| Графическое изображение | Наименование проводника |
| | нулевой рабочий проводник (N) |
| | нулевой защитный проводник (РЕ) |
| | совмещенный нулевой рабочий и нулевой защитный проводник (РЕN) |
Система заземления и зануления TN-S имеет N- проводник и PE-проводник, которые работают раздельно по всей системе. В этой системе устройство защитного отключения может устанавливаться в любой точке сети. Однако при этом в трехфазных сетях переменного тока для реализации системы TN-S требуется во всей сети с глухозаземленной нейтралью с занулением от трансформатора (генератора) до электроприемника применять пятипроводные линии (рис. 4.2). Это делает систему TN-S более дорогой и сложной.
| Рис. 4.2. Система заземления TN-S в трехфазных сетях переменного тока |
| Открытые проводящие части |
Проводник N, вводимый вовнутрь электроустановки, подключается к нейтральной точке нагрузки с целью выравнивания напряжения на фазах нагрузки и для канализации рабочего тока в нулевом проводе. РЕ-проводник подключается к корпусу нагрузки и является нулевым защитным проводником.
Система заземления и зануления TN-С-S является комбинацией систем заземления TN-C и TN-S, в которой PEN- проводник используется только в сети общего пользования. В какой-то точке сети PEN- проводник разделяется на два проводника РЕ- проводник и N- проводник. После точки разделения РЕ- и N- проводники соединять (объединять) запрещается, N- проводник изолируется от корпуса, при этом предусматриваются раздельные зажимы или шины для РЕ- проводника и N- проводника. Разделение PEN-проводника в системе TN-С-S обычно осуществляется на вводе в электроустановку. В точке разделения PEN-проводник заземляется на повторный контур заземления (рис. 4.3).
К PEN- проводнику предъявляются следующие требования в системе TN-С-S:
– сечение медного проводника должно быть не менее 10 мм2;
– сечение алюминиевого проводника должно быть не менее 16 мм2;
– электроустановки с PEN-проводником не должны быть оснащены УЗО, реагирующими на дифференциальный ток. Устройства защитного отключения могут быть установлены только после разделения PEN-проводника со стороны электроприемников.
Следует отметить, что система TN-С-S является наиболее перспективной для практического применения, так как она позволяет применить УЗО при использовании раздельных РЕ- и N-проводников, что дает возможность обеспечить более высокий уровень электробезопасности по сравнению с системой TN-С, а в существующих электрических сетях не требуется реконструкция.
В системе заземления TT нейтраль трансформатора или генератора глухо заземлена, а открытые токопроводящие части корпуса оборудования присоединены к заземлителю, независимому от заземлителя нейтрали источника питания (рис. 4.4). В данной системе заземляющие устройства выполняются без связи между собой, таких устройств может быть несколько. Эта система применяется в электросетях напряжением 110 кВ и выше, когда электроэнергия передается на большие расстояния по трехпроводной трехфазной линии, а заземляющие устройства выполняются «собственные» на каждой повышающей или понижающей подстанции.
| Рис. 4.3. Система заземления TN-С и TN-С-S в трехфазных сетях переменного тока |
| Открытые проводящие части |
В некоторых случаях по ГОСТ Р50669 рекомендуется использовать эту систему при проектировании, монтаже и эксплуатации элетроустановок зданий и помещений из металла (киоски, павильоны и т.п.), где существует металлическая связь между источником и электроприемником. Это правило распространяется и на электроприемники передвижных установок от передвижных автономных источников питания, где имеется металлическая связь корпусов электрооборудования.
Защита от сверхтоков, используемая в сетях системы ТТ, TN и IT, в части обеспечения электробезопасности имеет ряд технических недостатков, например:
а) в ряде случаев приходится ограничивать мощность потребления электроприемников для того, чтобы обеспечить нужное сопротивление заземляющего устройства RA или полного сопротивления цепи замыкания ZA;
| Рис. 4.4. Система заземления TT в трехфазных сетях переменного тока |
| Открытые проводящие части |
б) если значения ZA или RA вместе повреждения недостаточно малы, то на открытых проводящих частях может появиться опасное напряжение прикосновения. При небольшом значении тока повреждения время отключения велико. В течение этого времени на открытой проводящей части присутствует опасное напряжение прикосновения, а защитный проводник осуществляет вынос потенциала на другие открытые проводящие части;
в) в сетях системы TN-C на открытых проводящих частях появляется фазное напряжение в случаях:
– замены проводника PEN на фазный;
– обрыва проводника PEN;
г) при замене аппарата защиты на аппарат с большим номинальным током, выполненной неквалифицированным персоналом, время отключения поврежденного участка может превышать допустимое, либо отключение может вообще не произойти;
д) защита от непосредственного прикосновения к токоведущим частям не обеспечивается.
Кроме того, выполнение требований, обеспечивающих электро-безопасность в сети системы ТТ посредством предохранителей или автоматических выключателей, практически не реализуемо. Поэтому в таких сетях должны использоваться УЗО. В свою очередь, в сетях систем TN и IT с введением в действие стандарта МЭК 60 364 - 4 - 41 ужесточаются требования ко времени отключения защитными аппаратами поврежденного участка сети. Для случаев, когда реализация увеличения сечений проводников затруднена, стандарт четко определяет альтернативное решение – использование УЗО.
Устройство защитного отключения является превентивным электрозащитным мероприятием и в сочетании с современными системами заземления (TN-S, TN-C-S, ТТ) обеспечивает высокий уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок.
Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно контролирует входной сигнал и сравнивает его с наперед заданной величиной (уставкой). Если входной сигнал превышает уставку, то устройство срабатывает и 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.
Все УЗО по виду входного сигнала классифицируют на несколько типов (рис. 4.5).
| Реагирующие на напряжение корпуса относительно земли |
| Реагирующие на дифференциальный (остаточный) ток |
| Реагирующие на комбинированный входной сигнал |
| Реагирующие на ток замыкания на землю |
| Устройство защитного отключения (УЗО) |
| Реагирующие на напряжение нулевой последовательности |
| Реагирующие на оперативный ток (постоянный; переменный f=50 Гц) |
| Рис. 4.5. Классификация УЗО по виду входного сигнала |
Кроме того, УЗО могут классифицироваться по другим критериям, например, по конструктивному исполнению.
Основными элементами любого устройства защитного отключения являются датчик, преобразователь и исполнительный орган.
Принцип действия УЗО дифференциального типа основан на применении электромагнитного векторного сумматора токов – дифференциального трансформатора тока. Сравнение текущих значений двух и более (в четырехполюсных УЗО – четырех) токов по амплитуде и фазе наиболее эффективно, т.е. с минимальной погрешностью, осуществляется электромагнитным путем – с помощью дифференциального трансформатора тока (рис. 4.6).
Конструктивно дифференциальные УЗО разделяются на два типа:
– электромеханические УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания. Источником энергии, необходимой для функционирования таких УЗО – выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является сам входной сигнал – дифференциальный ток, на который оно реагирует.
– электронные УЗО, функционально зависящие от напряжения питания. Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.
Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, более ограничено в силу их меньшей надежности и подверженности воздействию внешних факторов. Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при часто встречающейся и наиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно – при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае электронное УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику выносится опасный для жизни человека потенциал.
К магнитопроводу трансформатора тока электромеханического УЗО предъявляются чрезвычайно высокие требования по качеству: высокая чувствительность, линейность характеристики намагничивания, температурная и временная стабильность и т.д. По этой причине для изготовления магнитопроводов трансформаторов тока, применяемых при производстве УЗО, используется специальное высококачественное аморфное (некристаллическое) железо.
Важнейшим функциональным блоком УЗО (рис. 4.6) является дифференциальный трансформатор тока 1. В абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока. В литературе по вопросам конструирования и применения УЗО этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности (ТТНП), хотя понятие "нулевая последовательность" применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей.
Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах. Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с пружинным механизмом привода.
В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока – тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода и образующим встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки I1= I2. Ток I1 протекает по направлению к нагрузке, I2 – от нагрузки.
Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока, равные по значению, но противоположно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Результирующий магнитный поток оказывается равным нулю, следовательно, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также будет отсутствовать. При этом пусковой орган 2 находится в состоянии покоя.
При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, который в результате пробоя изоляции оказался под напряжением, по фазному проводнику через УЗО, кроме тока нагрузки I1, потечет дополнительный ток ∆I (ток утечки), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным). Неравенство токов в первичных обмотках – I1 + ∆I в фазном проводнике и I2 = I1 в нулевом рабочем проводнике – вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает заданное значение тока порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3. Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.
| Рис. 4.6. Структурная схема и принцип действия УЗО |
| 1 – дифференциальный трансформатор тока; 2 – пороговый элемент; 3 – исполнительный механизм; 4 – цепь тестирования; 5 – силовые контакты; 6 – защитный контакт цепи тестирования; Т – кнопка "Тест"; R – тестовый резистор; 1, 2, N – клеммы УЗО. |
При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, который в результате пробоя изоляции оказался под напряжением, по фазному проводнику через УЗО, кроме тока нагрузки I1, потечет дополнительный ток ∆I (ток утечки), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным). Неравенство токов в первичных обмотках – I1 + ∆I в фазном проводнике и I2 = I1 в нулевом рабочем проводнике – вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает заданное значение тока порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3. Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.
Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки "Т" искусственно создается цепь протекания отключающего дифференциального тока. Срабатывание УЗО в этом случае означает, что устройство в целом исправно.
Основными параметрами, по которым подбирается то или иное УЗО, являются: номинальный ток нагрузки, т.е. рабочий ток электроустановки, который протекает через нормально замкнутые контакты УЗО в дежурном режиме; номинальное напряжение; уставка; время срабатывания устройства.
Номинальное напряжение (Un) – значение напряжения, установленное изготовителем УЗО, при котором устройство работоспособно. Обычно 220 или 380 В. Равенство напряжения в сети и номинального напряжения УЗО очень важно для электронных УЗО. От этого сильно зависит его работоспособность.
Номинальный ток (In) – максимальный ток, при котором УЗО сохраняет свою работоспособность продолжительное время. Номинальный ток УЗО выбирается из ряда: 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 63, 80, 100, 125 А. Поскольку УЗО должно быть защищено последовательным защитным устройством (ПЗУ), номинальный ток нагрузки УЗО должен быть скоординирован с номинальным током ПЗУ. Номинальный ток нагрузки УЗО должен быть равен или на ступень выше номинального тока последовательного защитного устройства. Это означает, что, например, в цепь, защищаемую авто-матическим выключателем с номинальным током нагрузки 25А, долж-но быть установлено УЗО с номинальным током 40А (см. табл. 4.3).
Таблица 4.3
