CC BY
33
УДК 621.311.6
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ УСТРОЙСТВ
ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ
В. К. Монаков
Московский энергетический институт
В. В. Смирнов
ООО "Современные противопожарные технологии"
Рассмотрены особенности конструктивного исполнения устройств защитного отключения и дополнительные требования к устройствам, обеспечивающим пожарную безопасность зданий.
Функционально устройства защитного отключения (УЗО) можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на разницу токов (дифференциальный ток) в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.
Принцип действия УЗО дифференциального типа основан на применении электромагнитного векторного сумматора токов — дифференциального трансформатора тока (рис. 1).
К качеству магнитного сердечника трансформатора тока электромеханического УЗО предъявляются чрезвычайно высокие требования: высокая чувствительность, линейность характеристики намагничивания, температурная и временная стабильность и т.д. По этой причине для изготовления сердечников трансформаторов тока, применяемых при производстве УЗО, используется специальное высококачественное аморфное (некристаллическое) железо.
Ь N
РИС.1. Дифференциальный трансформатор тока: 1Ъ 12 — ток в проводниках; 1Авт — разностный ток; Ф15 Ф2 — магнитный поток в проводниках трансформатора, наведенный токами 11 и 12 соответствено; Фх — суммарный магнитный поток в сердечнике; Ь — фазный проводник; N — нулевой рабочий проводник
Основные блоки УЗО представлены на структурной схеме (рис. 2).
Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока [1] (в абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока). В литературе по вопросам конструирования и применения УЗО этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности (ТТНП), хотя понятие "нулевая последовательность" применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей.
16' 6
N
УЗО
№ ^
РИС.2. Структурная схема УЗО: 1Ъ 12 — ток в проводниках; N — нулевой рабочий проводник; К1 — сопротивление утечки; 1 — дифференциальный трансформатор тока; 2 — пороговый элемент (выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах); 3 — исполнительный механизм (включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода); 4 — цепь тестирования
В нормальном режиме при отсутствии дифференциального тока (тока утечки) в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитоп-ровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока.
Если ток, протекающий по направлению к нагрузке, обозначить как /1, а от нагрузки как /2, то можно записать равенство:
/1= /2.
Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2.
Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки "Тест" искусственно создается цепь протекания отключающего дифференциального тока. Срабатывание УЗО в этом случае означает, что устройство в целом исправно.
По техническому исполнению существуют различные виды УЗО. Ниже приведена примерная классификация.
1. По назначению:
- без встроенной защиты от сверхтоков;
- со встроенной защитой от сверхтоков.
2. По способу управления:
- функционально не зависящие от напряжения;
- функционально зависящие от напряжения.
УЗО, функционально зависящие от напряжения,
в свою очередь, подразделяются на устройства:
- автоматически размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения с выдержкой времени или без нее. При восстановлении напряжения одни модели этих устройств автоматически повторно замыкают контакты своей главной цепи, другие остаются в отключенном состоянии;
- не размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения.
Существуют также два варианта исполнения устройств этой группы. В одном варианте при исчезновении напряжения устройство не размыкает свои контакты, но сохраняет способность разомкнуть силовую цепь при возникновении дифференциального тока. Во втором варианте при отсутствии напряжения устройства неспособны произвести отключение при возникновении дифференциального тока.
3. По способу установки:
- применяемые для стационарной установки при неподвижной электропроводке;
- используемые для подвижной установки (переносного типа) и шнурового присоединения.
4. По числу полюсов и токовых путей:
- двухполюсные с двумя защищенными полюсами;
- четырехполюсные с четырьмя защищенными полюсами.
5. По условиям регулирования отключающего дифференциального тока:
- с одним значением номинального отключающего дифференциального тока;
- с несколькими фиксированными значениями отключающего дифференциального тока.
6. По условиям функционирования при наличии составляющей постоянного тока:
- типа АС, реагирующие на синусоидальный переменный дифференциальный ток, медленно нарастающий, либо возникающий скачком;
- типа А, реагирующие как на синусоидальный переменный дифференциальный ток, так и на пульсирующий постоянный дифференциальный ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком.
7. По наличию задержки по времени:
- без выдержки времени — тип общего применения;
- с выдержкой времени — тип Б (селективный).
8. По способу защиты от внешних воздействий:
- защищенного исполнения, не требующие для своей эксплуатации защитной оболочки;
- незащищенного исполнения, для эксплуатации которых необходима защитная оболочка.
9. По способу монтажа:
— поверхностного монтажа;
— утопленного монтажа;
— панельно-щитового монтажа.
10. По характеристике мгновенного расцепления (для УЗО со встроенной защитой от сверхтоков):
— типа В;
— типа С;
— типа Б.
Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие два типа:
• функционально не зависящие от напряжения
питания (электромеханические). Источником
энергии, необходимой для функционирования устройства (выполнения защитных функций, включая операцию отключения) является сам сигнал — дифференциальный ток, на который оно реагирует; • функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.
Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, несмотря на их относительную дешевизну, ограничено в силу их более низкой надежности (вероятность выхода из строя какого-либо из большого количества электронных компонентов довольно высока), большей подверженности электронных схем воздействию внешних факторов и т.п.
Однако основной причиной меньшего распространения подобных устройств является их неработоспособность при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае "электронное" УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику выносится опасный для жизни человека потенциал.
В Германии до настоящего времени нет действующих нормативных документов, определяющих технические требования на электронные УЗО, и поэтому хотя такие УЗО и выпускаются в небольших количествах (УЗО-розетки, УЗО-вилки), фирмы-производители не имеют права наносить на них германский сертификационный знак — УББ.
