Оценка эффективности устройства защитного отключения

Лабораторная работа № 12

Оценка эффективности устройства защитного отключения

Цель работы

Оценить эффективность устройства защитного отключения (УЗО) реагирующего на дифференциальный ток (ток нулевой последовательности), в трёхфазных сетях промышленной частоты с заземлённой и изолированной нейтралями.

Содержание работы

1. Определить уставку УЗО. Сделать заключение об ее соответствии предельно допустимым значениям тока через человека по ГОСТ 12.1.038-82.

2. Оценить влияние сопротивлений изоляции фазных проводников на величину дифференциального тока (тока нулевой последовательности).

3. Оценить эффективность УЗО при защитном заземлении открытых проводящих частей (корпусов электрооборудования).

4. Сделать выводы об эффективности защитного отключения в сетях с заземлённой и изолированной нейтралями при прямом прикосновении, а также при косвенном прикосновении при наличии и отсутствии защитного заземления открытых проводящих частей электрооборудования.

Введение

Устройство защитного отключения представляет собой быстро­действующую защиту, предназначенную для автоматического отключе­ния защищаемого участка сети при возникновении на этом участке опасности поражения человека током.

Информацию об опасности поражения несет в себе параметр, являющийся входным сигналом для УЗО, которое срабатывает при превышении входным сигналом наперед заданного значения (уставки) и таким образом отключает защищаемый участок сети. В данной работе в качестве входного сигнала УЗО используется ток нулевой последовательности.

Следует отметить, что в настоящее время вместо терминов ток нулевой последовательности и трансформатор тока нулевой последовательности чаще употребляют термины дифференциальный ток и дифференциальный трансформатор тока соответственно. При этом под дифференциальным током понимают разность рабочих, токов питающих электроустановку или электроприёмник, обусловленную протеканием части рабочего тока (тока утечки):

- через человека при прикосновение его к фазному проводнику;

- через защитный проводник при повреждении изоляции электроприёмника;

- при снижении сопротивления изоляции.

Таким образом, термин дифференциальный ток распространяется на трёхфазные и однофазные сети и на любые условия вызвавшие протекание тока утечки вне рабочих проводниках.

В данной работе для анализа работы УЗО в однофазных цепях будет использоваться термин дифференциальный ток, как наиболее часто используемый в технической литературе и нормативных документах, например, ГОСТ Р 50807-95, ГОСТ Р 51362.1-99, ГОСТ Р 51327.1-99, а также в ПУЭ. В тоже время для анализа трёхфазных сетей при изменении сопротивлений изоляции отдельных участков сети будет использоваться термин «ток нулевой последовательности», как более соответствующий теоретическим основам электротехники в части анализа несимметричных режимов многофазных сетей.

УЗО, реагирующие на дифференциальный ток однофазных электроприёмников

В основе данных УЗО, лежит - исполь­зование в качестве датчика информации о возникновении опасных для человека ситуаций дифференциального трансформатора тока (ДТТ). В ДТТ первичной обмоткой являются проводники питающей линии, проходящие непосредственно через ок­но тороидального магнитопровода, либо образующие на нем несколько вит­ков. В последнем случае увеличивается значение тока, наводимого во вторич­ной обмотке, также намотанной на этот магнитопровод.

Действие УЗО, установленного на участке линии, питающей однофаз­ный электроприёмник, без защитного зануления показано на рис. 12.1,а. В нор­мальном режиме рабочие токи в фазном проводнике (I₂) и нулевом рабочем проводнике (I₁), протекая через первичные обмотки ДТТ, наводят противоположно направленные магнитные потоки (Ф₂) и (Ф₁). Поскольку в этом случае ток I₂ равен току I₁, то и магнитные потоки Ф₂ и Ф₁ будут равны и взаимно скомпенсированы, а ток во вторичной цепи ДТТ (I_вт) будет отсутствовать.

