ЗАЩИТНОЕ ОТКЛЮЧЕНИЕ

Защитное отключение предназначено для быстрого и автоматического отключения поврежденной электрической установки в случаях замыкания фазы на корпус, снижения сопротивления изоляции проводников или при замыкании человека на токопроводящие элементы.

Область применения устройства защитного отключения (УЗО) практически не ограничена: они могут применятся в сетях любого напряжения и с любым режимом нейтрали. Наибольшее распространение УЗО получили в сетях напряжением до 1000 В на установках с высокой степенью опасности, где применение защитного заземления или зануления затруднено по техническим или другим причинам, например, на испытательных или лабораторных стендах.

К преимуществам УЗО относятся: простота схемы, высокая надежность, высокое быстродействие (время срабатывания t = 0,02¸0,05 с), высокая чувствительность и селективность.

По принципу действия УЗО различаются следующим образом:

- Прямого действия:

1. УЗО, реагирующее на напряжение корпуса U_к;

2. УЗО, реагирующее на ток корпуса I_к.

- Непрямого действия:

3. УЗО, реагирующее на несимметрию фазных напряжений – напряжение нулевой последовательности Uо;

4. УЗО, реагирующее на несимметрию фазных токов – тока нулевой последовательности I_о;

5. УЗО, реагирующее на оперативный ток I_оп.

Рассмотрим перечисленные типы устройств защитного отключения.

1. УЗО, реагирующее на напряжение корпуса.

Работа схемы УЗО, представленной на рис. 7.29, осуществляется следующим образом.

Запуск в работу ЭУ производится нажатием на кнопку «ПУСК» с нормально открытыми контактами. При этом отключающая катушка ОК, получив питание от фазных проводников 2 и 3, сжимая пружину Р и втягивая шток, замыкает все четыре контакта магнитного пускателя МП. Кнопка «ПУСК» отпускается, а дальнейшее питание ОК при работающей ЭУ осуществляется по линии самоподпитки ЛС через контакт МК. При замыкании фазного проводника, например проводника 2, на корпус ЭУ через реле напряжения РН, установленное на линии дополнительного заземления (r_g), потечет ток. При этом нормально закрытые контакты реле напряжения РН разомкнутся, катушки ОК обесточатся и при помощи механической пружины Р произойдет размыкание контактов магнитного пускателя МП и отключение поврежденной установки от сети. Устраняется опасность поражения обслуживающего персонала электротоком. Для проверки работоспособности схемы УЗО производится операция самоконтроля на холостом ходу работы электроустановки. При нажатии кнопки КС, соединенной с фазным проводником 1 и линией защитного заземления через сопротивление R_с, корпус ЭУ окажется под напряжением. При исправном состоянии и отсутствии дефектов в схеме УЗО произойдет отключение всей установки, как описано выше. При помощи линии самоподпитки ЛС с дополнительным механическим контактом МК схема УЗО, представленная на рис. 7.29, позволяет осуществлять нулевую защиту – защиту от самозапуска электроустановки

Рис. 7.28. Принципиальная схема устройства защитного отключения,
реагирующего на потенциал корпуса:

МП - магнитный пускатель; ОК - отключающая катушка с пружиной Р; РН - реле напряжения с нормально закрытыми контактами РН; r₃ - сопротивление основного защитного заземления; r_g - сопротивление дополнительного заземления; ЛС - линия самоподпитки; МК - дополнительный механический контакт; П - кнопка «ПУСК»; С - кнопка «СТОП»; КС - кнопка «САМОКОНТРОЛЬ»; R_c - сопротивление самоконтроля; a₁, a₂ - коэффициенты прикосновения основного и дополнительного заземлений

Выбор напряжения срабатывания УЗО, реагирующего на напряжение корпуса, производится по формуле:

( 7.25)

где U_пр^доп – допустимое напряжение прикосновения, принимаемое равным 36 В при продолжительности воздействия тока на человека 3¸10 с. (табл. 7.2); R_p, X_L – активное и индуктивное сопротивления РН; a₁, a₂ – коэффициенты прикосновения соответствующих заземлителей; r_g – сопротивление дополнительного заземления.

Расчет по формуле (7.25) сводится к определению величины r_g при этом напряжение срабатывания схемы УЗО должно быть меньше напряжения прикосновения, т.е. U_ср < U_пр.

2. УЗО, реагирующее на ток корпуса.

Принцип действия схемы устройства защитного отключения, реагирующего на ток корпуса, аналогичен действию схемы УЗО, срабатывающей по напряжению корпуса, описанному выше. Данная схема не требует установки дополнительного заземления. Вместо реле напряжения РН устанавливается реле тока РТ на линии основного защитного заземления. Другие устройства и элементы схемы остаются без изменения, как на рис. 7.20. Выбор тока срабатывания I_ср УЗО, реагирующего на ток корпуса ЭУ, производится по формуле:

I_ср = (7.26)

где Z_рт – полное сопротивление реле тока, r₃ – сопротивление защитного заземления; U – допустимое напряжение прикосновения (7.25).

3. УЗО, реагирующее на несимметрию фазных напряжений.

Рис. 7.30. Принципиальная схема устройства защитного отключения,
реагирующего на несимметрию фазных напряжений:

а - фильтр нулевой последовательности с общей точкой 1; РН - реле напряжения;
Z₁, Z₂, Z₃ - полные сопротивления фазных проводников 1, 2 и 3; r_зм1, r_зм2 - сопротивления
замыкания фазных проводников 1 и 2 на землю; U_о =φ₁- φ₂ – напряжение нулевой последовательности (φ₁ - потенциал в точке 1, φ₂- потенциал в точке 2)

Датчиком в данной схеме УЗО служит фильтр нулевой последовательности, состоящий из конденсаторов, соединенных в звезду.

