8 Устройства защитного отключения (УЗО)
8.1 Описание Принцип действия
Принцип действия УЗО показан схематически на рис. F67.
Магнитный сердечник охватывает все токоведущие проводники электрической цепи и магнитный поток, создаваемый в сердечнике, будет в каждый момент времени зависеть от арифметической суммы токов; все токи, входящие в одном направлении, считаются положительными (I1), а входящие в противоположном направлении - отрицательными (I2). В неповрежденной цепи I1 + I2 = 0, поэтому в магнитном сердечнике не будет возникать магнитный поток и соответственно э.д.с. в его обмотке будет равна нулю.
Ток замыкания на землю id будет протекать к месту короткого замыкания по сердечнику, а обратно к источнику питания - через землю или по защитным проводникам в случае использования системы заземления типа TN.
Поэтому в проводниках, проходящих через магнитный сердечник, нарушается баланс токов и образовавшийся разностный ток приводит к появлению в сердечнике магнитного потока. Этот разностный ток называют «дифференциальным» током, а данный принцип действия - принципом «дифференциального тока».
Результирующий переменный магнитный поток в сердечнике наводит в его обмотке э.д.с., поэтому в рабочей обмотке отключающего устройства протекает ток I3. Если этот дифференциальный ток превышает величину, необходимую для срабатывания данного отключающего устройства непосредственно или через электронное реле, то соединенный с ним автоматический выключатель отключит цепь.
Рис. F6,. Принцип действия УЗО
8.2 Рекомендации по применению УЗО
Существуют токи утечки на землю, не обусловленные коротким замыканием и переходными перенапряжениями, которые в совокупности или по отдельности могут вызывать ложное отключение цепей устройствами защитного отключения. Были разработаны определенные методы для устранения таких эксплуатационных проблем.
Постоянные токи утечки на землю
Каждая электроустановка низкого напряжения имеет постоянный (фоновый) ток утечки на землю, обусловленный:
несбалансированностью * внутренней емкости между токоведущими проводниками и землей в трехфазных цепях или
емкостью между токоведущими проводниками и землей в однофазных цепях
Чем крупнее электроустановка, тем больше ее емкость и соответственно больше ток утечки. Иногда емкостной ток утечки на землю значительно возрастает за счет применения в электронном оборудовании (автоматических, информационных и компьютерных системах и др.) фильтрующих конденсаторов.
При отсутствии более точных данных, постоянный ток утечки в рассматриваемой электроустановке можно оценить на основе следующих величин, замеренных при напряжении 230 В, 50 Гц:
однофазная или трехфазная цепь: 1,5 мА/100 м
обогреваемый пол: 1 мА/кВт
факс-терминал: 1 мА
рабочая станция обработки информации: 2 мА
оконечное устройство обработки информации: 2 мА
принтер: 1 мА
фотокопировальный аппарат: 1,5 мА
Поскольку УЗО, соответствующие стандартам IEC и многим национальным стандартам, могут срабатывать в диапазоне 0,5IAn - IAn при номинальном дифференциальном отключающем токе IAn, то ток утечки в цепи ниже УЗО не должен превышать 0,5IAn.
Ограничение фонового тока утечки до величины 0,25IAn посредством деления цепей на секции позволит на практике устранить любые нежелательные отключения. В особых случаях, например при расширении электроустановки или частичном обновлении разветвленных электроустановок с системой заземления типа IT следует консультироваться с изготовителями защитных устройств.
Переходные токи утечки
Подача напряжения
Подача напряжения питания на указанные выше ёмкости приводит к появлению кратковременных, высокочастотных, переходных токов утечки, аналогичных тем, которые показаны на рис. F68. Первое короткое замыкание в системе электропитания по схеме с IT-заземлением также вызывает появление высокочастотных переходных токов утечки на землю вследствие резкого нарастания фазных напряжений двух неповрежденных фаз до уровня линейного (межфазного) напряжения относительно земли.
Перенапряжения общего вида
Сети энергоснабжения подвержены перенапряжениям различного происхождения, вызванных атмосферными причинами (удары молний) или резкими изменениями условий эксплуатации системы (короткие замыкания, срабатывание плавких предохранителей, коммутации и др.). Такие изменения часто приводят к появлению в индуктивных и емкостных цепях системы больших переходных напряжений и токов. На основании собранных данных было установлено, что в распределительных системах низкого напряжения перенапряжения обычно не превышают 6 кВ и могут быть адекватно представлены стандартной формой импульсной волны 1,2/50 мкс (рис. F69).
Перенапряжения вызывают появление переходных токов, описываемых импульсной волной тока стандартной формы (8/20 мкс) с пиковым значением несколько десятков ампер (рис. F70). Переходные токи протекают в землю через емкости разрядников для защиты электроустановки от перенапряжений или через поврежденную изоляцию.