В случае прикосновения человека к фазе ток I2 будет разветвляться (т. А на рис. 12.1, б) на ток I1 и ток, протекающий через человека (I_h). Контур протекания тока Ih обозначен на рис. 12.1,а пунктиром. Поскольку при этом токи I₂ и I₁, а соответст­венно магнитные потоки Ф₂ и Ф₁ будут различаться, то во вторичной обмотке ДТТ появится ток I_вт, пропорциональный разностному (дифференциальному) току I∆:

(12.1)

Зная коэффициент трансформации kТ, можно поставить в соответствие ток через человека I_h, дифференциальный ток I∆ и ток во вторичной обмотке I_вт:

(12.2)

Для обеспечения безопасности человека, УЗО должно срабатывать при значении дифференциального тока, т.е. уставке, соответствующей протеканию через человека тока равного предельно допустимому значению. Эта функция в УЗО реализуется в блоке, осуществляющем сравнение фиксируемого с помощью ДТТ дифференциального тока со значением дифференциального тока срабатывания (уставкой). Блок сравнения (блок 2, рис. 12.1,а), выполняется на базе по­роговых электромеханических или электронных компонентов. В случае превышения порогового значения подается сигнал на отключающий механизм 3 (рис. 12.1,а), который разрывает электрическую цепь за время, не превышающее допустимое значение для ожидаемого тока через человека. При этом время отключения (Т_откл) должно соответствовать предельно допустимым значениям тока, проходящего через человека по ГОСТ 12.1.038-82 (см. табл.1.2 к лабораторной работе №1).

Таким образом, в приведенном примере обеспечивается безопасность человека при прямом прикосновении к токоведущим частям. При такой схеме электропитания однофазных электроприёмников (на рис. 12.1 показана система TN-C, в которой нулевой защитный проводник не подсоединен к корпусу) не обеспечивается защита при повреждении изоляции, а также при коротких замыка­ниях на корпус электроприёмника. В этом случае УЗО не работает, как превентивная мера защиты, т.е. без прикосновения человека, поскольку отсутствует ток утечки. Если человек не касается фазного проводника или электроприёмника с поврежденной изоляцией, то это равносильно отсутствию сопротивлению Rh в схеме на рис. 12.1, б. Следовательно, токи I₁ и I₂, магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ будут равны между собой и ток во вторичной обмотке ДТТ будет отсутствовать. Поэтому для питания однофазных электро­приёмников в жилых и общественных зданиях следует использовать трёхпроводные линии: фазный, нулевой рабочий проводник и нулевой защитный проводник (система TN-C-S и TN-S, рис. 12.2,а).

TN-C

а) б)

Рис. 12.1. Действие устройства защитного отключения в случае прикосновения человека к фазному проводнику (, , _h -сопротивления заземлителя нейтрали, нагрузки, тела человека, соответственно; Ф_{1 и} Ф₂ – магнитные потоки в сердечнике, наводимые токами I_{1 и} I₂ соответственно):

а) принципиальная схема УЗО (1 - дифференциальный трансформатор тока c тороидальным магнитопроводом; 2 - блок сравнения дифференциального тока с уставкой; 3 - отключающий механизм);

б) эквивалентная схема сети, где установлено устройство защитного отключения, при прикосновении человека к поврежденному электроприёмнику ()

TN-S

а) б)

Рис. 12.2. Действие устройства защитного отключения при подключении корпуса к РЕ-проводнику: а) принципиальная схема УЗО (1 - дифференциальный трансформатор тока c тороидальным магнитопроводом; 2 - блок сравнения дифференциального тока с уставкой; 3 - отключающий механизм); б) эквивалентная схема работы устройства защитного отключения при подсоединении корпуса электроприёмника к РЕ-проводнику ()

 

Как следует из рис. 12.2, а, при соединении корпуса электроприёмника с нулевым защитным РЕ-проводником, ток короткого замыкания или ток утечки будет протекать по РЕ-проводнику в «обход» дифференциального трансформатора тока (ДТТ). Поскольку ( т. А на рис. 12.2,б), то токи и не будут равны и во вторичной обмотке ДТТ появится ток, который вызовет срабатывание УЗО.

Для контроля работоспособности УЗО создается обходной, относительно ДТТ, контур тока, включающий кнопку «Тест» и токоограничивающее сопротивление R (рис.12.3).

УЗО характеризуется следующими параметрами:

1. Номинальный ток нагрузки (I_n) – значение тока, которое УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы.

2. Номинальный отключающий дифференциальный ток (I_∆n) – значение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

3. Номинальный неотключающий дифференциальный ток (I_∆n0) – значение дифференциального тока, которое не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

4. Включающая и отключающая способность (коммутационная способность) (I_m) – действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно включить, пропускать в течение своего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности.

