Устройства защитного отключения (УЗО) - семинар

Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя. 

При возникновении утечки тока, вызванной, например, пробоем изоляции на корпус электроприемника или непреднамеренным прикосновением человека к открытым проводящим частям, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток – ток утечкиI∆ (рис. 3). 

Неравенство токов в первичных обмотках (I1+ I∆ в фазном проводнике и I2, равныйI1, в нулевом рабочем проводнике) вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока I∆вт.  

Если ток I∆вт превышает значение уставки порового элемента 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3. 

По виду тока утечки УЗО подразделяются на типы: 

УЗО типа АС, реагирующие на синусоидальный ток утечки.  

Такой ток утечки с частотой сети возникает в устройствах, состоящих из компонентов с линейными или близкими характеристиками (пропорциональная зависимость между напряжением и током). Это компоненты с R, L или С свойствами. 

Устройства с нелинейными элементами диодами, транзисторами, тиристорами даже при синусоидальном питающем напряжении могут содержать токи с гармониками высших порядков, среднее значение которых на протяжении периода ≠ 0, т.е имеющие постоянную пульсирующую составляющую.  

В зависимости от вида и схемы соединений таких электронных компонентов форма тока утечки может сильно отличатся от идеальной синусоиды с “0” в среднем значении. 

Для обнаружения таких токов утечки применяют УЗО типа А (рис. 4). 

Почему УЗО типа АС не реагирует на пульсирующие токи утечки. Вспомним кривую намагничивания: зависимость индукции магнитного поля В от напряженности Н: это так называемая петля гистерезиса (рис. 5). 

Пульсирующий постоянный ток неисправности не вызывает срабатывания обычного устройства из-за того, что сердечник трансформатора тока размагничивается только до уровня остаточной магнитной индукции. В результате слишком незначительное изменение магнитного потока индуцирует напряжение, величины которого недостаточно для срабатывания магнитоэлектрического реле. 

 

Рис.4 

  

Рис.5 

  

Рис.6 

 

Рис.7 

В УЗО типа А эта проблема решается за счет применения материала сердечника с предельно высокой магнитной проницаемостью (рис.6).Вторичная цепь после внесения в нее незначительных изменений может создавать повышенное индуцированное напряжение. Это достигается за счет подключения пассивных элементов – например, конденсаторов с целью образования резонансного контура, в котором индуцированное напряжение повышается до уровня, достаточного для срабатывания реле.  

Этот принцип основан на использовании особенности пульсирующего постоянного тока неисправности, заключающийся в том, что такой ток всегда имеет почти одинаковый период нулевого тока, известный как «мертвый период». В течение этого периода сердечник обесточен, а заряженный конденсатор начинает в резонанс отдавать в цепь накопленную энергию. Таким образом, величина магнитного потока меняется, а индуцируемое напряжение, соответственно, повышается. 

УЗО типа В реагирует на токи утечки типа А, а также на постоянные (сглаженные) и переменные с частотой до 1 МГц токи утечки. 

В электроустановках с электронными компонентами, которые не имеют гальванической развязки с сетью, могут возникать, в случае коротких замыканий на землю, постоянные токи утечки (f=0) либо токи утечки с частотой сильно отличающейся от частоты сети (рис.7). 

В качестве примера рассмотрим пробой изоляции промежуточного конденсатора блока питания с мостовой схемой выпрямления В6. 

Ток утечки i_F состоит из суммы отдельных токов i_L1, i_L2 и i_L3 в проводниках L1, L2 и L3. Их магнитные потоки, суммируясь в сердечнике традиционных УЗО типов А или АС, работающих по принципу электромагнитной индукции, образуют поток с постоянной составляющей, которая не только не вызовет срабатывание УЗО, но и затруднит обнаружение (или даже исключит) изменяющихся магнитных потоков. 

Другой пример: оборудование с силовой электроникой, такое как, например, источники бесперебойного питания, инверторы или частотные преобразователи, генерирует напряжение в виде прямоугольных импульсов, которые с помощью широтно-импульсной модуляции преобразуются на выходе в синусоидальное напряжение необходимой частоты. Поэтому, частотный преобразователь, в случае пробоя изоляции, сможет генерировать токи утечки широкого спектра частот. Например: 

 

• постоянный, f=0 Гц; 
• сетевой частоты, f=50 Гц;  
• тактовой частоты, f=8 кГц с высшими гармониками 16, 24, 32 кГц и т.д.; 
• выходной частоты, f=10 Гц; 

 

Для того, чтобы обеспечить надежную защиту для людей и оборудования во всем диапазоне частот, немецкая фирма Doepke, выпустила на рынок серию DFS 4B – первые УЗО типа «В» сертифицированные на рынке знаком VDE.  

