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.

Защитное отключение выполняется в дополнение или взамен заземления.

Отключение осуществляется автоматами. Защитное отключение рекомендуется в тех случаях, когда безопасность не может быть обеспечена путем устройства заземления или когда его трудно выполнить.

Защитное отключение обеспечивает быстрое- не более 0,2 с автоматическое отключение установки от питающей сети при возникновении в ней опасности поражения током. Такая опасность может возникнуть при замыкании фазы на корпус электрооборудования, при снижении изоляции фаз относительно земли (повреждении изоляции, замыкании фазы на землю); при появлении в сети более высокого напряжения, при случайном прикосновении человека к токоведущим элементам, находящимся под напряжением.

Преимуществами защитного отключения являются: возможность его применения в электрических установках любого напряжения и при любом режиме нейтрали, срабатывание при малых напряжениях на корпусе - 20-40 В и быстрота отключения, равная 0,1 - 0,2 с.

Защитное отключение осуществляется посредством выключателей или контакторов, снабженных специальным отключающим реле. Существует много различных типов защитно-отключающих устройств. Схема одного из них приведена на рис. 76. Выключатель защитного отключения состоит из электромагнитной катушки, сердечник которой в обычном положении удерживает рубильник или специальный автомат включенным в сеть. Электромагнитная катушка одним выводом присоединяется к корпусу защищаемой электроустановки, а другим - к заземлителю. При достижении на корпусе защищаемой электроустановки напряжения свыше 24- 40 В через катушку электромагнита проходит ток, вследствие чего сердечник втягивается внутрь катушки и рубильник под действием пружины выключает ток, снимая напряжение с защищаемой установки.

Применения УЗО в электроустановках жилых, общественных, административных и бытовых зданий можно рассматривать только в случае питания электроприёмников от сети 380/220 с системой заземления TN-S или TN-C-S.

УЗО являются дополнительным средством защиты человека от поражения электрическим током. Кроме того, они осуществляют защиту от возгорания и пожаров, возникающих вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. При нарушении нулевого уровня изоляции, прямом прикосновении к одной из токоведущих частей или при обрыве защитных проводников УЗО является практически единственным быстродействующим средством защиты человека от поражения электрическим током.

Принцип действия УЗО основан на работе дифференциального трансформатора тока.

Суммарный магнитный поток в сердечнике пропорционален разности токов в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора тока. Под действием ЭДС в цепи вторичной обмотки протекает ток, пропорциональный разности первичных токов. Этот ток и приводит в действие пусковой механизм.

В нормальном рабочем режиме результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю.

Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на разницу токов в проводниках, подводящих электроэнергию. Если в двух словах описывать принцип работы устройства, то оно сравнивает ток, ушедший в квартиру, с током, который вернулся из квартиры. Если эти токи оказываются разными, УЗО мгновенно отключает напряжение. Это поможет избежать вреда для человека в случаях повреждения изоляции проводов, при неосторожном обращении с электропроводкой или электроприборами.

Поэтому и родилось такое техническое решение, как ферромагнитный сердечник с тремя обмотками: - “токоподводящей”, “токоотводящей”, “управляющей”.

Ток, соответствующий подаваемому на нагрузку фазному напряжению, и ток, отходящий от нагрузки в нейтральный проводник, наводят в сердечнике магнитные потоки противоположных знаков. Если никаких утечек в нагрузке и защищаемом участке проводки нет, суммарный поток будет нулевым. В противном же случае (касание, повреждение изоляции и пр.) сумма двух потоков становится отличной от нуля. Возникающий в сердечнике поток наводит электродвижущую силу в обмотке управления. К обмотке управления через прецизионное устройство фильтрования всевозможных помех подключено реле. Под воздействием возникающей в обмотке управления ЭДС реле разрывает цепи фазы и нуля.

Существуют две основные категории УЗО:

• 1) Электронные
• 2) Электромеханические

Электромеханические УЗО состоят из следующих основных функциональных блоков.

В качестве датчика тока используется дифференциальный трансформатор тока.

Пороговый элемент выполненный на чувствительном магнитоэлектрическом реле.

Исполнительный механизм.

Цепь тестирования, искусственно создающая дифференциальный ток, для контроля исправности устройства.

