2015-08-21
2439
Для захисту від ураження електричним струмом при непрямому дотику в електроустановках з системою TN або з системою ІT належить здійснювати автоматичне відключення живлення. В основі його дії є наявність з’єднання металевих неструмоведучих частин (корпусів) електроустановок з РЕ- провідником або з РЕN- провідником мережі живлення. При цьому замикання фази на корпус перетворюється в однофазне коротке замикання (КЗ).
Характеристики пристроїв, які використовуються для захисного автоматичного відключення живлення, і загальний опір кола замикання (кола “фаза-нуль”) повинні забезпечити автоматичне відключення живлення в межах норм часу, достатнього для електробезпеки людини, у випадку замикання струмоведучої частини на відкриту провідну частину або захисний провідник.
При виникненні КЗ в електричній системі в більшості випадків зростає струм до величини, що значно перевершує максимальний робочий струм. У разі виникнення КЗ значення сили струму в мережі значно зростає, що може призвести до руйнувань елементів, спалахів, збільшення електродинамічних сил й інших серйозних наслідків. Швидкість, з якою зростає значення електричного струму в пошкодженому колі така, що людина не змозі зреагувати належним чином і втрутитися. У зв’язку з цим, для захисту електричних мереж до 1 кВ використовується автоматичний захист від КЗ. Захист, що реагує на це зростання, називається струмовим захистом. Струмовий захист є найпростішим і дешевим.
|
|
|
Засобами автоматичного струмового захисту є пристрої максимального струмового захисту (ПМСЗ), які використовують ефект струмового відсічення. Одним із основних фізичних ефектів є струмове відсічення – максимальний струмовий захист, селективність (вибірковість) якого забезпечується вибором струму спрацьовування на певній ділянці електричного кола. Значення величини сили струму, за якого спрацьовує захист, називається уставкою. Уставку звичайно вибирають так, щоб коло знеструмилося швидше, ніж в ньому відбудуться серйозні руйнування.
ПМСЗ встановлюються з боку живлення мережі тільки в колах фазних провідників перед споживачами електроенергії. При замиканні фази на корпус виникає струм однофазного КЗ, який повинен забезпечити спрацьовування ПМСЗ і автоматично відключити пошкоджену електроустановку від мережі живлення (рис. 18). Тому ПМСЗ широко застосовуються в мережах до 35 кВ включно [25]. До ПМСЗ відносяться пристрої робочого захисту (захисту електрообладнання), зокрема магнітні пускачі зі вмонтованим тепловим захистом, контактори в поєднанні з тепловим реле, реле максимального струму (РМС), автоматичні вимикачі, плавкі вставки запобіжників.
|
|
|
Рис. 18. Cтруктурно-логічна модель принципу дії ПМСЗ (занулення)
Реалізують струмове відсічення різними способами та засобами, які базуються на певних фізичних явищах і законах.
Плавкі запобіжники є захисні електричні апарати, дія яких ґрунтується на законі Джоуля-Ленца [27]: кількість тепла, що виділяється струмом в провіднику, прямо пропорційно силі струму І, падінню напруги на провіднику U і проміжку часу його проходження Dt, тобто
Q = І U Dt. (46)
При досягненні певного значення температури плавка вставка в запобіжнику руйнується, обриваючи електричне коло. Від струмів КЗ використовують плавкі запобіжники типів ПН-2, НПН-2, НПР, ПР-1, ПР-2, ПП, ППД, ПАР тощо. Очевидно, що запобіжники відносяться до робочого захисту: плавкі запобіжники відключають пошкоджену ділянку електричного кола за 5 ¸ 7 с, тому не можуть розглядатися як засоби захисту людини від ураження струмом (див. табл. 3).