5. Номинальный условный ток короткого замыкания, характеризующий термическую и электродинамическую стойкость изделия (I_nc) – действующее значение ожидаемого тока, которое способно выдержать УЗО защищаемое устройством защиты от коротких замыканий, т.е. плавкой вставкой с номинальным током, равным току нагрузки УЗО.

6. Время отключения (T_n) – промежуток времени между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом выполнения функции данного устройства до полного гашения дуги.

Стандартные значения максимально допустимого времени отключения УЗО типа АС при любом номинальном токе нагрузки и заданных нормами значениях дифференциального тока не должны превышать приведенных в табл.12.1. Практически, современные УЗО срабатывают за время не более 30 мс.

Таблица 12.1

Рис. 12.4. Схема для расчета уставки

 

При этом:

; ; ;

; ; ;

; ; ;

где:

, , - активные сопротивления изоляции фазных проводни­ков сети вне зоны защиты УЗО;

, , - емкости этих проводников относительно земли;

, , - активные сопротивления изоляции фазных проводников

сети в зоне защиты УЗО;

, , - емкости этих проводников относительно земли;

- активное сопротивление заземления нейтрали;

- сопротивление тела человека;

- переходное сопротивление между человеком и землей

(обуви, пола и т.п.);

- сопротивление току, протекающему через человека включающего сопротивление тела человека и переходное сопротивление.

Емкости фазных проводников относительно земли примерно одинаковы, а в зоне защиты, поскольку, как правило, она невелика, они к тому же еще и малы, то есть = = =0.

Поэтому можно считать, что ; ; .

В исправной трёхфазной сети при равенстве (симметрии) проводимостей фазных проводников относительно земли векторная сумма фаз­ных токов равна нулю. При нарушении указанных условий эта сумма становится отличной от нуля - возникает суммарный ток несимметрии , являющийся током нулевой последовательности.

Действующее значение тока на защищаемом участке служит входным сигналом для датчика УЗО - трансформатора тока ну­левой последовательности (ТТНП). Значение тока сравнивается с уставкой в усилителе-преобразователе, который при выдает управляющий сигнал на исполнительный орган УЗО для отключения защищаемого участка от сети.

Трансформатор ТТНП имеет тороидальный магнитопровод, на котором намотана вторичная обмотка, подключенная к входному сопротивлению усилителя-преобразователя. Первичными обмотками трансформатора служат фазные проводники, пропущенные через окно магнитопровода. Если сеть трёхфазная четырёхпроводная (с нулевым проводником) и если при этом наряду с трёхфазной имеется и однофазная, например, осветительная нагрузка, то через окно магнитопровода пропускается также и нулевой рабочий проводник.

В качестве пускового органа используется магнитоэлектрическое реле или электронный усилитель, имеющий релейную характеристику.

В качестве исполнительного органа используется контактная группа УЗО. В отдельных случаях для отключения применяют контакторы, магнитные пускатели и другие коммутирующие аппараты.

УЗО рассматриваемого типа будет срабатывать при неравенстве проводимостей фазных проводников относительно земли в зоне защиты, которое может возникнуть:

1. В случае неравенства изоляции фазных проводников;

2. При прикосновении человека к любому фазному проводнику или корпусу изолированного от земли оборудования, на который замкнулся фазный проводник;

3. В случае замыкания любого фазного проводника на землю или на корпус заземлённого оборудования.

Кроме того, УЗО срабатывает при замыкании фазного проводника на занулённый корпус электроустановки, а также при сочетании указанных причин.

Естественно, во всех перечисленных случаях должно выполняться условие .

Основная задача УЗО - обеспечить безопасность человека при прикосновении к одной фазе или к корпусу электроустановки, оказавшемуся под опасным напряжением. Это достигается за счет быстродействия УЗО и соответствующего значения уставки.

Таким образом, время срабатывания и уставка являются основными характеристиками УЗО.

При прикосновении к одной фазе защита считается эффектив­ной, если УЗО срабатывает за время, в течение которого ток через человека не превышает значение допустимого тока, соответствующего ГОСТ 12.1.038-82

(см. табл. 1.2 к лабораторной работе №1)

Для исправной сети в случае прикосновения человека к фазе I в соответствии с первым законом Кирхгофа (см.рис.12.4).