Серия включает две модификации:  

 

• NK - со стандартной частотной характеристикой тока срабатывания 
• SK – со специальной частотной характеристикой тока срабатывания 

 

Различие между ними заключается в пороге срабатывания при высоких частотах токов утечки. Для пояснения рассмотрим графики (рис.8):  

 

Рис.8 

Кривая 1 – кривая опасности для жизни человека; показывает, как реагирует сердце на токи утечки разных частот. 

Известно, что при частоте 50 Гц, безопасным считается ток утечки максимум 30 мА. При постоянном токе этот уровень значительно повышается, т.к. человек к постоянному току менее чувствителен. С увеличением частоты, кривая резко уходит вверх. Все токи, находящиеся выше, вызовут фибрилляцию сердечных мышц, в результате чего может наступить смерть. 

Если бы УЗО осуществляло только защиту от кардиологического воздействия электрического тока, характеристика срабатывания соответствовала бы кривой 1. Но УЗО должно защитить человека и от других патологических воздействий электрического тока, например, термического и электрохимического. Для исключения этих воздействий, токовая граница должна проходитьниже значения 0,3 А чтобы не вызвать необратимых последствий в организме (кривая 2).  

Значение 0,3 А известно также как максимальное значение тока утечки, гарантирующее защиту от возникновения пожара. 

Сравнив кривые 1 и 2, видим, что токи утечки частотой менее 600 Гц оказывают кардиологическое воздействие в большей степени, а токи частотой более 600 Гц – патологическое. 

Кривая 3 учитывает все возможные механизмы воздействия. Находясь ниже кривых 1 и 2, она соответствует защите при прямом прикосновении. 

УЗО с характеристикой BNK должно полностью исключить все опасные воздействия токов утечки во всем диапазоне частот. Поэтому, ток срабатывания УЗО (кривая 4) ни в какой точке не должен превышать граничную кривую 3. 

При наличии нескольких частотных преобразователей и/или длинных кабелей к двигателям, УЗО может нежелательно срабатывать из-за высоких токов утечки в диапазоне частот более 1 кГц. Это приводит к производственному браку из-за частых остановок оборудования. Чтобы этого не происходило, ток срабатывания УЗО искусственно завышают (кривая 5). 

Естественно, что в этом диапазоне частот чувствительность УЗО понижается – оно может защитить только от косвенного прикосновения. 

Конструктивно УЗО типа В состоит из 2 частей: 

• независящей от сетевого напряжения части для контроля над синусоидальными переменными и пульсирующими постоянными токами утечки частотой 50 Гц (электромагнитной) 
• зависящей от сетевого напряжения части для контроля за токами утечки, с частотой в диапазоне от 0 Гц до 1 МГц (электронной).  

Для питания электронной схемы достаточно всего 30 В (безопасно низкое напряжение) между двумя любыми из 4 проводниками. Если на лицевой панели горит зелёный светодиод, значит напряжения достаточно для работы части типа В, если не горит – работает только части А и АС. 

Итак: 

Для защиты от прямых, косвенных прикосновений и от возникновения пожара применяются следующие УЗО: 

 

• RCCB – без встроенной защиты от сверхтоков (на рис.9 – расшифровка кодировки); 
• RCBO – со встроенной защитой от сверхтоков; 
• CBR – автоматические выключатели с дополнительным расцепителем по току утечки; 
• MRCD – модульные устройства защиты, в которых узлы обнаружения тока утечки, оценки и силовой выключатель выполнены в отдельных корпусах. 

Монтажное положение УЗО произвольное, подвод питания с любой стороны, только для типов В питание должно заводиться на клеммы 1, 3, 5, 7; сторона потребителя 2, 4, 6, 8. Это связано с необходимостью подачи напряжения для питания электронной схемы. 

