Назначение, принцип действия, область применения. Защитным отключением называется автоматическое отключение электроустановок при однофазном (однополюсном) прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимым для человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока утечки (замыкания), превышающего заданные значения.

Назначение защитного отключения - обеспечение электробезопасности, что достигается за счет ограничения времени воздействия опасного тока на человека. Защита осуществляется специальным устройством защитного отключения (УЗО), которое, работая в дежурном режиме, постоянно контролирует условия поражения человека электрическим током.

Область применения: электроустановки в сетях с любым напряжением и любым режимом нейтрали.

Наибольшее распространение защитное отключение получило в электроустановках, используемых в сетях напряжением до 1 кВ с заземленной или изолированной нейтралью.

Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно контролирует входной сигнал и сравнивает его с наперед заданной величиной (устав-кой). Если входной сигнал превышает уставку, то устройство срабатывает и отключает защищенную электроустановку от сети. В качестве входных сигналов устройств защитного отключения используют различные параметры электрических сетей, которые несут в себе информацию об условиях поражения человека электрическим током.

Все УЗО по виду входного сигнала классифицируют на несколько типов (рис. 4.11).

Кроме того УЗО могут классифицироваться по другим критериям, например, по конструктивному исполнению.

Основными элементами любого устройства защитного отключения являются датчик, преобразователь и исполнительный орган.

Основными параметрами, по которым подбирается то или иное УЗО являются: номинальный ток нагрузки т.е. рабочий ток электроустановки, который протекает через нормально замкнутые контакты УЗО в дежурном режиме; номинальное напряжение; уставка; время срабатывания устройства.

При замыкании на корпус защитное заземление

Фактически данный тип УЗО дублирует защитные свойства заземления или зануления и применяется в качестве дополнительной защиты, повышая надежность заземления или зануления.

Данный тип УЗО может применяться в сетях с любым режимом нейтрали, когда заземление или зануление неэффективно.

УЗО, реагирующее на дифференциальный (остаточный) ток, находят широкое применение во всех отраслях промышленности. Характерной их особенностью является многофункциональность. Такие УЗО могут осуществлять защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении, при косвенном прикосновении, при несимметричном снижении изоляции проводов относительно земли в зоне защиты устройства, при замыканиях на землю и в других ситуациях.

Принцип действия УЗО дифференциального типа заключается в том, что оно постоянно контролирует дифференциальный ток и сравнивает его с уставкой. При превышении значения дифференциального тока уставки УЗО срабатывает и отключает аварийный потребитель электроэнергии от сети. Входным сигналом для трехфазных УЗО является ток нулевой последовательности. Входной сигнал УЗО функционально связан с током, протекающим через тело человека

Область применения УЗО дифференциального типа – сети с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ (система TN - S).

Схема включения УЗО, реагирующего на дифференциальный ток в сети с заземленной нейтралью типа

Датчиком такого устройства является трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП), на выходных обмотках которого формируется сигнал, пропорциональный току через тело человека I h . Преобразователь УЗО (П) сравнивает значение входного сигнала с уставкой, значение которой определяется допустимым током через человека, усиливает входной сигнал до уровня, необходимого для управления исполнительным органом (ИО). Исполнительный орган, например, контактор, отключает электроустановку от сети в случае возникновения опасности поражения электрическим током в зоне защиты УЗО.

Защитное отключение – быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки (через 0,05–0,2 с) при возникновении в ней опасности поражения человека электрическим током.

Защитная функция устройств защитного отключения (УЗО) заключается в ограничении не тока, проходящего через человека, а времени его протекания гак, чтобы выдерживались условия "ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов" (утвержденного постановлением Госстандарта СССР от 30.06.1982 № 2987).

Согласно этому ГОСТу, например, при токе, проходящем через человека, равном 500 мА, время его воздействия не должно превышать 0,1 с, при 250 мА – 0,2 с, при 165 мА – 0,3 с, при 100 мА – 0,5 с и т.д. Область применения УЗО весьма широка (электроустановки общественных и жилых зданий, административные и производственные помещения, мастерские, автозаправочные станции (АЗС), ангары, гаражи, складские помещения и т.д.).

Принцип действия УЗО основан на изменении каких- либо электрических величин, происходящих при замыкании фазы на корпус, снижении сопротивления изоляции сети ниже определенного предела при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям электроустановки и в других опасных для него случаях, на которые реагирует исполнительный орган, подающий сигнал для срабатывания защитного отключения.

