Предыдущая статья Следующая статья
Проблемы применения устройств защитного отключения (УЗО)
В настоящем разделе рассматриваются концепция и технические параметры УЗО. В ГОСТе Р 50807-95 (МЭК 755-83) «Устройства защитные, управляемые дифференцииальным (остаточным) током», введенном в действие 01.01.96, не дается определение УЗО, однако указывается (п.1.1), что «Настоящий стандарт распространяется на УЗО, выполняющие одновременно функции обнаружения дифференциального тока, измерения и сравнения его величины с заданой величиной тока отключения и отключения защищаемой цепи при превышении величины дифференциального тока отключения, а также на совокупность устройств, каждое из которых выполняет одну или две вышеуказанные функции, но которые совместно осуществляют все три функции». В процитированном тексте, несмотря на неуклюжесть стиля (неквалифицированный перевод?) и неточность формулировок в целом правильно определена функциональная структура УЗО. Кстати, в самом названии данного стандарта, на наш взгляд имеется неточность – residual (в первоисточнике) – означает по-английски не только «остаточный», но и «разностный». «Разностный» в русском языке, собственно и означает «дифференциальный». Слово «остаточный» в данном применении для электротехники искажает смысл понятия.
Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциаль-ный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.
Структура УЗО формируется из следующих основных функциональных блоков:
1. Датчик дифференциального тока.
2. Блок управления с пороговым элементом.
3. Исполнительный механизм.
Указанная в стандарте функция измерения значения дифференциального тока в реальных устройствах отсутствует, поскольку любое измерение предусматривает вывод результата.
В абсолютном большинстве УЗО, применяемых в настоящее время в мире, в качестве датчика дифференциального тока используется трансформатор тока (называемый иногда применительно к трехфазным цепям «трансформатором тока нулевой последовательности» – ТТНП, хотя понятие «нулевая последовательность» более уместно в теоретических расчетах несимметричных режимов многофазных цепей). Пороговый элемент выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле или электронных компонентах.
Исполнительный механизм включает в себя сильноточную контактную группу с механизмом привода.
Принцип действия УЗО поясняется схемой на рис. 1.
.jpg)
Принцип действия УЗО: 1 - датчик дифференциального тока; 2 - блок управления с пороговым элементом; 3 - исполнительный механизм; 4 - цепь тестирования
В нормальном режиме, при протекании рабочего тока нагрузки и при отсутствии дифференциального (разностного) тока – тока утечки, токи в прямом и обратном проводниках, образующих встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока УЗО (1), равны по модулю (I1 = I2) и наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2, в результате чего ток во вторичной обмотке равен нулю и не вызывает срабатывания порогового элемента блока управления (2).
При возникновении дифференциального тока, например, утечки на землю или прикосновения человека к токоведущим частям, баланс токов, а следовательно, и магнитных потоков нарушается, и во вторичной обмотке появляется трансформированный дифференциальный ток (ток небаланса), который вызывает срабатывание порогового элемента, воздействующего на исполнительный механизм (3). Исполнительный механизм воздействует на привод контактной группы и защищаемая цепь обесточивается.
Цепь тестирования, искусственно создающая дифференциальный ток, предназначена для осуществления периодического контроля исправности устройства в целом.
Принципиальное значение при рассмотрении концепции конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие две категории:
1. УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирования – выполнения операции отключения – является для устройства сам сигнал – ток утечки, на который оно реагирует.
2. УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.
Глубокий и серьезный сравнительный анализ проблем применения УЗО двух указанных категорий дан в известной работе Председателя Международной Электротехнической комиссии Поля Санделла «УЗО, применяемые в Европе, в зависимости от вида напряжения питания» (публикация МЭК 1994 г.). Считаем необходимым для полного освещения проблемы привести некоторые выдержки из данной работы: «...Стандарт CEE27 Международной Комиссии по регламентации, разработанный Комитетом 227 и опубликованный в 1974 году допускает применение только устройств защитного отключения, работоспособность которых не зависит от напряжения питания...