Рассмотрим действие схемы УЗО, представленной на рис. 7.30.

Если сопротивления фазных проводников относительно земли будут равны между собой, т.е. Z₁= Z₂ = Z₃ = Z, то напряжение нулевой последовательности равно нулю, U_о = φ₁- φ₂ = 0. При этом данная схема УЗО не действует.

Если произойдет симметричное уменьшение сопротивлений фазных проводников на величину n > 1, т.е. , то напряжение U_о также будет равно нулю и УЗО не сработает.

Если произойдет несимметричное ухудшение изоляции фазных проводников Z₁ ¹ Z₂ ¹ Z₃, то в этом случае напряжение нулевой последовательности превысит напряжение срабатывания схемы и устройство защитного отключения отключит сеть, U_о > U_ср.

Если произойдет замыкание на землю одного фазного проводника, то при малом значении сопротивления замыкание r_зм1 напряжение нулевой последовательности будет близким к фазному напряжению, U_ф > U_ср, что приведет к срабатыванию защитного отключения.

Если произойдет замыкание на землю двух проводников одновременно, то при малых значениях r_зм1 и r_зм2 напряжение нулевой последовательности будет близким к величине , что также приведет к отключению сети. Таким образом, к преимуществам схемы УЗО, реагирующей на напряжение U_о, относятся:

- надежность срабатывания схемы при несимметричном ухудшении изоляции фазных проводников;

- надежность срабатывания при одно- или двухфазном замыкании проводников на землю.

Недостатками данной схемы УЗО является абсолютная нечувствительность при симметричном ухудшении сопротивления изоляции фазных проводников и отсутствие самоконтроля в схеме, что снижает безопасность обслуживания электрических систем и установок.

4. УЗО, реагирующее на несимметрию фазных токов

а) б)

Рис. 7.31. Принципиальная схема устройства защитного отключения,
реагирующего на несимметрию фазных токов:

а - схема трансформатора тока нулевой последовательности ТТНП; б - I₁, I₂, I₃ - токи фазных проводников 1, 2, 3; РТ - реле тока; ОК - отключающая катушка; 4 - магнитопровод ТТНП;
5 - вторичная обмотка ТТНП

Датчиком в схеме УЗО этого типа служит трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП, схематично представленный на рис. 7.31, б. Вторичная обмотка ТТНП дает сигнал на реле тока РТ и при токе нулевой последовательности I₀, равном или большем тока установки, произойдет отключение электроустановки.

Рассмотрим действие УЗО, представленной на рис. 7.31.

При равенстве сопротивлений изоляции фазных проводников Z₁= Z₂ = Z₃ = Z и симметричной нагрузки на фазах I₁= I₂ = I₃ = I ток нулевой последовательности I₀ будет равен нулю, а следовательно, магнитный поток в магнитопроводе 4 (рис. 7.31, а) и ЭДС во вторичной обмотке 5 ТТНП будут также равны нулю. Схема защиты не действует.

При симметричном ухудшении изоляции фазных проводников и симметричном изменении фазных токов данная схема УЗО также не реагирует, так как ток I₀ = 0 и во вторичной обмотке ЭДС отсутствует.

При несимметричном ухудшении изоляции фазных проводников или при их замыкании на землю или на корпус ЭУ возникнет ток нулевой последовательности I₀ > 0 и во вторичной обмотке ТТНП образуется ток, равный или больший тока срабатывания. В результате поврежденный участок или установка отключится от сети, что является основным преимуществом данной схемы УЗО. К недостаткам схемы относятся сложность конструкции, нечувствительность к симметричному ухудшению изоляции и отсутствие самоконтроля в схеме.

5. УЗО, реагирующее на оперативный ток.

Рис. 7.32. Принципиальная схема устройства защитного отключения,
реагирующего на оперативный ток:

D₁ ,D₂ ,D₃ - трехфазный дроссель с общей точкой 1; D_р - однофазный дроссель; I_оп - оперативный ток от постороннего источника; РТ - реле тока; Z₁, Z₂, Z₃ - полные сопротивления фазных проводников 1, 2 и 3; r_зм - сопротивление замыкания фазного проводника;
- путь оперативного тока

В схему защиты подается постоянный оперативный ток I_оп от постороннего источника, который проходит по замкнутой цепи: источник – земля – сопротивление изоляции проводников Z₁, Z₂ и Z₃ – сами проводники – трехфазный и однофазный дроссели – обмотка реле тока РТ.

При нормальном режиме работы сопротивления изоляции проводников высокие, и поэтому оперативный ток незначителен и меньше тока срабатывания, I_оп < I_ср.

В случае любого снижения сопротивления (симметричного или несимметричного) изоляции фазных проводников или в результате прикосновения человека к ним полное сопротивление цепи Z уменьшится, а оперативный ток I_оп возрастет и, если он превысит ток срабатывания I_ср, произойдет отключение сети от источника питания.

Достоинством УЗО, реагирующего на оперативный ток, являются обеспечение высокой степени безопасности для людей на всех режимах работы сети благодаря ограничению тока и возможности самоконтроля исправности схемы.

Недостатком этих устройств является сложность конструкции, поскольку требуется источник постоянного тока.