Защита отключения. Защитное отключение. В каких случаях применяют защитное выключение

Защитным отключением называется автоматическое отключение электроустановок при однофазном прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимым для человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока утечки (замыкания), превышающего заданные значения.

Назначение защитного отключения - обеспечение электробезопасности, что достигается за счет ограничения времени воздействия опасного тока на человека. Защита осуществляется специальным устройством защитного отключения (УЗО), которое, обеспечивает электробезопасность при прикосновении человека к токоведущим частям оборудования, позволяет осуществлять постоянный контроль изоляции, отключает установку при замыкании токоведущих частей на землю. Для защиты людей от поражения электрическим током применяются УЗО с током срабатывания не более 30 мА.

Область применения защитного отключения: электроустановки в сетях с любым напряжением и любым режимом нейтрали.

Наибольшее распространение защитное отключение получило в электроустановках, используемых в сетях напряжением до 1 кВ с заземленной или изолированной нейтралью.

Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно контролирует входной сигнал и сравнивает его с заданной величиной. Если входной сигнал превышает эту величину, то устройство 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.

УЗО реагирует на «ток утечки» и в течение сотых долей секунды отключает электричество, защищая человека от поражения электрическим током, оно улавливает малейшую утечку тока и размыкает контакты.

Конструктивно УЗО бывают двух видов:

электронные, зависимые от напряжения питания, их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника; электромеханические, независимые от напряжения питания, они дороже электронных УЗО, но обладают большей чувствительностью. Источником энергии, необходимой для функционирования таких УЗО является сам входной сигнал - дифференциальный ток, на который оно реагирует.

Все УЗО по виду входного сигнала классифицируют на несколько типов:

реагирующее на напряжение корпуса относительно земли; реагирующее на дифференциальный (остаточный) ток; реагирующее на комбинированный входной сигнал; реагирующее на ток замыкания на землю; реагирующее на оперативный ток (постоянный; переменный 50 Гц); реагирующее на напряжение нулевой последовательности.

Применение УЗО должно осуществляться в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

УЗО (Устройство Защитного Отключения) — это коммутационный аппарат предназначенный для защиты электрической цепи от токов утечки, то есть токов протекающих по нежелательным, в нормальных условиях эксплуатации, проводящим путям, что в свою очередь обеспечивает защиту от пожаров (возгорания электропроводки) и от поражения человека электрическим током.

Определение «коммутационный» означает, что данный аппарат может включать и отключать электрические цепи, другими словами производить их коммутацию.

УЗО так же имеет другие варианты названий, например: дифференциальный выключатель, выключатель дифференциального тока, (сокращенно выключатель диф тока) и т.п.

1. Устройство и принцип работы УЗО

И так для наглядности представим простейшую схему подключения через УЗО лампочки:

Из схемы видно, что при нормальном режиме работы УЗО, когда его подвижные контакты замкнуты, ток I 1 величиной, к примеру, 5 Ампер от фазного провода проходит через магнитопровод УЗО, затем через лампочку, и возвращается в сеть по нулевому проводнику, так же через магнитопровод УЗО, при этом величина тока I 2 равна величине тока I 1 и составляет 5 Ампер.

В такой ситуации часть тока электрической цепи поступающая от фазного провода не будет возвращаться в сеть, а проходя через тело человека будет уходить в землю следовательно ток I 2 который будет возвращаться в сеть через магнитопровод УЗО по нулевому проводу будет меньше тока I 1 поступающего в сеть, соответственно и величина магнитного потока Ф 1 станет больше величины магнитного потока Ф 2 , в результате чего в магнитопроводе УЗО суммарный магнитный поток уже не будет равен нулю.

К примеру ток I 1 =6А, ток I 2 =5,5А, т.е. 0,5 Ампера протекает через тело человека в землю (т.е. 0,5 Ампера — ток утечки), тогда магнитный поток Ф 1 будет равен 6 условных единиц, а магнитный поток Ф 2 — 5,5 условных единиц тогда суммарный магнитный поток будет равен:

Ф сумм = Ф 1 + Ф 2 =6+(-5,5)=0,5 усл. ед.

Возникший суммарный магнитный магнитный поток индуктирует электрический ток во вторичной обмотке который проходя через магнитоэлектрическое реле приводит его в работу, а оно, в свою очередь, размыкает подвижные контакты отключая электрическую цепь.

Проверка работоспособности УЗО осуществляется нажатием кнопки «ТЕСТ». Нажатие данной кнопки искусственно создает в УЗО утечку тока, что должно привести к отключению УЗО.

1. Схема подключения УЗО.

ВАЖНО! Так как в УЗО отсутствует защита от сверхтоков, при любой схеме его подключения должна быть предусмотрена так же установка , для защиты УЗО от токов перегрузки и короткого замыкания.

Подключение УЗО осуществляется по одной из следующих схем, в зависимости от типа сети:

Подключение УЗО без заземления:

Такая схема применяется, как правило, в зданиях со старой электропроводкой (двухпроводной), в который отсутствует заземляющий провод.

Подключение УЗО с заземлением:

N- C- S (когда нулевой проводник разделяется на нулевой рабочий и нулевой защитный):

Схема подключения УЗО в электросети (когда нулевой рабочий и нулевой защитный проводники разделены):

ВАЖНО! В зоне действия УЗО нельзя объединять нулевой защитный (провод заземления) и нулевой рабочий проводники! Другими словами нельзя в схеме, после установленного УЗО, соединять между собой рабочий ноль (синий провод на схеме) и провод заземления (зеленый провод на схеме).

1. Ошибки в схемах подключения из-за которых выбивает УЗО.

Как было сказано выше УЗО срабатывает на токи утечки, т.е. если сработало УЗО — это значит, что произошло попадание человека под напряжение или по какой либо причине оказалась повреждена изоляция электропроводки или электрооборудования.

