Защитное автоматическое отключение питания

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 L3на зануленный корпус (рис. 14.8) ток короткого замыкания проходит через следующие участки цепи: обмотку трансформатора (генератора), фазный L3 и нулевой защитный PE-провод. Величина тока определяется фазным напряжением и полным сопротивлением цепи однофазного короткого замыкания:

, (14.20)

при этом сопротивления трансформатора Z_т, фазного провода Z_ф.при 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_D) (например, при замыкании на корпус или прикосновении человека к оголённому фазному проводу) ток в прямом проводе превышает обратный ток на величину тока утечки I_D; 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.