В большинстве стран мира получили распространение именно электромеханические УЗО. Данный тип УЗО сработает в случае обнаружения тока утечки при любом уровне напряжения в сети т.к. сетевое напряжение никак не влияет на формирование тока, уровень которого и является определяющим при определении момента срабатывания магнитоэлектрического элемента.

При использовании работоспособного (исправного) электромеханического УЗО гарантируется в 100% случаях срабатывание реле и соответственно отключение подачи энергии потребителю.

В электронных УЗО функции порогового элемента и, частично, исполнительного механизма выполняет электронная схема.

Электронное УЗО строится по той же схеме, что и электромеханическое. Разница заключается в том, что место чувствительного магнитоэлектрического элемента занимает элемент сравнения (компаратор, стабилитрон). Для работоспособности такой схемы понадобится выпрямитель, небольшой фильтр. Т.к. трансформатор тока нулевой последовательности - понижающий (в десятки раз), то также необходима цепочка усиления сигнала, которая кроме полезного сигнала также будет усиливать помеху (или сигнал небаланса присутствующий при нулевом токе утечки). Очевидно, что момент срабатывании реле, в данном типе УЗО, определяется не только током утечки, но и сетевым напряжением.

Забегая вперёд необходимо отметить, что стоимость электронных УЗО ниже электромеханических примерно в 10 раз.

В европейских странах подавляющее большинство УЗО - электромеханические.

Преимущества электромеханических УЗО - их полная независимость от колебаний и даже наличия напряжения в сети. Это особенно важно, поскольку в электрических сетях случается обрыв нулевого провода, в результате чего возрастает опасность поражения электротоком.

Применение электронных УЗО целесообразно, когда необходима подстраховка в целях безопасности, например в особо опасных, влажных помещениях. В некоторых странах в вилках электробытовых приборах уже встроены УЗО, это определено требованиями правил.

Для выбора УЗО с достаточной точностью необходимо учесть два параметра:

• 1) Номинальный ток
• 2) Ток утечки (ток срабатывания).

Номинальный ток - это тот максимальный ток, который будет протекать по вашему фазному проводу. Найти значение тока легко, зная максимальную потребляемую мощность. Необходимо поделить потребляемою мощность для худшего случая(максимальная мощность при минимальном Cos(ц)) на фазное напряжение. Не имеет смысл ставить УЗО на ток больший, чем номинальный ток автомата стоящего перед УЗО. В идеале, с запасом, берем УЗО на номинальный ток равный номинальному току автомата.

Существуют УЗО с номинальными токами 10,16,25,40 (А).

Ток утечки (ток срабатывания) - обычно10мА или 30мА если УЗО ставиться в квартиру/дом для защиты жизни человека, а 100-300мА на предприятие для предотвращения пожаров, при обгорании проводов. (ПУЭ 7-е издание п.п. 1.7.50 требует для дополнительной защиты от прямого прикосновения в электроустановках до 1 кВ применять УЗО с номинальным отключающим дифференциальным током не более 30 мА.).

Кроме УЗО, устанавливаемых на распределительном щитке, можно встретить электророзетки со встроенным УЗО. Эти устройства бывают двух видов: первый устанавливается на место существующей розетки, второй подсоединяется к имеющейся розетке, и затем уже в него включается вилка от электроприбора.

К преимуществам данных устройств можно отнести отсутствие необходимости замены в домах старой застройки электропроводку, а к недостаткам - высокую стоимость (розетки со встроенным УЗО обойдутся примерно в 3 раза дороже, чем УЗО, устанавливаемые на распределительный щит).

УЗО должно быть защищено автоматом (УЗО не предназначено для отключения больших токов.).

Существуют аппараты, совмещающие в себе функции УЗО и автомата.

Такие устройства называются УЗО-Д со встроенной защитой от сверхтоков. У этих УЗО цена традиционно выше, но в некоторых случаях без таких устройств защитного отключения обойтись невозможно.

Для наиболее эффективного применения УЗО предпочтительнее устанавливать устройства по следующей схеме:

• а) УЗО (30 мА на защиту всей квартиры, устанавливается в щитке на лестничной клетке)
• б) УЗО (10 мА) на каждую линию (например, на линии, питающие стиральную машину, «теплые» полы, и т.д., устанавливается в индивидуальный внутриквартирный щиток).