Но что если УЗО самопроизвольно срабатывает и при этом повреждений нигде нет, а подключенное электрооборудование исправно? Возможно все дело в одной из следующих ошибок в схеме сети защищаемой УЗО.

Одной из самых распространенных ошибок является объединение нулевого защитного и нулевого рабочего проводника в зоне действия УЗО:

В этом случае величина тока выходящего из сети через УЗО по фазному проводу будет больше чем величина тока возвращающегося в сеть по нулевому проводнику т.к. часть тока будет протекать мимо УЗО по проводнику заземления, что приведет к срабатыванию УЗО.

Так же, часто встречаются случаи использования в качестве нулевого рабочего проводника проводник заземления или стороннюю проводящую заземленную часть (например арматуру здания, систему отопления, водопроводную трубу). Такое, подключение как правило происходит при повреждении нулевого рабочего проводника:

Оба этих случая приводят к тому, что УЗО выбивает, т.к. ток выходящий из сети по фазному проводу ток через УЗО не возвращается обратно в сеть.

1. Как выбрать УЗО? Типы и характеристики УЗО.

Что бы правильно подобрать УЗО и исключить возможность ошибки воспользуйтесь нашим .

УЗО выбирается по его основным характеристикам. К ним относятся:

1. Номинальный ток — максимальный ток при котором УЗО способно длительно работать не теряя свою работоспособность;
2. Дифференциальный ток — минимальный ток утечки при котором УЗО произведет отключение электрической цепи;
3. Номинальное напряжение — напряжение при котором УЗО способно длительно работать не теряя свою работоспособность
4. Тип тока —постоянный (обозначается «-«) или переменный (обозначается «~»);
5. Условный ток короткого замыкания — ток который кратковременно может выдержать УЗО до момента пока не сработает защитная аппаратура (предохранитель или автоматический выключатель).

Выбор УЗО основывается на следующих критериях:

— По номинальному напряжению и типу сети: Номинальное напряжение УЗО должно быть больше либо равно номинальному напряжению защищаемой им цепи:

U ном. УЗО ⩾ U ном. сети

При однофазной сети требуется двухполюсное УЗО , при трехфазной сети — четырехполюсное .

— По номинальному току: согласно пункта 7.1.76. ПУЭ использование УЗО в групповых линиях, не имеющих защиты от , без дополнительного аппарата, обеспечивающего эту защиту не допускается, при этом необходима расчетная проверка УЗО в режимах сверхтока с учетом защитных характеристик вышестоящего аппарата, обеспечивающего защиту от сверхтока.

Из сказанного выше следует, что перед УЗО должен стоять аппарат защиты ( или ) именно по току этого вышестоящего аппарата защиты необходимо выбирать номинальный ток УЗО исходя из условия, что номинальный ток УЗО должен быть больше либо равен номинальному току установленного до него аппарата защиты:

I ном. УЗО ⩾ I ном. аппарата защиты

При этом рекомендуется что бы номинальный ток УЗО был на ступень больше номинального тока вышестоящего аппарата защиты (например если перед УЗО установлен автомат на 25 Ампер УЗО рекомендуется ставить с номинальным током 32 Ампера)

Справочно — стандартные значения номинальных токов УЗО: 4А, 5А, 6А, 8А, 10А, 13А, 16А, 20А, 25А, 32А, 40А, 50А, 63А и т.д.,

— По дифференциальному току:

Дифференциальный ток — это одна из главных характеристик УЗО которая показывает при какой величине тока утечки УЗО отключит цепь.

В соответствии с пунктом 7.1.83. ПУЭ: Суммарный ток утечки сети с учетом присоединяемых стационарных и переносных электроприемников в нормальном режиме работы не должен превосходить 1/3 номинального тока УЗО. При отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4 мА на 1 А тока нагрузки, а ток утечки сети - из расчета 10 мкА на 1 м длины фазного проводника. Т.е. дифференциальный ток сети можно рассчитать по следующей формуле:

Δ I сети =((0.4*I сети)+(0.01*L провода))*3, миллиАмпер

где: I сети — ток сети (рассчитанный по формуле выше), в Амперах; L провода — общая длина проводки защищаемой электросети в метрах.

Рассчитав Δ I сети принимаем ближайшее большее стандартное значение дифференциального тока УЗО Δ I УЗО :

Δ I УЗО ⩾ Δ I сети

Стандартными величинами дифференциального тока УЗО являются : 6, 10, 30, 100, 300, 500мА

Дифференциальные токи: 100, 300 и 500мА применяются для защиты от пожаров, а токи: 6, 10, 30мА — для защиты от поражения человека электрическим током. При этом токи 6 и 10мА применяются, как правило, для защиты отдельных потребителей и , а дифференциальный ток 30мА подходит для общей защиты электросети.

В случае если УЗО необходимо для защиты от поражения электрическим током, а по произведенному расчету ток утечки составил более 30мА необходимо предусмотреть установку нескольких УЗО на разные группы линий, например одно УЗО для защиты розеток в комнатах, а второе для защиты розеток в кухне, снизив тем самым мощность проходящую через каждое УЗО и как следствие снизив ток утечки сети, т.е. в таком случае расчет необходимо будет производить для двух или более УЗО которые будут установлены на разные линии.

— По типу УЗО:

УЗО бывают двух типов: электромеханическое и электронное . Принцип работы электромеханического УЗО мы рассматривали выше, его основным рабочим органом является дифференциальный трансформатор (магнитопровод с обмоткой) который сравнивает величины уходящего в сеть тока и тока возвращающегося из сети, а в электронном эту функцию выполняет электронная плата для работы которой необходимо напряжение.