Наиболее распространенным и совершенным является УЗО-Д, реагирующее на ток утечки (дифференциальный ток). Такие УЗО состоят из трех функциональных элементов: датчика, исполнительного органа и коммутационного (отключающего) устройства. Датчик улавливает токи утечки, стекающие с фазных проводов на землю в случае прикосновения человека к частям под напряжением. Сигнал о наличии тока утечки поступает в исполнительный орган, где усиливается и преобразуется в команду на отключение коммутационного устройства. Исполнительный орган УЗО может быть электронным или электромеханическим (с магнитоэлектрической защелкой). Второй вариант более надежный.

На рис. 24.13 приведена схема УЗО-Д (УЗО с дифференциальной защитой). Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока с кольцевым магнитопроводом 1. При отсутствии тока утечки, т.е. тока, проходящего через человека, рабочие токи в прямом (фазном) и обратном (нулевом рабочем) проводах будут равны и наводят в дифференциальном трансформаторе тока 1 с кольцевым магнитопроводом равные, но противоположно направленные потоки. При этом результирующий магнитный поток равен нулю и ток во вторичной обмотке отсутствует, УЗО не срабатывает. При появлении тока утечки (например, при прикосновении человека к корпусу электроустановки, на которой произошел пробой изоляции и появилось напряжение) ток в прямом проводе будет превышать обратный ток на величину тока утечки (ток утечки на рисунке показан точечной линией). Неравенство тока вызывает небаланс магнитных потоков, в результате чего в магнитопроводе дифференциального трансформатора 1 возникает магнитный поток, а в его вторичной обмотке – дифференциальный ток. Этот ток поступает к пусковому органу 2, и если его величина превышает пороговое (заданное) значение, то он срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3 , который за счет своего пружинного привода, спускового механизма и группы контактов размыкает электрическую сеть. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается. Для периодического контроля исправности УЗО нажимают кнопку Т (тест), создается искусственный дифференциальный (разностный) ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

Следует заметить, что из всех известных электрозащитных средств УЗО-Д – единственное, обеспечивающее защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к токоведущим частям. Кроме того, оно осуществляет защиту электроустановок от возгораний, первопричиной которых являются утечки тока, вызванные повреждением изоляции, неисправной электропроводкой. Поэтому УЗО называют еще и "противопожарным сторожем".

Устройство защитного отключения характеризуется номинальным рабочим током подключаемой нагрузки (16, 25, 40 А), номинальным дифференциальным отключающим током (10, 30 или 100 мА), быстродействием (20–30 мс) и другими параметрами.

Согласно п. 1.7.80 ПУЭ не допускает применение УЗО, реагирующих на дифференциальный ток, в четырехпроводных трехфазных цепях (система TN-C). Но в случае необходимости применения УЗО для защиты отдельных электроприемников, получающих питание от системы TN-C, защитный РЕ -проводник электроприемника должен быть подключен к PEN -проводнику цепи, питающей электроприемник, до защитно-коммутационного аппарата (УЗО).

Рис. 24.13.

Следует заметить, что в системах TN-C (без отдельного защитного проводника), в незаземленных электроприемниках, изолированных от земли (например, холодильник или стиральная машина на изолирующем основании), УЗО, включенное в цепь питания этого электроприемника, не сработает, поскольку не будет цепи протекания тока утечки, т.е. не будет разностного (дифференциального) тока. При этом на корпусе электроустановки образуется опасный потенциал относительно земли.

Но если человек при этом коснется корпуса электроприемника и протекающий через него ток будет больше отключающего дифференциального тока УЗО (тока уставки), то

УЗО сработает и отключит электроприемник от сети. Жизнь человека будет спасена. О тсюда следует, что применение УЗО в сетях TN-C все же оправданно.

Большую опасность представляет переход напряжения на металлические конструктивные нетоковедущие части. Наиболее совершенным способом защиты от появления опасного напряжения на конструктивных частях электрооборудования является защитное отключение.

Для защиты от появления опасного напряжения применяется защитное отключение.

Отключение электроустановок при замыканиях на корпус в этом случае обеспечивается специальными устройствами, автоматически снимающими напряжение с установки. Такими устройствами служат автоматические выключатели или контакторы, снабженные специальным реле защитного отключения.

Реле состоит из электромагнитной катушки, сердечник которой в обесточенном состоянии замыкает свои контакты. Контакты реле соединены последовательно с кнопкой «стоп» в цепи управления контактора.

При появлении напряжения на зажимах катушки реле и протекании по ней достаточного по величине тока сердечник катушки втягивается и размыкает свои контакты в цепи управления, вследствие чего контактор отключает от сети поврежденный приемник тока.

