Защита от замыкания на землю

Техническая коллекция Schneider Electric

Роль защиты от замыкания на землю

1.1. Безопасность и эксплуатационная готовность

К электрораспределительной системе предъявляются следующие требования: безопасность;
эксплуатационная готовность.
Эти требования учтены в стандартах установки, определяющих: технологию использования; применение специальных защитных устройств для предотвращения повреждений изоляции.
Одновременный учет этих требований позволяет оптимизировать технические решения.

Для пользователя электроснабжение должно быть: безопасным (для людей и имущества); непрерывным (бесперебойное электроснабжение).
Эти требования учитываются:
в плане безопасности: в технических решениях, позволяющих избегать опасностей, связанных с замыканием на землю. Речь идет о следующих ситуациях:

1. опасные воздействия электрического тока на людей (вплоть до поражения электрическим током);
2. повреждения электроприемников и опасность возгорания; Возможностью возникновения замыканий на землю нельзя пренебрегать. Безопасность электроустановки обеспечивается:
3. путем соблюдения стандартов;
4. путем применения защитных устройств согласно стандартам на оборудование (в частности, стандартом МЭК 60 497).

в отношении непрерывности электроснабжения: в выборе подходящих решений.
Координация защитных устройств является ключевым фактором в достижении этих целей.

1.2. Безопасность и стандарты установки

Стандарт МЭК 60 364 определяет 3 типа заземления системы (ТЗС): система TN; система ТТ; система IT.
TC3 характеризуется следующим:
последствия повреждения изоляции различаются в зависимости от типа системы:

1. повреждение опасно или безопасно для людей;
2. сильный или слабый ток замыкания; если повреждение опасно, оно должно быть устранено быстро;
   РЕ является защитным проводником.
   Система TT в сочетании с защитными устройствами по дифференциальному току (устройствами защитного отключения УЗО) уменьшает риск возгорания.
   В стандартах установки определены следующие основополагающие принципы защиты людей от опасности поражения электрическим током:
   заземление корпусов электроприемников;
   уравнивание потенциалов открытых токопроводящих частей, доступных для прикосновения одновременно, с целью устранения напряжения прикосновения;
   автоматическое отключение электропитания в случае появления опасного напряжения или тока при замыкании на землю.
   1.2.1. Стандарт МЭК 60 364
   С 1997 года стандарт МЭК 364 обозначается как 60 364, однако его содержание остается полностью идентичным.

1.2.1.1. Типы заземления системы (ТЗС)


3. В параграфах 3-31 и 4-41 стандарта МЭК 60 364 определены и описаны 3 основных типа схем заземления системы (ТЗС). Философия стандарта МЭК заключается в учёте значения напряжения прикосновения Unp., создаваемого замыканием на землю в каждой из систем.
   1/ Схема TN-C и TN-S характеристики:

1. замыкание на землю создает опасное напряжение косвенного прикосновения: его необходимо немедленно устранить;
2. замыкание на корпус эквивалентно короткому замыканию между фазой и нейтралью (In = несколько кА);
3. ток повреждения возвращается по проводу РЕ. Поэтому значение сопротивления петли "фаза-ноль" должно контролироваться.

Защита людей от косвенных прикосновений обеспечивается устройствами защиты от короткого замыкания (УЗКЗ). Если сопротивление слишком велико, и ток повреждения не вызывает срабатывания этих защит, возможно следует использовать защитные устройства по дифференциальному току (УЗО) с низкой чувствительностью (НЧ >1 А).
Защита оборудования не обеспечивается "естественным" образом.
Ток замыкания на землю достигает больших величин.
Из-за малого сопротивления цепи - нейтрали трансформатора возможно
прохождение блуждающих токов (неопасны).
В схеме TN-S использование УЗО позволяет снизить опасность:

1. повреждения оборудования (УЗО до 30 А);
2. возгорания (УЗО на 300 мА).

Иногда для устранения подобной опасности рекомендуется (и даже предписывается в обязательном порядке) применять схему ТТ.

Рис. 1а - Схема TN-S                                     Рис. 16 - Схема TN-C

2/ Схема ТТ
характеристики:

1. замыкание на землю создает опасное напряжение косвенного прикосновения: его необходимо немедленно устранить;
2. ток замыкания ограничен сопротивлением заземления и обычно значительно ниже уставок устройств УЗКЗ (In = несколько А).

Защита людей от косвенных прикосновений обеспечивается устройством УЗО средней или низкой чувствительности. УЗО отключает оборудование, как только напряжение прикосновения, вызванное током замыкания, превысит напряжение безопасности UI.
Защита имущества обеспечивается значительным естественным сопротивлением (несколько Ом) петли повреждения. Применение УЗО на 300 мА уменьшает опасность возгорания.
31 Схема IT
характеристики:

1. при первом замыкании (In ^ 1 А) напряжение косвенного прикосновения остается на неопасном уровне, и электроустановка может продолжать функционировать;
2. однако следует определить место этого замыкания и устранить его;
3. наличие первого замыкания сигнализируется устройством контроля изоляции (УКИ).

