Защитное отключение в электрустановках напряжением до 1000 В

Цель работы: 1. Изучить принцип работы устройства защитного отключения (УЗО) по току утечки на землю.

2. Знать о преимуществах и недостатках УЗО по току утечки.

3. Ознакомиться с требованиями, предъявленными к УЗО.

4. На лабораторном стенде изучить эффективность работы УЗО по току утечки на землю.

5. Оценить защитные функции УЗО от поражения электрическим током человека.

Общие сведения

Защитное отключение – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения электрическим током. Его рекомендуется применять в качестве основной или дополнительной меры защиты, если безопасность не может быть обеспечена защитным заземлением или занулением. Защитное отключение следует применять и в том случае, если устройство защитного заземления или зануления трудно выполнимо или экономически нецелесообразно.

Защита от поражения током при касании токоведущих частей электроустановок была решена в 50-х годах XX века. Было предложено несколько схем защитных устройств.

В качестве преобразователя токов несимметричной утечки на землю использовался трансформатор нулевой последовательности – тороидальный пермаллоевый сердечник с намотанной на него обмоткой. Первичной обмоткой датчика являются провода сети, проходящие внутри сердечника. Применив такой датчик, удалось устранить влияние токов нагрузки, поскольку в трехфазной сети геометрическая сумма токов в фазных проводах в любой момент времени равна нулю. Для того, чтобы не срабатывала защита от однофазной нагрузки (освещение, нагревательные и бытовые приборы), рабочий нулевой провод прокладывается совместно в фазными проводами внутри сердечника датчика, а корпуса электроустановок зануляются через отдельный нулевой провод, прокладываемый вне сердечника датчика, (Рис.1).

Рис. 1. Одна из первых схем УЗО.

 

Схема включает в себя следующие элементы: трансформатор тока утечки ТА (преобразователь тока нулевой последовательности), трехфазный трансформатор управления TV, логический элемент «или» (состоящий из трех диодов VD1-VD3), транзистор VI, катушку КА, автоматический выключатель OF, конденсаторы C1,C2, диод VD4, резисторы R1-R4 (Рис. 1).

Схема работает следующим образом. В нормальном режиме, когда сеть исправна и нет утечки тока на землю за местом установки ТА, транзистор закрыт. Автоматический выключатель находится во включенном положении. При касании токоведущих частей за местом установки ТА, утечке тока через изоляцию на корпус электроустановки, однофазном замыкании на землю или на зануленный корпус электроустановки, возникает ток несимметричной утечки на землю, выходящий из замкнутого контура трехфазной системы (на Рис. 1 путь прохождения поражающего тока показан стрелками). Этот ток в сердечнике ТА вызовет магнитодвижущую силу (МДС) небаланса, а во вторичной обмотке преобразователя – электродвижущую силу (ЭДС) небаланса. Проходящий на базу транзистора ток небаланса (если утечка тока в сети 380/220 В составила 9 и более мА) откроет транзистор VT и автоматический выключатель QF отключится электромагнитом КА.

В дальнейшем такая защита нашла применение во всех странах мира как единственная защита от поражения током при касании токоведущих неизолированных частей электроустановок, находящихся под напряжением. АЗО по току несимметричной утечки на землю выполняют следующие функции:

1. Защищают человека от поражения током в сети напряжением до 1000 В при однофазном прикосновении к неизолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением.

2. Отключают сеть при повреждении изоляции и утечке тока на землю.

3. Предотвращают возникновение пожара от однофазных замыканий на землю, поскольку отключение сети происходит при незначительных токах утечки порядка 0,01-1 А.

Требования, предъявляемые к аппаратам защитного отключения

Исходя из назначения УЗО по защите от поражения электрическим током, к ним предъявляются следующие требования:

1. Мгновенное действие. Время отключения t_о и предельный нефибрилляционный ток I_ч связаны зависимостью t_о £1/20 I_ч.

Для человека предельно допустимая величина произведения тока на время отключения (в пределах 0,1-0,7 с) постоянна и не должна превышать I_ч·t_о £ 50 мА·с=0,05 Кл, при которой с вероятностью 99, 86% не наступит фибрилляция сердца.

Время отключения современных АЗО не должно превышать 0,15 с. При такой продолжительности воздействия поражающего тока маловероятны остановка сердца или его фибрилляция при напряжении до 1000 В.

2. Высокая точность. УЗО должны четко срабатывать при токе утечки в пределах 0,9-1,2 от номинального значения тока уставки.

3. Помехоустойчивость и стабильность параметров. УЗО не должно срабатывать при колебаниях напряжения в сети в пределах 0,8-1,15 от номинального значения напряжения сети и колебаниях температуры окружающей среды.

4. Надежность. УЗО должно быть рассчитано на число срабатываний не менее 10⁴. Вероятность безотказной работы (при контактной коммутации силовых цепей) при 2 тыс. ч непрерывной работы должна составлять не менее 0,96.

В настоящее время самым надежным УЗО является электромеханическое устройство защитного отключения «Астро УЗО» совместного российско-германского производства, освоенное по конверсии АО «Технопарк Астро-Гермес» в 1995 году. В этом устройстве отсутствует электронный усилитель, поэтому оно при включении в электросеть не потребляет электроэнергию.

УЗО по току утечки является в настоящее время самой совершенной защитой, однако они обладают и рядом недостатков.

Основные из них следующие:

1. Несрабатывание. При одинаковом снижении изоляции фазных проводов относительно друг друга и земли вплоть до трехфазного замыкания. При этом может возникнуть ситуация, когда через тело человека будет проходить опасный для жизни ток (его тело как бы симметирует утечку на землю тока всех трех фаз), а результирующий ток утечки на землю, определяемый путем геометрического суммирования векторов, будет меньше тока уставки УЗО.

2. Значительная погрешность вследствие несимметрии расположения фазных проводов в окне магнитопровода датчика тока. Погрешность будет зависеть от значения тока нагрузки (с его ростом погрешность возрастает), от геометрических размеров магнитопровода и степени смещения фазных проводов относительно его геометрического центра. Снижают погрешность, вставляя в окно магнитопровода датчика симметричный отрезок кабеля, что не всегда удобно и достижимо, кроме того, применяют свивание первичных обмоток (проводов сети) с шагом, равным высоте магнитопровода, при этом уменьшается погрешность по току срабатывания.

Защита не реагирует на междуфазные короткие замыкания и перегрузку. Задачи эти не решаются УЗО, поскольку они не заложены в принцип его работы. Поэтому если человек коснется одновременно двух фаз и будет изолирован от земли, то УЗО не отключит сеть.