...Можно также упомянуть о попытке использования в Европе УЗО, зависящих от напряжения питания, для обеспечения защиты от поражения электротоком. Стандарт на эти устройства был рассмотрен Комитетом 226 Международной Комиссии по регламентации, совместно с Секретариатом. Данный Стандарт вышел как публикация 18 Международной Комиссии по регламентации. Однако при применении таких устройств имели место частые отказы по причине перебоев в питании, и в 1974 году Комитет 226 был упразднен...
...В стандартах МЭК 1008 и 1009, в частях, касающихся устройств, зависящих от напряжения питания, поясняется, что указанные устройства используются в странах, расположенных за пределами Европы. Такие устройства применяются только в особых случаях, и к их установке предъявляются очень строгие правила. Например, в Соединенных Штатах устройства с чувствительностью 5 мА используются для дополнительной защиты от непосредственного прикосновения в оконечных цепях, питающих помещения с повышенной опасностью: ванные комнаты, гаражи и т. п. При установке на вводе устройства защитного отключения предусматривается также применение защитного проводника и, наконец, контроль изоляции...
...Ни в стандарты Международной Комиссии по регламентации электрооборудования CCE, ни в стандарты большинства европейских стран никогда не включались определения по применению устройств защитного отключения, зависящих от напряжения питания. Комитет СЕНЕЛЕК занял аналогичную позицию...
...Причины отклонения этих устройств:
а) они не могут быть использованы в электроустановках, размещаемых в жилых помещениях и аналогичных им, так как они устанавливаются, как правило, опытным или квалифицированным персоналом, однако они не обслуживаются и не сопровождаются этим персоналом. Эти устройства монтируются в общедоступных местах, что допускает вмешательство любого персонала;
б) управляет этими устройствами «персонал, не имеющий опыта», который не сможет выявить неисправность;
в) эти устройства не работают при отключении «нейтрали». Фазный провод остается под напряжением, что означает наличие опасности;
г) эти устройства не работают при отключении фазы, от которой они получают питание в многофазной цепи.
При этом другие фазы остаются под напряженим, следовательно опасность сохраняется;
д) эти устройства могут не работать при понижении напряжения ниже номинального, например, по причине слишком большой протяженности воздушной линии;
е) монтаж этих устройств не разрешается в некоторых случаях, пре-дусмотренных Правилами МЭК 364;
ж) опыт, накопленный в европейских странах по использованию таких устройств, (Международная Комиссия по регламентации электрооборудования), подтверждающий ненадежность работы этих устройств вследствие перебоев в питании... ...Необходимо подчеркнуть, что в настоящее время ведется работа в МЭК и в Комитете СЕНЕЛЕК с целью выработки правил и методов испытаний для устройств дифференциальной защиты, функционально зависящих от напряжения питания, которые автоматически не отключаются при отключении питания (Стандарт МЭК 1008 разд. 4.1.2.а). В настоящее время эта работа не завершена... ...В главе 53 Стандарта МЭК 364 «Электроустановки низкого напряжения» содержится требование, определяющее (статья 531.2), что использование устройств дифференциальной защиты, зависящих от напряжения питания, допускается только в электроустановках, эксплуатируемых, испытываемых и проверяемых опытным или квалифицированным персоналом... ...Использование таких устройств может быть разрешено только в случае, если «защита от непрямых контактов обеспечена даже в случае неисправности» источника питания, то есть, если сами приборы отключаются автоматически при перебоях питания. Однако такие приборы отвергаются пользователями из-за их частого несвоевременного отключения. Не рекомендуется использовать эти приборы в электрощитах. Текущие работы в Комитете 64 МЭК подтверждают и усиливают эти положения... ...Использование устройств дифференциальной защиты, зависящих от напряжения питания в помещениях промышленных объектов регламентируется Евростандартом EN 60947 (приложение B)...».
В заключение Поль Санделл делает следующие выводы: «В большинстве европейских стран в электроустановках, жилых и аналогичных помещений и в оконечных цепях промышленных электроустановок используются только устройства дифференциальной защиты, функционально независимые от напряжения питания. Установка устройств дифференциальной защиты, зависящих от напряжения питания, допускается в промышленных установках, наблюдение за которыми осуществляется квалифицированным персоналом, за исключением оконечных цепей».