10

Защитное отключение предназначено для быстрого и автоматического отключения поврежденной электрической установки в случаях замыкания фазы на корпус, снижения сопротивления изоляции проводников или при замыкании человека на токопроводящие элементы.

Область применения устройства защитного отключения (УЗО) практически не ограничена: они могут применятся в сетях любого напряжения и с любым режимом нейтрали. Наибольшее распространение УЗО получили в сетях напряжением до 1000 В на установках с высокой степенью опасности, где применение защитного заземления или зануления затруднено по техническим или другим причинам, например, на испытательных или лабораторных стендах.

К преимуществам УЗО относятся: простота схемы, высокая надежность, высокое быстродействие (время срабатывания t = 0,02¸0,05 с), высокая чувствительность и селективность.

По принципу действия УЗО различаются следующим образом:

Прямого действия:

1. УЗО, реагирующее на напряжение корпуса U к;

2. УЗО, реагирующее на ток корпуса I к.

Непрямого действия:

3. УЗО, реагирующее на несимметрию фазных напряжений – напряжение нулевой последовательности U о;

4. УЗО, реагирующее на несимметрию фазных токов – тока нулевой последовательности I о;

5. УЗО, реагирующее на оперативный ток I оп.

Рассмотрим перечисленные типы устройств защитного отключения.

1. УЗО, реагирующее на напряжение корпуса.

Работа схемы УЗО, представленной на рис. 7.29, осуществляется следующим образом.

Запуск в работу ЭУ производится нажатием на кнопку «ПУСК» с нормально открытыми контактами. При этом отключающая катушка ОК, получив питание от фазных проводников 2 и 3 , сжимая пружину Р и втягивая шток, замыкает все четыре контакта магнитного пускателя МП. Кнопка «ПУСК» отпускается, а дальнейшее питание ОК при работающей ЭУ осуществляется по линии самоподпитки ЛС через контакт МК. При замыкании фазного проводника, например проводника 2 , на корпус ЭУ через реле напряжения РН, установленное на линии дополнительного заземления (r g ), потечет ток. При этом нормально закрытые контакты реле напряжения РН разомкнутся, катушки ОК обесточатся и при помощи механической пружины Р произойдет размыкание контактов магнитного пускателя МП и отключение поврежденной установки от сети. Устраняется опасность поражения обслуживающего персонала электротоком. Для проверки работоспособности схемы УЗО производится операция самоконтроля на холостом ходу работы электроустановки. При нажатии кнопки КС, соединенной с фазным проводником 1 и линией защитного заземления через сопротивление R с , корпус ЭУ окажется под напряжением. При исправном состоянии и отсутствии дефектов в схеме УЗО произойдет отключение всей установки, как описано выше. При помощи линии самоподпитки ЛС с дополнительным механическим контактом МК схема УЗО, представленная на рис. 7.29, позволяет осуществлять нулевую защиту – защиту от самозапуска электроустановки

при внезапном исчезновении и внезапной подаче напряжения.

Рис. 7.28. Принципиальная схема устройства защитного отключения,
реагирующего на потенциал корпуса:

МП - магнитный пускатель; ОК - отключающая катушка с пружиной Р; РН - реле напряжения с нормально закрытыми контактами РН; r 3 - сопротивление основного защитного заземления; r g - сопротивление дополнительного заземления; ЛС - линия самоподпитки; МК - дополнительный механический контакт; П - кнопка «ПУСК»; С - кнопка «СТОП»; КС - кнопка «САМОКОНТРОЛЬ»; R c - сопротивление самоконтроля; a 1 , a 2 - коэффициенты прикосновения основного и дополнительного заземлений

Выбор напряжения срабатывания УЗО, реагирующего на напряжение корпуса, производится по формуле:

(7.25)

где U пр доп – допустимое напряжение прикосновения, принимаемое равным 36 В при продолжительности воздействия тока на человека 3¸10 с. (табл. 7.2); R p , X L – активное и индуктивное сопротивления РН; a 1 , a 2 – коэффициенты прикосновения соответствующих заземлителей; r g – сопротивление дополнительного заземления.

Расчет по формуле (7.25) сводится к определению величины r g при этом напряжение срабатывания схемы УЗО должно быть меньше напряжения прикосновения, т.е. U ср < U пр.

2. УЗО, реагирующее на ток корпуса.

Принцип действия схемы устройства защитного отключения, реагирующего на ток корпуса, аналогичен действию схемы УЗО, срабатывающей по напряжению корпуса, описанному выше. Данная схема не требует установки дополнительного заземления. Вместо реле напряжения РН устанавливается реле тока РТ на линии основного защитного заземления. Другие устройства и элементы схемы остаются без изменения, как на рис. 7.20. Выбор тока срабатывания I ср УЗО, реагирующего на ток корпуса ЭУ, производится по формуле:

I ср = (7.26)

где Z рт – полное сопротивление реле тока, r 3 – сопротивление защитного заземления; U – допустимое напряжение прикосновения (7.25).

3. УЗО, реагирующее на несимметрию фазных напряжений.

Рис. 7.30. Принципиальная схема устройства защитного отключения,
реагирующего на несимметрию фазных напряжений:

а - фильтр нулевой последовательности с общей точкой 1 ; РН - реле напряжения;
Z 1 , Z 2 , Z 3 - полные сопротивления фазных проводников 1, 2 и 3; r зм1 , r зм2 - сопротивления
замыкания фазных проводников 1 и 2 на землю; U о =φ 1 - φ 2  – напряжение нулевой последовательности (φ 1 - потенциал в точке 1 , φ 2 - потенциал в точке 2 )

Датчиком в данной схеме УЗО служит фильтр нулевой последовательности, состоящий из конденсаторов, соединенных в звезду.

Рассмотрим действие схемы УЗО, представленной на рис. 7.30.

