводника), в незаземленных электроприемниках, изолированных от земли (например, холодильник или стиральная машина на изолирующем основании), УЗО, включенное в цепь питания этого электроприемника, не сработает, поскольку не будет цепи протекания тока утечки, т.е. не будет разностного (дифференциального) тока. При этом на корпусе электроустановки образуется опасный потенциал относительно земли.

Но если человек при этом коснется корпуса электроприемника и протекающий через него ток будет больше отключающего дифференциального тока УЗО (тока уставки), то

УЗО сработает и отключит электроприемник от сети. Жизнь человека будет спасена. О тсюда следует, что применение УЗО в сетях TN-C все же оправданно.

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

Такая опасность может возникнуть при замыкании фазы на корпус, снижении сопротивления изоляции ниже определенного предела и в случае прикосновения человека непосредственно к токоведущим частям, находящимся под напряжением.

Основными элементами устройств защитного отключения (УЗО) является прибор защитного отключения исполнительный орган - автоматический отключатель.

Прибор защитного отключения (ПЗО) - это совокупность отдельных элементов, которые воспринимают входную величину, реагируют на ее изменения и дают сигнал на отключение выключателю. Этими элементами являются:

1 - датчик – устройство, воспринимающее изменение параметра и преобразующее его в соответствующий сигнал;

2 - усилитель (в случае слабого сигнала);

3 - цепи контроля – для проверки исправности схемы;

4 - вспомогательные элементы (сигнальные лампы и измерительные приборы).

Автоматический выключатель – служит для включения и выключения цепей, находящихся под нагрузкой. Он должен отключать цепь при поступления сигнала от прибора защитного отключения.

Основные требования к устройству защитного отключения (УЗО):

1 - высокая чувствительность;

2 - малое время отключения (0,05-0,2с)

3 - селективность действия, т.е. при наличии опасности;

4 - иметь самоконтроль исправность;

5 - достаточная надежность

Область применения - практически не ограничена. Наибольшее распространение УЗО получили в сетях напряжением до 1000В.

Различают типы УЗО, которые реагируют на:

1 - потенциал корпуса;

2 - ток замыкания на землю;

5 - ток нулевой последовательности;

6 - оперативный ток.

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

Рассмотрим схему УЗО, реагирующее на потенциал корпуса относительно земли (рисунок).

Электроустановка питается от 3-х фазной, 3-х проводной сети с изолированной нейтралью.

1 – контакты магнитного пускания;

2 – кнопка «пуск»;

3 – кнопка «стоп»;

4 – нормально замкнутые контакты (НЗК) реле напряжения 6;

5 – катушка магнитного пускателя(U раб = U л);

6 – реле напряжения;

7 – кнопка проверки работоспособности схемы;

8 – плавкие предохранители;

9 – электроустановка;

10 – защитное заземление;

11 вспомогательное заземление;

Рисунок 12.7. Схема защитного отключения, реагирующая на потенциал корпуса относительно земли

Рассмотрим 3 режима работы:

1. Нормальный режим работы.

При нажатии на кнопку «пуск» (2) на катушку пускателя (5) подается линейное напряжение через замкнутые контакты кнопки «стоп» (3), и нормально замкнутые контакты (4), реле напряжения (6). При протекании тока через катушку пускателя(5), в ней возникает магнитное поле, которое притягивает сердечник, на котором расположены контакты (1). Они замыкаются и на электроустановку (9) подается напряжение, а дополнительный контакт блокирует кнопку «пуск» (2) и ее можно отпустить. При нажатии на кнопку «стоп» (3) разрывается цепь питания катушки пускателя (5), магнитное поле исчезает и сердечник, на котором расположены контакты (1) под действием собственного веса (или пружины) возвращается в исходное положение. Происходит отключение электроустановки от сети.

2. Аварийный режим работы (замыкание фазы на корпус и обрыв цепи защитного заземления)

При включенной установке и наличии аварийного режима на корпусе установки(9)возникает напряжение относительно вспомогательного заземления (11) которое подается на реле напряжения (6) через замкнутые контакты кнопки (7). При достижении напряжения на корпусе установки (9) равного напряжению «уставки» реле напряжения (6) , оно срабатывает и размыкает свои нормально замкнутые контакты (4). Напряжение «уставки» реле напряжения (6) выбирается из условий безопасности. Электроустановка отключается от сети. При повторном включении электроустановки – цикл повторится.

3. Проверка работоспособности схемы.

При включенной электроустановке, находящейся в нормальном режиме при нажатии на кнопку (7) (размыкаются нормально замкнутые контакты, соединяющие заземленный корпус электроустановки (9) и реле напряжение (6) и на реле напряжения (6) подается фазное напряжение). Должно произойти отключение электроустановки от сети.