От 4 полюсного УЗО можно запитывать и 1 фазную нагрузку, используя при этом фазу, к которой подсоединена кнопка – Test. 

RCCB - Расшифровка обозначения: 

 

Рис.9 

KV–исполнение повышенной стойкости к импульсным токам утечки 

Из-за коммутационных или грозовых импульсов перенапряжений возникают импульсы токов утечки благодаря ёмкости оборудования или кабельных линий по отношению к земле. Например, панельные обогреватели или люминесцентные лампы в количестве более 20 штук, будут отключаться при защите их стандартными УЗО.Чтобы отключить такие нежелательные отключения необходимо применить УЗО специальной модели- KV. Задержка срабатывания в 10 мс., позволит пропустить через трансформатор импульс тока формы 8/20 без срабатывания.  

Устойчивость к импульсным токам стандартных УЗО составляет > 200А в то время как исполнения KV – 3 кА (по запросу 5 кА).  

S – селективные 

Селективные УЗО реагируют на ток утечки только после прохождения нескольких периодов сетевой частоты. Этим достигается, например, при последовательном включении второго УЗО избирательность срабатывания, т.е. в случае пробоя изоляции даже при высоких токах утечки сработает только то УЗО, которое ближе к месту повреждения, т.е. УЗО 3(рис.10) 

 

 

Рис.10 

При установке мгновенных УЗО каждый ток утечки I∆ > 0.3А в зоне «в» вызовет срабатывание как УЗО 3, так и УЗО 1, отключив всех потребителей. Селективность достигается путем введения задержки до 500мс. 

Другие исполнения УЗО: 

FT – УЗО с функцией дистанционного срабатывания (тестирование). При этом исполнении контакты встроенной Test – кнопки УЗО дополнительно выводятся на добавочной модуль (0,5 модуля), благодаря чему имеется возможность внешним устройством активировать Test – функцию с сигнализацией срабатывания н.з. контактом.  

Сигнал на отключения УЗО может поступить из различных систем аварийных ситуаций, например, противопожарных датчиков. 

V500 – УЗО для реализации защиты путём автоматического отключения питания в сетях 290/500 В. 

F – то же, только в сетях с частотой ≠ 50 Гц. 

W – УЗО для сетей подогрева ж.д. стрелок на железных дорогах Германии.Uн = 290/500В fн = 16 2/3 Гц. 

Для УЗО типа В указывается исполнения NK или SK; 

УЗО без встроенной защиты от сверхтоков не обладают устойчивостью к токам короткого замыкания, поэтому они должны быть защищены предохранителями или автоматическими выключателями, установленными со стороны источника питания. По этой причине говорят обусловной устойчивости УЗО к токам к.з. 

УЗО производства Doepke обладают условной устойчивостью к токам к.з. (Iпс) в 10кА, для обеспечения которой требуется установка, добавочных предохранителей на 63А. Данный показатель указывается либо символом на лицевой панели: Iнс = 10кА, либо обозначением: 

 

Номинальный ток УЗО должен быть равен или на ступень выше номинального тока защитного устройства.  

Стандартный температурный диапазон почти во всех международных нормах составляет -5° ÷ + 35°С с кратковременным повышением до + 40° на 1 час в сутки.  

УЗО Doepke выдерживает более низкие температуры в -25°С, что указывается символом на панели прибора. 

В УЗО Doepke рычаг управления наделён так называемой функцией “Reset”. По положению рычага можно узнать: выключилось ли УЗО из-за тока утечки (среднее положение рычага) или вручную (нижнее положение). Для отмены среднего положения необходимо рычаг передвинуть в нижнее положение – “0” и только потом снова включить.  

RCBO – УЗО со встроенной защитой от сверхтоков 

Три расцепителя позволяют осуществлять защиту не только от токов замыканий на землю, но и от перегрузки и коротких замыканий. Doepke выпускает комбинации FI / LS на токи до 63 А (в каталогах до 40 А) с I_∆н = 0,03 и 0,3 А.  

Характеристика срабатывания В и С. Эти устройства применяются обычно для отдельных потребителей с неизменной мощностью: газетные киоски, рекламные щиты. 

CBR – выключатели с дополнительным расцепителем по току утечки 

Это приборы серии DFL 8 с номинальным током от 100 до 250 А. С фиксированным током утечки 0,03А или (в исполнении Х) выбираемым из ряда 0,3-0,5-1,0-3,0А.  