Обозначив , получим

Из схемы (рис.12.4) видно, что ТТНП будет реагировать только на токи утечки в зоне защиты. Следовательно, УЗО, реагирующее на ток нулевой последовательности, является селективной защитой. При этом входной сигнал будет равен векторной сумме токов утечки в зоне защиты и тока через тело человека, т.е.

(12.3)

Ток в нагрузке ТТНП будет равен

(12.4)

где - коэффициент трансформации ТТНП.

Аналитическое выражение (12.3) подтверждает, что при равенстве токов утечки в зоне защиты до прикосновения человека к фазе ( ) входной сигнал УЗО будет равен нулю ( = 0 ). После прикосновения человека к фазе входной сигнал УЗО будет определяться протекающим через человека током. При пофазном неравенстве токов утечки входной сигнал в случае прикосновения человека к разным фазам будет различным. При большой пофазной разнице токов утечки входной сигнал может превысить уставку и вызвать срабатывание УЗО без прикосновения человека к фазе.

На основании первого закона Кирхгофа с учетом выражений (12.3) и (12.4) запишем:

(12.5)

Выразив токи, входящие в это выражение, через напряжения и проводимости для сети, где и ,

получим

(12.6)

Из выражения (12.4) видно, что входной сигнал зависит от соотношения проводимостей .

В сети с изолированной нейтралью, где (с учётом выражения 12.4).

(12.7)

Из выражения (12.7) видно, что в сети с изолированной нейтралью уставка должна выбираться в зависимости от соотношения проводимостей и , то есть в зависимости от места расположения датчика вдоль сети. Если датчик будет установлен у источника питания, где , то входной сигнал будет равен нулю при любых значениях тока через человека. Следовательно, устройство этого типа в сети с изолированной нейтралью может применяться только для защиты отдельных ее участков.

В сети с заземлённой нейтралью, где

Из этого выражения видно, что в сети с заземлённой нейтралью входной сигнал УЗО не зависит от места установки датчика. Следовательно, устройство может применяться как для защиты всей сети, так и отдельных ее участков. Уставка при этом должна иметь значение, соответствующее длительно допустимому току через человека.

Время срабатывания УЗО определяется функцией , где T время (с) воздействия электрического тока на человека. Для токов промышленной частоты (50 Гц) эта зависимость задана таблицей в ГОСТ 12.1.038-82 (см. табл. 1.2 к лабораторной работе №1).

Защита считается эффективной, если УЗО срабатывает за время, в течение которого для человека допустим максимально воз­можный в данной сети ток. Максимальный ток через человека в сети (с учетом условия поражения) зависит от напряжения сети и режима ее нейтрали.

В сети с изолированной нейтралью при однополюсном прикосно­вении в аварийном режиме (см. рис.2.3 к лабораторной работе №2):

,

в сети с заземлённой нейтралью

 

,

где – сопротивление тела человека (расчетное значение 1000 Ом).

Если времясрабатывания УЗО выбрано по максимально возможному в данной сети току через человека, то для любых других значений время срабатывания защиты будет также соответствовать требованиям электробезопас­ности.

Таким образом, если уставка УЗО выбрана по длительно допустимому току через человека, а время срабатывания по максимально возможному в данной сети току через человека, то при любых значениях тока нулевой последовательности превышающих уставку будут обеспечены требования электробезопасности.

Применяемое оборудование

Лабораторная установка представляет собой модель электрической сети с номинальным напряжением 380/220 В.

В качестве источника питания используется трёхфазный разделительный трансформатор. Включение сети осуществляется кнопкой аварийного останова. При этом загорится сигнальная лампа L₁ на лицевой панели стенда и через минуту включится панель сенсорного управления.

Лабораторная установка позволяет исследовать сети однофазного и трёхфазного тока. Однофазной электрической сетью принято условно называть сеть, в которой питание потребителя осуществляется от одной фазной линии и линии нулевого рабочего проводника. Выбор сети осуществляется включением соответствующей клавиши на сенсорной панели. Сопротивление заземления нейтрали источника – R₀ = 4 Ом.

