Зависимость времени отключения УЗО

Лабораторная работа № 12

Оценка эффективности устройства защитного отключения

Цель работы

Оценить эффективность устройства защитного отключения (УЗО) реагирующего на дифференциальный ток (ток нулевой последовательности), в трёхфазных сетях промышленной частоты с заземлённой и изолированной нейтралями.

Содержание работы

1. Определить уставку УЗО. Сделать заключение об ее соответствии предельно допустимым значениям тока через человека по ГОСТ 12.1.038-82.

2. Оценить влияние сопротивлений изоляции фазных проводников на величину дифференциального тока (тока нулевой последовательности).

3. Оценить эффективность УЗО при защитном заземлении открытых проводящих частей (корпусов электрооборудования).

4. Сделать выводы об эффективности защитного отключения в сетях с заземлённой и изолированной нейтралями при прямом прикосновении, а также при косвенном прикосновении при наличии и отсутствии защитного заземления открытых проводящих частей электрооборудования.

Введение

Устройство защитного отключения представляет собой быстро­действующую защиту, предназначенную для автоматического отключе­ния защищаемого участка сети при возникновении на этом участке опасности поражения человека током.

Информацию об опасности поражения несет в себе параметр, являющийся входным сигналом для УЗО, которое срабатывает при превышении входным сигналом наперед заданного значения (уставки) и таким образом отключает защищаемый участок сети. В данной работе в качестве входного сигнала УЗО используется ток нулевой последовательности.

Следует отметить, что в настоящее время вместо терминов ток нулевой последовательности и трансформатор тока нулевой последовательности чаще употребляют термины дифференциальный ток и дифференциальный трансформатор тока соответственно. При этом под дифференциальным током понимают разность рабочих, токов питающих электроустановку или электроприёмник, обусловленную протеканием части рабочего тока (тока утечки):

- через человека при прикосновение его к фазному проводнику;

- через защитный проводник при повреждении изоляции электроприёмника;

- при снижении сопротивления изоляции.

Таким образом, термин дифференциальный ток распространяется на трёхфазные и однофазные сети и на любые условия вызвавшие протекание тока утечки вне рабочих проводниках.

В данной работе для анализа работы УЗО в однофазных цепях будет использоваться термин дифференциальный ток, как наиболее часто используемый в технической литературе и нормативных документах, например, ГОСТ Р 50807-95, ГОСТ Р 51362.1-99, ГОСТ Р 51327.1-99, а также в ПУЭ. В тоже время для анализа трёхфазных сетей при изменении сопротивлений изоляции отдельных участков сети будет использоваться термин «ток нулевой последовательности», как более соответствующий теоретическим основам электротехники в части анализа несимметричных режимов многофазных сетей.

УЗО, реагирующие на дифференциальный ток однофазных электроприёмников

В основе данных УЗО, лежит - исполь­зование в качестве датчика информации о возникновении опасных для человека ситуаций дифференциального трансформатора тока (ДТТ). В ДТТ первичной обмоткой являются проводники питающей линии, проходящие непосредственно через ок­но тороидального магнитопровода, либо образующие на нем несколько вит­ков. В последнем случае увеличивается значение тока, наводимого во вторич­ной обмотке, также намотанной на этот магнитопровод.

Действие УЗО, установленного на участке линии, питающей однофаз­ный электроприёмник, без защитного зануления показано на рис. 12.1,а. В нор­мальном режиме рабочие токи в фазном проводнике (I₂) и нулевом рабочем проводнике (I₁), протекая через первичные обмотки ДТТ, наводят противоположно направленные магнитные потоки (Ф₂) и (Ф₁). Поскольку в этом случае ток I₂ равен току I₁, то и магнитные потоки Ф₂ и Ф₁ будут равны и взаимно скомпенсированы, а ток во вторичной цепи ДТТ (I_вт) будет отсутствовать.

В случае прикосновения человека к фазе ток I2 будет разветвляться (т. А на рис. 12.1, б) на ток I1 и ток, протекающий через человека (I_h). Контур протекания тока Ih обозначен на рис. 12.1,а пунктиром. Поскольку при этом токи I₂ и I₁, а соответст­венно магнитные потоки Ф₂ и Ф₁ будут различаться, то во вторичной обмотке ДТТ появится ток I_вт, пропорциональный разностному (дифференциальному) току I∆:

(12.1)

Зная коэффициент трансформации kТ, можно поставить в соответствие ток через человека I_h, дифференциальный ток I∆ и ток во вторичной обмотке I_вт:

(12.2)

Для обеспечения безопасности человека, УЗО должно срабатывать при значении дифференциального тока, т.е. уставке, соответствующей протеканию через человека тока равного предельно допустимому значению. Эта функция в УЗО реализуется в блоке, осуществляющем сравнение фиксируемого с помощью ДТТ дифференциального тока со значением дифференциального тока срабатывания (уставкой). Блок сравнения (блок 2, рис. 12.1,а), выполняется на базе по­роговых электромеханических или электронных компонентов. В случае превышения порогового значения подается сигнал на отключающий механизм 3 (рис. 12.1,а), который разрывает электрическую цепь за время, не превышающее допустимое значение для ожидаемого тока через человека. При этом время отключения (Т_откл) должно соответствовать предельно допустимым значениям тока, проходящего через человека по ГОСТ 12.1.038-82 (см. табл.1.2 к лабораторной работе №1).