Без задержки срабатывания или (в исполнении Х) выбираемой из ряда 60-150-300-450 мс, благодаря чему можно добиться селективности срабатывания. Устойчивость к токам к.з. – 5 кА. 

MRCD – УЗО модульной конструкции 

Doepke выпускает УЗО с номинальным током до 125А. В случае больших токов и следовательно больших сечений проводников применяются УЗО модульной конструкции в которых узлы обнаружения тока утечки, его оценки и выключающее устройство находятся не в одном, а в отдельных корпусах.  

Трансформатор тока состоит только из вторичной обмотки. В качестве первичной обмотки выступает кабель, который пропускается через окно трансформатора.  

Окно 4 размеров от 35 до 140 мм в диаметре, должно быть максимально заполнено проводниками. 

Приборы контроля дифференциального тока: DMD1, DMD2 и 2Е, DMD3 

Предназначены для контроля электроустановок, которые в случае нарушения изоляции между токоведущими частями и землёй, не должны сразу отключаться. Сюда можно отнести оборудование с непрерывным циклом работы (литьё), либо оборудование, которое должно закончить цикл перед отключением (металло и деревообрабатывающие станки, типографское оборудование). В этих случаях необходимо обнаружить ток утечки на ранней стадии и устранить аварию прежде, чем оборудование выйдет из строя. 

DMD1 – простейший прибор с фиксированным уровнем тока утечки 30mА и фиксированной задержкой срабатывания. 

Полупроводниковый выход позволяет вывести сигнализацию, например, в комнату дежурного персонала на сигнализационную панельDMD – P. 

DMD2 – прибор с возможностью установки уровня срабатывания 30-100-300-1000mA и времени задержки 0,1-1,0с. 

• постоянная индикация уровня на светодиодной шкале; 
• релейный контакт позволяет подключить другие приборы для дистанционной сигнализации. 

DMD2Е – исполнение прибора контроля с отдельным трансформатором тока. Аналогично модульным УЗО. 

DMD3 – для токов утечки типа В. 

Два переключающих контакта: 

 

• для предупредительной сигнализации (10-90% от I∆н), чтобы можно было закончить рабочий цикл; 
• для основной сигнализации(100%I∆н). 

Задержка срабатывания устанавливается в диапазоне 0,1 – 1,0с. 

Два исполнения: NK и SK с различными вариантами установки тока утечки: 0,03-0,1-0,3А или 0,3-0,5-1,0А.  

Привод дистанционного управления DFA  

Предназначен для дистанционного управления и контроля УЗО (2 и 4 полюсными) и автоматами (1-3 полюсными). 

С помощьюDFA можно включать и выключать УЗО и АВ, а в случае УЗО ещё и вызывать срабатывание, имитируя возникновение тока утечки.  

Текущее состояниеDFA(вкл., выкл., сраб.) сигнализируется встроенным релейным контактом.  

Переключатель ВКЛ-АВТО-ВЫКЛ. позволяет заблокировать возможность дистанционного управления, например, при проведении профилактических работ в распределительном щите. 

В положении Auto привод в случае срабатывания, через 15сек. делает один раз попытку автоматического включения. Устанавливается слева защёлкиванием скобы.  

Область применения – удалённые, отдельно стоящие предприятия или установки – насосные, очистные сооружения, ветросиловые установки, радиопередающие установки, телекоммуникационные установки. 

Привод дистанционного управления DFAне влияет на работу УЗО и АВ. 

Для выполнения функции срабатывания ток утечки DFAдолжен совпадать с I∆ УЗО. Для этого под крышкой DFA– переключатель на 0,03; 0,1; 0,3; 0,5А.  

Дополнительный контакт DHi 2 

Устанавливается слева от УЗО защёлкиванием. Для этого на УЗО отвёрткой выламывается отверстие для штифта механизма срабатывания. Рычаги соединяются осью.  

Перед монтажом в распределительный щит отвёрткой устанавливается необходимая функция (переключатель на 2 положения на боковой поверхности контакта): 

 

• дополнительный контакт: срабатывание происходит только при включении или выключении 
• сигнальный контакт: индикация срабатывания УЗО. На включение и выключение не реагирует.