Сопротивления изоляции фазных проводников относительно земли смоделированы сосредоточенными сопротивлениями R₁ и R₂. Значение сопротивления R₁ устанавливается на сенсорной панели. Величина переменного сопротивления R₂ изменяется плавным поворотом ручки потенциометра «R₂», расположенного на лицевой панели стенда.

Для защиты сети от токов короткого замыкания и перегрузки используются автоматические выключатели QF5 и QF6, установленные на лицевой панели.

Выбор режима нейтрали сети (с глухозаземлённой или изолированной), подключения электроприёмников к заземлителю, количества фаз для питания электроприёмника, установка сопротивлений изоляции осуществляется с помощью сенсорной панели путем прикосновения к соответствующим клавишам.

В работе используются четыре двухполюсных УЗО, реагирующих на дифференциальный ток. Выбор типа УЗО осуществляется его включением в соответствии с заданием. Входной сигнал, превышающий значение уставки УЗО фиксируется на сенсорной панели.

Установка позволяет исследовать работу УЗО при режимах, соответствующих заземлённому и изолированному от земли корпусу электроприёмника. Выбор соответствующего режима осуществляется с помощью сенсорной панели. Сопротивление защитного заземления смоделировано резистором R_з = 10 Ом.

В лабораторной установке имитируется подключения человека к различным частям электроустановки, которые находятся под напряжением. Выбор места подключения осуществляется нажатием соответствующих клавиш на сенсорной панели, например, прямое или косвенное прикосновение. Сопротивление тела человека «R_h» можно устанавливать равным 1, 5, 10 кОм.

На сенсорной панели стенда отображаются результаты экспериментов в виде либо тока через сопротивление изоляции фазных проводов относительно земли в зоне защиты I₂, мА, либо тока через тело человека I_h, мА.

Порядок проведения работы

Часть I

Подготовка стенда.

1.1 Включить лабораторный стенд красной кнопкой «Аварийный останов» (лёгким поворотом по часовой стрелке), дождитесь загрузки сенсорной панели.

1.2 После высвечивания функций стенда, на сенсорной панели нажать на клавишу «Перейти к опытам в однофазной сети».

2. Определение максимального отключающего дифференциального тока (I_{D откл}) и сравнение его с уставкой (I_{D n}) исследуемого УЗО.

2.1. Установите с помощью сенсорной панели:

2.1.1. «Режим нейтрали глухозаземлённая»;

2.1.2. «Корпус электроустановки изолирован»;

2.1.3. «Сопротивление изоляции R1»;

2.1.4. «Определение уставки срабатывания».

2.2. Включите автоматический выключатель QF5.

2.3. Согласно номеру бригады из табл. 12.2 выберите и включите исследуемое УЗО на панели стенда.

 

Таблица 12.2

Задание по оценке эффективности УЗО в однофазной сети 380/220 В

с глухозаземлённой нейтралью

№ бригады	Тип УЗО	R1, кОм	Кзап
	FD1	10; 50	1,5
	FD2	25; 100
	FD3	50; 200	2,5
	FD4	10; 100
	FD1	25; 200	3,5
	FD2	10; 200
	FD3	25; 50	4,5
	FD4	25; 200

2.4. Установите на сенсорной панели значение сопротивления изоляции вне зоны защиты (R₁) согласно задания (табл. 12.2).

2.5. Поверните ручку потенциометра R2, моделирующего сопротивления изоляции в зоне защиты, в крайнее правое положение. Нажмите сенсорную клавишу «Начать опыт» и медленно вращая ручку потенциометра R2 влево (против часовой стрелки) дождитесь срабатывания УЗО и зафиксируйте показание амперметра в табл. 12.3.

2.6. Повторите опыты при другом значении R₁ согласно задания (табл. 12.2).

2.7. Рассчитайте значения R2, при котором произошло срабатывание УЗО.

2.8. Результаты значений занесите в табл. 12.3.

2.9. Сравните минимальное значение отключающего дифференциального тока с уставкой (I_{D n}), указанной на исследуемом УЗО.

2.10. По полученным результатам сделайте вывод.

 

Таблица 12.3

Зависимость отключающего дифференциального тока от сопротивлений изоляции в зоне защиты (R2) и вне зоны защиты (R₁)

R1, кОм	R2, кОм (расчётное значение)	ID n, мА	ID откл, мА

Часть II.