Если сопротивления фазных проводников относительно земли будут равны между собой, т.е. Z 1 = Z 2 = Z 3 = Z , то напряжение нулевой последовательности равно нулю, U о = φ 1 - φ 2  = 0. При этом данная схема УЗО не действует.

Если произойдет симметричное уменьшение сопротивлений фазных проводников на величину n > 1, т.е. , то напряжение U о также будет равно нулю и УЗО не сработает.

Если произойдет несимметричное ухудшение изоляции фазных проводников Z 1 ¹ Z 2 ¹ Z 3 , то в этом случае напряжение нулевой последовательности превысит напряжение срабатывания схемы и устройство защитного отключения отключит сеть, U о > U ср.

Если произойдет замыкание на землю одного фазного проводника, то при малом значении сопротивления замыкание r зм1 напряжение нулевой последовательности будет близким к фазному напряжению, U ф > U ср, что приведет к срабатыванию защитного отключения.

Если произойдет замыкание на землю двух проводников одновременно, то при малых значениях r зм1 и r зм2 напряжение нулевой последовательности будет близким к величине , что также приведет к отключению сети. Таким образом, к преимуществам схемы УЗО, реагирующей на напряжение U о, относятся:

Надежность срабатывания схемы при несимметричном ухудшении изоляции фазных проводников;

Надежность срабатывания при одно- или двухфазном замыкании проводников на землю.

Недостатками данной схемы УЗО является абсолютная нечувствительность при симметричном ухудшении сопротивления изоляции фазных проводников и отсутствие самоконтроля в схеме, что снижает безопасность обслуживания электрических систем и установок.

4. УЗО, реагирующее на несимметрию фазных токов

а ) б )

Рис. 7.31. Принципиальная схема устройства защитного отключения,
реагирующего на несимметрию фазных токов:

а - схема трансформатора тока нулевой последовательности ТТНП; б - I 1 , I 2 , I 3 - токи фазных проводников 1 , 2 , 3 ; РТ - реле тока; ОК - отключающая катушка; 4 - магнитопровод ТТНП;
5 - вторичная обмотка ТТНП

Датчиком в схеме УЗО этого типа служит трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП, схематично представленный на рис. 7.31, б . Вторичная обмотка ТТНП дает сигнал на реле тока РТ и при токе нулевой последовательности I 0 , равном или большем тока установки, произойдет отключение электроустановки.

Рассмотрим действие УЗО, представленной на рис. 7.31.

При равенстве сопротивлений изоляции фазных проводников Z 1 = Z 2 = Z 3 = Z и симметричной нагрузки на фазах I 1 = I 2 = I 3 = I ток нулевой последовательности I 0 будет равен нулю, а следовательно, магнитный поток в магнитопроводе 4 (рис. 7.31, а ) и ЭДС во вторичной обмотке 5 ТТНП будут также равны нулю. Схема защиты не действует.

При симметричном ухудшении изоляции фазных проводников и симметричном изменении фазных токов данная схема УЗО также не реагирует, так как ток I 0 = 0 и во вторичной обмотке ЭДС отсутствует.

При несимметричном ухудшении изоляции фазных проводников или при их замыкании на землю или на корпус ЭУ возникнет ток нулевой последовательности I 0 > 0 и во вторичной обмотке ТТНП образуется ток, равный или больший тока срабатывания. В результате поврежденный участок или установка отключится от сети, что является основным преимуществом данной схемы УЗО. К недостаткам схемы относятся сложность конструкции, нечувствительность к симметричному ухудшению изоляции и отсутствие самоконтроля в схеме.

5. УЗО, реагирующее на оперативный ток.

Датчиком в этой схеме УЗО служит реле тока с малым токам срабатывания (несколько миллиампер).

Рис. 7.32. Принципиальная схема устройства защитного отключения,
реагирующего на оперативный ток:

D 1 ,D 2 ,D 3 - трехфазный дроссель с общей точкой 1 ; D р - однофазный дроссель; I оп - оперативный ток от постороннего источника; РТ - реле тока; Z 1 , Z 2 , Z 3 - полные сопротивления фазных проводников 1 , 2 и 3 ; r зм - сопротивление замыкания фазного проводника;
- путь оперативного тока

В схему защиты подается постоянный оперативный ток I оп от постороннего источника, который проходит по замкнутой цепи: источник – земля – сопротивление изоляции проводников Z 1 , Z 2 и Z 3 – сами проводники – трехфазный и однофазный дроссели – обмотка реле тока РТ.

При нормальном режиме работы сопротивления изоляции проводников высокие, и поэтому оперативный ток незначителен и меньше тока срабатывания, I оп < I ср.

В случае любого снижения сопротивления (симметричного или несимметричного) изоляции фазных проводников или в результате прикосновения человека к ним полное сопротивление цепи Z уменьшится, а оперативный ток I оп возрастет и, если он превысит ток срабатывания I ср, произойдет отключение сети от источника питания.

Достоинством УЗО, реагирующего на оперативный ток, являются обеспечение высокой степени безопасности для людей на всех режимах работы сети благодаря ограничению тока и возможности самоконтроля исправности схемы.

Недостатком этих устройств является сложность конструкции, поскольку требуется источник постоянного тока.

Защитное отключение – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током.

Такая опасность может возникнуть, в частности, при замыкании фазы на корпус электрооборудования; при снижении сопротивления изоляции фаз относительно земли ниже определенного предела; появлении в сети более высокого напряжения; прикосновении человека к токоведущей части, находящейся под напряжением. В этих случаях в сети происходит изменение некоторых электрических параметров: например, могут измениться напряжение корпуса относительно земли, напряжение фаз относительно земли, напряжение нулевой последовательности и др. Любой из этих параметров, а точнее говоря – изменение его до определенного предела, при котором возникает опасность поражения человека током, может служить импульсом, вызывающим срабатывание защитно-отключающего устройства, т.е. автоматическое отключение опасного участка сети.