Рис. 6 . Стандартная форма волны переходного тока 0,5 мкс/100 кГц
Рис. F6i. Стандартная форма импульсной волны переходного напряжения 1,2/50 мкс
Стойкость к переходным токам и перенапряжениям
Рис. F7i. Стандартная форма импульсной волны тока (8/20 мкс)
Каждое установленное УЗО должно иметь минимальный уровень стойкости к ошибочным отключениям в соответствии с требованиями, представленными на рис. F71. УЗО селективного типа "S" или УЗО с выдержкой времени уровня I или II (рис. F38) охватывают все переходные токи утечки на землю, в том числе токи утечки через грозозащитные разрядники длительностью менее 40 мс. Описанные выше высокочастотные (или однонаправленные импульсные) переходные перенапряжения и токи вместе с другими источниками электромагнитных возмущений (обмотками контакторов, сухими контактами, реле), электростатическими разрядами и излучаемыми электромагнитными волнами (радио, системы зажигания и др.) относятся к области электромагнитной совместимости, приобретающей все большую важность. Более подробно эти вопросы рассмотрены в «Технических публикациях Шнейдер Электрик», издаваемых компанией Schneider Electric. Необходимо, чтобы УЗО обладали устойчивостью к электромагнитным возмущения, т.е. не срабатывали под их воздействием, во избежание ложных отключений.
Возмущение | Вид испытаний | Требуемая выдерж. величина |
Перенапряжение | Импульс 1,2/50 мкс | 6 кВ (макс.) |
Переходный ток | Импульс 0,5 мкс/100 кГц | 200 А (макс.)(1) |
| Импульс 8/20 мкс | 200 А (макс.) |
Коммутации | Последовательность переходных импульсов (стандарт IEC60801-4) | 4 кВ |
Статическое электричество | Электростатические разряды (стандарт IEC 60801-2) | 8 кВ |
Излучаемые волны | Электромагнитные поля (стандарт IEC 60801-3) | 3 В/м |
(1) Для УЗО с чувствительностью IAn < 10 мА данное испытание не требуется (IEC 61008-1). Примечание: УЗО с выдержкой времени срабатывания обычно устанавливают рядом с вводом электроустановки, где выбросы тока внешнего происхождения являются наиболее значительными. Испытание на выдерживание тока 5 кА отражает это повышенное эксплуатационное требование.
Рис. F7 . Испытания УЗО на электромагнитную совместимость
На практике же уровни, указанные на рис. F71, включаются в проектные спецификации и стандарты на изготовление.
УЗО типа "A Si" (обозначенные символом, показанным на рис. F72) предотвращают нежелательные отключения цепей в случае «загрязненной» сети, электромагнитного импульса молнии, высокочастотных токов, постоянных составляющих тока, переходных процессов, низкой рабочей температуры (-25 °C).
Стойкость к постоянным составляющим тока (рис. F73)
Для управления и индикации электрического и механического оборудования часто используются вспомогательные источники питания постоянного тока, а в состав некоторых бытовых электроприборов входят выпрямители (диоды, симисторы и тиристоры). В случае если короткое замыкание на землю происходит в цепи за выпрямителем, ток короткого замыкания может содержать постоянную составляющую.
Связанная с этим степень опасности зависит от уровня изоляции цепей постоянного тока в электроприборе и каждый случай должен рассматриваться отдельно. Такого рода проблемы типичны для промышленных применений.
В стандартах IEC УЗО классифицируются в зависимости от их способности правильно функционировать при наличии в дифференциальном токе постоянных составляющих:
Класс AC: УЗО срабатывает под действием только переменного дифференциального тока
Класс A: УЗО срабатывает, если дифференциальный ток состоит из однополярных импульсов
Класс B: УЗО срабатывает только от постоянного тока
Примечание: Для общего пользования обычно устанавливают УЗО класса AC. УЗО класса A применяются в случае специальных требований и рассматриваются как особая разновидность устройств класса AC.
Рис. Стандартный символ, используемый в некоторых странах для обозначения стойкости УЗО к ошибочному срабатыванию из-за переходных процессов
Рис. F7 . Импульсы постоянного тока
Рекомендации в отношении установки УЗО с отдельными дифференциальными трансформаторами тока
L = двойному диаметру кольцевого магнитного сердечника
Рис. F7'. Три способа снизить величину отношения IAn/Iph (max.)