Удобный вариант, поскольку при возникновении какой-либо проблемы с электропроводкой или электроприборами будет отключаться только соответствующая линия, а не вся квартира.

Недостатки данной системы - более высокие затраты и необходимость иметь значительно больше свободного места. Более чем одно УЗО, как правило, удается установить лишь в индивидуальный внутриквартирный щиток, специально спроектированный для этих целей. В обычном щитке на лестничной площадке для этого, как правило, не хватает места.

Для защиты электрооборудования квартиры с применением УЗО необходимо также учесть опасность кратковременного повышения напряжения в случае кроткого замыкания, грозовом разряде на линию электропередачи, и прочих аварийных ситуациях в службе электроснабжения. В результате возможен выход из строя дорогостоящей бытовой техники.

В этом случае очень эффективно применение устройства защиты от перенапряжения совместно с УЗО. В аварийной ситуации при повышении напряжения варистор начинает сбрасывать лишнее напряжение на землю, а УЗО, обнаружив разницу между "вытекающим" и "втекающим" обратно током (разницу, соответствующую току "утечки" на землю), просто отключит сетевое питание, не допустив выхода из строя бытовых электроприборов, и варистора УЗИП. В результате, если использовать разрядник перенапряжения в комплекте с УЗО, то электросеть при повышении напряжения будет просто отключаться.

7. Задача №1

Рассчитать методами удельной мощности и светового потока потребное количество светильников с ЛЛ для общего освещения помещения с электронно-вычислительной техникой и разместить светильники на плане помещения. При этом минимальная освещенность 400 лк., высота рабочей поверхности от пола - 0,8 м; коэффициент отражения света от потолка Рп = 70...50%, стен Pс= 50% и рабочей поверхности Pр=- 30...10%.

1. Определяют высоту, м, подвеса светильника над рабочей поверхностью по формуле:

h = Н - h р- hс.

h = 3,6 - 0,8 - 0,6 = 2,2 м

где Н - высота помещения, м; hр - высота рабочей поверхности от пола;

hc - высота свеса светильника от основного потолка.

2. Вычисляют освещаемую площадь помещения, м2, по формуле:

S = 24 * 6 = 144 м 2

где A и В - длина и ширина помещения, м.

3. Для расчета освещения методом удельной мощности находим табличную удельную мощность Рm и значения величин Кт = 1,5 и Zт = 1,1. Для светильников с УПС35 -4 х 40 вначале определяют условный номер группы = 13. При этом для светильника УПС35 -4 х 40 Рm дана для Е =100 лк, поэтому следует производить ее перерасчет для Еmin по формуле:

Рm = 7,7 + 7,7*0,1 = 8,47

РУ = Рm Emin / E100

РУ = 8,47*400 / 100 = 33,88 Вт/м 2

4. Определяют суммарную мощность, Вт, для освещения заданного помещения по формуле:

Р суммарное = Ру S Kз Z / (Кт Zт)

Р суммарное = 33,88*144*1,5*1,3/ 1,5*1,1 = 5766 Вт

где Кз - коэффициент запаса, устанавливаемый Кз = 1,5; Z - коэффициент неравномерности освещения Z = 1,3

5. Находят потребное количество светильников, шт., по формуле:

Nу = Рсуммарное/ (ni РА)

Nу = 5766/4*40 =36 шт

где РА - мощность лампы в светильнике, Вт; ni - число УПС35 -4 х 40

в светильнике, шт.

6. Для расчета освещения методом светового потока вычисляют индекс помещения по формуле:

i = S / h (A + B)

i = 144/ 2,2* (24+6) = 2,2

7. Находим КПД - коэффициент полезности действия:

8. Находим световой поток заданной (принятой) лампы ФА, лм.:

9. Определяют потребное количество светильников, шт., по формуле:

Nc = 100 Emin S Kз Z / ni ФА K

Nc = 100* 400* 144*1.5*1.3/4*2200*45* 0,9 = 32

где K - коэффициент затенения для помещений с фиксированным положением работающего (конторы, чертежные и др.), равный 0,8...0,9 ; остальные обозначения расшифрованы выше.

10. Разрабатываем рациональную схему равномерного размещения светильников N в помещение.