Устройства защитного отключения (УЗО) должны обеспечивать отключение неисправной электроустановки за время не более 0.2 с.

Основными частями УЗО являются прибор защитного отключения и автоматический выключатель.

Прибор защитного отключения – совокупность отдельных элементов, которые реагируют на изменение какого-либо параметра электрической сети и дают сигнал на отключение автоматического выключателя.

Автоматический выключатель – устройство, служащее для включения и отключения цепей, находящихся под нагрузкой, и при коротких замыканиях.

Типы УЗО.

УЗО, реагирующее на напряжение корпуса относительно земли , имеют назначение устранить опасность поражения током при возникновении на заземленном или зануленном корпусе повышенного напряжения.

УЗО, реагирующие на оперативный постоянный ток , предназначены для непрерывного контроля изоляции сети, а также для защиты человека, прикоснувшегося к токоведущей части, от поражения током.

Рассмотрим схему, которая обеспечивает защиту при появлении напряжения на корпусе относительно земли.

Рис. Схема защитного отключения при напряжении на

корпусе относительно земли.

Схема работает следующим образом. При включении кнопки П замыкается цепь питания обмотки магнитного пускателя МП, который своими контактами включает электроустановку и самоблокируется по цепи, составленной нормально замкнутыми контактами кнопки “стоп” С, реле защиты РЗ и блок-контактами.

При появлении напряжения относительно земли на корпусе U з, равного по величине длительно допустимому напряжению прикосновения, под действием катушки РЗ (КРЗ) срабатывает реле защиты. Контакты РЗ разрывают цепь обмотки МП, и неисправная электроустановка отключается от сети. Цепь искусственного замыкания, включаемая кнопкой К, служит для контроля исправности схемы отключения.

Целесообразно применять защитное отключение в передвижных электроустановках и при использовании ручного электроинструмента, так как условия их эксплуатации не позволяют обеспечить безопасность заземлением или другими защитными мерами.

Защитное автоматическое отключение питания от сети (далее – питания) осуществляется посредством автоматического размыкания цепи одного или нескольких фазных проводников (и, если необходимо, то и нулевого рабочего проводника), выполняемого в целях защиты от поражения электрическим током. Этот способ защиты реализуется, например, в рассмотренной системе защитного заземления, а также в системе зануления и в устройствах защитного отключения. Характеристики защитных аппаратов автоматического отключения и параметры проводников должны быть согласованы, чтобы обеспечивалось нормированное время отключения поврежденной цепи защитно-коммутационным аппаратом, указанное в ПУЭ, в соответствии с номинальным напряжением питающей сети. Защитно-коммутационные аппараты могут реагировать на токи короткого замыкания (например, в системе зануления) или на дифференциальный ток (устройства защитного отключения). В электроустановках, где применено автоматическое отключение питания, выполняют уравнивание потенциалов в целях снижения напряжения прикосновения в период времени от момента возникновения аварийной ситуации до момента отключения питания.

Зануление применяется в электроустановках напряжением до 1 кВ и представляет собой преднамеренное соединение открытых проводящих частей электроустановок (в том числе их корпусов) с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора.

Это соединение выполняют посредством нулевого защитного проводника (РЕ-проводника). Согласно указаниям главы 1.7. ПУЭ, такую систему обозначают TN (Т – «terra» (англ.) – нейтраль источника глухо заземлена, N – «neutral» – открытые проводящие части присоединены к этой нейтрали). Нулевой РЕ-проводник («protection earth») следует отличать от нулевого рабочего проводника (N), который тоже присоединен к глухозаземленной нейтрали источника, но предназначен для питания однофазных электроприемников. Проводники РЕ и N могут быть разделены на всем своем протяжении, образуя совместно с фазными пятипроводную систему, обозначаемую TN-S (S – «separated» – «разделенный»). Если же они совмещены в одном PEN-проводнике на всем протяжении, то это – четырехпроводная система TN-C (C – «combination» – «совмещенный»). Применяется также промежуточная система TN-C-S, в которой, начиная от источника питания, прокладывается PEN-проводник, а затем он разделяется на отдельные N и РЕ-проводники в зоне размещения электроприемников, предназначенных для подключения к системе TN-S. С позиций безопасности система TN-S предпочтительнее системы TN-C, поскольку в нормальном режиме рабочий ток не протекает по РЕ-проводнику. Поэтому потенциалы зануленных открытых проводящих частей электроустановок практически одинаковы и равны потенциалу земли. Система TN-S, впервые предложенная с 70-х годах XX века, начиная с 1995 года широко внедряется в отечественной промышленности и в быту, однако область применения системы TN-C (используемой с 1910 года) все еще превалирует.

Монтаж и эксплуатация трехфазных сетей невозможны без четкой (на дистанции) идентификации фазных и нулевых проводников. Это возможно с помощью цветовой маркировки. Шины фазы A (на схемах обозначается L1), B (L2), и C (L2) окрашиваются соответственно в желтый, зеленый и красный цвета. Обозначения A, B, C – прямая последовательность букв латинского алфавита; прямая последовательность букв русского алфавита, соответственно – Ж, З, К (буква И пропущена). Рабочий нулевой проводник (N) окрашивается в голубой цвет, защитный (PE) – в желто-зеленый цвет (поскольку проводник обозначается двумя буквами, то и цвета два). Совмещенный PEN-проводник окрашивается в голубой цвет с нанесенными через одинаковые промежутки поперечными (наклонными) чередующимися полосами желтого и зеленого цветов. Если используется сеть постоянного тока, то шина «+» окрашивается в красный цвет, «–» – в синий , нулевой (нейтральный) проводник – в голубой . В электроустановках ближайшая к человеку шина (например, при открытии дверцы силовой сборки или при подъеме на опору ВЛ) всегда должна быть шина PE. Далее следует шина N, а далее – фазные, причем непосредственно после шины N следует шина фазы C (красный цвет – цвет опасности), затем – B и, наконец, самой удаленной шиной является шина фазы A. В сетях постоянного тока ближайшей к человеку шиной должна быть нейтральная, далее следует шина «+» (красный цвет), а далее – шина «–».