Схемы присоединения реле защитного отключения могут быть различны. Так, на рис. 1 приведена схема защитного отключения со вспомогательным заземлителем, в которой катушка реле присоединяется на корпус защищаемого объекта и на землю.

Электромагнит отрегулирован таким образом, что при появлении на защищаемом объекте напряжения 24-40 В через обмотку катушки проходит ток, сердечник электромагнита втягивается под воздействием этого реле размыкает свой контакт и происходит отключение электродвигателя от сети. Сопротивление заземления может быть весьма высоким (300-500 Ом), что делает заземление легко осуществимым.

На рис. 2 приведена еще одна схема защитного отключения. Реле защитного отключения присоединено к к корпусу защищаемого объекта и к точке, общей для подключенных к сети столбиков из селеновых выпрямительных пластинок, соединенных в звезду. Катушка может быть отрегулирована так, что при протекании через нее тока силой 0,01 А происходит втягивание сердечника и размыкание контакта реле с последующим отключением самого объекта от сети посредством контактора.

Защитное отключение применяют в следующих случаях:

• в электроустановках с изолированной нейтралью, к которым предъявляются повышенные требования в отношении безопасности, в дополнение к устройству заземлений (например, подземные работы и т. п.);
• в электроустановках с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В вместо присоединения корпусов оборудования к заземленной нейтрали, если выполнение этого присоединения вызывает затруднения, при этом защищаемая установка должна иметь заземляющее устройство, удовлетворяющее требованиям электроустановок с изоляционной нейтралью;
• в передвижных установках, когда устройство заземления представляет значительные трудности.

В сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ (системах TN ) защитное заземление неэффективно, так как даже при глухом замыкании на землю ток зависит от сопротивления заземления и при его уменьшении ток возрастает, а напряжение прикосновения может достигать опасных значений. Поэтому в системах TN защита от поражения электрическим током при косвенном прикосновении обеспечивается ограничением времени воздействия электрического тока на организм человека. Для этого должно быть выполнено защитное автоматическое отключение питания, обеспечивающее защиту как от сверхтоков (токов короткого замыкания) и называемое защитным занулением, так и от токов утечки с помощью устройств защитного отключения, реагирующих на дифференциальный ток (УЗО-Д).

Защитное автоматическое отключение питания  автоматическое размыкание цепи одного или нескольких фазных проводников (и, если требуется, нулевого рабочего проводника), выполняемое в целях электробезопасности.

Назначение автоматического отключения питания  предотвращение появления напряжения прикосновения, длительность воздействия которого может представлять опасность при повреждении изоляции.

Для автоматического отключения питания могут быть применены защитно-коммутационные аппараты, реагирующие на сверхтоки (автоматические выключатели) и устанавливаемые в фазных проводниках, или на дифференциальный ток (УЗО-Д).

Защитное зануление  преднамеренное электрическое соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтральной точкой обмотки источника тока в трехфазных сетях. Это соединение осуществляется с помощью нулевого защитного PE - или совмещенного PEN -проводника.

Принципиальная схема защитного зануления в сети трехфазного тока (система TN - S ) показана на рис.14.8.

Принцип действия защитного зануления  превращение замыкания на открытые проводящие части (металлические корпуса электроустановок) в однофазное короткое замыкание (замыкание между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большой ток короткого замыкания I к, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети.

При замыкании, например, фазного проводника L 3 на зануленный корпус (рис. 14.8) ток короткого замыкания проходит через следующие участки цепи: обмотку трансформатора (генератора), фазный L 3 и нулевой защитный PE -провод. Величина тока определяется фазным напряжением и полным сопротивлением цепи однофазного короткого замыкания:

при этом сопротивления трансформатора Z т, фазного провода Z ф.пр и нулевого защитного PE -провода Z н имеют активную и индуктивную составляющие.

В качестве аппаратов защиты выступают плавкие предохранители, автоматические предохранители и автоматические выключатели, которые должны обеспечить малое время размыкания цепи (отключения).

Кроме того, поскольку зануленные корпуса (или другие открытые проводящие части) заземлены через нулевой защитный PE - (или совмещенный PEN -) проводник и повторные заземления R п, то в аварийный период, т.е. с момента возникновения замыкания на корпус и до автоматического отключения поврежденной электроустановки от сети, проявляется защитное свойство этого заземления, как при защитном заземлении. За счет протекания тока замыкания I з через сопротивление повторного заземления R п, напряжение PE -проводника (или PEN -проводника), а, следовательно, и присоединенных к нему корпусов электрооборудования, относительно земли снижается в аварийный период до момента срабатывания защиты или в случае обрыва PE - (или PEN -) проводника. Таким образом, защитное зануление осуществляет два защитных действия  быстрое автоматическое отключение поврежденной установки от питающей сети и снижение напряжения зануленных металлических нетоковедущих частей, оказавшихся под напряжением, относительно земли.