Таким образом, в приведенном примере обеспечивается безопасность человека при прямом прикосновении к токоведущим частям. При такой схеме электропитания однофазных электроприёмников (на рис. 12.1 показана система TN-C, в которой нулевой защитный проводник не подсоединен к корпусу) не обеспечивается защита при повреждении изоляции, а также при коротких замыка­ниях на корпус электроприёмника. В этом случае УЗО не работает, как превентивная мера защиты, т.е. без прикосновения человека, поскольку отсутствует ток утечки. Если человек не касается фазного проводника или электроприёмника с поврежденной изоляцией, то это равносильно отсутствию сопротивлению Rh в схеме на рис. 12.1, б. Следовательно, токи I₁ и I₂, магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ будут равны между собой и ток во вторичной обмотке ДТТ будет отсутствовать. Поэтому для питания однофазных электро­приёмников в жилых и общественных зданиях следует использовать трёхпроводные линии: фазный, нулевой рабочий проводник и нулевой защитный проводник (система TN-C-S и TN-S, рис. 12.2,а).

TN-C

А) б)

Рис. 12.1. Действие устройства защитного отключения в случае прикосновения человека к фазному проводнику (, , _h - сопротивления заземлителя нейтрали, нагрузки, тела человека, соответственно; Ф_{1 и} Ф₂ – магнитные потоки в сердечнике, наводимые токами I_{1 и} I₂ соответственно):

а) принципиальная схема УЗО (1 - дифференциальный трансформатор тока c тороидальным магнитопроводом; 2 - блок сравнения дифференциального тока с уставкой; 3 - отключающий механизм);

б) эквивалентная схема сети, где установлено устройство защитного отключения, при прикосновении человека к поврежденному электроприёмнику ()

TN-S

А) б)

Рис. 12.2. Действие устройства защитного отключения при подключении корпуса к РЕ-проводнику: а) принципиальная схема УЗО (1 - дифференциальный трансформатор тока c тороидальным магнитопроводом; 2 - блок сравнения дифференциального тока с уставкой; 3 - отключающий механизм); б) эквивалентная схема работы устройства защитного отключения при подсоединении корпуса электроприёмника к РЕ-проводнику ()

 

Как следует из рис. 12.2, а, при соединении корпуса электроприёмника с нулевым защитным РЕ-проводником, ток короткого замыкания или ток утечки будет протекать по РЕ-проводнику в «обход» дифференциального трансформатора тока (ДТТ). Поскольку ( т. А на рис. 12.2,б), то токи и не будут равны и во вторичной обмотке ДТТ появится ток, который вызовет срабатывание УЗО.

Для контроля работоспособности УЗО создается обходной, относительно ДТТ, контур тока, включающий кнопку «Тест» и токоограничивающее сопротивление R (рис.12.3).

УЗО характеризуется следующими параметрами:

1. Номинальный ток нагрузки (I_n) – значение тока, которое УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы.

2. Номинальный отключающий дифференциальный ток (I_∆n) – значение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

3. Номинальный неотключающий дифференциальный ток (I_∆n0) – значение дифференциального тока, которое не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации.

4. Включающая и отключающая способность (коммутационная способность) (I_m) – действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно включить, пропускать в течение своего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности.

5. Номинальный условный ток короткого замыкания, характеризующий термическую и электродинамическую стойкость изделия (I_nc) – действующее значение ожидаемого тока, которое способно выдержать УЗО защищаемое устройством защиты от коротких замыканий, т.е. плавкой вставкой с номинальным током, равным току нагрузки УЗО.

6. Время отключения (T_n) – промежуток времени между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом выполнения функции данного устройства до полного гашения дуги.

Стандартные значения максимально допустимого времени отключения УЗО типа АС при любом номинальном токе нагрузки и заданных нормами значениях дифференциального тока не должны превышать приведенных в табл.12.1. Практически, современные УЗО срабатывают за время не более 30 мс.

Таблица 12.1

Зависимость времени отключения УЗО

от кратности дифференциального тока

Время отключения , с
	2	5	500А
0,3	0,15	0,04	0,04

 

УЗО используется как для однофазных электроприёмников (двухполюсные УЗО), так и для трёхфазных электроприёмников (четырёхполюсные УЗО) На рис. 12.3 показаны электрические схемы УЗО с условными обозначениями основных функциональных блоков УЗО.

а) б)

Рис. 12.3 Электрические схемы устройств защитного отключения

а – двухполюсное УЗО; б - четырёхполюсное УЗО; I-дифференциальный трансформатор тока; II-блок сравнения дифференциального тока с уставкой; III- блок отключения; Т – кнопка тестирования работоспособности УЗО; R –сопротивление в цепи тестирования

 

Принципиальные электрические схемы наносятся на лицевую панель УЗО.