Ознакомившись с цветовой маркировкой проводников, рассмотрим принцип действия зануления в трехфазной сети на примере системы TN-C (рисунок 5.26).

Рисунок 5.26 – Схема защитного зануления (система TN-C)

Зануление превращает пробой фазы на корпус в короткое замыкание (КЗ) между фазными и нулевым защитным проводниками и способствует протеканию тока I к (рисунок 5.26) большой величины. Эта величина тока обеспечивает срабатывание аппарата защиты (A3), автоматически отключающего поврежденную установку от сети. Такой защитой могут быть плавкие предохранители или автоматические выключатели. Ток короткого замыкания должен быть такой величины, чтобы вызвать перегорание плавкой вставки предохранителя или срабатывание автоматического выключателя за время, не превышающее допустимое.

Согласно ПУЭ наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения в системе TN равно 0,8; 0,4; 0,2 и 0,1 с в зависимости от номинального фазного напряжения сети: 127, 220, 380 и более 380 В, соответственно. Регламентированы также наименьшие площади поперечного сечения нулевых защитных проводников. Если защитные проводники изготовлены из того же материала, что и фазные проводники, то их наименьшее сечение зависит от сечения фазных проводников следующим образом:

Если сечение фазных проводников меньше или равно 16 мм 2 , то наименьшее сечение защитных проводников равно сечению фазных;

Если сечение фазных проводников больше 16 мм 2 , но меньше 35 мм 2 , то сечение защитных проводников должно быть не менее 16 мм 2 ;

Если сечение фазных проводников более 35 мм 2 , то сечение защитных проводников равно половине сечения фазных при условии соблюдения времени срабатывания защиты (0,4 с при фазном напряжении 220 В).

Сечения нулевых защитных проводников из других материалов должны быть эквивалентны по проводимости приведенным.

Нулевой защитный проводник не должен содержать предохранителей и других разъединяющих устройств. Допустимо применение выключателей, которые отключают одновременно нулевой и фазные провода.

Ток однофазного короткого замыкания I к протекает по петле «фаза–нуль» (рисунок 5.26). Она состоит из фазного проводника (участка от силового трансформатора до поврежденного участка), металлического корпуса электроустановки, соединенного с проводником PEN, самого проводника PEN (участка от корпуса электроустановки до нулевой точки силового трансформатора), а также фазной обмотки силового трансформатора (в данном случае – обмотки фазы А). Если сопротивление петли «фаза–нуль» будет большим, время срабатывания защиты превысит наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения. Поэтому сопротивление данной петли измеряют не реже одного раза в три года с помощью приборов М417, ЭСО202 и подобных им. При недопустимой величине сопротивления проводят ревизию соединений металлических корпусов электроустановок с нулевым проводником (проверяют затяжку болтовых и целостность сварных контактных соединений, удаляют окалину, зачищают контакты от ржавчины). После ревизии проверяют переходное сопротивление контактов – оно должно быть не более 0,05 Ом.

Нулевой защитный проводник соединен с землей посредством заземления нейтрали и повторных заземлителей, сопротивление растеканию тока которых обозначено соответственно r 0 и r п (рисунок 5.26). Повторное заземление выполняют на концах воздушных линий (или ответвлений от них длиной более 200 м), а также на трехфазных (однофазных) вводах в здания, где имеются электроустановки, подлежащие занулению. Сопротивление заземления нейтрали, общее сопротивление повторных заземлителей и каждого из них в отдельности не должны превышать установленных наименьших значений, например, в сети 380/220 В соответственно 4, 10 и 30 Ом (таблица 5.8). Зануленные части электроустановок оказываются заземленными через нулевой защитный проводник. Поэтому в аварийный период (до автоматического отключения поврежденной установки от сети) проявляется защитное действие этого заземления, т. е. снижается напряжение зануленных частей относительно земли. Причем это особенно существенно в случае обрыва PEN-проводника и замыканий фазы на корпус за местом обрыва. Кроме того, за счет заземления нейтрали источника, даже при отсутствии повторного заземления, значительно снижается потенциал на корпусах электрооборудования с поврежденной изоляцией. На воздушных линиях повторное заземление нулевого провода используется также в целях молниезащиты. В качестве нулевых защитных проводников можно использовать стальные полосы, металлические оплетки кабелей, металлоконструкции зданий, подкрановые пути и др.

В тех случаях, когда электробезопасность не может быть обеспечена в системе TN с помощью защитного зануления, в сети до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью допускается заземление открытых проводящих частей при помощи заземлителя, электрически независимого от глухозаземленной нейтрали источника (система ТТ). При этом для защиты при косвенном прикосновении предусматривается автоматическое отключение питания с обязательным применением УЗО и соблюдением условия:

где I з – ток срабатывания защитного устройства; R з – суммарное сопротивление заземлителя и заземляющего проводника наиболее удаленного от УЗО электроприемника. Кроме того, выполняется система уравнивания потенциалов.

Защитное отключение – это система быстродействующей защиты, автоматически (за 0,2 с и менее) отключающая электроустановку при возникновении в ней опасности поражения человека электрическим током. Защитное отключение применяется в тех случаях, когда невозможно или трудно осуществить защитное заземление или зануление, либо когда высока вероятность прикосновения людей к неизолированным токоведущим частям электроустановок. Поэтому защитное отключение целесообразно применять для обеспечения защиты при использовании ручного электроинструмента, передвижных электроустановок, а также в быту.