У пускорегулюючих і комутаційних апаратах застосовуються теплові реле типів ТРН і ТРП, які вбудовані в магнітні пускачі серій ПА, ПМЕ, ПАЕ, ПМА, а також теплові розчіплювачі (біметалеві пластинки) автоматів середньої потужності серій А 3100, АП 50, АВМ тощо. Теплові розчіплювачі використовують для захисту від струмових перевантажень та спрацьовують з витримкою часу.Зазначимо, що захист асинхронного двигуна від перевантаження та КЗ може здійснюватися тепловим реле тільки при наявності плавких запобіжників: при КЗ у двигуні нагрівач може перегоріти раніше, ніж реле відключить двигун.
Частіше всього для відключення споживачів електроенергії від струму КЗ застосовують аналогові електромагнітні реле максимального струму, в яких під впливом електромагнітної сили замикаються контакти, видаючи сигнал на відключення вимикача електрообладнання, що захищається. Час спрацьовування реле струму практично миттєвий (Dtс = 0,05¸0,1с). За принципом електромагнітного РМС діє переважна більшість автоматичних вимикачів.
Автоматичний вимикач (АВ) або автомат – механічний комутаційний апарат, призначений включати, проводити на протязі заданого часу та виключати струми при нормальному стану електричного кола, а також автоматично вимикати струми КЗ. Окрім автоматичних вимикачів з електромагнітними розчіплювачами (електромагнітними реле максимального струму) є автомати з розчіплювачами мінімальної напруги (електромагнітне реле мінімальної напруги) для нульового захисту, а також з комбінованими розчіплювачами (поєднання електромагнітного та теплового розчіплювачів), а також з напівпровідниковими розчіплювачами. До них відносяться універсальні та установочні автомати без витримки часу серій АВМ, А 3100, А 3700, “Електрон”, АЕ-1000, АЕ-2000, АП-25, АП-50, АК-50, А-63, АС-25, АБ-25м тощо.
Звичайні АВ мають час спрацьовування Dtс = 0,02 ¸ 0,1 с. Тиристорні й інші напівпровідникові АВ надійно захищають людину від ураження електричним струмом за рахунок швидкодії (Dtс £ 0,005 с). У селективних АВ час спрацьовування регулюється в межах Dtс = 0,005 ¸ 1 с.
Студенти повинні мати хоча елементарні уявлення про напівпровідникові та мікропроцесорні пристрої релейного захисту на базі діодів, стабілітронів, транзисторів, тиристорів, оптронів, операційних підсилювачів, інтегральних мікросхем, в тому числі серії “Логіка – І”. Як вихідні елементи таких схем можуть використовуватися розв’язуючі реле на герконах, які мають підвищену швидкодію (Dtс = 0,8 ¸ 8 мс).
Не поступаючись аналоговим реле за чутливістю, селективністю та швидкодією (Dtс<0,05с), мікропроцесорні реле мають більш високу надійність, пов’язану з великим ступенем інтеграції елементів та наявністю пристрою функціонального діагнозу, високим рівнем адаптації (можливості автоматичної зміни параметрів і уставок реле при зміні режимів роботи електроустаткування, яке захищається), наявності автоматичного самоконтролю та реєстрації в блоці пам’яті вхідних величин роботи реле при аварійних режимах.
|
|
|
Таким чином, для захисного автоматичного відключення живлення можна використовувати пристрої захисту, які реагують на надструми. Очевидно, що надструм – струм, значення якого перевищує найбільше робоче (розрахункове) значення струму електричного кола. До надструмів відносяться струми перевантаження і струми КЗ.
До пристроїв, які забезпечують захист від струму перевантаження та від струму КЗ відносяться [28]:
– плавкі запобіжники;
– автоматичні вимикачі з комбінованими розчіплювачами;
– автоматичні вимикачі в поєднанні з плавкими запобіжниками.
Пристрої захисту призначені реалізувати за певних умов захисне автоматичне вимикання живлення – автоматичне вимикання одного чи декількох лінійних (фазних) провідників і, у виадку необхідності, нейтрального провідника, що виконується з метою електробезпеки.
