Начиная с 80-х годов и по настоящее время в практике эксплуатации электрических сетей переменного тока до 1000 В широко рекламируются и применяются различного типа устройства защитного отключения (УЗО). УЗО реагирует на дифференциальный ток, т.е. на ток, полученный в результате сложения токов всех трех фаз и нулевого провода в обхвате трансформатором тока всех проводников, питающих нагрузку.
Согласно нормативным документам, УЗО относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения электрическим током при прикосновении к корпусу электроустановки, случайно оказавшейся под напряжением, в сетях, где основными видами защиты являются максимальнотоковая защита, защитное заземление, зануление.
Максимально-токовая защита осуществляется автоматическими выключателями, предохранителями, тепловыми расцепителями. При малых токах однополюсного короткого замыкания на корпус (землю) в результате снижения уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника (аварийный режим) зануление недостаточно эффективно, поэтому функцию защиты человека от электропоражения должно осуществить УЗО.
В основу действия УЗО, как электрозащитного средства, положен принцип ограничения времени воздействия электрического тока на организм человека за счет быстродействия выключателя при прикосновении человека к элементам электроустановки, находящимся под напряжением.
Считается, что из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током при прикосновении к токоведущей части. Однако, это не так.
Важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгорания и пожаров при возможных повреждениях изоляции, неисправностях электропроводки и электрооборудования. Однако такая защита может осуществляться только при коротких замыканиях между электропроводкой и корпусом электроустановки, но эта защита совершенно не реагирует на короткие замыкания между проводами в зоне защиты УЗО.
Устройства защитного отключения могут применяться в электросетях с системами заземления TN–S и TN–C–S. УЗО нашли широкое распространение во многих зарубежных странах (США, Германия, Австрия, Испания, Англия, Италия, Япония и др.). Юридическим обоснованием применения электросетей с глухозаземленной нейтралью с системами заземления TN–S и TN–C–S в нашей стране являются рекомендации Международной Электротехнической Комиссии по классификации заземляющих и зануляющих устройств МЭК 364-3-93, которые закреплены Государственным стандартом ГОСТ Р50571-2-94 и требованиями ПУЭ 7-го издания главами 1, 6 и 7 [1].
При этом для электроустановок, перечисленных в пункте 7.-1.1 ПУЭ, нормативно запрещено использовать традиционную систему заземляющего устройства TN–C с объединенным заземляющим и зануляющим проводником, вместо нее регламентируются системы TN–C–S и TN–S, в которых нулевой рабочий проводник и нулевой защитный проводник работают раздельно. Именно для систем TN–S и TN–C–S рекомендуется применение УЗО.
В системе TN–S (рис.1) нулевой рабочий проводник N и нулевой защитный проводник РЕ прокладываются раздельно по всей сети от заземленной нейтрали источника питания (трансформатора или генератора). В этом случае нулевой рабочий проводник N используется для питания однофазной нагрузки и в качестве нулевого проводника для несимметричной трехфазной нагрузки с целью выравнивания напряжения по фазам потребителя.
Рисунок 1 - Система заземления и зануления TN-S в сетях трехфазного переменного тока
Нулевой защитный проводник РЕ подсоединяется к корпусам электрооборудования (защитное заземление).
Электросеть с системой TN–C–S является комбинацией систем TN–C и TN–S. В этом случае совмещенный нулевой рабочий, он же нулевой защитный, проводник РЕN разделяется в некоторой точке Б (рис.2) на нулевой рабочий N и нулевой защитный проводник РЕ. Проводник РЕ используется исключительно для заземления корпусов оборудования. После точки разделения Б сеть электроснабжения преобразуется в пятипроводную. При системе TN–S устройство защитного отключения может устанавливаться в любой точке сети.
При системе TN–С–S установка УЗО допустима лишь после точки разделения Б проводника РЕN на проводник N и проводник РЕ. После точки разделения соединять (объединять) проводники N и РЕ запрещается. Проводник N изолируется от корпусов, при этом предусматриваются раздельные зажимы или шины для проводников РЕ и N.Разделение проводника РЕN в системе TN–C–S обычно осуществляется на вводе в электроустановку. В точке разделения проводник РЕN заземляется на повторный заземлитель.
Рисунок 2 - Трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью с системой заземления TN – C - S, оборудованная устройством защитного отключения (УЗО)
Идея принципа действия УЗО проста. Она известна давно [2] и широко реализуется в релейной защите и в измерительной технике, где в основу положен, как и в УЗО, фильтр тока нулевой последовательности. Этот фильтр строится на трех трансформаторах тока, а иногда на одном (ТЗЛ, ТЗЛМ, ТНП и др.) и используется для контроля изоляции в электросетях 6-35 кВ.