Повторные заземления PE - или PEN -проводника на воздушных линиях выполняются на всех ответвлениях длиной более 200 м и на вводе в электроустановку. В сети напряжением 380/220 В сопротивление заземления нейтрали должно быть не более 4 Ом, а общее сопротивление растеканию заземлителей всех повторных заземлений PE - или PEN -проводника  не более 10 Ом.

Время защитного автоматического отключения для системы TN при номинальном фазном напряжении не должно превышать значений: 127 В  0,8 с; 220 В – 0,4 с; 380 В – 0,2 с; более 380 В – 0,1 с.

Для обеспечения указанного времени отключения питания ток однофазного короткого замыкания должен превышать не менее чем в три раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя или ток срабатывания расцепителя автоматического выключателя с обратно зависимой от тока характеристикой. При защите сети автоматическими выключателями с электромагнитным расцепителемпревышение тока короткого замыкания над номинальным током определяется типом электромагнитного расцепителя: A , B , C , D .

Рис. 14.8. Принципиальная схема защитного зануления.

Автоматическое отключение с использованием устройств защитного отключения (УЗО ) , реагирующих на токи утечки. При малых токах замыкания, токах утечки, снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника защитное зануление недостаточно эффективно, поэтому в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от поражения электрическим током. Современные устройства защитного отключения (УЗО) имеют быстродействие от 0,04 до 0,3 с.

УЗО создаются на различных принципах действия. Наиболее совершенным является УЗО, реагирующее на ток утечки (дифференциальный ток). Достоинство его состоит в том, что оно защищает человека от поражения электрическим током как в случае прикосновения к открытым проводящим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением из-за повреждения изоляции, так и при прямом прикосновении к токоведущим частям. Именно такие УЗО могут быть отнесены одновременно к средствам защиты как при косвенных, так и при прямых прикосновениях.

Кроме того, УЗО выполняет еще одну важную функцию – защиту электроустановок от возгораний, первопричиной которых являются утечки, вызванные ухудшением изоляции. Известно, что более трети пожаров возникает от неисправностей электропроводок, поэтому вполне справедливо УЗО называют «противопожарным сторожем».

УЗО состоит из трех функциональных элементов: датчика, исполнительного органа и коммутационного устройства. Датчик улавливает токи утечки, стекающие с фазных проводов на землю в случае прямого прикосновения человека или повреждения изоляции. Сигнал о наличии тока утечки поступает в исполнительный орган, где усиливается и преобразуется в команду на отключение коммутационного устройства. Наибольшее распространение получили УЗО, основанные на использовании в качестве датчика информации о возникновении опасных ситуаций дифференциального трансформатора тока (ДТТ). Исполнительный орган УЗО может работать на двух различных принципах: электронном и электромеханическом.

Электрическая схема электромеханического УЗО приведена на рисунке 14.9. Датчиком устройства служит ДТТ (I), кольцевой магнитопровод которого охватывает провода, питающие нагрузку и играющие роль первичной обмотки. При отсутствии тока утечки рабочие токи (I1) в прямом (фазном L ) и (I2) в обратном (нулевом рабочем N ) проводах равны и наводят в магнитопроводе равные, но противоположно направленные магнитные потоки; результирующий поток равен нулю и поэтому ЭДС во вторичной обмотке отсутствует. УЗО не срабатывает. При появлении тока утечки (I ) (например, при замыкании на корпус или прикосновении человека к оголённому фазному проводу) ток в прямом проводе превышает обратный ток на величину тока утечки I  ; в сердечнике возникает магнитный поток небаланса, а во вторичной обмотке наводится ЭДС, пропорциональная току утечки. По обмотке магнитоэлектрического реле (2) протекает ток, вызывающий его срабатывание и воздействие на механизм свободного расцепления (3), отключающий контакты. УЗО срабатывает. Таково действие УЗО двухполюсного исполнения в цепи однофазной нагрузки.

Для работы в трехфазной сети (как трех-, так и четырехпроводной) УЗО выполняется четырехполюсным, то есть магнитопровод охватывает три фазных и нулевой рабочий проводники. Некоторые типы устройств защитного отключения (в основном, зарубежного производства) совмещают в себе функции УЗО и автоматического выключателя, что неизбежно ведет к снижению надежности и повышению стоимости за счет усложнения схемы и увеличения количества компонентов.

