Проектирование электроустановок - УЗО

8 Устройства защитного отключения (УЗО)

Промышленные выключатели со встроенным УЗО определяются стандартом МЭК 60947-2, приложение B.
8.1 Типы УЗО
Устройства защиты от токов утечки (УЗО) обычно встраиваются в следующие компоненты или связаны с ними:
Выключатели в литом корпусе (МССВ) промышленного назначения в соответствии со стандартом МЭК 60947-2 и его приложениями В и М.
Автоматические выключатели (МСВ) промышленного назначения в соответствии со стандартом МЭК 60947-2 и его приложениями В и М.
Бытовые и аналогичные им автоматические выключатели (MCB) в соответствии со стандартами МЭК 60898, МЭК 61008, МЭК 61009.
Выключатели нагрузки тока утечки (ВДТ) в соответствии со специальными национальными нормами.
Дифференциальные реле с отдельными тороидальными (кольцевыми) трансформаторами тока в соответствии со стандартом МЭК 60947-2, приложение М.
УЗО должны использоваться на входе установок, заземленных по схеме ТТ, где их взаимодействие с другими УЗО обеспечивает селективное отключение, тем самым обеспечивая требуемый уровень бесперебойности питания.
Выключатели промышленного назначения со встроенным или внешним модулем УЗО (см. рис. F63)

Промышленный выключатель Vigi Compact
Промышленный выключатель Multi 9 с шиной стандарта DIN и модулем Vigi
Рис. F63: Промышленные выключатели с УЗО
Предложение включает в себя автоматические выключатели со встроенным или внешним УЗО, которые могут устанавливаться на шину стандарта DIN.
Такое предложение обеспечивает полный набор функций защиты: разъединение; защита от КЗ, перегрузки и замыканий на землю.

Бытовые выключатели со встроенным модулем УЗО определяются стандартами МЭК 60898, МЭК 61008 и МЭК 61009.
Бытовые и аналогичные им автоматические выключатели с УЗО
(см. рис. F64)

Дифференциальные моноблочные выключатели Declic Vigi предназначены для защиты цепей со штепсельными розетками в жилых зданиях и на объектах сферы услуг

Вводные выключатели могут иметь выдержку времени и встроенное УЗО (тип S)

Рис. F64: Бытовые выключатели токов утечки (ВДТ)

Устройства УЗО с отдельными тороидальными трансформаторами тока определяются стандартом МЭК 60947-2, приложение M.
УЗО с отдельным тороидальным трансформатором тока (см. рис. F65)
Устройства УЗО с отдельными тороидальными трансформаторами тока могут использоваться вместе с выключателями или контакторами.

Рис. F65: Устройства УЗО с отдельными тороидальными трансформаторами тока
8.2 Описание
Принцип работы
Принцип действия УЗО показан на рис. F66.
Магнитный сердечник охватывает все токоведущие проводники электрической цепи. Магнитный поток, генерируемый в сердечнике, зависит от арифметической суммы токов, проходящих в любой момент по первичным обмоткам. Токи, проходящие в одном направлении, считаются положительными (I1), а в противоположном направлении - отрицательными (I2). В неповрежденной цепи, где I1 + I2 = 0, отсутствует поток в магнитном сердечнике и ЭДС в его вторичной обмотке равна нулю.
Ток замыкания на землю (Id) проходит через одну из первичных обмоток до точки повреждения и возвращается к источнику через землю или через защитные проводники. Поэтому баланс токов в первичных обмотках нарушается, и разность токов приводит к возникновению магнитного потока в сердечнике.
Разность токов известна как дифференциальный ток, а принцип называется принципом дифференциального тока или тока нулевой последовательности. Получаемый переменный поток в сердечнике индуцирует ЭДС во вторичной обмотке дифференциального трансформатора. При этом ток I3 поступает на рабочую катушку электромагнитной защелки. Если дифференциальный ток (ток утечки на землю) превышает значение, требуемое для срабатывания защелки, то непосредственно или через электронное реле срабатывает соответствующий выключатель.
8.3 Чувствительность УЗО к помехам
В определенных случаях внешние воздействия могут нарушать работу УЗО:
Ложное срабатывание: отключение питания без наличия реальной опасности. Этот тип отключения носит повторяющийся характер, создавая неудобства и ухудшая качество электроснабжения пользователя.
Неотключение в случае опасности: менее ощутимое нарушение, чем ложное срабатывание. Этот тип нарушения подлежит тщательному изучению, поскольку снижает уровень безопасности пользователя.