Расстояние, м, между светильниками и рядами этих светильников определяют по формуле:

Коэффициент зависимости от кривой силы света

L = (0,6…0,8) * 2,2 = 1,32….1,76 м

l k 0.24 * L = 0,24 * (1,32…1,76) = 0,32….0,42 м

При размещении светильников УПС35 -4 х 40 располагают, как правило, рядами - параллельно рядами оборудования или оконным проемам. Поэтому определяют расстояния L и l k .

11. Если по конструктивным особенностям помещения предусматривают разрывы lp , м, между светильниками, то lp 0,5 h. В этом случае размещение светильников лучше вести через суммарную их длину l по формуле:

l = 32* 1,270 = 41 м

где lc - длина светильника, м.

12. Определяем размещения общего количества светильников в помещении, шт., по формулам:

N p = 41/24 = 1,7 2

N .c.p = N c / N p

N .c.p = 32/2 = 16 шт

N общ. = N p* N .c.p

N общ. = 2 * 16 = 32 шт

13. Проверяем фактическую освещенность по формуле:

E = 32* 4*2200*45*0,9/ 100*144*1,5*1,3 = 406 лк. 400 лк.

A -L p.c. - 2 l k / N .c.p - 1

L p.c. = l c * N .c.p

L p.c. = 1,270 * 16 = 20,32

24- 20,32 - 2*0,4 / 16-1 = 0,19 м

B - 2 l k / N .p - 1

6 - 2*0,4/ 2-1 = 5,2 м

Схема размещения светильников типа УСП 35-4х40

Подобрать необходимый вентилятор, тип и мощность электродвигателя и указать основные конструктивные решения.

• 1. Определяем площадь помещения, где необходима механическая вентиляция:
  • S = A*B
  • S = 9*12 = 108 м 2
• 2. Находим удельную тепловую нагрузку:

q = Q изб / S

q = 10*10 3 /108 = 92,6 Вт/ м 2 400 Вт/м 2

3. Находим расход воздуха для удаления избытка тепла:

L я = 3,6 * Q изб / 1,2*(t y - t п)

L я. т. = 3,6 * 10*10 3 / 1,2* (23-16) = 4286 м 3 /ч

L я. з. = L я. т. * 0,65

L я. з. = 4286 * 0,65 = 2786 м 3 /ч

4. Находим наличием выделяющихся вредных веществ в помещении потребный расход воздуха, м3/ч, определяют по формуле:

L вр = m вр / Cg - C n

L вр = 1,0 * 10 3 / 8,0 - 0 = 125 м 3 /ч

5. Расчет значения Lб, м3/ч, ведут по массе выделяющихся вредных веществ в данном помещении, способных к взрыву определяют по формуле:

L б = m вр /0,1* C нк - C n

L б = 1,0 * 10 3 / 0,1*20*10 3 - 0 = 0,5 м 3 /ч

6. Находим минимальный расход наружного воздуха (Lmin, м*м*м/ч), определяемому по формуле:

L min = 40 * 60 * 1,5 = 3600 м 3 /ч

Выбираем самый большой расход воздуха 4286 м 3 /ч = L n

Если L n > Lmin, то значение L n принимают как окончательное

• 4286 > 3600.
• 7. КТА 1-8 ЭВМ - Lв = 2000 м3/ч; Lх = 9,9 кВт.

КТА 2-5-02 - L в = 5000 м 3 /ч; L х = 24,4 кВт.

n в = L n * K в / L в

n в = 4286 * 1 / 2000 = 2,13 шт

n х = Q изб * K в / L х

n х = 10 * 1 / 9,9 = 1,012 шт

n в = 4286 * 1 / 5000 = 0,86 1 шт

n х = 10 * 1 / 24,4 = 0,41шт

Схема по размещению механической вытяжной вентиляции в помещении

Защитное отключение - вид защиты от поражения током в электроустановках, обеспечивающей автоматическое отключение всех фаз аварийного участка сети. Длительность отключения поврежденного участка сети должна быть не более 0,2 с.

Области применения защитного отключения: дополнение к защитному заземлению или занулению в электрифицированном инструменте; дополнение к занулению для отключения электрооборудования, удаленного от источника питания; мера защиты в передвижных электроустановках напряжением до 1000 В.