Защита людей от косвенных прикосновений обеспечивается естественным образом (напряжение косвенного прикосновения отсутствует).

Рис. 2 - Схема ТТ
Рис. 3 - Схема IT
Защита оборудования обеспечивается за счет значительного сопротивления петли повреждения. Ток повреждения почти равен нулю. Если второе замыкание возникает до устранения первого, оно сопровождается большим током и быстро отключается с помощью УЗКЗ.

1.2.1.2. Защита при помощи УЗО

Схема ТТ требует применения УЗО с чувствительностью от 300 мА до 30 А. Схема TN или IT с проводом РЕ не требует дополнительной защиты при помощи УЗО.
Исходя из этого, УЗО обеспечивает защиту следующих типов:
высокой чувствительности (ВЧ) - защита людей и предотвращение возгорания (30 мА / 300 мА);
низкой чувствительности (НЧ) до 30 А: защита оборудования. Так как измеряемые токи малы, такая защита может быть выполнена при помощи трансформаторов тока нулевой последовательности (торов), охватывающих все токоведущие провода.

Рис. 4а

Координация УЗО

Координация дифференциальных функций УЗО реализуется путём селективности и/или селекции цепей.

1) Селективность заключается в обеспечении срабатывания только той дифференциальной защиты, которая находится непосредственно над повреждением. В зависимости от электроустановки эта селективность может быть трех- или четырехступенчатая; её также называют "вертикальной селективностью". Она должна быть одновременно токовой и временной.
Токовая селективность
Уставка тока утечки вышестоящего аппарата должна быть по крайней мере в два раза выше, чем у нижестоящего аппарата.
Стандарты на изделия МЭК 60755 и МЭК 60947-2 (Приложение Б) оговаривают:
I несрабатывание УЗО при токе повреждения, равном 50 % значения уставки;
I срабатывание УЗО при токе повреждения, равном 100 % значения уставки;
I унифицированные значения уставок (30, 100, 300 мА и 1 А).

Временная селективность

Устройства УЗО не имеют избирательности по времени отключения тока повреждения. Соответственно, вышестоящее УЗО должно иметь задержку срабатывания, позволяющую нижестоящему УЗО самостоятельно устранить повреждение. При регулировке выдержки времени вышестоящего УЗО необходимо: С учитывать время размыкания цепи нижестоящим УЗО; С не превышать время срабатывания, обеспечивающее защиту людей.

2) Горизонтальная селективность заключается в разделении цепей и установке УЗО на каждую цепь (или группу цепей). Горизонтальная селективность позволяет отказаться от установки УЗО на вводе электроустановки.

1.2.2. Национальный электрический кодекс Франции (НЭК)

1.2.2.1. Применение НЭК

Национальный электрический кодекс Франции (НЭК) определяет ТЗС типа TN-S:

нулевой рабочий проводник не разорван; проводник РЕ реализован посредством кабельных лотков. Для обеспечения защиты имущества и предотвращения опасности возгорания электроустановки, собранной по этой схеме, НЭК опирается на технологию применения УЗО с очень низкой чувствительностью, называемых ЗЗЗ.
Устройство защиты от замыкания на землю должно быть отрегулировано следующим образом:
максимальный (асимптотический) порог на 1200 А;
время срабатывания менее 1 с при повреждении 3000 А (регулировка времятоковой характеристики).

Рис. 6 - Схема НЭК


В § 250-5 НЭК определены ТЗС типа TN-S и IT, при этом схема IT предназначается для промышленных объектов или особых объектов непроизводственной сферы (больницы). Соответственно схема TN-S чаще всего используется в быту.
основные характеристики схемы TN-S: С нулевой рабочий проводник никогда не разрывается;
С РЕ реализован посредством соединения корпусов оборудования и металлических частей кабельных лотков, то есть обычно РЕ не представляет собой провод; С силовые провода могут быть проложены в металлических трубах, используемых в качестве РЕ;
С нейтраль распределительной сети заземлена только в одной точке; - обычно это точка заземления нейтрали низковольтного трансформатора (см. 250-5 и -21);
С замыкание на землю вызывает появление тока короткого замыкания.
Во Франции в городских сетях чаще всего используется схема ТТ.

