Известно, что чем быстрее при однофазных замыканиях будет отключен аварийный участок сети, тем меньше опасность поражения током. Как мы видели, в сетях с изолированной нейтралью однофазные замыкания обычно вовсе не отключаются при системе заземления. В сетях с заземленной нейтралью 660/380, 380/220 и 220/127 В и системой зануления отключение хотя и происходит, но время отключения во многих случаях велико, иногда, доходит до десятков секунд, если ток замыкания мал или завышены токи плавких вставок предохранителей или токи срабатывания автоматов. Известно также, что многие случаи поражения электрическим током происходят при прикосновениях к частям, находящимся под напряжением. Системы заземления и зануления здесь ничем помочь не могут. Эти недостатки успешно устраняет система защитного отключения.
Защитным отключением называется защитная мера, обеспечивающая безопасность путем быстродействующего (время действия 0,1 – 0,2 с и ниже) отключения аварийного участка или сети в целом при возникновении замыкания на корпус или непосредственно на землю, а также при прикосновении к частям, находящимся под напряжением. Благодаря высокой чувствительности (многие устройства защитного отключения имеют токи срабатывания 10 — 30 мА) устройства защитного отключения реагируют на снижение сопротивления и изоляции, когда токи утечки достигают уставки токов срабатывания, т. е. одновременно осуществляют контроль изоляции. Тем самым они успешно предотвращают возникновение пожаров. Эта защитная мера получает все большее признание и распространение в сетях напряжением до 1000 В благодаря существенным преимуществам перед обычными системами заземления или зануления. Она особенно необходима в условиях, неблагоприятных с точки зрения возможности поражения электрическим током, например при пользовании переносным или передвижным электрооборудованием.
Защитное отключение по току в сети с заземленной нейтралью
Защитное отключение по току в сети с заземленной нейтралью. а - трехфазного электроприемника, б - однофазного электроприемника
Существует достаточно большое количество схем и конструкций для защитных отключении. Рассмотрим принципиальную схему защитного отключения для сети с заземленной нейтралью.
В схеме применен суммирующий (дифференциальный) трансформатор тока специальной конструкции, ко вторичной обмотке которого присоединено реле Р. При равенстве токов трех фаз (рисунок, а) их геометрическая сумма, как известно, равна нулю, поэтому тока во вторичной обмотке трансформатора тока нет. При однофазных замыканиях или утечках, а также прикосновении человека к фазному проводу, равенство токов трех фаз в первичной обмотке нарушается, так как в одной из фаз проходит помимо тока нагрузки еще ток, замыкания или утечки Iз. Во вторичной обмотке суммирующего трансформатора тока возникает ток. Если он равен или превышает ток срабатывания реле Р, то происходит отключение защищаемой линии защитным аппаратом ЗА, на который действует реле Р. Связь с нейтралью трансформатора осуществляется либо путем соединения корпуса электроприемника с нулевым проводом, либо непосредственным заземлением электроприемника (штриховая линия).
Действие схемы при защите однофазных электроприемников видно из рисунка, б. В данном случае при нормальных условиях токи нагрузки Iн в обоих проводах равны и прямо противоположны по направлению, поэтому во вторичной обмотке суммирующего трансформатора тока нет. При замыкании на корпус электроприемника или возникновении утечки тока в одной фазе равенство токов нарушается, к току нагрузки поврежденной фазы добавляется ток замыкания Iз — во вторичной обмотке трансформатора тока проходит ток несимметрии.
При достижении или превышении тока срабатывания реле Р происходит отключение поврежденной линии. Кнопка К (на рисунке, а и б) служит для проверки действия защиты.
Этот вид защитного отключения получил распространение в сетях с заземленной нейтралью как наиболее эффективный; преимущества его помимо упомянутых ранее избирательность, т. е. отключение только аварийного участка, удешевление — заземляющего устройства и зануляющих проводников; возможность работы даже при обрыве и отсутствии зануляющего проводника, если имеются какие-либо другие связи защищаемого оборудования с землей или нейтралью трансформатора; возможность применения совместно с системой зануления других электроприемников.
Сопротивление заземляющего устройства и защитного проводника определяется током срабатывания защиты и допустимым напряжением на корпусах защищаемого оборудования при токах замыкания ниже тока срабатывания. Принимая это напряжение равным 42 В и ток срабатывания, например, 30 мА, получим для сопротивления rз значение: rз т.е. весьма высокое. Поэтому при применении защитного отключения устройство заземления упрощается и удешевляется.
Защита от коротких замыканий осуществляется предохранителями или автоматами. Автоматы могут находиться в одном корпусе с аппаратами защитного отключения. На описанном принципе работает защитно — отключающее устройство ЗОУП-25 для сетей с заземленной нейтралью, выпускаемое гомельским заводом «Электроаппаратура». Оно состоит из пускателя ПМЕ-236 с кнопками управления и блока чувствительной защиты. Последний содержит суммирующий трансформатор тока, трехкаскадный транзисторный усилитель на выходе которого включено исполнительное реле, стабилизированный узел питания. Технические данные устройства: номинальное напряжение 380 В, ток нагрузки 2,5 А, уставка защиты при однофазном замыкании — 10 мА, время срабатывания защиты 0,05 с, потребляемая мощность не более 30 Вт; размеры 160Х265Х150, а в закрытом корпусе 290X173X155 мм; масса 4,5 кг.
Во многих случаях функции защитного отключения могут выполнять устройства контроля изоляции, если они ни удовлетворяют условиям, предъявляемым к защитному отключению по быстродействию и высокой чувствительности, т. е. имеют ток срабатывания, который обеспечивает отключение как при снижении сопротивления изоляции, так и при прикосновении человека к частям, находящимся под напряжением.
Приведем несколько примеров, характеризующих эффективность системы защитного отключения.
Женщина с мальчиком двух лет зашла вечером в комнату, где производился ремонт. Мальчик прислонился левой рукой к мокрым обоям, а правой коснулся штепсельной розетки, крышку которой маляр снял. Сработало защитное отключение, мальчик только заплакал, но никаких следов или травм не было.
Юноша 16 лет косил траву с помощью электрокосилки. Вращающийся нож случайно повредил кабель. При сворачивании кабеля юноша коснулся жилы; устройство защитного отключения сработало за время 0,1 с, и юноша остался невредим.
На строительной площадке рабочий, стоя на помосте, пытался дрелью просверлить отверстие в стене. При включении напряжения сработало защитное отключение, что предотвратило несчастный случай. Причиной оказалось наличие напряжения 220 В на корпусе дрели.
В механической мастерской неожиданно сработало защитное отключение. Оказалось, что, в штепсельной розетке скопилась проводящая пыль, давшая ток утечки.
В Германии 1970 году в одной установке были применены 133 устройства защитного отключения. После их включения было выявлено 43 дефекта в электроплитах и других электроприемниках и 17 неправильных включений. В другой установке с 285 устройствами после их включения были обнаружены 142 неисправности.
Приведенные примеры показывают, сколько тяжелых поражений может предотвратить система защитного отключения благодаря ее быстродействию.