Принцип действия УЗО в трёхфазных сетях

Принцип действия УЗО для трёхфазных электроприёмников точно такой же, как и для однофазных электроприёмников. Только в них тороидальный магнитопровод охватывает три фазных проводника, а при необходимости и нулевой рабочий проводник, например, в сетях с глухозаземлённой нейтралью. Для этого используются четырёхполюсные УЗО.

При этом УЗО любого типа включает в себя датчик входного сигнала,

пороговый элемент и исполнительный механизм, отключающий электроустановку. В настоящей работе исследуется эффективность УЗО, реагирующего на ток нулевой последовательности - векторную сумму фазных токов утечки на землю.

Примечание. При условии, что нагрузка соединена по схеме "звезда"или "треугольник" и не имеет электрической связи с землей, векторная сумма рабочих токов (токов, текущих через нагрузку в нормальном режиме) всегда равна нулю.

УЗО этого типа могут применяться в сетях напряжением 127, 220, 380, 500, 660 В независимо от режима нейтрали, однако наиболее эффективно их использование в сетях глухозаземлённой нейтралью.

На рис 12.4 приведена схема сети с таким УЗО, где обозначено:

Э –электроустановка или электроприёмник;

U - фазное напряжение;

, , - проводимости фазных проводников сети относительно

земли вне зоны защиты УЗО;

, , - проводимости фазных проводников сети относительно земли в зоне защиты УЗО.

Y_о - проводимость нейтральной (нулевой) точки источника

питания сети относительно земли;

- общая проводимость тела человека, обуви, пола;

, , - комплексные значения токов утечки вне зоны защиты;

, , - комплексные значения токов утечки в зоне, защиты;

- комплексное значение тока, протекающего через проводимость ;

- комплексное значение тока, протекающего через че­ловека, прикоснувшегося к фазе Iв зоне защиты УЗО.

 

Рис. 12.4. Схема для расчета уставки

 

При этом:

; ; ;

; ; ;

; ; ;

где:

, , - активные сопротивления изоляции фазных проводни­ков сети вне зоны защиты УЗО;

, , - емкости этих проводников относительно земли;

, , - активные сопротивления изоляции фазных проводников

сети в зоне защиты УЗО;

, , - емкости этих проводников относительно земли;

- активное сопротивление заземления нейтрали;

- сопротивление тела человека;

- переходное сопротивление между человеком и землей

(обуви, пола и т.п.);

- сопротивление току, протекающему через человека включающего сопротивление тела человека и переходное сопротивление.

Емкости фазных проводников относительно земли примерно одинаковы, а в зоне защиты, поскольку, как правило, она невелика, они к тому же еще и малы, то есть = = =0.

Поэтому можно считать, что ; ; .

В исправной трёхфазной сети при равенстве (симметрии) проводимостей фазных проводников относительно земли векторная сумма фаз­ных токов равна нулю. При нарушении указанных условий эта сумма становится отличной от нуля - возникает суммарный ток несимметрии , являющийся током нулевой последовательности.

Действующее значение тока на защищаемом участке служит входным сигналом для датчика УЗО - трансформатора тока ну­левой последовательности (ТТНП). Значение тока сравнивается с уставкой в усилителе-преобразователе, который при выдает управляющий сигнал на исполнительный орган УЗО для отключения защищаемого участка от сети.

Трансформатор ТТНП имеет тороидальный магнитопровод, на котором намотана вторичная обмотка, подключенная к входному сопротивлению усилителя-преобразователя. Первичными обмотками трансформатора служат фазные проводники, пропущенные через окно магнитопровода. Если сеть трёхфазная четырёхпроводная (с нулевым проводником) и если при этом наряду с трёхфазной имеется и однофазная, например, осветительная нагрузка, то через окно магнитопровода пропускается также и нулевой рабочий проводник.

В качестве пускового органа используется магнитоэлектрическое реле или электронный усилитель, имеющий релейную характеристику.

В качестве исполнительного органа используется контактная группа УЗО. В отдельных случаях для отключения применяют контакторы, магнитные пускатели и другие коммутирующие аппараты.

УЗО рассматриваемого типа будет срабатывать при неравенстве проводимостей фазных проводников относительно земли в зоне защиты, которое может возникнуть:

1. В случае неравенства изоляции фазных проводников;

2. При прикосновении человека к любому фазному проводнику или корпусу изолированного от земли оборудования, на который замкнулся фазный проводник;

3. В случае замыкания любого фазного проводника на землю или на корпус заземлённого оборудования.