Защита людей от косвенных прикосновений обеспечивается:
устройствами УЗКЗ в силовой распределительной системе, так как повреждение изоляции приравнивается к короткому замыканию;
высокочувствительными УЗО (IДп = 10 мА) на уровне электроприемника.
Относительно защиты оборудования, исследования показали, что без принятия специальных мер общие издержки выражаются в миллионах долларов в год, что объясняется: возможностью прохождения сильных блуждающих токов; сложностью контроля за сопротивлением петли "фаза-ноль".
Поэтому, согласно НЭК, считается, что опасность возгорания велика. В § 230 НЭК определена технология защиты от риска возникновения пожара на основе использования УЗО с очень низкой чувствительностью. Эта технология называется "Защита от замыкания на землю" (ЗЗЗ). Соответствующее защитное устройство нередко также обозначается сокращением "ЗЗЗ".
§ 230.95 НЭК требует применения устройства ЗЗЗ по крайней мере на вводе низковольтной электроустановки, если:

1. нейтраль глухо заземлена;
2. 150 В < фазное напряжение < 600 В;
3. Iном головного аппарата >1000 А;

устройство защиты от замыкания на землю должно быть выбрано по следующим параметрам:

1. максимальный (асимптотический) порог на 1200 А;
2. время срабатывания менее 1 с при токе повреждения 3000 А (регулировка времятоковой характеристики).

Хотя НЭК устанавливает максимальный порог на 1200 А,при этом возможна:
регулировка от 300 до 400 А (использование на отходящей линии на стороне нагрузки устройства ЗЗЗ, отрегулированного (уставки тока и времени) согласно правилам селективности, изложенным в п. 2.2.);
отступления от правил использования ЗЗЗ допускаются:

1. если бесперебойность работы является главным требованием, и есть хорошо обученный обслуживающий персонал;
2. на аварийных генераторных установках;
3. для цепей противопожарной системы.

1.2.2.2. Типы защиты от замыкания на землю

ЗЗЗ согласно § 230.95 НЭК
Функции ЗЗЗ обычно выполняются УЗКЗ (автоматическим выключателем).
В зависимости от используемого измерительного устройства возможны три типа ЗЗЗ:
"разностный ток" РТ ("векторная сумма токов" РТ); Ток замыкания на землю определяется путём векторного сложения токов вторичных обмоток измерительных ТТ*.
*ТТ на нулевом рабочем проводе часто является внешним по отношению к выключателю.

Рис. 7а - Схема РТ
"возврат тока по заземлителю" ВТЗ; Ток замыкания на землю измеряется в цепи "нейтраль-заземлитель" низковольтного трансформатора. ТТ является внешним по отношению к выключателю.

Рис. 76 - Схема ВТЗ
"ток нулевой последовательности" ТНП; Ток замыкания на землю измеряется непосредственно ТТ нулевой последовательности (ТТНП) путем векторного сложения токов в рабочих проводниках. Этот тип ЗЗЗ применяется только при малом токе повреждения.

Рис. 7в - Схема ТНП

1.2.2.3. Применение устройств защиты от замыкания на землю в электроустановке

Устройства защиты от замыкания на землю используются для защиты от опасности возгорания.

◊ Возможно ♦ Рекомендуется или обязательно

1.3. Роль и функции защиты от замыкания на землю

Для обеспечения защиты от возгорания:
НЭК определяет применение УЗО с очень низкой чувствительностью, называемых ЗЗЗ;
в стандарте МЭК 60 364 используются характеристики схемы ТТ с низко- или высокочувствительными УЗО.
Действие этих защит основано на принципе измерения тока повреждения
при помощи:
датчика, чувствительного к току нулевой последовательности или разностному току (току замыкания на землю);
измерительного реле, сравнивающего этот ток с уставкой;
исполнительного устройства, посылающего команду на отключение органу отключения контролируемой цепи в случае превышения уставки.

Согласно Национальному электрическому кодексу Франции (НЭК) этот тип защиты призван обеспечивать противопожарную безопасность силовых электроустановок.

1.3.1. Схемы соединения с землей

Стандарт МЭК:
использует характеристики ТЗС для управления уровнем токов повреждения;
рекомендует лишь те устройства для измерения токов повреждения, которые имеют очень низкие уставки тока (УЗО с уставкой обычно < 500 мА). НЭК:
определяет схему TN-S и схему IT;
в схеме TN-S рекомендует устройства защиты от токов повреждения с повышенными уставками (ЗЗЗ с уставкой обычно > 500 А).

◊ Редко используется ◊◊ Используется ◊◊◊ Часто используется

1.3.2. УЗО и ЗЗЗ

Ток замыкания на землю может:
либо вызвать срабатывание устройств защиты от короткого замыкания (УЗКЗ), если он идентичен току короткого замыкания;
либо вызвать автоматическое размыкание цепей при помощи особых аппаратов:

1. называемых УЗО, если высокой (30 мА) или низкой чувствительности (до 30 А);
2. называемых ЗЗЗ, если уставки соответствуют очень низкой чувствительности (> 100 А).