В УЗО трансформатор тока утечки (ТТУ, рис.2), названный также дифференциальным трансформатором тока (ДТТ), обхватывает все проводники, участвующие в питании электроустановки. При питании однофазной нагрузки через окно трансформатора пропускают два провода: фазный и нулевой рабочий. В нормальном режиме работы сумма магнитных потоков проводников, создающих первичную обмотку трансформатора ТТУ, равна нулю, т.е.:
а) при трехфазной нагрузке: Ф1 + Ф2 + Ф3 - Ф0 = 0
б) при однофазной нагрузке: Ф1 - Ф0 = 0
Небаланс магнитных потоков практически равен нулю, его не принимают во внимание. В состав устройства защитного отключения (рис.3) входят три основных функциональных элемента: датчик тока утечки ТТУ, чувствительный орган ЧО и коммутационное устройство А2.
Рисунок 3 - Трехфазная четырехпроводная сеть с изолированной нейтралью и системой заземления IT без зануления оборудования
Датчик тока утечки, или трансформатор тока утечки ТТУ, представляет собой тороидальный трансформатор тока, сердечник которого изготовлен из пермаллоя. Первичной одновитковой обмоткой ТТУ служат провода всех трех фаз и нулевой рабочий проводник. Вторичная обмотка ТТУ обычно имеет большое число витков, расположенных по всему тороиду с постоянным шагом намотки. Чувствительный орган ЧО, часто это реле прямого действия, служит для преобразования сигнала, полученного от ТТУ, в управляющее воздействие на отключение коммутационного аппарата.
При отсутствии тока утечки УЗО находится в «ждущем» режиме. В случае появления утечки с любого провода ток утечки Iут пройдет мимо ТТУ на нейтраль силового питающего трансформатора. Сумма магнитных потоков проводов не будет равна нулю. Результирующий поток, пропорциональный току утечки, вызовет во вторичной обмотке ТТУ ток, который пройдет через чувствительный орган ЧО (например, токовое реле). Чувствительный орган подаст сигнал на отключение участка сети с появившейся утечкой.
В соответствии с ГОСТ Р 51 326.1-99 и ГОСТ Р 51 327.1-99 отечественной промышленностью освоен выпуск новой серии двух- и четырехполюсных комплектов УЗО на номинальное напряжение 220/400 В с частотой 50 Гц следующих типов [3]:
- выключатель дифференциальный ВД1-63, на номинальные токи 16-100 А;
- автомат дифференциальный АД12/АД14, на номинальные токи 6-63 А;
- автоматический выключатель дифференциального тока АВДТ32, на номинальные токи 6-32 А.
Фиксированный (дискретный) номинальный дифференциальный ток (уставка срабатывания по току утечки этих УЗО – 10, 30, 100, 300 мА. Аналогичные зарубежные УЗО имеют уставки срабатывания по току утечки до 3000 мА. Аппараты АД12/14 и АВДТ32 оснащены автоматическими выключателями, способными осуществлять защиту от перегрузки и коротких замыканий. Время срабатывания этих устройств не более 40 мс.
Однако, при всех достоинствах, УЗО имеют ряд существенных недостатков.
Альтернативой УЗО являются реле утечки (РУ), которые широко используются в электрических сетях с изолированной нейтралью с системами заземления IT и могут применяться в сетях с системами заземления TN– C и TN–C–S. Реле утечки в сетях с изолированной нейтралью с системой заземления IT, а также с системой TN–C–S (после разделения проводника PEN в точке Б на проводники PE и N, рис.2) применяется в условиях повышенной опасности и при эксплуатации электроустановок в опасных средах.
Возникающие одно- и многофазные утечки сопровождаются относительно небольшими токами, но они могут быть опасны, если утечка происходит через тело человека. Эти утечки опасны и с точки зрения возникновения пожаров и взрывов в окружающей среде при появлении электрической дуги вне взрывозащищенных оболочек. Защита от утечек тока с помощью РУ часто обеспечивает безопасность при междуфазных замыканиях, когда дуга короткого замыкания или проводники, замкнувшиеся накоротко, касаются заземленных частей или корпусов оборудования.
Реле утечки разработаны и широко применяются в отечественной промышленности и за рубежом с 60-70-х годов прошлого столетия. Им посвящены многочисленные труды научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов; они довольно широко представлены в технической литературе и периодических технических журналах.
Модификации и параметры реле утечки самые разнообразные:
- РУ-1, РУ-2, РУВ-1, РУВ-2 - в нормальном и во взрывозащищенном исполнении;
- УАКИ – устройство автоматического контроля изоляции сети со ступенчатой настройкой компенсации емкости сети по отношению к земле;
- АЗАК – аппараты защиты от утечек тока с автоматической плавной компенсацией емкости сети по отношению к земле;
- АБК - аппарат бесконтактной коммутации во взрывои искробезопасном исполнении и многие другие.