Якщо уставка більше значення сили струму КЗ поза ділянки кола, яке захищається, то захист спрацює тільки на захищеній ділянці без витримки часу, при КЗ в зоні її дії, та не спрацює, якщо КЗ відбудеться поза цієї ділянки. У цьому полягає селективність захисту, який забезпечується підбором витримки часу спрацьовування Dtс, який зростає ступенями в бік джерела живлення.
Зазначимо, що вимикач диференціальний (ВД) реагує на диференціальний струм і забезпечує захист людини від ураження електричним струмом при випадковому не навмисному дотику до струмоведучих частин електроустановки при пошкодженні ізоляції. На відміну від ВД, автомат диференціальний (АД) окрім функції захисту людини від ураження електричним струмом виконує також функцію запобігання пожежі внаслідок протікання струмів витоку на землю та функцію захисту від надструмів (струмів КЗ і перевантаження).
Стандарт МЕК 60364-1 “Низьковольтні електричні установки” [26] має довідниковий додаток “Терміни і визначення” в якому пояснюється сутність селективності захисту, яка ґрунтується на термінах “ диференціальний струм ” і “ пристрій диференціального струму ”. В національній нормативній документації замість терміна “пристрій диференціального струму” вживають термін “ пристрій захисного відключення ” (ПЗВ).
|
|
|
Диференціальний струм (позначення ID) – середнє квадратичне значення векторної суми струмів, що протікають через головне коло пристрою диференціального струму. Іншими словами, ID – алгебраїчна сума значень електричних струмів у всіх провідниках, які знаходяться під напругою, в один і той же час в даній точці електричного кола в електричній установці. Тому диференціальний струм, що з’являється в електричному колі,буде рівний диференціальному струму, який визначається пристроєм диференціального струму. У свою чергу, пристрій диференціального струму – контактний комутаційний пристрій, призначений включати, проводити та відключати струми в нормальних робочих умовах і викликати розмикання контактів, коли диференціальний струм досягає заданого значення в певних умовах.
Як вказує ПУЕ, додатковим заходом захисту від ураження електричним струмом у випадку прямого дотику в електроустановках напругою до 1 кВ є застосування пристроїв захисного відключення (ПЗВ) з номінальним диференціальним струмом відключення не більше 30 мА (ПЗВ ще має назву диференціальне реле). ПЗВ слід застосовувати у випадках, якщо інші заходи електробезпеки (основна ізоляція, огорожі й оболонки, бар’єри, розміщення поза зони досяжності) є недостатні або можлива їх відмова, а також при наявності вимог до конкретних електроустановок.
До ПЗВ пред’являються наступні вимоги:
– швидкодія, а саме проміжок часу від моменту виникнення пошкодження до моменту відключення живлення, не повинна перевищувати 0,2 с;
– селективність роботи, тобто вибірковість дії ПЗВ, що полягає в здатності відключати від мережі лише ушкоджене обладнання;
– висока чутливість, тобто здатність датчика ПЗВ реагувати на малі зміни вхідної величини (струму замикання на землю, напруги корпуса відносно землі, напруги фаз відносно землі, напруги нульової послідовності тощо);
– самоконтроль – здатність відключати обладнання при несправності в ПЗВ;
– надійність – постійна готовність ПЗВ до роботи, здатність спрацьовувати у всіх випадках, пов’язаних з небезпекою ураження людини електричним струмом.
Аналогові ПЗВ складаються з двох основних частин: приладу захисного відключення і виконавчого органу (контактор, магнітний пускач, автоматичний вимикач тощо). Прилад захисного відключення має пов’язані між собою такі елементи:
– датчик (реле, вимірювальний трансформатор, вхід підсилювача, фільтр струму чи напруги нульової послідовності тощо), який сприймає малі зміни вхідної величини та перетворює їх в у відповідний сигнал;
– підсилювач сигналу датчика;
– коло контролю (зворотного зв’язку), яке служить для періодичної перевірки справності захисного відключення;
– допоміжні елементи, які характеризують стан електроустановки (сигнальні лампи, вимірювальні прилади).