Рис. F66: Принцип работы УЗО
Поэтому международные стандарты определяют три класса УЗО в зависимости от их устойчивости к такому типу нарушения (см. далее).
Основные типы помех Фоновые токи утечки на землю
Каждая низковольтная установка имеет фоновый ток утечки на землю из-за следующих факторов:
Несимметрия емкости внутри системы в трехфазных цепях между проводниками и землей.
Емкости между проводниками и землей в однофазных цепях.
Чем больше установка, тем больше ее емкость и, как следствие, ток утечки. Емкостный ток утечки на землю иногда значительно повышается из-за фильтрующих конденсаторов, связанных с электронным оборудованием (системы автоматизации, оборудование передачи данных, компьютеры и т.д.).
При отсутствии более точных данных фоновый ток утечки установки может оцениваться на базе следующих значений, измеряемых при 230 В, 50 Гц:
Однофазная или трехфазная линия: 1,5 мА/100 м.
Пол с подогревом: 1 мА/кВт.
Факс-терминал, принтер: 1 мА.
Микрокомпьютер, АРМ: 2 мА.
Копировально-множительное устройство: 1,5 мА.
В соответствии со стандартами МЭК и многими национальными нормами, фоновый ток утечки должен быть ограничен до 0,25 Ian путем разделения цепей. Это устраняет ложные срабатывания. В особых случаях, таких как расширение и частичная реконструкция установок с заземлением по схеме IT, необходимо обращаться за консультацией к изготовителям устройств. Высокочастотные составляющие (гармоники, переходные процессы и т.д.) присутствуют в источниках питания компьютерного оборудования, преобразователях, двигателях с регуляторами скорости, системах люминесцентного освещения и вблизи устройств переключения высокой мощности и батарей компенсации реактивной мощности.
Часть таких высокочастотных токов может уходить на землю через паразитные емкости. Хотя они не представляют опасность для пользователя, такие токи могут вызывать отключение дифференциальных устройств.
Включение
Подача напряжения на вышеуказанные емкости приводит к повышению высокочастотных неустановившихся токов крайне малой длительности, аналогичных показанным на рис. F67. Внезапное возникновение первого замыкания в системе IT также вызывает токи утечки на землю высокой частоты из-за резкого повышения напряжения между неповрежденными фазами и землей.
Синфазные перенапряжения
Электросети подвержены перенапряжениям из-за ударов молнии или резких изменений режима работы системы (КЗ, срабатывание плавких предохранителей, переключение и т.д.). Такие резкие изменения часто вызывают высокие переходные напряжения и токи в индуктивных и емкостных цепях. Имеющиеся данные показывают, что в низковольтных системах перенапряжения, как правило, ниже 6 кВ и могут быть адекватно представлены традиционной импульсной волной 1,2/50 мкс. Такие перенапряжения вызывают повышение неустановившихся токов, представляемых волной импульса тока традиционной формы 8/20 мкс с пиком в несколько десятков ампер (см. рис. F69). Неустановившиеся токи уходят на землю через емкости установки.
Несинусоидальные токи повреждения (КЗ)
УЗО должно выбираться с учетом типа питаемой нагрузки. В частности, это требование применяется для устройств на основе полупроводников, для которых токи повреждения не всегда являются синусоидальными.
Тип AC, A, B
Стандарт МЭК 60755 (общие требования к устройствам токов утечки) определяет три типа устройств УЗО в зависимости от характеристик тока повреждения :
Тип AC
Устройства УЗО, которые реагируют только на синусоидальные токи утечки.
Тип A
Устройства УЗО, которые обеспечивают отключение:
при синусоидальных токах утечки;

Рис. F67: Стандартная волна тока 0,5 [is/100 кГц

Рис. F68: Стандартная волна напряжения 1,2/50 мкс

Рис. F69: Стандартная волна импульса тока 8/20 мкс
при пульсирующих токах утечки.
Тип B
Устройства УЗО, которые обеспечивают отключение:
как тип А;
при чистых постоянных токах утечки, которые могут происходить от трехфазных выпрямителей.
Низкая температура: при температуре ниже - 5 °С высокочувствительные электромеханические реле в устройстве УЗО могут отказывать из-за конденсации и промерзания. Устройства типа Si рассчитаны на температуру до - 25 °С.
Атмосфера с высокой концентрацией химреагентов или пыли: используются специальные сплавы для защиты УЗО от коррозии. Пыль может также блокировать перемещение механических частей.
См. меры, которые должны приниматься в зависимости от уровней опасности в соответствии с установленными нормами, на рис. F70.
Нормы определяют выбор защиты от тока утечки на землю и методы реализации такой защиты. Основные справочные документы:
Стандарт МЭК 60364-3:
Содержит классификацию (AFx) внешних воздействий в присутствии агрессивных или загрязняющих веществ.
Определяет выбор материалов в зависимости от внешних воздействий.

Рис. F70: Классификация внешних воздействий по стандарту МЭК 60364-3
Уровень устойчивости устройств УЗО
Компания Schneider Electric предлагает разные типы устройств УЗО, обеспечивающих защиту от утечки на землю для каждой установки. Таблица ниже показывает выбор устройств в зависимости от типа возможных нарушений в месте установки.

Рис. F71: Уровень устойчивости устройств УЗО
Защита от ложных срабатываний
УЗО типа Si/SiE предотвращают ложное срабатывание или несрабатывание в случае загрязненной сети, воздействия грозовых разрядов, высокочастотных токов, длинных волн и т.д. На рис. F72 ниже приведены уровни испытаний, которые проходят УЗО этого типа.