Столь пространная цитата из работы известного специалиста приведена с целью внести, наконец, определенную ясность в затянувшуюся дискуссию ведущих российских специалистов по вопросу приоритета применения «электромеханических» и «электронных» УЗО.
Важное значение в деле упорядочения нормативной базы по УЗО имело циркулярное письмо Главгосэнергонадзора № 42-6/34-ЭТ от 23.10.95, в котором были сформулированы основные принципы применения УЗО, в полной мере отвечающие соответствующим мировым стандартам:
«... на основе изучения отечественного и зарубежного опыта эксплуатации УЗО и по результатам проведенной экспертизы, применять для жилых, общественных и других зданий УЗО, не требующие источника питания (электромеханические). Применение электронных устройств, для работы которых необходим источник питания, допускается только в качестве дополнительных (дублирующих) к основному». Главное принципиальное различие между «электромеханическими» и «электронными» устройствами защитного отключения заключается в том, что:
– в «электромеханических», как указывалось выше, источником энергии, необходимой для функционирования устройства – выполнения операции отключения, является сам сигнал – ток утечки, на который устройство реагирует.
– механизм же «электронных» УЗО нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника. Рассмотрим некоторые варианты исполнения устройств защитного отключения, фунционально зависящих от напряжения питания. Наиболее известным в нашей стране устройством защитного отключения, зависящим от источника питания, является прибор УЗО 20 производства Ставропольского завода «Сигнал». Принципиальная схема прибора, взятая из «Инструкции по эксплуатации» приведена на рис. 2.
.jpg)
Принципиальная схема УЗО 20
Блок управления данного устройства выполнен на операционном усилителе, питающемся от защищаемой сети через балластный резистор и двухполупериодный мостовой выпрямитель. Функции исполнительного механизма выполняет доработанный серийный автоматический выключатель ВА-60 Тираспольского электроаппаратного завода. Доработка выключателя заключается в замене катушки расцепителя на многовитковую катушку с сопротивлением 120-140 Ом.
Принципиальная схема электронной части УЗО 20 приведена на рис. 1.
Трансформированный дифференциальный ток с трансформатора тока ТА через защитно-фильтрующую цепь C1, R1, VD1, VD2 подается на вход операционного усилителя (ОУ). Конденсатор C1 служит для фильтрациии высокочастотных помех, цепочка R1, VD1, VD2 обеспечивает защиту ОУ от перегрузок при сверхтоках. ОУ работает в режиме компаратора, порог срабатывания которого задается резисторами R4 и R5. Через цепочку R6, C2, VD4, задающую постоянную времени срабатывания УЗО, сигнал с выхода компаратора поступает на управляющий электрод тиристора VD10, коммутирующего цепь питания катушки расцепителя QF. Цепь питания катушки QF создается двухполупериодным выпрямителем VD6 - VD10 и балластным резистором R2.
Устройству присущ целый ряд серьезных технических недостатков:
1) В режиме срабатывания в цепи катушки QF протекает довольно большой ток – примерно 0,5 А. При этом на балластном резисторе R2 номинальной мощностью 2 Вт выделяется весьма большая мощность – около 75 Вт, что при малейшей задержке срабатывания исполнительного механизма приводит к воспламе-нению резистора, в отдельных случаях влекущего за собой возгорание корпуса устройства.
2) В схеме устройства не предусмотрены термостабилизирующие цепи, поэтому оно имеет существенный дрейф порога срабатывания при изменении теипературы, что ведет к ложным срабатываниям.
3) Непродуманный выбор схемы питания устройства приводит к постоянному наличию на элементах схемы и в первую очередь в цепи питания, выпрямленного напряжения сети 300В (в аварийных режимах –
до 500 В), что может быть причиной пробоя диодов VD6 - VD9, конденсатора C1 и выхода из строя других узлов. В любом из этих случаев устройство теряет работоспособность.
4) Примененный в устройстве способ организации размыкания силовых контактов путем воздействия на привод расцепителя нулевого проводника приводит к опережению размыкания устройством нулевого провода относительно фазного, что противоречит требованиям международных норм.