Сущность работы защитного отключения заключается в том, что повреждение электроустановки приводит к изменениям в сети. Например, при замыкании фазы на землю изменяется напряжение фаз относительно земли - значение фазного напряжения будет стремиться к величине линейного напряжения. При этом возникает напряжение между нейтралью источника и землей, так называемое напряжение нулевой последовательности. Снижается общее сопротивление сети относительно земли при изменении сопротивления изоляции в сторону его уменьшения и т. д.

Принцип построения схем защитного отключения заключается в том, что перечисленные режимные изменения в сети воспринимаются чувствительным элементом (датчиком) автоматического устройства как сигнальные входные величины. Датчик выполняет роль реле тока или реле напряжения. При определенном значении входной величины защитное отключение срабатывает и отключает электроустановку. Значение входной величины называют уставкой.

Структурная схема устройства защитного отключения (УЗО) представлена на рис.

Рис. Структурная схема устройства защитного отключения: Д - датчик; П - преобразователь; КПАС - канал передачи аварийного сигнала; ИО - исполнительный орган; МОП - источник опасности поражения

Датчик Д реагирует на изменение входной величины В, усиливает ее до значения KB (К - коэффициент передачи датчика) и посылает в преобразователь П.

Преобразователь служит для преобразования усиленной входной величины в аварийный сигнал КВА. Далее канал передачи аварийного сигнала КПАС передает сигнал АС с преобразователя на исполнительный орган (ИО). Исполнительный орган осуществляет защитную функцию по устранению опасности поражения - отключает электрическую сеть.

На схеме показаны участки возможных помех, влияющие на работу УЗО.

На рис. приведена принципиальная схема защитного отключения с помощью реле максимального тока.

Рис. Схема устройства защитного отключения: 1 - реле максимального тока; 2 - трансформатор тока; 3 - заземляющий провод; 4 - заземлитель; 5 - электродвигатель; 6 - контакты пускателя; 7 - блок-контакт; 8 - сердечник пускателя; 9 - рабочая катушка; 10 - кнопка опробования; 11 - вспомогательное сопротивление; 12 и 13 - кнопки останова и включения; 14 - пускатель

Катушка этого реле с нормально замкнутыми контактами подключается через трансформатор тока или непосредственно в рассечку проводника, идущего к отдельному вспомогательному или общему заземлителю.

Электродвигатель включается в работу нажатием кнопки «Пуск». При этом подается напряжение на катушку, сердечник пускателя втягивается, контакты замыкаются и включают электродвигатель в сеть. Одновременно замыкается блок-контакт, вследствие чего катушка остается под напряжением.

При замыкании на корпус одной из фаз образуется цепь тока: место повреждения - корпус - заземляющий провод - трансформатор тока - земля - емкость и сопротивление изоляции проводов неповрежденных фаз - источник питания - место повреждения. Если величина тока достигнет уставки срабатывания токового реле, реле сработает (т. е. его нормально замкнутый контакт разомкнётся) и разорвет цепь катушки магнитного пускателя. Сердечник этой катушки освободится, и пускатель отключится.

Для проверки исправности и надежности действия защитного отключения предусмотрена кнопка, при нажатии которой устройство срабатывает. Вспомогательное сопротивление ограничивает ток замыкания на корпус до необходимой величины. Предусмотрены кнопки для включения и отключения пускателя.

В систему предприятий общественного питания входит большой комплекс мобильных (инвентарных) зданий из металла или с металлическим каркасом для уличного торгово-сервисного обслуживания (закусочные, кафе и т. п.). В качестве технического средства защиты от электротравматизма и от возможного пожара в электроустановках предписано обязательное применение на этих объектах устройства защитного отключения в соответствии с требованиями ГОСТ Р50669-94 и ГОСТ Р50571.3-94.

Главгосэнергонадзор рекомендует использовать для этой цели электромеханическое устройство типа АСТРО-УЗО, принцип действия которого основан на воздействии возможных токов утечки на магнитоэлектрическую защелку, обмотка которой подключена во вторичную обмотку трансформатора тока утечки, с сердечником из специального материала. Сердечник в нормальном режиме работы электрической сети удерживает механизм расцепления во включенном состоянии. При возникновении какой-либо неисправности во вторичной обмотке трансформатора тока утечки наводится ЭДС, сердечник втягивается, происходит срабатывание магнитоэлектрической защелки, связанной с механизмом свободного расцепления контактов (отключается рубильник).