Рис. F72: Уровни испытаний УЗО

Рекомендации по установке УЗО с отдельными тороидальными трансформаторами тока нулевой последовательности
Детектором тока нулевой последовательности служит замкнутый магнитопровод (обычно кольцевой) высокой магнитной проницаемости с вторичной обмоткой, чем является тороидальный (или кольцевой) трансформатор тока, называемый трансформатором тока нулевой последовательности (ТТНП).
В силу высокой проницаемости малейшее отклонение от идеальной симметрии проводников, охватывающих сердечник, и металлических частей (стальной корпус, элементы монтажной опоры и т.д.) может нарушать баланс МДС при больших токах нагрузки (пусковой ток двигателя, толчок тока намагничивания трансформатора и т.д.), вызывая ложное срабатывание УЗО. Если не принимаются специальные меры, отношение тока срабатывания ідп к максимальному фазному току Iph (макс.) обычно меньше 1/1000.
Этот предел может быть значительно увеличен (то есть снижена чувствительность к возмущениям) посредством мер, указанных на рис. F73 и F74.

L в два раза больше диметра магнитного кольцевого сердечника

Рис. F73: Три меры по снижению отношения ІАп / lph (макс.)

Эти меры могут применяться одновременно. При центровке кабелей в кольцевом сердечнике диаметром 200 мм (при достаточном диаметре 50 мм) и использовании втулки отношение 1/1000 снижается до 1/30000.
Рис. F74: Способы снижения отношения іАп / lph (макс.)
Выбор характеристик дифференциального выключателя Номинальный ток
Номинальный ток дифференциального выключателя или ВДТ (аппарата, имеющего ограниченную отключающую способность) выбирается в зависимости от максимального установившегося тока нагрузки.
Если ВДТ располагается последовательно за автоматическим выключателем, то рабочий ток обоих выключателей одинаков, но должно соблюдаться условие In >In1(1) (см. рис. F75a)
Если ВДТ расположен перед группой цепей, защищенных автоматическими выключателями (см. рис. F75b), номинальный ток ВДТ рассчитывается следующим образом:
In U ku x ks (Inl + In2 + In3 + In4)
Требования к электродинамической устойчивости

Рис. F75: Выключатели дифференциального тока (ВДТ)
Защита от КЗ должна обеспечиваться устройством защиты от КЗ. Если ВДТ расположен в одном распределительном устройстве (согласно нормам) перед выключателем (или плавким предохранителем), защита от КЗ, обеспечиваемая такими устройствами, считается приемлемой. Необходима координация работы ВДТ и устройств защиты от КЗ. Как правило, изготовители приводят таблицы возможных комбинаций ВДТ и выключателей или плавких предохранителей (см. рис. F76).

Возможные комбинации выключателя и ВДТ и отключающая способность Ics (действ.), кА

Возможные комбинации плавких предохранителей и ВДТ и отключающая способность Ics (действ.), i(A

Рис. F76: Таблица выбора комбинации ВДТ и выключателей или плавких предохранителей (Schneider Electric)

(1) Столбец 1 относится, в основном, к коммутационной аппаратуре,
(1) Остальные не заземляются. Отдельный случай ограничения тока
короткого замыкания на землю, а именно - при помощи дугогасительной
(1) Кольцевая схема питания - это непрерывная распределительная
магистраль, выполненная в виде замкнутого контура, которая начинается
(1) Если заземляющий разъединитель стоит на входной цепи, связанные с ним разъединители находятся на обоих концах цепи и надлежащим образом заблокированы. В такой ситуации используется блокировка ключом нескольких устройств.
(1) Если используются высоковольтные предохранители, они расположены в этом отсеке.
(1) Величины, показанные на рис. C2, являются только ориентировочными. Для первых трех систем произвольно выбрано
максимальное значение рабочего тока 60 А, поскольку для установленного допустимого отклонения напряжения в процентах
(1) Трансформаторы, спроектированные в соответствии со стандартом МЭК на напряжение 230/400 В будут иметь выходное напряжение холостого хода 420 В, т.е. 105% от номинального напряжения.
(1) Система телеуправления представляет собой систему управления, в которой на соответствующих подстанциях в низковольтную сеть подается ток звуковой частоты (обычно 175 Гц). Этот сигнал передается в виде кодированных импульсов. В системе используются реле, настроенные на эту частоту сигнала и распознающие используемый код, которые сработают и инициируют выполнение требуемой функции. Предусмотрены до 960 дискретных управляющих сигналов.
(1) В этом примере предполагается, что активный ток утечки на землю через изоляцию пренебрежимо мал.
(2)     Идентификация автоматического выключателя типа B рассматривается в главе H (подраздел 4.2).
(1)     Для идентификации автоматического выключателя типа D см. главу H, подраздел 4.2.

Источник: Шнейдер Электрик