При построении электрической сети с применением УЗО используется принцип ступенчатого выбора уставок срабатывания по току утечки, аналогичный выбору уставок срабатывания максимально- токовой защиты, т.е. максимальная чувствительность к току утечки будет в конце линии (10 мА), при приближении к питающему трансформатору уставка срабатывания будет увеличиваться (30, 100, 300 мА).
При прикосновении человека к токоведущей части сети его безопасность не будет обеспечена, так как ток утечки через человека в большинстве случаев будет превышать допустимое значение (6 мА). При токе утечки через человека, меньшем 30, 100,0 300 мА, УЗО не сработает. В отличие от УЗО, чувствительность реле утечки одинаково высокая к прикосновению в любой точке сети, независимо от расстояния до питающего силового трансформатора (рис.3). Таким образом, для реле утечки зоной защиты является вся сеть до и после места установки РУ.
Существенным недостатком УЗО является то, что это устройство по своему принципу действия и конструктивному исполнению не может деформировать каноническую характеристику, которая определяет соотношение одно-, двух - и трехфазных утечек подобных устройств.
Каноническая характеристика устройств защиты от утечек имеет вид:
R' : R" : Rкр = 1: 2 : 3,
где R', R" и Rкр - сопротивление уставки срабатывания одно-, двух - и трехфазной утечки.
Из этого следует, что при выборе уставки срабатывания однофазной утечки автоматически устанавливается уставка срабатывания трехфазной утечки. При эксплуатации электрических сетей необходимо, чтобы при высокой уставке срабатывания однофазной утечки R', уставка трехфазной утечки оставалась неизменной или уменьшалась Rкр, т.е. требуется деформация канонической характеристики, что позволяет выбирать уставки срабатывания независимо их друг от друга. Деформированная каноническая характеристика принимает вид:
R' : R" : Rкр = 1 : n : k,
где n, k – любые числа.
Такой характеристикой обладают устройства автоматического непрерывного контроля изоляции РУ. Устройства РУ позволяют эксплуатировать электрические сети большой длины и разветвленности с высокой одинаковой чувствительностью к однофазной утечке в любой точке сети – к прикосновению человека к токоведущей части. Это очень важно в условиях эксплуатации, так как трудно поддерживать высокое сопротивление изоляции всех трех фаз сети при большой протяженности и разветвленности. При применении УЗО такую защиту от утечек тока осуществить невозможно.
Следует отметить, что при разделении проводника PEN на N и PE сеть с глухозаземленной нейтралью в зоне защиты превращается, по сути, в электросеть с изолированной нейтралью IT, в которой может эксплуатироваться РУ.
Серьезным недостатком УЗО является также и то, что это устройство, по сравнению с реле утечки не реагирует на короткие замыкания между фазой и нулевым проводом при токе КЗ меньше тока уставки срабатывания максимально-токовой защиты, что может привести к возгоранию электропроводки, к пожару. В этом случае сумма магнитных потоков первичной обмотки трансформатора ТТУ равна нулю. Кроме того, при замыкании фазы на нулевой рабочий проводник, возможен «занос» потенциала по нулевому проводнику по всей сети, что опасно для обслуживающего персонала.
При устройстве и монтаже электрической сети с применением УЗО при трех фазах требуется пятипроводная сеть и четырехполюсный выключатель, в то время как при использовании РУ сеть строится четырехпроводной с наиболее распространенным трехполюсным выключателем. Учитывая сложность монтажа сети с УЗО и ошибки при монтаже, как показывает практика, эксплуатационный персонал часто УЗО выводит из работы, нарушая тем самым правила технической эксплуатации и правила техники безопасности.
Таким образом, при эксплуатации электрических сетей с системами заземления TN – S, TN–C–S и IT предпочтение следует отдавать применению реле утечки, так как УЗО имеет ряд существенных недостатков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила устройства электроустановок. 7-ое издание. – СПб; ДЕАН, 2004 -214 с.
2. Сирота И.М. Трансформаторы и фильтры напряжения и тока нулевой последовательности./ И.М.Сирота – Киев: Наукова Думка. 1983 -364с.
3. Каталог электротехнической продукции. – Иркутск: «Электромаркет», 2008 – 320 с.
Авторы: КОРЕНЕВ Н.П., ДЫБЛЕНКО И.И.
Не упустите возможность быть в курсе последних технологических новинок и инженерных трендов! Подпишитесь на наш Telegram-канал "Инженерное дело" и получайте первыми увлекательные статьи
и другие эксклюзивные материалы.Наш Telegram-канал: Инженерное дело