5) Постоянная времени цепи питания ОУ R8, C4 составляет 0,3 с, что означает, что при включении УЗО на утечку, превышающую уставку, устройство срабатывает с задержкой, достигающей с учетом собственного времени срабатывания выключателя 0,5 с.
6) В мировой практике в подобного класса приборах принят исключительно принцип срабатывания при отпускании исполнительного реле. Устройство УЗО20 срабатывает при включении токовой катушки, что означает отсутствие свойства самоконтроля, т. е. неисправность электронной схемы устройства, не приводит к отключению напряжения от контролируемой установки.
7) Устройство неинвариантно по отношению подключения сети и нагрузки. При ошибочном подключении недостаточно квалифицированным персоналом устройства к сети со стороны нагрузки и нажатии кнопки «Тест» устройство возгорается.
8) Конструктивное исполнение корпуса устройства не соответствует европейским стандартам. Крепежный паз при стандартной ширине 35 мм смещен относительно оси симметрии на 10 мм, что затрудняет компоновку распределительных щитов (рис.3).
.jpg)
Габаритные и установочные размеры: а) УЗО20, УЗО 2; б) УЗО европейского стандарта
Таким образом, данное устройство, обладая столь серьезными недостатками, имеет чрезвычайно низкие показатели надежности, что, учитывая его назначение – защиту жизни человека, заставляет серьезно сомневаться в правомерности его широкого применения.
Другим распространенным устройством защитного отключения, выполненным на электронной базе, является УЗО 2 производства Владикавказского завода «Бином». Схема этого устройства приведена на рис. 4
.jpg)
В данной схеме сигнал с трансформатора тока через помехозащищающую и токоограничивающую цепочку R1, C1, VD5 поступает на вход порогового устройства, собранного на транзисторе VT1(КТ361). Выходной ток транзистора управляет тиристором VD7, коммутирующим цепь электромагнитного реле Р. Реле Р посредством механической тяги воздействует на спусковой механизм серийного автоматического выключателя ВА60. Данному устройству в основном присущи все вышеперечисленные недостатки УЗО20. Кроме того, предельно упрощенное схемное решение (устройство на одном транзисторе и одном тиристоре), влечет за собой дополнительное ухудшение технических параметров УЗО: термостабильности, помехозащищенности, быстродействия, надежности. Примером современного исполнения «электронного» УЗО служит устройство защитного отключения (Пат. США 317-18D №3953766), выполненный на базе микропроцессора, воздействующего на тиристорное исполнительное устройство (рис.5).
.jpg)
УЗО с микропроцессором (США): 1 - фазный проводник ; 2 - нейтральный проводник ; 3 - контактная группа; 4 - тепловое реле; 5 - обмотка исполнительного реле; 6, 7 - трансформаторы тока; 8 - нагрузка; 9 - микропроцессор
Микропроцессор в данном устройстве выполняет кроме усиления и сравнения сигнала с уставкой следующие дополнительные функции:
- самоконтроль исправности электронной схемы;
- выявление сигнала утечки как переменного так и пульсирующего и сглаженного постоянного тока утечки;
- компенсация тока небаланса трансформатора тока;
Использование такой «думающей» схемы оправдывает применение электроники в подобного класса устройствах.
Устройства защитного отключения, не зависящие от источника питания, выполнены на высококачественных электромагнитных и магнитоэлектрических элементах , как правило имеют прецизионную механику.
К особенностям «электромеханических» УЗО можно отнести:
- использование специального материала сердечника трансформатора тока со сторого регламентированными магнитными характеристиками;
- применение высокочувствительного магнитоэлектрического реле-защелки;
- применение в качестве исполнительного механизма мощного пружинного механического расцепителя ;
Применение указанных элементов конструкции в сочетании с высокой технологией изготовления и жесткими требованиями к техническим параметрам позволяют обеспечить высокие надежностные характеристики электромеханических УЗО.
Николай ДУШКИН, Владимир МОНАКОВ
Источник: http://owen-automat.narod.ru