Рекомендуємо студентам за літературою [12; 13; 16; 28] ознайомитися з принципом дії найбільш простих схем аналогових ПЗВ – на напругу корпуса електроустановки відносно землі та на струмі замикання на землю. Слід проаналізувати переваги та недоліки схем, призначення ПЗВ даних типів. Ми ж тільки відзначимо, що аналогові ПЗВ переважно на основі автоматів (виконавчих органів) і блоку захисту. У мережі з ізольованою нейтраллю для захисту людей від ураження електричним струмом застосовують ПЗВ типів РУВ-380, УАКИ-380, УАКИ-660 тощо. У мережі з заземленою нейтраллю при трифазних несиметричних і однофазних замиканнях на землю, а також при однофазному дотику до струмоведучих частин застосовують ПЗВ типів УЗО-22, ПЗВ-2002, ЗОУП-25, ИЭ-9801, С-881, ВД1- 63 тощо. Пристрої ИЭ призначені для забезпечення безпеки при роботі з ручним електрофікованим інструментом, номінальний струм якого не перевищує 10 А.
Підкреслимо, що застосування ПЗВ не може бути єдиним заходом захисту від прямого дотику і не виключає необхідності застосування одного із вищеназваних заходів: основна ізоляція, огорожі й оболонки, бар’єри, розміщення поза зони досяжності. Разом з тим, автоматичне відключення живлення може застосовувати окремо (як єдиний захід захисту) у випадку непрямого дотику (для запобігання ураження електричним струмом при пошкодженні ізоляції).
У випадку застосування автоматичного відключення живлення для захисту від ураження електричним струмом відкриті провідні частини (корпуса електричних машин, трансформаторів, апаратів, світильників, приводи електричних апаратів, каркаси розподільних щитів, шафів, металевих оболонок кабелів, корпусів електрообладнання, металевих і залізобетонних конструкцій тощо) належить з’єднувати з РЕ-провідником відповідно особливостей системи заземлення та приєднувати до заземлювача (рис. 12, г, справа). Зокрема, в електроустановках з системою TN-C-S приєднувати РЕ-провідник до РЕN-провідника необхідно з боку живлення відносно ПЗВ.
Таким чином, для захисного автоматичного відключення живлення можна використовувати крім пристроїв захисту, які реагують на надструми, також пристрої захисту, які реагують на диференціальний струм – пристрої захисного відключення (ПЗВ). Відповідно ПУЕ, вказані пристрої можна встановлювати в колах окремих електроприймачів, групових колах і на вводі в електроустановку. Зокрема, для додаткового захисту від прямого та непрямого дотикання в колах штепсельних розеток з робочим струмом до 32 А повинні бути встановлені ПЗВ з номінальним диференціальним струмом відключення не більше 30 мА. Виключенням з цього правила є кола штепсельних розеток з електроприймачами, які передбачають великий струм витоку (більше 10 мА). Допускається застосовувати переносні електроприймачі, обладнані штепсельними ПЗВ-вилками.
ПЗВ не слід застосовувати в електроустановках з системою TN-C (рис. 12, б, зліва). Також не допускається застосовувати ПЗВ в колах, раптове відключення яких за технологічних причин може призвести до виникненню ситуацій, небезпечних для користувача та обслуговуючого персоналу, відключенню пожежної, охоронної сигналізації тощо.
Допустимий час автоматичного відключення живлення при подвійному замиканні змінного струму на відкриті провідні частини електроустановки залежить від діючої напруги U0 між лінійним провідником і землею та становить нормовані значення для систем ІТ (табл. 5). Також в системі TN час автоматичного відключення живлення в групових колах з робочим струмом до 32 А не повинно перевищувати значень, наведених у табл. 7.
Таблиця 7