Подготовка стенда.

1.1 Если стенд не был отключен, то следует нажать клавишу на сенсорной панели «Назад к списку опытов» и можно переходить к выполнению пункта 1.3.

1.2 Легким поворотом (по часовой стрелке) переведите кнопку «Аварийный останов» в отжатое положение.

1.3 После высвечивания функций стенда, на сенсорной панели нажать на клавишу «Опыты в трёхфазной сети».

 

2. Определение отключающего дифференциального тока IΔоткл

2.1. Включите автоматический выключатель QF6 и УЗО FD5.

2.2. Запишите характеристики автоматического выключателя QF6 и УЗО FD5, приведённые на их лицевых панелях.

2.3. С помощью соответствующих клавиш на сенсорной панели установите: «Режим нейтрали – глухозазёмленная»; «Корпус изолирован»; «Определение уставки срабатывания».

2.4. Ручку потенциометра R2B поверните в крайне правое положение – при этом сопротивления изоляции относительно земли R2A = R2C = ∞

2.5. На сенсорной панели нажмите клавишу «Начать опыт».

2.6. Вращая, ручку потенциометра R2B против часовой стрелки добейтесь срабатывания УЗО и запишите значения отключающего дифференциального тока (опыт проделать не менее трёх раз).

2.7. Результаты измерений занести в табл. 12.8.

2.8. Сравните наименьшее значение отключающего дифференциального тока с его номинальным значением I_Δn (уставкой), которое приведенно на панели УЗО.

2.9. Рассчитайте и занесите в таблицу 12.8 сопротивление изоляции фазного провода относительно земли R2B:

(12.8)

2.10. Сделайте выводы о влиянии сопротивления изоляции в зоне защиты на отключающую способность УЗО.

 

Таблица 12.8

Зависимость значения отключающего дифференциального тока от сопротивлений изоляции фазных проводов относительно земли в зоне защиты

№ п/п	IΔn, мА	IΔоткл, мА	R2B, кОм

Содержание отчёта

1. Принципиальные схемы всех проводимых опытов.

2. Характеристики исследуемых УЗО, приведенные на их панелях с расшифровкой обозначений.

3. Полученные результаты опытов в виде таблиц и отдельных значений.

4. Результаты расчёта сопротивлений изоляции.

5. Выводы и рекомендации по всем полученным в лабораторной работе результатам измерений.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия УЗО на дифференциальном токе.

2. Как связан дифференциальный ток с сопротивлением изоляции вне зоны защиты и в зоне защиты УЗО?

3. Какие характеристики УЗО определяют безопасность человека?

4. Как связаны между собой, с точки зрения безопасности, уставка УЗО по дифференциальному току и его быстродействие?

5. Можно ли использовать УЗО для контроля сопротивления изоляции сети?

6. Почему УЗО не срабатывает при прямом прикосновении до места расположения УЗО в сети?

7. Чем обусловлена эффективность УЗО при прямом прикосновении в зоне защиты?

8. Чем обусловлена эффективность УЗО при косвенном прикосновении к заземлённому корпусу?

9. Влияет ли сопротивление изоляции вне зоны защиты (R₁) на эффективность УЗО при прямом и косвенном прикосновении в зоне защиты?

10. Влияют ли на срабатывание УЗО сопротивление изоляции R₁ и R₂, а также сопротивление человека, если корпус заземлен?

11. Можно ли использовать четырёхполюсные УЗО для однофазных электроприёмников?

12. Как должны быть согласованы по номинальному току УЗО без функции защиты от сверхтоков и автоматический выключатель для обеспечения защиты от токов короткого замыкания?

 

Библиографический список

1. Долин П.А., Медведев В.Т., Корочков В.В., Монахов А.Ф. Электробезопасность. Теория и практика: учебное пособие для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. с. 212-242.

 

Лабораторная работа № 12

Оценка эффективности устройства защитного отключения

Цель работы

Оценить эффективность устройства защитного отключения (УЗО) реагирующего на дифференциальный ток (ток нулевой последовательности), в трёхфазных сетях промышленной частоты с заземлённой и изолированной нейтралями.

Содержание работы

1. Определить уставку УЗО. Сделать заключение об ее соответствии предельно допустимым значениям тока через человека по ГОСТ 12.1.038-82.