При замыкании фазы на корпус, при снижении сопротивления изоляции фаз относительно земли ниже определенного предела, при прикосновении человека к токоведущей части, находящейся под напряжением, происходит изменение электрических параметров сети, которое может служить импульсом для срабатывания устройства защитного отключения (УЗО), основными частями которого являются прибор защитного отключения и автоматический выключатель.

Прибор защитного отключения реагирует на изменение параметров электрической сети и подает сигнал на срабатывание автоматического выключателя, который отключает защищаемую электроустановку от сети.

Устройства защитного отключения предназначены не только для защиты человека от поражения электрическим током при прикосновении к открытой проводке или к электрооборудованию, оказавшемуся под напряжением, но и для предотвращения возгорания, возникающего вследствие длительного протекания токов утечки и развивающихся из них токов короткого замыкания.

Таким образом, основное назначение У3О: защита от токов утечки; защита от токов повреждения на землю; защита от возгорания.

В зависимости от входного сигнала известны УЗО, реагирующие на напряжение корпуса относительно земли, на ток замыкания на землю, на напряжение нулевой последовательности, на дифференциальный ток, на оперативный ток и т.п.

Устройство защитного отключения, реагирующее на напряжение корпуса относительно земли (рисунок 5.27), устраняет опасность поражения током при возникновении на заземленном или зануленном корпусе повышенного напряжения, например, в случае повреждения изоляции.

Рисунок 5.27 – Принципиальная схема УЗО, реагирующего на напряжение корпуса относительно земли

Принцип действия – быстрое отключение от сети установки, если напряжение на корпусе относительно земли окажется выше заданного значения, при котором прикосновение к корпусу становится опасным. Такое УЗО реагирует не только на полный пробой изоляции, но и на частичное уменьшение ее сопротивления.

Устройство защитного отключения, работающее на постоянном оперативном токе, предназначено для непрерывного автоматического контроля изоляции фаз относительно земли, а также для защиты человека, прикоснувшегося к токоведущим проводам (рисунок 5.28). В этих устройствах активное сопротивление изоляции трехфазных проводов r относительно земли оценивается получаемым от постороннего источника оперативным током I оп, проходящим через эти сопротивления. При снижении r ниже установленного предела в результате повреждения изоляции и замыкания провода на землю через малое сопротивление r зм или прикосновения человека к фазному проводу возрастает ток I оп, вызывающий отключение защищаемой сети от источника питания.

Устройство защитного отключения, реагирующее на дифференциальный ток, обеспечивает защиту в случае прикосновения человека к заземленному или зануленному корпусу электроустановки при замыкании на него фазы, а также при контакте человека с токоведущей частью, находящейся под напряжением. УЗО этого типа нашли широкое применение в агропромышленном комплексе и в быту.

Рисунок 5.28 – Принципиальная схема УЗО, работающего на постоянном оперативном токе (исходное состояние)

Принципиальная схема такого устройства защитного отключения приведена на рисунке 5.29. Датчиком служит трансформатор тока (ТТ) (рисунок 5.30).

Рисунок 5.29 – Принципиальная схема УЗО, реагирующего на дифференциальный ток (исходное состояние)

Рисунок 5.30 – Кольцеобразный магнитопровод с вторичной обмоткой трансформатора

Если токи в фазных проводах I 1 , I 2 , I 3 равны и сдвинуты по фазе на 120° относительно друг друга, то создаваемый ими суммарный магнитный поток в магнитопроводе ТТ равен нулю. Когда возникает асимметрия проводимостей фаз относительно земли, например, в результате замыкания фазы на землю или прикосновения человека к фазе в зоне защиты, то равенство токов в фазах нарушается. Появляется дифференциальный ток, равный векторной сумме этих токов, который в соответствии с коэффициентом трансформации передается во вторичную обмотку трансформатора на вход обмотки реле тока (РТ). Если этот ток достигнет (или превысит) значения тока срабатывания реле, то его нормально замкнутые контакты разомкнутся, отсоединив электроприемник от питающей сети. Реле отключится, даже если оператор удерживает рукоятку управления во взведенном положении. При необходимости усиления сигнала с ТТ между ним и реле РТ помещают усилитель тока (на рисунке 5.29 не показан).

Этот тип устройства защитного отключения может применяться как в сети с изолированной, так и в сети с заземленной нейтралью. Однако данное отключающее устройство наиболее эффективно в сети с заземленной нейтралью, в которой ТТ может надеваться также на проводник, заземляющий нейтральную точку силового трансформатора, в результате чего будет защищена вся питающаяся от него сеть.

При защите однофазного электроприемника сквозь кольцеобразный магнитопровод пропускают фазный и нулевой рабочий проводники, с помощью которых он присоединяется к питающей сети. В нормальном режиме работы токи в этих проводниках равны и противоположно направлены, поэтому их суммарный магнитный поток в магнитопроводе равен нулю. В случае появления утечки на землю равенство токов нарушается и появляется дифференциальный ток. Последующая работа УЗО до отключения электроприемника от сети аналогична описанному выше устройству применительно к трехфазным объектам защиты.

Устройства защитного отключения могут служить дополнительной защитой к заземлению и занулению, а также самостоятельной защитой (взамен их) и не зависят от сопротивления заземления и сопротивления нулевого проводника при занулении. Недостатком УЗО этого типа является нечувствительность к симметричному снижению сопротивления изоляции фаз в защищаемом электрооборудовании, что возникает весьма редко.

Известна следующая классификация устройств защитного отключения, срабатывающих от дифференциального тока: АС – реагирующие на переменный синусоидальный ток; А – реагирующие на переменный, а также пульсирующий постоянный ток; В – реагирующие на переменный, постоянный и выпрямленный токи; S – селективные (с выдержкой времени отключения); О – то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени отключения.