Кроме того, УЗО срабатывает при замыкании фазного проводника на занулённый корпус электроустановки, а также при сочетании указанных причин.

Естественно, во всех перечисленных случаях должно выполняться условие .

Основная задача УЗО - обеспечить безопасность человека при прикосновении к одной фазе или к корпусу электроустановки, оказавшемуся под опасным напряжением. Это достигается за счет быстродействия УЗО и соответствующего значения уставки.

Таким образом, время срабатывания и уставка являются основными характеристиками УЗО.

При прикосновении к одной фазе защита считается эффектив­ной, если УЗО срабатывает за время, в течение которого ток через человека не превышает значение допустимого тока, соответствующего ГОСТ 12.1.038-82

(см. табл. 1.2 к лабораторной работе №1)

Для исправной сети в случае прикосновения человека к фазе I в соответствии с первым законом Кирхгофа (см.рис.12.4).

Обозначив , получим

Из схемы (рис.12.4) видно, что ТТНП будет реагировать только на токи утечки в зоне защиты. Следовательно, УЗО, реагирующее на ток нулевой последовательности, является селективной защитой. При этом входной сигнал будет равен векторной сумме токов утечки в зоне защиты и тока через тело человека, т.е.

(12.3)

Ток в нагрузке ТТНП будет равен

(12.4)

где - коэффициент трансформации ТТНП.

Аналитическое выражение (12.3) подтверждает, что при равенстве токов утечки в зоне защиты до прикосновения человека к фазе ( ) входной сигнал УЗО будет равен нулю ( = 0 ). После прикосновения человека к фазе входной сигнал УЗО будет определяться протекающим через человека током. При пофазном неравенстве токов утечки входной сигнал в случае прикосновения человека к разным фазам будет различным. При большой пофазной разнице токов утечки входной сигнал может превысить уставку и вызвать срабатывание УЗО без прикосновения человека к фазе.

На основании первого закона Кирхгофа с учетом выражений (12.3) и (12.4) запишем:

(12.5)

Выразив токи, входящие в это выражение, через напряжения и проводимости для сети, где и ,

получим

(12.6)

Из выражения (12.4) видно, что входной сигнал зависит от соотношения проводимостей .

В сети с изолированной нейтралью, где (с учётом выражения 12.4).

(12.7)

Из выражения (12.7) видно, что в сети с изолированной нейтралью уставка должна выбираться в зависимости от соотношения проводимостей и , то есть в зависимости от места расположения датчика вдоль сети. Если датчик будет установлен у источника питания, где , то входной сигнал будет равен нулю при любых значениях тока через человека. Следовательно, устройство этого типа в сети с изолированной нейтралью может применяться только для защиты отдельных ее участков.

В сети с заземлённой нейтралью, где

Из этого выражения видно, что в сети с заземлённой нейтралью входной сигнал УЗО не зависит от места установки датчика. Следовательно, устройство может применяться как для защиты всей сети, так и отдельных ее участков. Уставка при этом должна иметь значение, соответствующее длительно допустимому току через человека.

Время срабатывания УЗО определяется функцией , где T время (с) воздействия электрического тока на человека. Для токов промышленной частоты (50 Гц) эта зависимость задана таблицей в ГОСТ 12.1.038-82 (см. табл. 1.2 к лабораторной работе №1).

Защита считается эффективной, если УЗО срабатывает за время, в течение которого для человека допустим максимально воз­можный в данной сети ток. Максимальный ток через человека в сети (с учетом условия поражения) зависит от напряжения сети и режима ее нейтрали.

В сети с изолированной нейтралью при однополюсном прикосно­вении в аварийном режиме (см. рис.2.3 к лабораторной работе №2):

,

в сети с заземлённой нейтралью

 

,

где – сопротивление тела человека (расчетное значение 1000 Ом).

Если времясрабатывания УЗО выбрано по максимально возможному в данной сети току через человека, то для любых других значений время срабатывания защиты будет также соответствовать требованиям электробезопас­ности.

Таким образом, если уставка УЗО выбрана по длительно допустимому току через человека, а время срабатывания по максимально возможному в данной сети току через человека, то при любых значениях тока нулевой последовательности превышающих уставку будут обеспечены требования электробезопасности.