По виду рабочего напряжения (тока утечки) УЗО делятся на типы:

АС – только для переменного (синусоидального) напряжения;

А – для синусоидального напряжения и пульсирующего напряжения с постоянной составляющей.

При выборе УЗО следует учитывать, что источником пульсирующего напряжения могут быть стиральные машины, персональные компьютеры, телевизоры, регуляторы источников света.

УЗО является высокоэффективным и перспективным способом защиты. Оно используется в электроустановках до 1 кВ в дополнение к защитному заземлению (защитному занулению), а также в качестве основного или дополнительного способа защиты, когда другие способы и средства неприменимы или малоэффективны.

Рис. 14.9. Электрическая схема УЗО.

Систему защиты, обеспечивающую автоматическое отключение всех фаз или полюсов аварийного участка сети за полное время отключения не более 0,2 с, называют защитным отключением .
Независимо от состояния нейтрали питающей системы любое однофазное замыкание на корпус приводит к появлению напряжения относительно земли на корпусах электрооборудования. Это обстоятельство используют при построении универсальной защиты, которая обеспечивает отключение автоматами поврежденного электрооборудования при появлении некоторой заданной разности потенциалов между корпусом и землей. Такая система идентична заземлению и основана на автоматическом отключении электроприемника, если на его металлических частях, нормально не находящихся под напряжением, последнее появляется. Защитное отключение применяют для систем с изолированной и глухозаземленной нейтралью.

Рис. 1. Принципиальная схема защитного отключения:
1 - корпус электроприемника; 2 - отключающая пружина; 3 - контакты сетевого контактора; 4 - защелка; 5 - сердечник катушки; б - отключающая катушка; 7, 8 - заземлители; 9 контакт

Рассмотрим действие защитного отключения при возникновении напряжения на корпусе одиночного электроприемника в результате повреждения его изоляции. Здесь возможны два случая: электроприемник не заземлен и электроприемник имеет заземление.
Первому случаю соответствует разомкнутое положение контакта 9 (рис. 1). На некотором расстоянии от защищаемого электроприемника забивают в землю заземлитель 7 (в том случае, если нет естественных заземлителей, которые не должны иметь электрической связи с корпусом / электроприемника). Защитный отключатель позволяет произвести разрыв цепи электроснабжения контактами сетевого контактора при подаче напряжения на катушку 6.
При обесточенном состоянии катушки 6 ее сердечник 5 удерживает защелку 4, не позволяя пружине 2 разомкнуть контакты 3 (на схеме контакты показаны разомкнутыми, хотя сердечник удерживает защелку). Один конец обмотки катушки присоединен к корпусу 7 электроприемника, второй - к выносному заземлителю 7. В случае повреждения изоляции между корпусом электроприемника и выносным заземлителем 7 появится фазное напряжение. Отключающая катушка 6 окажется под напряжением, и по ее обмотке потечет ток. Сердечник 5 втянется и освободит удерживающую защелку 4. Пружина 2 разомкнет контакты 3 сетевого контактора, и цепь питания электроустановки разорвется. Напряжение прикосновения на корпусе электроприемника исчезнет, соприкосновение с ним станет безопасным.
Второму случаю, когда корпус электроприемника заземлен, соответствует замкнутое положение контакта 9. При возникновении повреждения изоляции на корпусе электроприемника появится напряжение, значение которого будет определять падение напряжения в заземлителе, равное току замыкания на землю, умноженному на сопротивление заземления заземлителя. Принципиальной разницы в действии защиты в первом и втором случаях нет.
Основой защиты с помощью защитного отключения является быстрое отключение поврежденного электроприемника.

Рис. 2. Схема защитного отключения при изолированной нейтрали

Согласно ПУЭ, защитное отключение рекомендуется применять в следующих установках: электроустановки с изолированной нейтралью, к которым предъявляются повышенные требования в отношении безопасности (в дополнение к устройству заземлений). Схема такого защитного отключения показана на рис. 2. При появлении в катушке реле КА тока замыкания на землю его размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ размыкается и контактор своими главными контактами отключает электродвигатель М от сети;
электроустановки с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В, корпуса которых не имеют присоединения к заземленному нейтральному проводу, поскольку выполнение такого присоединения затруднено;
передвижные установки, если заземление их не может быть выполнено в соответствии с требованиями ПУЭ.
Защитное отключение отличается универсальностью и быстродействием, поэтому его использование в сетях как с глухозаземленной, гак и с изолированной нейтралью весьма перспективно. Особенно целесообразно использовать его в сетях напряжением 380/220 В.
Недостатком защитного отключения является возможность отказа отключения в случае пригоралия контактов коммутационного устройства или обрыва проводов.