В конструкции "электронных" УЗО, производимых в США, Японии, Южной Корее и некоторых европейских странах, как правило, заложена функция отключения от сети защищаемой электроустановки при исчезновении напряжения питания. Данная функция конструктивно реализуется с помощью электромагнитного реле, работающего в режиме самоудерживания. Силовые контакты реле находятся во включенном положении только при протекании тока по его обмотке (аналогично магнитному пускателю). При исчезновении напряжения на вводных зажимах устройства якорь реле отпадает, при этом силовые контакты размыкаются, защищаемая электроустановка обесточивается. Подобная конструкция УЗО обеспечивает гарантированную защиту человека от поражения током в электроустановке и в случае обрыва нулевого проводника.
В США широко применяются УЗО данного типа, встроенные в розеточные блоки. На одном объекте, например в небольшой квартире устанавливается по 10 - 15 устройств. Розетки, не оборудованные УЗО, обязательно запитываются шлейфом от соседних розеточных блоков с УЗО. Электрообо-
рудование ванных комнат подключается к сети через электронное УЗО щитового исполнения. Широко распространены УЗО-вилки и УЗО, встроенные в кабели-удлинители. Например, в продаже невозможно встретить даже самый простой фен, который бы не был снабжен УЗО, встроенным в вилку.
К сожалению, в нашей стране, в отличие от общепринятой в мировой практике концепции, целый ряд предприятий выпускает электронные УЗО на базе типового автоматического выключателя.
Конструктивно такие устройства представляют собой электронный модуль, реагирующий на дифференциальный ток, скомпонованный с автоматическим выключателем и управляющий этим выключателем.
В европейских странах (Германии, Австрии, Франции) электротехнические нормы допускают применение УЗО только первого типа — не зависящих от напряжения питания. УЗО второго типа разрешено применять в цепях, защищаемых электромеханическими УЗО, только в качестве дополнительной защиты для конечных потребителей, например для электроинструмента, нестационарных электроприемников и т.д.
Электромеханические УЗО производят ведущие европейские фирмы: ABB, AEG, ABL Sursum, Baco, Circutor, GE Power, Hager, Kopp, Legrand, Merlin-Gerin, Siemens и др.
В России также большое распространение получили электромеханические устройства, например АСТРО* УЗО. Более 50 модификаций АСТРО* УЗО серийно производятся государственным предприятием ОПЗ МЭИ.
Необходимо отметить, что, к сожалению, на отечественном рынке появилось большое количество УЗО не установленного происхождения, не сертифицированных на соответствие российским стандартам. Такие устройства имеют, как правило, невысокую цену, привлекательный внешний вид, но при этом их качество довольно низкое: недопустимо низкая стойкость к токам короткого замыкания, недостаточная коммутационная способность, малый срок службы и т.д.
Применение подобных устройств (учитывая особое назначение УЗО — защиту жизни и имущества человека) является совершенно недопустимым.
Согласно действующим нормам при реализации УЗО каждое устройство или партия должны иметь обязательно два сертификата: соответствия и пожарной безопасности.
НПБ 243-97* [2] устанавливают требования к устройствам защитного отключения при их конструировании, монтаже и сертификации с целью обеспечения пожарной безопасности электроустановок жилых и общественных зданий.
Согласно [2] функциональные характеристики УЗО должны соответствовать требованиям, изложенным в ГОСТ Р 50807-95, однако дополнительно уточняется ряд требований, которые обеспечивают не только электробезопасность людей, но и пожарную безопасность зданий.
Необходимость применения УЗО определяется проектной организацией по условиям обеспечения пожаробезопасности и с учетом требований норм пожарной безопасности.
В [2] имеются некоторые ограничения на применение УЗО, используемого в качестве противопожарного устройства, а именно:
1. УЗО не должно производить автоматическое выключение;
2. УЗО не должно производить автоматическое отключение потребителя от сети при снятии напряжения сети;
3. УЗО не должно иметь автоматического вспомогательного источника питания;
4. УЗО должно сохранять свою работоспособность при напряжении сети в пределах от 0,6 до 1,2 его номинального напряжения;
5. УЗО должен сохранять свою работоспособность после достижения температуры окружающей среды 100°С.
К сожалению, в отечественных нормативных документах отсутствуют требования к электроизоляционным и конструкционным материалам и не приведены методы их испытания на пожарную опасность.
Отсутствие оценки пожарной опасности полимерных и изоляционных материалов, применяемых
в УЗО, может привести к применению устройств, которые сами представляют пожарную опасность.
Например, трудногорючий материал имеет низкую дугостойкость, что в аварийной ситуации может привести к его воспламенению от слаботочного дугового разряда, а горючий материал, наоборот, обладает высокой дугостойкостью.
Поэтому нормы пожарной безопасности предусматривают определение не только горючести материалов, но и не противодействия возгоранию от нагретой проволоки (ГОСТ 27483), испытание на теплостойкость, на плохой контакт при помощи на-кальных элементов (ГОСТ 27924) и на сопротивление образованию токоведущих мостиков (ГОСТ 27473). Допускается к применению только тот материал, который соответствует указанным в нормах показателям.
Предложенные методы испытаний позволяют исключить применение УЗО с низкой стойкостью к воздействию электрических источников зажигания.
Выводы
1. При выборе типа устройства защитного отключения следует обратить особое внимание на наличие сертификата соответствия и пожарной безопасности.
2. УЗО, функционально зависящие от напряжения сети (электронные), следует применять в основном в качестве дополнительной защиты конечных потребителей.
ЛИТЕРАТУРА
1. УЗО — устройство защитного отключения: Учебно-справочное пособие. — М.: ЗАО "Энергосервис", 2003. — 232 с.
2. НПБ 243-97*. Устройства защитного отключения. Требования пожарной безопасности. Методы испытания.
Поступила в редакцию 19.04.04.