2. Оценить влияние сопротивлений изоляции фазных проводников на величину дифференциального тока (тока нулевой последовательности).

3. Оценить эффективность УЗО при защитном заземлении открытых проводящих частей (корпусов электрооборудования).

4. Сделать выводы об эффективности защитного отключения в сетях с заземлённой и изолированной нейтралями при прямом прикосновении, а также при косвенном прикосновении при наличии и отсутствии защитного заземления открытых проводящих частей электрооборудования.

Введение

Устройство защитного отключения представляет собой быстро­действующую защиту, предназначенную для автоматического отключе­ния защищаемого участка сети при возникновении на этом участке опасности поражения человека током.

Информацию об опасности поражения несет в себе параметр, являющийся входным сигналом для УЗО, которое срабатывает при превышении входным сигналом наперед заданного значения (уставки) и таким образом отключает защищаемый участок сети. В данной работе в качестве входного сигнала УЗО используется ток нулевой последовательности.

Следует отметить, что в настоящее время вместо терминов ток нулевой последовательности и трансформатор тока нулевой последовательности чаще употребляют термины дифференциальный ток и дифференциальный трансформатор тока соответственно. При этом под дифференциальным током понимают разность рабочих, токов питающих электроустановку или электроприёмник, обусловленную протеканием части рабочего тока (тока утечки):

- через человека при прикосновение его к фазному проводнику;

- через защитный проводник при повреждении изоляции электроприёмника;

- при снижении сопротивления изоляции.

Таким образом, термин дифференциальный ток распространяется на трёхфазные и однофазные сети и на любые условия вызвавшие протекание тока утечки вне рабочих проводниках.

В данной работе для анализа работы УЗО в однофазных цепях будет использоваться термин дифференциальный ток, как наиболее часто используемый в технической литературе и нормативных документах, например, ГОСТ Р 50807-95, ГОСТ Р 51362.1-99, ГОСТ Р 51327.1-99, а также в ПУЭ. В тоже время для анализа трёхфазных сетей при изменении сопротивлений изоляции отдельных участков сети будет использоваться термин «ток нулевой последовательности», как более соответствующий теоретическим основам электротехники в части анализа несимметричных режимов многофазных сетей.

УЗО, реагирующие на дифференциальный ток однофазных электроприёмников

В основе данных УЗО, лежит - исполь­зование в качестве датчика информации о возникновении опасных для человека ситуаций дифференциального трансформатора тока (ДТТ). В ДТТ первичной обмоткой являются проводники питающей линии, проходящие непосредственно через ок­но тороидального магнитопровода, либо образующие на нем несколько вит­ков. В последнем случае увеличивается значение тока, наводимого во вторич­ной обмотке, также намотанной на этот магнитопровод.

Действие УЗО, установленного на участке линии, питающей однофаз­ный электроприёмник, без защитного зануления показано на рис. 12.1,а. В нор­мальном режиме рабочие токи в фазном проводнике (I₂) и нулевом рабочем проводнике (I₁), протекая через первичные обмотки ДТТ, наводят противоположно направленные магнитные потоки (Ф₂) и (Ф₁). Поскольку в этом случае ток I₂ равен току I₁, то и магнитные потоки Ф₂ и Ф₁ будут равны и взаимно скомпенсированы, а ток во вторичной цепи ДТТ (I_вт) будет отсутствовать.

В случае прикосновения человека к фазе ток I2 будет разветвляться (т. А на рис. 12.1, б) на ток I1 и ток, протекающий через человека (I_h). Контур протекания тока Ih обозначен на рис. 12.1,а пунктиром. Поскольку при этом токи I₂ и I₁, а соответст­венно магнитные потоки Ф₂ и Ф₁ будут различаться, то во вторичной обмотке ДТТ появится ток I_вт, пропорциональный разностному (дифференциальному) току I∆:

(12.1)

Зная коэффициент трансформации kТ, можно поставить в соответствие ток через человека I_h, дифференциальный ток I∆ и ток во вторичной обмотке I_вт:

(12.2)

Для обеспечения безопасности человека, УЗО должно срабатывать при значении дифференциального тока, т.е. уставке, соответствующей протеканию через человека тока равного предельно д