Наличие УЗО типа А и В вызвано тем, что дифференциальные токи утечки могут становиться пульсирующими или принимать вид сглаженного постоянного тока в связи с применением электронных устройств, например, выпрямителей или частотных преобразователей. Устройства защитного отключения типа S и G предназначены для обеспечения селективности отключения объектов защиты. Так, при многоступенчатой схеме защиты УЗО, расположенное ближе к источнику питания, должно иметь время срабатывания не менее чем в три раза больше, чем время срабатывания УЗО, размещенного ближе к потребителю.

Устройства защитного отключения выпускаются с номинальными отключающими токами утечки 10, 30, 100, 300, 500, 1000 мА. Причем УЗО с уставками 100 мА и более применяются обычно для обеспечения селективности защиты, а с уставкой 300 мА также для защиты от возникновения пожара при замыкании на землю.

Устройства защитного отключения бывают электромеханическими и электронными. Первые не зависят от напряжения питания, так как энергии входного сигнала (дифференциального тока) достаточно для их работы. Вторые зависят, так как питаются от контролируемой сети или от внешнего источника (маломощный сигнал от дифференциального трансформатора поступает на электронный усилитель, который подает на механизм расцепителя главных контактов УЗО мощный импульс – десятки и даже сотни ватт, достаточный для срабатывания простого расцепителя). С этой точки зрения электронные УЗО менее надежны, нежели электромеханические. Кроме того, при обрыве нулевого провода до места установки электронного УЗО оно, не имея питания, не сработает, и фазный провод в защищаемом объекте будет представлять опасность поражения током. Для устранения этого недостатка электронные УЗО оснащают электромагнитным реле, работающим в режиме удержания, которое защищает отключаемый объект при исчезновении питания аппарата защиты. Ряд отечественных предприятий выпускают электронные устройства защитного отключения, в то время как в Германии, Франции, Австрии и некоторых других европейских странах допускается применять только УЗО, не зависящие от напряжения питания. Электромеханические УЗО производят ведущие западные фирмы – Siemens, ABB, GF POWER, Legrand, Merlin Gerin и др. Известны отечественные электромеханические аппараты – АСТРО-УЗО, ДЭК, ИЭК.

Известны также комбинированные УЗО, оснащенные дополнительно встроенной защитой от токов коротких замыканий и перегрузок – так называемые дифференциальные автоматические выключатели.

При выборе УЗО необходимо руководствоваться условием, что суммарный ток утечки стационарных и переносных электроприемников не должен превышать 1/3 номинального тока отключения УЗО. При отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4 мА на каждый ампер тока нагрузки, а ток утечки сети – из расчета 10 мкА на 1 м длины фазного проводника. Исходя из последнего условия, в старых домах и производственных корпусах с изношенной проводкой устанавливают УЗО с номинальным током отключения 30, а не 10 мА. В новых домах, во вновь сооруженных производственных помещениях, а также в сантехнических помещениях с высокой влажностью для защиты человека и животных от поражения током применяют УЗО с номинальным током отключения 10 мА (ток утечки сети не будет вызывать ложных срабатываний).

Устройство защитного отключения подключается последовательно с автоматическим выключателем, при этом номинальный ток выключателя рекомендуется выбирать на ступень ниже номинального тока УЗО. При подключении рекомендуется применять специальные кабельные наконечники для предотвращения перегрева в месте контакта.

Для нормального функционирования УЗО необходимо ежемесячно проверять его работоспособность путем нажатия на кнопку «Тест». Отключение УЗО свидетельствует о том, что устройство исправно. В животноводческих комплексах и производственных помещениях проверка работоспособности осуществляется не реже одного раза в квартал.

УЗО не применяется, если защищаемая сеть питает автоматические системы пожаротушения, вентиляции, аварийного освещения, а также потребителей первой группы надежности электроснабжения .

Электроприемники первой группы (категории) – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения. Данные электроприемники обеспечиваются электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания (вторым может быть местная дизель-электростанция), а перерыв в электроснабжении может быть допущен только на время автоматического восстановления питания. В агропромышленном производстве электроприемниками первой категории являются птицеводческие фабрики.

УЗО допускается применять для защиты электроприемников второй и третьей категорий надежности электроснабжения. Электроприемники второй категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Электроприемники второй категории обеспечиваются электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. При нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады. В сельскохозяйственном производстве электроприемниками второй категории являются животноводческие комплексы и теплицы.

Для электроприемников третьей категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта, не превышают 1 суток. Питание электроприемники получают от единственного источника. Все жилые дома, гаражи, ремонтные мастерские и т.д. относятся к электроприемникам третьей категории надежности электроснабжения.

При выборе дифференциальных автоматических выключателей (автоматов) необходимо помнить, что их основными назначениями являются: защита от токов перегрузки; защита от токов короткого замыкания; защита от токов утечки; защита от перенапряжения; защита от возгорания.

Дифференциальные автоматические выключатели могут применяться в широком диапазоне температур окружающего воздуха, позволяют подсоединять как медные, так и алюминиевые проводники, не требуют обслуживания при эксплуатации. Дифференциальные выключатели соответствуют современным требованиям пожарной безопасности, их корпусные детали выполнены из материалов, выдерживающих испытание на огнестойкость при температуре до 960 °С. Дифференциальные автоматы выпускаются в двух и четырехполюсном исполнении. Монтаж устройства производится на 35 мм DIN-рейку.

Так же, как и у УЗО, работоспособность проверяется нажатием кнопки «Тест» – при ее нажатии устройство мгновенно отключается. Чтобы включить после этой проверки устройство, необходимо нажать кнопку «Возврат» и взвести рукоятку выключателя.