Детектором дифференциального тока является измерительный трансформатор тока с кольцевым (тороидальным) сердечником, представляющий собой замкнутый магнитопровод (обычно кольцевой) с очень высокой магнитной проницаемостью, на котором имеется обмотка. Поскольку такой сердечник обладает высокой магнитной проницаемостью, то в моменты больших нагрузочных токов (пусковые токи электродвигателей, броски тока при включении трансформатора и др.) любые незначительные отклонения от симметричного расположения проводников внутри этого сердечника и близкое нахождение деталей из черных металлов (стальной оболочки, элементов шасси и др.) могут повлиять на равновесие (баланс) магнитных сил в сердечнике настолько, что произойдет ошибочное срабатывание такого УЗО. Если не принять специальных мер, то соотношение дифференциального отключающего тока IAn и максимального фазного тока Iph обычно составляет менее 1/1000. Это предельное соотношение можно значительно увеличить (т.е. загрубить чувствительность) посредством принятия мер, показанных на рис. F74 и обобщенных на рис. F75.
Меры | Диаметр, мм | Коэффициент снижения чувств. |
Тщательное центрирование кабелей внутри кольц.сердечника |
| 3 |
Увеличение номинального размера кольцевого сердечника | 0 50 > 0 100 | 2 |
0 80 > 0 200 | 2 | |
0 120 > 0 200 | 6 | |
Использование защитной гильзы из стали или мягкого железа с толщиной стенки 0,5 мм длинои, равной двойному внутреннему диаметру кольцевого сердечника | 0 50 | 4 |
0 80 | 3 | |
0 120 | 3 | |
0 200 | 2 |
Эти меры могут применяться комбинированно. За счет тщательного центрирования кабелей внутри кольцевого сердечника диаметром 200 мм (при том что 50-мм сердечник был бы достаточно большим), и применения гильзы можно довести это соотношение до 1/30000.
Рис. F7l. Способы снижения величины соотношения I?n/Iph (max.)
Выбор характеристик автоматического выключателя дифференциального тока (IEC 61008)
Номинальный ток
Номинальный ток автоматического выключателя дифференциального тока (АВДТ) выбирается в зависимости от максимального установившегося тока нагрузки.
Если АВДТ соединен последовательно с автоматическим выключателем расположенным ниже его по цепи, то номинальный ток обоих выключателей будет одинаковым, т.е. In = In1(1) (рис. F76a)
Если данный АВДТ установлен перед группой цепей, защищенных автоматическими выключателями (как показано на рис. F76b), то номинальный ток срабатывания АВДТ будет определяться выражением:
In u ku x ks (In1 + In2 + In3 + In4)
Рис. F7t. Автоматические выключатели дифференциального тока
Требования к электродинамической устойчивости контактов
Защита от коротких замыканий должна обеспечиваться устройством защиты от коротких замыканий (УЗКЗ), расположенным выше по цепи. Вместе с тем, если АВДТ установлен в том же распределительном щитке (в соответствии со стандартами), что и автоматические выключатели (или плавкие предохранители), расположенные ниже по цепи, то защита отходящих цепей от коротких замыканий, обеспечиваемая этими устройствами, считается тоже приемлемой. Необходимо согласование рабочих характеристик АВДТ и УЗКЗ, и изготовителями обычно предлагаются таблицы, связывающие АВДТ с автоматическими выключателями или плавкими предохранителями (рис. F77).
Согласование характеристик автоматических выключателей и АВДТ - максимальный эффективный ток Isc в кА
Вышерасположенный автомат. выключатель | DT40 | DT40N | C60N | C60H | C60L | C120N | C120H | NG125N | NG125H |
Нижерасполо- 2P I 20A | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 3 | 4.5 | 4.5 | 4.5 |
женный АВДТ 230V IN-A 40A | 6 | 10 | 20 | 30 | 30 | 10 | 10 | 15 | 15 |
IN-A 63A | 6 | 10 | 20 | 30 | 30 | 10 | 10 | 15 | 15 |
I 100A |
|
|
|
|
| 15 | 15 | 15 | 15 |
4P I 20A | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 2 | 3 | 3 | 3 |
400V IN-A 40A | 6 | 10 | 10 | 15 | 15 | 7 | 7 | 15 | 15 |
IN-A 63A | 6 | 10 | 10 | 15 | 15 | 7 | 7 | 15 | 15 |
NG 125NA |
|
|
|
|
| 10 | 16 | 25 | 50 |
Согласование характеристик плавких предохранителей и АВДТ - максимальный эффективный ток Isc в кА
Вышерасположенный автомат. выключатель Нижерасполо- 2P I 20A | 20A | 63A | 100A | 125A |
женный АВДТ 230V IN-A 40A |
| 30 | 20 |
|
IN-A 63A |
| 30 | 20 |
|
I 100A |
|
| 6 |
|
4P I 20A | 8 |
|
|
|
400V IN-A 40A |
| 30 | 20 |
|
IN-A 63A |
| 30 | 20 |
|
NG 125NA |
|
|
| 50 |
Рис. F7,. Типичная таблица согласованного применения автоматических выключателей дифференциального тока, автоматических выключателей и плавких предохранителей, предлагаемая фирмами-изготовителями (изделия торговой марки Merlin Gerin)