АСТРО-УЗО имеет российский сертификат соответствия. Устройство включено в Госреестр.

Устройством защитного отключения должны оснащаться не только указанные выше сооружения, но и все помещения с повышенной или особой опасностью поражения электрическим током, в том числе сауны, души, теплицы с электроподогревом и т. п.

Для чего используют защитное отключение?

Опасность поражения током обусловливается напряжением прикосновения (£ / доя1, В) а затем силой тока, который может пройти через тело человека (/ "А). Как известно.

где /? А - сопротивление тела человека, Ом.

Если напряжение прикосновения в момент касания человека к корпусу или фазы сети превышает допустимое значение, то возникает реальная угроза поражения током и степени защиты в этом случае может стать только разрыв цепи тока, отключение соответствующего участка сети. Для выполнения этой задачи используют защитное отключение.

Защитным отключением называется быстродействующая защита, который обеспечивает автоматическое отключение электроустановки при возникновении опасности поражения человека током.

Заземление и зануление не всегда гарантируют безопасность людей. Защитное отключение значительно быстрее зануление отключает поврежденный участок установки чем более гарантированно обеспечивает защиту людей от поражения электрическим током.

В каких случаях применяют защитное выключение?

Защитное отключение применяют только в электрических установках напряжением до 1000 В качестве самостоятельную защиту или одновременно с заземлением:

в передвижных электроустановках с изолированной нейтралью генератора;

в стационарных установках с изолированной нейтралью для защиты работающих с ручными электроинструментами;

в стационарных электроустановках с глухозаземленной нейтралью на отдельных удаленных от трансформаторов потребителям большой мощности, на которых защита зануление неэффективен;

в условиях повышенной опасности поражения электрическим током. Сфера применения устройств защитного отключения практически не ограничена. Они могут использоваться в сетях любого назначения и с любым режимом нейтрали. Однако наибольшее распространение они получили в пределах до 1000 В, особенно там, где трудно осуществлять эффективное заземление или зануление, когда есть высокая вероятность случайного прикосновения к токоведущим частям (передвижные электроустановки, ручной электроинструмент).

Какие требования предъявляются к защитного отключения и какие функции оно выполняет?

Защитное отключение можно использовать как основной вид защиты или вместе с заземлением и занулением.

К устройству защитного отключения ставят следующие требования: самоконтроль, надежность, высокая чувствительность и малое время выключения.

Защитное отключение отдельно или в совокупности с другими средствами защиты выполняет следующие функции:

защита при замыкании на землю или корпус оборудования;

защиту при появлении опасных токов утечки;

защиту при переходе высшего напряжения на сторону низшего;

автоматический контроль круга защитного заземления и зануления.

Как выполняется защитное отключение?

Защитное отключение выполняется очень чувствительными и быстродействующими защитными возникающими устройствами. Чувствительность и скоротечна действие их значительно превышает автоматические выключатели или другие меры элементы.

В электрических схемах защитных отключающих устройствах используют чувствительные элементы, реагирующие на появление тока в нулевом проводе, напряжения на корпусе поврежденного электрооборудования и др.

Защитные отключающие устройства срабатывают по 0,1-0,05 с, в то время как зануление 0,2 и более секунд. При такой кратковременной длительности прохождения тока через тело человека безопасным будет ток даже величиной 500-600 мА. Учитывая, что сопротивление тела человека 1000 Ом, то ток приведенной величины может протекать по телу человека только в том случае, когда его напряжение будет составлять 500-650 В, а такого напряжения в электрических сетях напряжением 380/220 В с заземленной нейтралью быть не может даже при аварийном режиме в чрезвычайных ситуациях.

Защитное отключение также применяется в тех случаях, когда устройство заземления будет вызывать значительные трудности (скальные грунты) или будет нецелесообразным вследствие подвижного фронта работ.

Поэтому защитные отключающие устройства является надежной защитой людей от поражения электрическим током.

Одной из мер обеспечения безопасности в электроустановках является использование малых напряжений порядка 36,34,12 В и менее: для ламп местного освещения у станков; для переносных ламп (12 В); питания электропаяльников, электродрели и другого электрического инструмента.

С. Защитное отключение